电力电子及其应用十年展望x

时间：2020-10-04 16:41:14　来源：勤学考试网本文已影响人

电力电子及其应用的十年展望

电力电子及其应用已经走过了从诞生到成熟的艰难历程。但在人类的科技史上看这仅仅

是开始。让我们从时代前进的角度，对包括材料、元器件、整机和系统，从基础理论到可靠性的改善，来初步展望电力电子及其应用在可以预见的今后十年的新发展。

脱胎于以电子管（电真空器件和充气管器件）为基础的工业电子学”在电力半导体器件发

展推动下诞生的电力电子学”已经走过近50年的历程而逐步成熟起来。它以优化功率变换为己任，以高效节能节材为专长，以为自动化、智能化、机电一体化服务为目标，今天已经渗透到电能的产生、输送、分配和应用的各行各业，日益显示出与微电子相似的基础高科技

的一系列特点。

电力电子及其应用的进程是十分艰难的。它是一种强电电子技术。正因为它通过弱电控制来

同强电打交道，所以不断有越来越深层次的可靠性问题被发现、被提出，使其理论和实践的

内容越来越丰富。所以，电力电子还是处于不停的发展中，蕴藏着巨大的生命力。我们从时

代前进的角度，基于对过去近半世纪来的进步的回顾和当代初露端倪的新苗头，来初步展望

电力电子及其应用在可以预见的今后十年的新发展。

1向高电压、大电流、高速化方向发展、各司其职”的电力半导体器件

近半个世纪来，电力半导体器件出现了几十种产品，从理论、结构和工艺的创新、应用广泛

和持续的视角来看，功率二极管、晶体闸流管、可关断晶闸管（GTO）和电场控制器件（IGBT 为代表）是几个发展平台，从每个平台又派生出若干相关的器件来。当然，所有参数均佳的

全能冠军”式器件是不存在的。必然是适应不同的应用需要而会有不同的器件得到具体的发展；而不同的器件又会找到最适合自己特点的应用场合。

1.1功率二极管［1>

在现代电力电子线路装置中，除了大功率工频整流的基本功能之外，功率二极管还日益肩负

起高频整流、续流、隔离、箝位、吸收等越来越多的功能。除了电压、电流的指标外，二极管的反向恢复特性成为最被关注的参数。能够能动地控制恢复电荷、恢复时间、恢复软度及

其一致性的工艺技术，以及为折衷超快恢复特性与压降之间的矛盾而必须采用横向耐压的、减少表面电场的 RESURF技术将会进一步成熟起来。为满足频率越来越高的高频整流和高效率的伏级低电压计算机等整流电源发展的需要，高性能肖特基二极管和用功率 MOSFET

组成的同步整流器将会普及应用。

1.2晶体闸流管

在特大功率的工频开关应用中，晶闸管以其耐压高、通态压降小、通态功耗低而应用在高压

直流输电（HVDC ）、动态无功功率补偿、超大电流电解等场合占有优势。今后十年，我国以三峡电站为代表的一系列西部水力发电站的建成所需的直流输电工程需要大量

6500V/3000A级晶闸管；300kA电解铝设备要求用大量 2500V/5000A级晶闸管。它们的动态特性，如前者的反向恢复电荷的一致性，后者的di/dt耐量高将成为必须攻克的技术细颈。

此外，为解决触发绝缘的困难，要求制造这种参数的光控晶闸管用于 HVDC的呼声日益高

涨。

1.3 从 GTO 至U IGCT

常规GTO因其关断增益不可能太大而必须借助于足够大的负门极电流（约为主电流的三分之一左右）实现关断。有人把 GTO关断所需很大的负门极电流认为是靠门极一阴极结的反向雪崩来传导的，这种错误观点误导了不少 GTO的应用者，使应用中莫名其妙地烧了不少

