電力電子技術(shù)的二十年及其未來——思考走向信息時(shí)代的電力電子學(xué)

電力電子技術(shù)的二十年及其未來

——思考走向信息時(shí)代的電力電子學(xué)

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我國的電力電子學(xué)會(huì)成立至今，已有20個(gè)年頭了。當(dāng)年我曾為此準(zhǔn)備過一篇詳細(xì)的綜述文章，在成立大會(huì)上作了介紹。最近著意去找了一下這二十年來寫就的多篇有關(guān)電力電子技術(shù)的文章。前后對(duì)比之后，深感電力電子技術(shù)確實(shí)已有了很大的發(fā)展。特別有個(gè)新感受是：由于時(shí)代的變遷，電力電子的側(cè)重點(diǎn)和內(nèi)容也正在發(fā)生巨大的變化。

　　電力電子學(xué)在當(dāng)年是一個(gè)嶄新的名詞，因而我花過很多時(shí)間就其形成、定義、特征、分類及其展望作了一番論述。當(dāng)時(shí)我曾提到：五十年代末誕生了集成電路和晶閘管。從集成電路的發(fā)展形成了微電子學(xué)，其應(yīng)用是信息電子學(xué)。從晶閘管及其他電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展和變流技術(shù)結(jié)合則形成電力電子學(xué)。但當(dāng)時(shí)對(duì)信息電子和電力電子的關(guān)系很少考慮過，潛意識(shí)地感到它們是屬于兩個(gè)各奔前程的學(xué)科。

　　從二十年的發(fā)展來看，半導(dǎo)體器件確實(shí)起了推動(dòng)電子技術(shù)發(fā)展的作用。集成電路對(duì)信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要作用是誰都了解的。晶閘管等電力半導(dǎo)體器件也扮演了電力電子發(fā)展中的主要角色。難怪當(dāng)初電力電子的倒三角定義的中心就是晶閘管。這些年來的經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)某種關(guān)鍵的半導(dǎo)體器件誕生后，往往會(huì)引起電子技術(shù)的一個(gè)飛躍。這也就容易理解當(dāng)MOS功率器件誕生后為何又一次使電力電子技術(shù)跨上了一個(gè)新臺(tái)階。當(dāng)然對(duì)MOS器件的深入認(rèn)識(shí)也有個(gè)過程：最初根據(jù)場效應(yīng)晶體管的單極性結(jié)構(gòu)，很自然理解到它必然具有較快的開關(guān)速度，從而帶動(dòng)了高頻電力電子技術(shù)的發(fā)展。又從其電壓控制模式，理解到它很容易和微電子器件接口，功率集成電路就此應(yīng)運(yùn)而生，使MOS器件的控制方式大為豐富并簡化。但當(dāng)時(shí)還沒有理解到，MOS晶體管實(shí)際上還是一種具有最低阻抗的整流器件。乍一看來，利用晶體管去代替整流器似乎難以理解，可是采用了同步整流的原理后這個(gè)問題就解決了。這樣正好符合了電腦發(fā)展所必須的超低壓電源的特殊需要，從而也就更增加了功率MOS晶體管的重要性。

　　在半導(dǎo)體器件的發(fā)展中，必須注意到微電子器件永遠(yuǎn)是先導(dǎo)和主體。微電子器件的產(chǎn)值占有著半導(dǎo)體器件中的絕大部分，它主導(dǎo)了半導(dǎo)體新技術(shù)的發(fā)展。更重要的一點(diǎn)是：它在信息化的過程中起了關(guān)鍵作用。當(dāng)今我們正處于這樣一個(gè)時(shí)代，按我們國家的話來說：大力推進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化，是覆蓋現(xiàn)代化建設(shè)全局的戰(zhàn)略舉措。這一點(diǎn)，在過去的年代里是無法想象的。這在某種程度上也說明了要使電力電子行業(yè)有更快發(fā)展，和信息電子掛鉤也將是一個(gè)重要舉措。

