如今提高能源利用效率，普及并促進(jìn)可再生能源的使用，已成為主要工業(yè)國家能源政策中必須達(dá)成的目標(biāo)。這種情況下對(duì)電能而言電力電子技術(shù)非常重要，該技術(shù)運(yùn)用高頻開關(guān)功率半導(dǎo)體對(duì)電力進(jìn)行控制，并對(duì)電壓及電流的品質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，在太陽能發(fā)電方面利用最大功率點(diǎn)跟蹤以最大發(fā)電效率將直流電能送入交流電網(wǎng)中，在風(fēng)力發(fā)電方面通過高壓直流輸電減少因長距離輸電造成的輸電損耗。另一方面，運(yùn)用能任意控制輸出電壓與頻率的變換器，可實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩控制的變速驅(qū)動(dòng)，可以讓產(chǎn)業(yè)工藝高效化。

由于擁有以上優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用電力電子技術(shù)的變換器的應(yīng)用范圍非常廣泛，在過去數(shù)十年中隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，采用數(shù)字信號(hào)處理、新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制方式，從而大幅提高了功能性、成本與性能的平衡性、裝置體積和變換效率。雖然已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了上述高性能，但是對(duì)大幅提高性能的要求沒有止境，不僅要對(duì)一個(gè)性能指標(biāo)，還需要對(duì)變換效率與體積，或者成本與效率等多個(gè)性能指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行改善。

使用SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)等寬禁帶功率半導(dǎo)體的新元件技術(shù)為提高上述性能提供了技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)由于開關(guān)速度較快，因此需要新的封裝結(jié)構(gòu)等新技術(shù)。而且，門極驅(qū)動(dòng)器與功率半導(dǎo)體開關(guān)實(shí)現(xiàn)一體化后，將來除了可以對(duì)裝置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控外，對(duì)開關(guān)行為的控制也將成為可能。另外，取代焊錫接合技術(shù)的低溫銀燒結(jié)工藝等功率半導(dǎo)體模塊中的接合技術(shù)成為進(jìn)一步提高性能的關(guān)鍵技術(shù)。采用此技術(shù)便可在高溫下運(yùn)行，并簡(jiǎn)化冷卻結(jié)構(gòu)。關(guān)于無源器件需要關(guān)注具備高能量密度和高電流的新型陶瓷電容器技術(shù)，以及以兩面冷卻和氣液兩相冷卻等為代表的新冷卻技術(shù)。數(shù)字控制技術(shù)作為變換器控制以及在線整定最佳控制參數(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)將進(jìn)一步得以推廣。在電源領(lǐng)域中，有望從以電流連續(xù)模式運(yùn)行的硬開關(guān)變換器過渡到以電流不連續(xù)模式或電流臨界模式運(yùn)行的軟開關(guān)變換器。電流不連續(xù)模式中存在高導(dǎo)通損耗的問題，可以通過新一代功率半導(dǎo)體的低導(dǎo)通電阻得到改善。設(shè)計(jì)EMC濾波器時(shí)，雖然可以采用使多個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的相移型系統(tǒng)即交錯(cuò)型轉(zhuǎn)換器，但這是以電流連續(xù)模式運(yùn)行的，所以必須慎重選擇。DSP(Digital Signal Processor)以及FPGA(Field Programmable Gate Array)等數(shù)字控制裝置性能的進(jìn)一步提高(摩爾定律)使得這些復(fù)雜的調(diào)制方式容易得到采用。

隨著已確立技術(shù)的深入開發(fā)，應(yīng)在所有等級(jí)中進(jìn)行功能整合。例如，在裝置等級(jí)的整合過程中，通過將變頻器與電機(jī)一體化，不僅能實(shí)現(xiàn)裝置整體的最佳設(shè)計(jì)，還可以提高用戶使用的方便性。最后補(bǔ)充一點(diǎn)，為方便對(duì)裝置特性進(jìn)行多方面分析，開發(fā)可同時(shí)分析電熱特性或磁熱特性的仿真工具非常重要。其課題主要是元器件的建模和正確的參數(shù)選取。