GTO。实际上，施加负门极脉冲前， GTO必须先开通，即 a 1 a2 1被满足，在阳极电流

足够大之后，才能施加负门极信号来降低门极电位，造成阳极电流的相当部分从阳极直接流

向门极而减少了通过阴极即 npn晶体管部分的发射结的电流，从而使门极一阴极发射结对应

的电流放大系数减小，最终在 a 1 a 2<1时，GTO关断。这里，GTO的状态检测和识别十

分重要，即只有当GTO处于通态之后才允许施加负门脉冲来关断它。否则在断态下的 GTO

上施加负门脉冲容易使门一阴结击穿损坏。在 GTO关断时，很大的负门极电流在其体内不

是来自门一阴结的反向雪崩击穿，而是来源于阳极电流的部分分流。

在大功率高电压的交流逆变（变频器）应用中， GTO继承了晶闸管通态压降比较小的优点。

为了克服其靠负门极电流关断的难点，近几年来出现了一种靠外附 MOSFET组来关断的

GTO组件，即IGCT （集成门极换流晶闸管）已逐步完善。从这个意义上讲， IGCT是外关

断的GTO。它们关断时，是靠分组串接在阴极和门极的两组多并联 MOSFET的协调工作来

实现的。即关断瞬间先让通过阴极的阳极大电流全部分流”到门极，再利用串在门极的

MOSFET的快速关断使之断流而关断。这样，表面看测不出它的尾部电流了；实际上，与原来GTO尾部电流对应的多余电荷仍存在于其基区体内，这部分电荷（载流子）的复合仍需要时间，所以IGCT的全关断时间和工作频率同 GTO类似。从长远看，IGCT用于高压直流输电和动态无功补偿等工频逆变比较合适。 [2>6000V/800A级IGCT已经商业化。

1.4 从 IGBT 至U IEGT[1>

IGBT在实践中显示了自己的生命力，最近 IGBT在大功率、高频率方向上取得了可喜的突破。

（1）沟槽（Trench）结构降低IGBT的通态压降

常规IGBT在栅极下方不可避免地存在一个结型场控晶体管，采用沟槽结构挖掉了这个晶体

管，使IGBT的串联电阻明显减小。

　这要求解决挖槽、侧壁氧化及垂直制栅等具体工艺问题。

（2）非穿通（NPT）结构实现多芯片并联，以扩大 IGBT电流容量

穿通结构能减薄基区，在晶闸管、 GTO等多种电力半导体器件中得到广泛应用。在常规电

压IGBT中，为减薄外延层，也采用穿通（ PT）结构，但PT结构中各并联单元之间存在着电流分布不均的严重问题。IGBT的制造又要经过十来次光刻，其成品率不允许像晶闸管、 GTO那样在一个大硅片上直接做一个器件。所以，要想得到大电流容量的IGBT ,必须采用

多芯片并联。采用 NPT结构，在额定电流下，各 IGBT芯片并联时能实现自动均流的功能。

　于是，采用NPT结构的多芯片（如几十个）并联，已成为 IGBT向大电流容量发展的主要技术措施。

（3）用单晶片取代外延片制造高电压 IGBT

1200V以下的IGBT，基区只有100多微米，只能靠在足够厚度的超低电阻衬底硅片上外延生长出来，才会保持其机械强度，加工时不至碎片。制造高电压 IGBT，基区厚度要求达到

几百微米，这就可以不用外延片而直接采用高电阻率的单晶硅片了。

（4 ）提高基区内载流子浓度分布的 IEGT

高电压的常规IGBT，由于基区大大加宽，导通压降太大。采用注入增强栅晶体管结构

（IEGT ），增加基区中的载流子浓度来减小其体压降。这是 IGBT走向高压化的又一重要

措施。所以，IEGT是高电压化的IGBT。目前4500V/3000A的IGBT （ IEGT）已经商品化。

　不久，6500V级IEGT也将实用化。

（5）霹雳型IGBT向150-300kHz前进

正常IGBT的工作频率在10-20kHz，其开关速度比 GTO、IGCT快得多。在交流电动机变频调速中，它是较好的选择。它在中小容量装置中淘汰功率双极晶体管（ GTR）已成定论。

IEGT在高电压领域中保持快速开关特性。

　在20世纪末，采用特殊结构和特殊少子寿命控制

（如质子注入加特殊退火工艺规范）的 IGBT，在600- 1200V电压水平下，使工作频率达

到150kHz （硬开关）和 300kHz （软开关），被称为霹雳型 IGBT。它们将在开关电源中与功率MOSFET竞争，以其导通压降小，电流密度大，电压等级高，成本低等优点占有优势。