圖1 計(jì)算機(jī)及internet消耗電能的比例

　　我們過去常把微電子比作腦子，電力電子比作肌肉，然后兩者共同工作于電力電子裝置之中。那時(shí)很少想到微電子或信息電子本身也需要電力電子作為電源，就象腦子需要心臟供血一樣。所以信息電子不僅是電力電子的合作伙伴，而且也將是電力電子的主要客戶。過去我們常忽視這一點(diǎn)，也許是因?yàn)樾畔⑺褂玫碾娔芩坪跏俏⒑跗湮⒌?，因而認(rèn)為電力電子的節(jié)能作用對(duì)信息電子并不重要。甚至感到它并不屬于電力電子的范疇。圖1顯示了美國信息電子消耗電能所占的比重及其逐年增加的勢頭，圖中還顯示了網(wǎng)絡(luò)消耗電能的劇增。信息電子需要這么大的能源供給可能使許多人都意想不到。但是這卻說明了優(yōu)化信息電子所采用的電源，應(yīng)該是電力電子界的重任。特別需要說明的一點(diǎn)是：對(duì)便攜式（portable）電器來說，節(jié)省電池的電能還有另一層次的意義。因?yàn)閷?duì)使用膝上電腦、掌上電腦、手機(jī)的人們來說，最關(guān)心或煩惱的事，就是每次充電后可使用的時(shí)間；同時(shí)人們總希望進(jìn)一步縮小所使用的便攜式電器，節(jié)省電能就為此創(chuàng)造了條件。

圖2CUP對(duì)電源的要求

　　另一個(gè)更重要的情況是：信息電子對(duì)電源常常有其獨(dú)特的要求：例如通信系統(tǒng)中要求大量的DC/DC低壓電源，而電腦也要求低壓大電流快響應(yīng)的電源（見圖2）?？梢韵胂髮?duì)一個(gè)低到只有1V的電源，卻又要求在高效率下流出100A的電流，這樣的電源在制作時(shí)遇到很多困難。因?yàn)镻N結(jié)零偏壓勢壘就有(0.5～0.7)V，它在超低壓電源中是不可能起到有效整流作用的。因此，信息電子對(duì)功率半導(dǎo)體器件及電力電子技術(shù)提出了許多特殊要求。這些不僅已成為電力電子的最重要的新方向，而且也已成為一些功率半導(dǎo)體器件廠的新器件的主要發(fā)展方向和高收入來源。

　　上面的敘述說明了兩個(gè)問題，一方面是半導(dǎo)體器件對(duì)電力電子技術(shù)起了推動(dòng)作用，另一方面已形成的新產(chǎn)業(yè)和新應(yīng)用反過來又對(duì)半導(dǎo)體器件提出新要求。就象每十年集成度翻一倍的微電子推動(dòng)了信息電子的迅速發(fā)展，而信息電子又反過來要求微電子及電力電子去配合以達(dá)到它自身更新的發(fā)展。電力電子在信息電子發(fā)展的道路上，雖然不是主體，但卻是不可缺少的一員。對(duì)電力電子本身來說，這是開辟其新發(fā)展方向的重要機(jī)遇。

　　二十年前，我介紹了晶閘管及其他自關(guān)斷器件取代水銀整流器，晶體管電路或集成電路作為控制部件取代單結(jié)管及磁放大器等的過程。現(xiàn)在看來很多話題已很陳舊，但這也說明二十年來我們確實(shí)已取得了許多進(jìn)步，發(fā)生了很多變化。一些當(dāng)時(shí)認(rèn)為最先進(jìn)的東西現(xiàn)在已變成很一般了。當(dāng)時(shí)認(rèn)為的電力電子技術(shù)應(yīng)用的三大支柱：電化、牽引和直流傳動(dòng)現(xiàn)在已趨成熟，新的三大熱門：交流傳動(dòng)、直流輸電及無功補(bǔ)償已進(jìn)入實(shí)用。我國近年來在交流傳動(dòng)、牽引等方面確實(shí)有了很大的發(fā)展。有些項(xiàng)目，例如三峽直流輸電工程，是全國最重大的項(xiàng)目之一，將對(duì)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到巨大的作用。但我們卻又看到一部分傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件或有關(guān)廠家，日子并不好過。如果把我們的視野進(jìn)一步擴(kuò)展到信息電子行業(yè)，把電力電子看作是和信息電子同步發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，也許有可能取得新的發(fā)展動(dòng)力。我們?yōu)橹畩^斗許多年的行業(yè)，就有可能在信息時(shí)代的發(fā)展中，尋到自己另一個(gè)新的位置。