例如，搭載有在效率與成本方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的高輸出AllSiC模塊的太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器(PCS)，搭載有高效率高密度 Si-SiC混合模塊的變頻器，為控制體積和成本而與電機(jī)一體化的帶變頻器的空調(diào)用變速驅(qū)動(dòng)器，在效率方面實(shí)現(xiàn)最佳化的電機(jī)的新系列，采用RB-IGBT的T-型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不間斷電源裝置(UPS)。在這些最先進(jìn)工業(yè)系統(tǒng)中的大幅度的性能提高，是通過電力儀表領(lǐng)域的高度的技術(shù)進(jìn)步，并且在實(shí)踐過程中于極為廣泛的范圍內(nèi)掌握技術(shù)要素來實(shí)現(xiàn)的，這些都給人留下了深刻的印象。

電力電子技術(shù)領(lǐng)域已達(dá)到非常高的技術(shù)水平，今后還將繼續(xù)對(duì)性能進(jìn)行改善。在下個(gè)開發(fā)階段中，大概會(huì)將降低成本、確保較高可靠性和魯棒性作為核心焦點(diǎn)。在印刷電路板上的封裝功率半導(dǎo)體、光信號(hào)路徑、散熱元件的封裝技術(shù)、3D打印機(jī)等新生產(chǎn)技術(shù)可以讓構(gòu)成變換器的要素及材料實(shí)現(xiàn)多功能，為提高性能做出貢獻(xiàn)。然而在高度集成的極緊湊系統(tǒng)中，為觀測(cè)無法直接測(cè)定的信號(hào)，需要將仿真技術(shù)與測(cè)定技術(shù)進(jìn)行整合的動(dòng)態(tài)信號(hào)推測(cè)技術(shù)。

在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中，以直流供電系統(tǒng)為代表的中壓絕緣型變換器的進(jìn)一步發(fā)展值得期待。同時(shí)在小容量領(lǐng)域中，運(yùn)用微電子技術(shù)，可取名為微電力電子的新電力電子領(lǐng)域?qū)⒌玫酱_立。而且隨著電力電子設(shè)備的深入普及，為實(shí)現(xiàn)循環(huán)型社會(huì)做出貢獻(xiàn)，在設(shè)計(jì)過程中不僅要考慮削減制造成本，還必須考慮到再生性。關(guān)于所使用材料的成本及特性，在大學(xué)中也應(yīng)該進(jìn)行研究，而實(shí)際上在瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院蘇黎世校(ETHZ)的電力電子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(PES)已進(jìn)行了多年研究。

總而言之，從只考慮單一變換器的設(shè)計(jì)向考慮供配電系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)進(jìn)行范式轉(zhuǎn)移，作為今后應(yīng)用領(lǐng)域的中心值得期待。隨時(shí)進(jìn)行高效電力轉(zhuǎn)換的要求，將被電源系統(tǒng)壽命周期成本的最小化以及保證高效高可靠性的能源供應(yīng)的要求所替代。同時(shí)，除了對(duì)單一變換器的詳細(xì)功能進(jìn)行分析外，對(duì)微電網(wǎng)及微微電網(wǎng)系統(tǒng)中變換器之間的相互作用的研究的重要性也極大地增加。正如幾十年前由分立元器件構(gòu)成的電子電路向?qū)崿F(xiàn)集成化的單一封裝的IC、LSI轉(zhuǎn)變那樣，今后電力電子設(shè)備中的變換器也會(huì)向標(biāo)準(zhǔn)化功能塊的集成和封裝的方向發(fā)展。智能電網(wǎng)以及除電力以外擁有多個(gè)能源介質(zhì)的超智能電網(wǎng)將得到這些新一代電力電子技術(shù)的強(qiáng)力支持。實(shí)現(xiàn)從元器件向系統(tǒng)或者從電力電子向其他領(lǐng)域的技術(shù)拓展過程中存在很多難題。但從另一角度來看，這也是提高創(chuàng)造性，引導(dǎo)技術(shù)革新，最終取得經(jīng)濟(jì)方面成功的一項(xiàng)具有魅力的挑戰(zhàn)。
作者：瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院蘇黎世校區(qū)(ETHZ)教授