　今后十年的开关电源，也许这种 IGBT的市场份额将会扩大。

1.5功率MOS场效应管（MOSFET ）在竞争中快速发展

20世纪90年代初业界就有不少预言，功率 MOSFET将随价格的降低而逐步扩大其在量大

面广的晶体管总市场中的份额，从而将胜过固有二次击穿问题的双极结型晶体管。在 2000

年，二者市场份额已经基本持平。今后十年，功率 MOSFET的这种优势将进一步发展，特

别是在汽车电子（每辆轿车约采用 40— 120只MOSFET）、计算机外部设备、各种开关电源和电子镇流器等开关应用的领域，将成为功率 MOSFET的广阔市场。

如前所述，在较高电压（如 300V以上）、中等频率（如 200kHz以下）的开关电源中，功率MOSFET将遇到高频化的IGBT的竞争。但是，所有含有PN结的硅器件（包括二极管），其导通伏安特性上均有至少 0.7V的门槛电压降，而功率MOSFET表现为纯电阻特点而呈从原点发出的直线。

　所以在100V以下的开关应用中，MOSFET的导通电阻低于结型器件，超

低导通电阻的 MOSFET占有绝对优势，这对高效率的伏级开关电源是重要贡献。

另外，在200kHz以上的高频应用领域，也是功率 MOSFET的巨大市场所在。最近几百兆

赫、几百瓦的射频 MOSFET已经商品化。未来十年，微波功率 MOSFET （即吉赫波段）的

应用将可能促使微波设备的全固态化。

低电压MOSFET的低导通电阻、极高的开关速度，以及其良好的并联自均流特性（双极器件难以达到），使其成为大功率 IGCT不可缺少的组成部分。

1.6碳化硅器件的登场

碳化硅是一种高温半导体材料，工作温度可达 600C。PN结耐压易于达到 5— 10kV。导通

电阻比硅器件小得多。导热性比硅好。漏电流特别小。现在碳化硅制成的高压二极管、

MOSFET管均已问世。估计在今后五年内，碳化硅材料中的缺陷，特别是内部存在的管道”

（pipe）密度将得到明显减少，材料成本将大为下降，器件工艺更加成熟。到 2012年，若

干种功率碳化硅器件将在市场上出现并逐步得到普遍应用。

器件是装置的基础，一代器件将推动一代整机的前进。在未来十年内，电力电子器件仍将是

硅器件当家。碳化硅器件的发展速度受到碳化硅材料完整性的制约。

2不断提高应用可靠性，抑制电应力是关键 [3>

在稳态工作的电气设备中，设计师总是可以把元件选择和系统设计得十分可靠，因为稳态的

电能分布是可知的，可控的。但是在电力电子系统里，它的工作状态是经常变化的，在从一种稳态转入另一种稳态的过渡过程中，系统中的能量分布发生很大变化；另一方面，系统中

的功率半导体器件总是工作在频率越来越高的开关过程当中，产生很高的 dv/dt和di/dt。这

不仅使整个系统经常处在周期性重复的瞬态，而且随着开关频率的升高，器件开关过程中的

损耗将远大于其稳态损耗。瞬态中能量在系统中的分布失衡，从而产生各种局部过电压和过

电流（通常表现为电压、电流波形上的毛刺”），通称电应力”。这些电应力的存在意味着

能量的局部集中，瞬时功耗很大但作用时间却很短，引起局部过热（超温）、绝缘层的疲劳击穿、电机轴电流的出现致使轴承的电烧蚀、功率半导体器件的突然损坏等灾难性后果。

　瞬

态能量分布的失衡还常伴随着电流、电压波形的畸变，产生各种谐波。这不但污染电网、殃

及电网上连接的其他电器，而且在电力电子系统中引起谐波损耗、谐波谐振、谐波转矩等多

种问题，直接危及本系统运行的可靠性。因此，分析研究电应力的出现原因，采取各种抑制

电应力的措施，是提高电力电子应用可靠性的关键，是今后十年电力电子产品能得以迅速推广应用的重大问题。

2.1不同时间常数子系统共存的电力电子系统的能量分布研究

电力电子系统中存在着时间常数差异很大的若干子系统。子系统的时间常数表征着该系统的

能量分布从一种稳态转为另一种稳态的过渡时间。例如，在电动机调速的现代电力电子系统

中，存在着：（1 ）以秒计的机械时间常数表征的机电转换系统，它主要决定于转子和运动负载的转动惯量；（2）以毫秒计的电磁时间常数表征的电磁转换系统，它主要决定于定子、