　　我們行業(yè)內(nèi)有許多仁人志士，積極爭取在我國發(fā)展MOS型器件制造，我十分期盼著他們的成功。它對(duì)我國電力電子技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)產(chǎn)生重大的影響。從目前我國的實(shí)力來看，取得成功的可能性是大大地增加了。國外某些功率半導(dǎo)體器件公司，其產(chǎn)品的主要客戶已經(jīng)有了轉(zhuǎn)變，首先是信息產(chǎn)業(yè)，其次才是工業(yè)應(yīng)用。而汽車工業(yè)和家用電器，近期也有很快的發(fā)展。當(dāng)客戶大量面向信息、汽車、家電后，生產(chǎn)業(yè)績就有很大的上升。遺憾的是我國的器件制造業(yè)還不可能做到這一點(diǎn)，但相應(yīng)的電力電子客戶已有可能做到。我們的學(xué)術(shù)界，應(yīng)有可能起到帶頭和輿論導(dǎo)向的作用。

　　過去我們常感到中國在信息電子方面是很落后的，這個(gè)認(rèn)識(shí)現(xiàn)在必須改變。中國最近宣布，其電話用戶已突破2億戶，其中包括手機(jī)6500萬戶，這些都已成為世界第二。要看到，1979年時(shí)，才僅僅約200萬戶。1992年達(dá)1000萬、1998年達(dá)1億戶，現(xiàn)在又達(dá)2億戶，其發(fā)展速度是驚人的。我國的網(wǎng)絡(luò)用戶，過去以每年14倍的速度發(fā)展，已列入世界第八位。據(jù)美國某投資銀行估計(jì)，三年后中國的網(wǎng)民會(huì)達(dá)到8千萬。說明我們在信息化的過程中，其速度是非常快的。再加上我國對(duì)信息產(chǎn)業(yè)的重視，其發(fā)展還會(huì)進(jìn)一步加快。要看到信息產(chǎn)業(yè)已成為我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要推動(dòng)力。上海最近就提出了要在五年內(nèi)投入1500億元集中發(fā)展信息電子產(chǎn)業(yè)，并要建造10條以上集成電路生產(chǎn)線，以使上海信息電子產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值占全市工業(yè)總產(chǎn)值的25％。這僅是一個(gè)例子，但從這里可看到其發(fā)展勢頭。我國不僅早已是鋼產(chǎn)量世界第一、最近發(fā)電量也成為世界第一，許多家用電器也是世界第一，這說明我國信息和電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還有其他產(chǎn)業(yè)作為后盾。不能把信息化的過程僅僅視為在計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用，實(shí)際上其范圍是更為廣泛的，并不是說信息化時(shí)代，所有東西都要和信息掛上邊。信息時(shí)代的產(chǎn)品，當(dāng)然不會(huì)統(tǒng)統(tǒng)是信息產(chǎn)品，例如汽車正在進(jìn)一步電子化或電動(dòng)化，為了操作更方便，行駛更安全，汽車中愈來愈多的微電子電路和功率集成電路參與控制，有愈來愈多的電子安全保護(hù)。汽車電子還為汽車的節(jié)能發(fā)揮了重要作用。從功率半導(dǎo)體廠的發(fā)展來看，汽車電子可能成為其第二大客戶。這些并不都是信息化的應(yīng)用，但這是當(dāng)今這個(gè)時(shí)代的新技術(shù)。當(dāng)然汽車中也在發(fā)展導(dǎo)向裝置，現(xiàn)在上海的有些出租車，管理部可直接讀到它的具體位置，有的公交車路牌，可動(dòng)態(tài)標(biāo)示下輛車還有幾分鐘可以到達(dá)，這些也可算是信息化的一種表現(xiàn)。家用電器將是功率半導(dǎo)體廠的第三或第四重要客戶。家用電器中電源的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)和通信中的電源有共通之處。家用電器中的變頻調(diào)速，所采用的大多是MOS型器件，已普遍用于空調(diào)、冰箱之中，在洗衣機(jī)中的發(fā)展也已開始。這些變頻調(diào)速，用到從整流到逆變，從控制到主部件等各種元器件，是最典型的電力電子應(yīng)用。我們不能因?yàn)榧译姷墓β什淮?，就忽視了它在電力電子中的位置，這是一個(gè)必須強(qiáng)調(diào)的方面。此外，當(dāng)這些微波爐、空調(diào)、冰箱和網(wǎng)絡(luò)有了結(jié)合，就有可能成為今后的另一個(gè)新熱點(diǎn)，即所謂信息家電。但這僅是信息家電的一個(gè)概念。信息家電的主要概念和方向是將家電中的電視、電話（包括手機(jī)）、VCD、CD、電腦、游戲機(jī)、新聞或小說閱讀、電子郵件、電子商務(wù)、數(shù)字相機(jī)、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、家庭保安中的若干部分組合在一起。據(jù)說日本的信息家電1998年已達(dá)2萬億日元。這些發(fā)展都需要電源和電力電子。房地產(chǎn)業(yè)是拉動(dòng)我國國民經(jīng)濟(jì)的另一要素，有了新住房就要新電器，這是家用電器包括功率半導(dǎo)體器件的一個(gè)新機(jī)會(huì)。不少住宅區(qū)已和網(wǎng)絡(luò)建立聯(lián)系，信息電子已和每個(gè)家庭掛鉤。中國的有線電視的覆蓋率已達(dá)70％以上，這也為信息家電進(jìn)入家庭創(chuàng)造了條件。據(jù)說今后有可能模糊電腦、通信和家電的界限。但另一說法是，信息家電永遠(yuǎn)代替不了個(gè)人電腦。同時(shí)目前的信息電子也已進(jìn)入了金融、保險(xiǎn)等行業(yè)，而各種信用卡、交通卡、煤氣卡等等都在發(fā)展。據(jù)說上海是世界上第二個(gè)使用公用交通卡的城市，坐公交車、地鐵、出租車都可以用它。在電腦發(fā)展方面，（要注意，這是電力電子的重要服務(wù)對(duì)象）中國去年銷售6百萬臺(tái)。近年來，中國的電腦制造業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。我國的東莞，據(jù)說已是世界最大的電腦零部件產(chǎn)地，已可供應(yīng)95％的零部件。用IBM人的話來說，如果香港和東莞的交通有了堵塞，則全球75％電腦市場就會(huì)受到影響。總之，當(dāng)前信息電子的概念已經(jīng)進(jìn)入了幾乎每個(gè)領(lǐng)域，而我國在信息電子方面也已有了一定規(guī)模。