转子的电感（自感与互感）；（3）以微秒计的晶闸管、 GTO等器件开关决定的主电路开关

系统；（4）以纳秒计的IGBT、功率MOSFET等器件快速开关及某些拓扑中高频软开关环节决定的。一般地说，要用短于或等于某系统时间常数动作的措施来保护系统中的过电压、过电流。现在据了解皮秒级动作的新型压敏器件已经上市 [4＞。以上第一个系统的研究在经

典的电力拖动”课程中得到了比较充分的展开；第二个系统的研究也在龟机瞬态过程”课程

中得到良好的分析。应该说目前从纳秒到皮秒系统的研究还是很不够的，目前除了用

“ Sun bber（'吸收、缓冲）的概念外，研究的基本模型和得力方法尚未建立起来，电力电子

系统中有关电应力的规律研究还刚刚开始。现在，有了计算机仿真的手段，有可能在今后十

年内完善从拓扑、建模（物理模型和数学模型）、模拟等以能量的角度来综合研究电应力、探讨失效机理、改善可靠性的系统性成果出现。在一定意义上讲，电力电子科技工作者正是

通过不断研究、协调、处理过渡过程中的能量失衡”，来提高系统可靠性的。

其实，我们熟知的电容上的电压不容突变，电感中的电流不容突变”均来源于系统中的能量

不容突变。电容 C储备的电场能量 E = ?CV2,dE/dt = ?C?2Vdv/dt = CVdv/dt。电感L储备的磁场能量 E = ?LI2 , dE/dt = ?L?2ldi/dt = LIdi/dt。所谓电容上的电压突变，就是 dv/dt = ^；

电感中的电流突变，就是 di/dt = ~它之所以不允许出现，就是因为 dE/dt = P （功率），功

率P不会是无穷大。

2.2采用无感功率母线是应用快速开关器件的现代电力电子装置的必备元件

在应用快速开关器件时，电压、电流常以脉冲形式出现，其前、后沿有极高的dv/dt和di/dt。

常规电缆和实体铜板母线都有很大的寄生电感和寄生电容，一根 10厘米长的直圆导线就有

约10纳亨的寄生电感。电感与di/dt的乘积就是过电压毛刺的高度。为了减小接线寄生电感、

抑制电应力，在现代电力电子装置中必须采用特别设计制造的无感功率母线，主回路中的各

种元器件都安装在这种功率母线上，不再增加另外的接线。无感功率母线是用多层（每层不

同电位）很宽的薄铜板母线彼此绝缘并粘合成一体的，从每一层母线有特制的、彼此电绝缘

的螺栓同各个元器件相联接。其寄生电感比普通接线减少 1 -2个数量级。而且整机的结构

大为简化和紧凑。无感功率母线在电力电子装置中的采用，国外已有十多年历史了，其成熟产品在国内仍很鲜见。今后十年，无感功率母线应该得到普及。

2.3元器件-整机合一的集成化、智能化模块的推广

近十年来，所谓Alli none的电力电子装置正在逐步推广。

　它是把一台装置的全部硬件（各种

元器件、集成电路）有序地以裸片形式组装在一个模块里，使各元器件之间的引线减少到最

低程度。整机设计制造人员只要在 DSP或微处理器芯片上写入各种软件就可以了。这样做，

首先是减少电应力，提高可靠性；其次是整机结构紧凑，体积缩小，功率密度提高，一台

75kW的电机变频调速用的模块，尺寸只有 800 >400 >300mm这么大；同时这种封装结构代

替了常规装置的三次封装，成本也降低了。这种产品通常称谓用户专用智能化功率模块”

（ASIPM ）。这样，采用计算机辅助设计（ CAD ）可以把应用装置设计者要求的电路元件

及其接线，科学地布置、安装在一个模块中，统一密封起来，安装在必要的散热器上。用户使用十分方便。

2.4选择、采用合理的保护措施

在电力电子装置中，针对换向过电压、操作过电压、大气过电压要采取相应的保护措施；对于各种不同的器件要采取与之相适应的强触发驱动和保护方式；在串并联时，要考虑它们的

均压、均流；对于过电流、超温和短路等故障也要采取合理的保护。这些属于电力电子应用

技术的通用部分。

要注意的是，电力电子装置中的各种元器件往往有其特殊要求。很多场合下要注意选用无感

电阻、无感电容；隔离、箝位用的二极管必须具备快速恢复特性；交一直一交”直流环节的

储能电解电容不仅应无感，还要减小其串联等效电阻，要用足够粗的多引线并联引至端子。

最近有报道[4>说动作反应速度达到 10-12秒（皮秒）的保护元件已经问世，它能抑制现代电力电子系统中的各种过电压毛刺，后者的持续时间是 10-9秒（纳秒）量级。这种皮秒级

动作的过压保护元件有可能把动作电压值置于比正常峰值电压略高点，于是，很多纳秒级的

过电压毛刺都可以被削平。这样一来，现存的过电压应力都能得到充分抑制；由大量过电压

毛刺对应的瞬态功耗总值也被节约下来（在大型电力电子装置中，有因此节电10— 15%的

报道）；过电压毛刺的削平，还可降低各种元器件的耐压储备，从而减少元器件花费，降低装置成本。在未来十年内，这种保护元件很有应用前景。

3全面控制电气参数的变换，向波形重组前进 [3>

各种不同的电力电子变换器，其实质是变换系统输入电气参数为用户需要的输出电气参数。

　最基本的电气参数有：电压、电流、频率、相数，以至于波形等六项。纵观电气科学的发展史，19世纪末基于电磁感应原理而问世的变压器，实现了交流电压和交流电流的自如变换。

由此逐渐形成了庞大的输变电行业，实现高压交流输电和低压配电到用户，使电能的方便使

用成为现实，并迅速推广普及，为近代工业和生活质量的发展提供了重要的能源基础。 20

世纪下半叶电力电子技术的进步，逐步诞生了整流器、斩波器、逆变器、变频器等各种功率

变换器，完成了频率、相位、相数的受控变换，使电能的产生、输送、分配和应用实现了优化，使以电能为核心的各种能量的转换，使电参数的全方位控制和改变，上升到高效率和高

功率因数的新阶段。

　电气参数的全面受控变换，使得高效率用电和高品质用电相结合 ”的目

标正在一步步成为现实。伴随着高性能微处理器和高速功率开关器件的进步，可以预见到：在21世纪中，电力电子和微电子全面结合，进一步发展和改善，将会实现电压、电流波形的优化重组。

3.1脉宽调制（PWM ）是波形重组的成功范例

20世纪后二十年，脉宽调制（PWM ）技术从无线电领域引入到电力电子中来，得到很大成

功。首先在DC/DC变换中的直流脉宽调制，解决了高效率直流变压、变流的难题。这种技术被从几瓦到几百瓦的开关电源推广到几十、数百千瓦的直流电机斩波调速中，通过调制脉

冲宽度和脉冲重复频率相结合，完成了很宽范围的直流无级调速，在直流电机传动中显示了

比调节电枢电阻和磁场电流的传统调速方法高效得多的节能效益。这是从连续直流波形重组

为断续脉冲波形再滤波重组为新的连续直流波形。它在逆变式直流焊机中也得到有效地应

用。

后来，在交流电机的交一直一交变频调速中，特别在其中直一交”逆变变换中，广泛采用了

各种交流脉宽调制（交流 PWM ）技术。它按特定规律变换出一系列不同宽度（其脉宽同所在时相的正弦成比例）的方波脉冲，再经滤波重组成正弦化的输出波形，送到交流电动机负