　　綜上所述，我認(rèn)為二十年來，整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展形勢已有很大的變化。全球包括中國正在進(jìn)一步信息化，在此形勢下，電力電子技術(shù)必須考慮跟上這一變化，其原因如下：

　?。?）信息產(chǎn)業(yè)已成為國家的最重要的產(chǎn)業(yè)之一。甚至影響整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展。信息電子應(yīng)用、以及采用這個(gè)時(shí)代最新技術(shù)的汽車電子和家用電器，將有可能成為今后電力電子的最主要的一些應(yīng)用方面。

　　（2）根據(jù)信息產(chǎn)業(yè)對(duì)電力電子技術(shù)的需要，專門服務(wù)于信息產(chǎn)業(yè)的功率半導(dǎo)體器件及其應(yīng)用技術(shù)已有了長足的發(fā)展，且已能滿足信息產(chǎn)業(yè)的需要。這些新技術(shù)，今后將影響電力電子的進(jìn)一步發(fā)展。

　　我上面的敘述，并不表明不重視傳統(tǒng)電力電子學(xué)的發(fā)展。而只是表明，電力電子工作者要關(guān)心信息化過程中電力電子的新作用。我比較趨向于把大（功率）電力電子技術(shù)和小（功率）電力電子技術(shù)都明確地歸納在電力電子之中。兩者都應(yīng)受到重視，以共通的技術(shù)來互相補(bǔ)充和互相促進(jìn)。我還建議那些卓有成就的電力電子學(xué)者和專家，分一部分精力來思考走向信息時(shí)代的電力電子技術(shù)，思考未來二十年電力電子可能達(dá)到境界。這樣會(huì)更有利于開拓新的技術(shù)，取得新的活力，發(fā)展新的產(chǎn)品。

　　謹(jǐn)以此文，獻(xiàn)給二十年來致力于發(fā)展電力電子技術(shù)的同志們，望大家取得新的進(jìn)步。