载。这种波形重组也是十分成功的。

在开关电源中，工频交流电源整流后向滤波电容每周波只充电一次，形成了电网侧的输入电

流严重畸变，功率因数大为下降，谐波大为增多。

　有源滤波，保证每周波对滤波电容有上万次充电, 率因数改善到几乎为 1

流严重畸变，功率因数大为下降，谐波大为增多。

　有源滤波，保证每周波对滤波电容有上万次充电, 率因数改善到几乎为 1的程度。

近来，中电压大功率交流电机的变频调速装置中，

现在普遍采用了高频化 PWM技术来实行使输入电流重组成近于标准的正弦波，功

多电平级联式模块又是 PWM波形重组的

一个实例。每个模块都把变压器副边的一组三相绕组的三相电整流为直流后再逆变为单相交

流电。这些模块的输出通过专门的控制软件的指令，再把它们级联重组为三相正弦波送到电

动机上。其中又一次成功地采用了特定的脉宽调制技术。

3.2交-交矩阵式变频器是波形重组的典型发展

20世纪变频器（无论是交流电机变频调速还是开关电源的变换）主回路的拓扑基本上以交

—直一交变换为主，以直流环节采用大电容或大电感而被区分为电压型（从负载侧看是低内

阻的电压源供电）或电流型（从负载侧看是高内阻的电流源供电）变频器。在 20世纪末出

现的交一交矩阵式直接变频器省去了中间直流环节，在三相输入和三相输出相交的矩阵九个

节点上各用一对反并联的开关器件联接起来。靠着这些器件的特殊有序开关，把每一瞬间的

三相输入电压依一定的规律送到副边，组成频率、相位不同于输入的新三相系统供给负载，实现输入电流的 PWM波形重组和输出电压的 PWM波形重组。这样，有更高的转换效率、消除了电源输入电流的畸变而大大减少了谐波、功率因数可达到 1、可满足四象限运行，还

能够全容量回馈。这种波形重组将推动电力电子理论、元器件（如有可用的双向 IGBT，则

使装置大为简化）、拓扑、控制等多方面的发展和进步，有可能成为 21世纪各种电力电子

变换装置采用的主要拓扑。

3.3波形重组下的有源无功功率补偿-谐波滤波装置

传统电路中，在正弦波形下由于电抗性负载（电感、电容）同电源交换能量而形成的相移无功功率（可称为第I类无功），可以通过合理地并联电容器的办法得到补偿。在现代电力电

子电路中，除了正弦基波与电压之间的相移使存在这种同样的第 I类无功之外，还由于各谐

波电流同正弦电压之间形成的畸变无功功率（可称为第 II类无功）。第II类无功只靠电容

器是得不到根本补偿的，必须同谐波滤波相结合。比较好的办法是采用有源-无源结合的无

功功率补偿一谐波滤波”结合的装置，以削弱对电网的污染和提高电力品质。现在已有多种这样的补偿一滤波方案。

曾有这样的方案：把畸变的三相电流分解成各次（ n个）谐波，每组同次三相谐波又各自分

解成正序、负序、零序三个分量。对这 3n个分量分别进行补偿，再把它们组合起来。这种

分析方案过于复杂庞大，难以实施操作。看来在今后十年中会研究开发出来波形组合方案，有可能是最有效的。在这种方案里，畸变电流只需分解出一个同正弦电压同相位的基波电流，二者相减即得到一个电流中所有谐波分量和基波无功分量混合的实际波形。以这个波形为目

标，重组发生一个与之波形相同、大小相等、相位相反的倒影电流。在同该畸变电流汇流后，所有谐波和无功电流都相互抵消了，只有功率因数为1的基波正弦电流流入电网。这种任意

波形电流发生器已在研究之中，并取得了喜人的进展。

　可以预见，利用波形重组实现的这种

无功补偿-谐波滤波”一体化装置将在未来十年取得长足的进步。

4电力电子新应用领域展望

同以往相比，今后十年内有希望成为电力电子应用新领域的市场热点在哪里？从现在正在开发和需求的情况看，以下几个方面的动向值得注意。

4.1电机系统节能［5>

电动机拖动系统消耗掉全国用电量的 62%左右，既是第一位用电大户，也是节能潜力最大

的用户。我国政府在本世纪初提出电机系统节能计划，在今后五年内，计划投入 500亿元，

争取年节电达到1000亿kWh。这是一项十分艰巨的任务。特别是作为国民经济各行业主力装备所用到的中电压(1 — 10kV )大功率(400— 2000kW)电动机系统，实现调速节能还有不少问题有待解决。其中大家看好采用 IGBT、多电平、级联式、无电网污染的变频器。这

里，科学地划定用电电压等级、进一步克服电应力造成的电机绝缘层疲劳击穿与轴承电蚀的

失效损坏、提高电动机的能效水平、降低变频器的成本与售价，都是推广中有相当难度的措

施。

在风机、泵、压缩机之类通用电机系统中，节能调速潜力很大，在石油、电力、冶金、有色、

化工、上下水处理等行业中有很大需求。它对调速精度要求不高，但要求调速器可靠耐用、价格便宜。因此，在新十年中应注重对经济型调速装置的开发，使这种系统的节能效益早日

得到实现。

在变频工况应用日益增多的今天，设计、制造同变频工况的特点相适应的专用电动机是很必

要的。面对中国即将成世界电动机的制造、供应基地的现实，尽快制订与世界接轨的电动机

和变频器标准，按全寿命期中总能耗最低、总费用最少的思路来设计有自己知识产权的系列电机和专用变频器，是需要认真做好的基础工作。

4.2永磁无刷电动机及其直流变频”调速

永磁无刷电动机采用永磁代替电流激磁，可使电机效率提高 4-8个百分点。当它用位置传

感器或靠软件计算代替位置传感器信号按电子换向器控制工作、电枢电流为方波运行的，即

为永磁无刷直流电机模式，又称自控式同步电机”。当它靠外加变频器控制、电枢电流为正

弦波运行的，则为永磁同步电动机模式，又称为他控式同步电机”。这种电机兼有交一直流

电动机二者的优点，调速范围宽，电机结构简单，低速转矩比较大，对电动机械来讲有可能

做到在很宽速度范围内直接驱动，从而减少噪声(免去变速箱或皮带传动) ，还有电机惯量

小等长处。

目前，在日本的空调产品中调速空调已占到 95 %以上。在此领域中，现在异步机的交流变

频正在被这种永磁无刷电动机的所谓直流变频”所代替。直流变频空调已占到空调产品的

50%。而且，在冰箱、洗衣机等家用电器中采用直流变频”已成为潮流。所以对于今后十年

的中国家电市场来说，也将应是永磁无刷电机直流变频占主导。这种装置单台容量虽小，但

量大面广，市场总量及节能总量都不可轻视。

目前永磁无刷电动机的容量受到磁铁尺寸、钕铁硼永磁材料的居里点等方面的制约，除家用

电器市场外，在计算机外围设备、电动车辆和电梯牵引等领域中也显示了明确的优越性。中

国是稀土材料的富国，占世界储量 78%以上。把这种资源优势转化为效益优势，是未来十

年发展的重点。最近 240kW的这种电机及其控制器已经完成鉴定。将来的发展不可限量。

　要指出的是，永磁无刷电动机在伺服传动领域中有不可替代的优势，在机械人、数控加工系

统，以至军事应用中会有广阔应用天地。

4.3电动车辆及充电站网络

中国人多地大石油少，现在中国每年已进口许多石油。在 21世纪前半叶，地球上的石油天

然气资源日益减少，以至早晚会用尽。

　特别在中国国情下，城市交通以发展电动车辆为主是

必然的趋势。大城市间的磁悬浮列车、城市内的电动高架列车和地铁列车、个人用电动自行

车和电动汽车将构成未来的交通网络的主角。其中，大有电力电子产品的用武之地。

　磁悬浮

列车的磁悬浮电源和直线电动机的变频调速；城市高架列车和地铁列车中异步电动机的变频

调速；电动自行车和电动汽车中永磁无刷电机的外转子调速，在今后十年里会有很大的发展。

这里，电动自行车和电动汽车的普及必须解决无刷电机及其控制器、环保电池、快速充电器

和充电站网络服务等几方面的问题。现在看来，在中国推广电动自行车替代摩托车作为代步

工具技术上正在趋于成熟。这里必须采用镍-氢电池组和锂离子电池组，消除常规铅-酸电

池对环境的污染。这种价格尚偏贵的电池组可以采用向电动自行车用户出租使用的方式，实

行由间距合理的电池充电站统一充电和用户自行充电相结合的办法。铅一酸电池与锂离子电

池（如36V , 10AH ）相比，前者重12kg，后者仅2.4kg。

电动汽车的发展又是电力电子未来的潜在大市场。首先是高能量密度的清洁电池的突破。比

较有希望的是燃料电池，它的起动和稳定运行都要用电力电子产品与之配套。其牵引系统方

案中令人最感兴趣、并已有工业应用前景的，要属安装在四个车轮中的外转子盘式永磁无刷

直流电动机驱动了。

　这种电机结构的优化设计、高性能控制调速传动，以及四台电机转动的

协调运转，将为电动汽车的舒适运行，零半径转弯提供技术保证。今后十年将是电动汽车实

用化发展的关键时期，电力电子产业可以也应该为此做出相应的研究开发工作，积极迎接这

个庞大市场的到来。

4.4中压直流输电

20世纪的后二十年，电力系统中采用高压直流远距离输电显示了很大的优越性。葛洲坝一上海的120万kW、犬OOkV输电线路正常运行了十多年。今后十年三峡电站和红水河等西部水电站的西电东输工程，高压直流输电将陆续建成。这都是数百万 kW级的国家工程。

采用直流输配电系统具有功率因数高（没有无功问题）、电网污染小、节电等优点。这种技术有可能在今后十年推广到中电压（1kV左右）直流输电范围来。在石油、矿山、电力等部门企业中，用电负载散布在相距几十、上百公里的范围，不可能也不值得在各应用点设大量

降压变电站，从总发电站或总变电站送出的工频三相 380V标准电力有很大线损，而且沿输

电线的偷电现象十分严重。现在已经完成了一项在石油油田中采用中压直流输电的改造工程。变电站里设置一台容量较大的整流器，送出 1kV直流电；在负载侧首先安装斩波器，

把输入电压灵活地稳定到与三相 380V交流系统适应的直流值；然后接逆变器，把该稳压直

流电逆变成工频标准电压，以交流三相 380V供给抽油机等需要调速的正常负载节能运行。

这样，把大量的交-直-交”变频调速器展开了：把交-直”整流部分集中到主变电站，而把直-交”逆变部分分布在各用电点。既节约了电能，又防止了偷电。

随着电力电子应用的推广，许多工业设备和家用电器中都采用交一直一交”变换，这在交流

供电系统中是不可避免的。如果逐步采用直流供电，充分发挥逆变器和斩波器的作用，来高

效率地供给各种交、直流负载。这样的社会供电系统，也许会带来更安全、更经济、更节能的社会效益和经济效益。

　这当然是一种畅想，但在未来十年中，会在某些行业中先行，再逐

步推广。

4.542V直流汽车电子系统［6>

现代燃油汽车（特别是轿车）中，电气负载越来越多：包括起动电机在内的各种电动机达

30- 70个、多个电磁阀、车内外照明与仪表显示、水泵、风扇、冷暖空调电器和各种车用电子装备，其功率将从 2kW/台增加到10kW/台。这样，采用12V蓄电池供电系统（汽车发电机为14V端压）的线损太大了。同时考虑到供电电压对人体的安全保证， 1994年开始提

出把汽车供电系统的电压提高到 36V蓄电池，汽车发电机端压为 42V的动议，现已为美欧

汽车行业接受，首先在3升以上排量的豪华轿车中推行，再逐步扩展到所有轿车和其他汽车。

这种系统中采用60V级功率MOSFET当作无触发继电器，控制门、窗的开关，座椅的倾斜与复位等，约装有100多只。在新增加的汽车电子和汽车电器中坚持推行 36V额定电压，对老的12V电器与电子设备则采用42V/14V的DC — DC变换器供电。汽车行业的这项决策无疑给电力电子产业带来了极大的商机。在未来十年中，这项过渡即将实现。国际汽车电子界的这场战略变化的举动应该引起国内汽车行业和电力电子行业的关注与投入。

4.6低频交流励磁在水力、风力发电中的应用

在跨世纪的前后各十年中，我国正在大力建设以三峡水电站为核心的水力发电设施。同时与

国际同步正在研发、推广风力发电等可重复的绿色发电装置。水量与风速的大范围变化使这

两种发电机的转速恒定（以保证发电频率固定）带来很大困难。水力发电可以在一定的流速

变化范围内靠调节器控制其转速恒定，但超出这个范围，特别是枯水期，即使还可以发电，但因频率失衡也只好停车检修了。而风力发电则不得不放弃性能、效率更好的同步发电机，而采用在线异步发电机来适应风速变化而频率不变的要求，其代价是牺牲高效率和较低速度

时的风力资源。

在原动力速度变化较大的发电场合，如果把传统的直流励磁改成超低频可变频交流励磁，用

励磁频率的变化来弥补发电机转子转速的非稳定变化，就有可能在河水枯水期使水力发电机

继续发电；使风力发电机回归到选择同步机，在各种变化的风速下输出恒定电频率的电能。

这给电力电子技术提出了新的挑战。

4.7电能储存装置

电是一种十分特殊的商品，市电供应的交流电是无法储存的。