電力電子技術(shù)突顯節(jié)能功效 新型器件嶄露頭角

發(fā)展電力電子產(chǎn)業(yè)的首要意義在于節(jié)約電能，因此，高效率是我們對電力電子器件的基本要求。新型電力電子器件IGBT(絕緣柵雙極型功率管)已在工業(yè)控制、消費電子、汽車電子等多個領(lǐng)域充當(dāng)了節(jié)能的“急先鋒”，而在新能源領(lǐng)域，電力電子器件也是不可或缺的元素。

電力電子器件在其發(fā)展的初期(上世紀(jì)60年代-80年代)主要應(yīng)用于工業(yè)和電力系統(tǒng)。而近20年來，隨著4C產(chǎn)業(yè)(通信、計算機、消費電子、汽車)的蓬勃發(fā)展，電力電子器件的應(yīng)用范圍有了大幅度的擴展，其技術(shù)已成為航空、航天、火車、汽車、通信、計算機、消費電子、工業(yè)自動化及其他科學(xué)與工業(yè)部門至關(guān)重要的基礎(chǔ)。

電力電子是節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

電力電子技術(shù)是實現(xiàn)高效節(jié)能、改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)并促進(jìn)機電一體化的關(guān)鍵技術(shù)。它是弱電控制與強電運行之間、信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)之間的橋梁，是我國國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)技術(shù)，是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國防的重要支撐技術(shù)。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和核心，電力電子技術(shù)的發(fā)展是圍繞著各種新型電力電子器件的誕生和完善進(jìn)行的。

當(dāng)前，發(fā)展電力電子產(chǎn)業(yè)的首要意義在于節(jié)約電能。北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院亢寶位教授在接受《中國電子報》記者采訪時就曾表示：“為解決能源短缺的問題，除了‘開源’之外，‘節(jié)流’的潛力也是十分巨大的，而節(jié)流的首要措施就是電力電子器件的發(fā)展及其推廣應(yīng)用。例如，據(jù)統(tǒng)計，我國用于電機的電能占我國總發(fā)電量的60%以上。如果全國電機的驅(qū)動都采用電力電子器件進(jìn)行變頻調(diào)速，電機耗費的電能就可節(jié)能大約1/4到1/3，也就是說可節(jié)約全國總發(fā)電量的15%至20%。”

中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會副理事長兼秘書長白繼彬則告訴《中國電子報》記者，節(jié)能和高效是電力電子技術(shù)的主要特征，這主要是因為電力電子器件一般工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)。電力電子學(xué)與信息電子學(xué)在技術(shù)上主要的不同點就是功效問題，對信息處理用的低電平電路很少要求其效率超過15%，而電力電子技術(shù)中的功率電路的效率則必須在85%以上。由此可見，高效率是電力電子器件的根本要求。

IGBT在多個領(lǐng)域表現(xiàn)出色

要實現(xiàn)“十一五”規(guī)劃中提出的“單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗比‘十五’期末降低20%左右”的目標(biāo)，關(guān)鍵是要有效降低工業(yè)生產(chǎn)過程中那些大電流和高電壓應(yīng)用的功耗，如交流電機控制、逆變器、繼電器、開關(guān)電源、變頻器、工業(yè)傳動裝置、機車與列車用電源以及供暖系統(tǒng)傳動裝置等工業(yè)自動化應(yīng)用的能耗。

所有這些交流控制應(yīng)用都需要能夠產(chǎn)生大電流和高電壓的核心功率器件，作為新型電力電子器件的代表，IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)越來越受到業(yè)界的重視。IGBT是MOS結(jié)構(gòu)的雙極器件，它兼具功率MOSFET(金屬氧化物場效應(yīng)晶體管)的高速性能和雙極晶體管的低電阻性能，具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快、工作頻率高、安全工作區(qū)大等優(yōu)點，這使得IGBT器件成為大功率工業(yè)自動化應(yīng)用的理想功率開關(guān)器件。IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率1kHz以上的領(lǐng)域。

除了在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用之外，隨著人們節(jié)能意識的逐步增強，消費電子產(chǎn)品對于IGBT的需求量也迅速增長。例如在感應(yīng)加熱的應(yīng)用上，IGBT就因其具有耐高壓和較高開關(guān)頻率的特點而成為電磁爐中的關(guān)鍵組件；而變頻空調(diào)、變頻洗衣機等變頻家電也主要使用集驅(qū)動電路、保護(hù)電路功能于一身的IGBT智能模塊，它簡化了電路設(shè)計；在照明應(yīng)用方面，IGBT也是高壓氣體放電燈(HID)、燈具調(diào)光器以及高頻鎮(zhèn)流燈所需的器件。此外，在汽車電子領(lǐng)域，IGBT也已經(jīng)代替達(dá)林頓管成為汽車點火器的首選器件；而意法半導(dǎo)體亞太區(qū)模擬、功率及微機電系統(tǒng)事業(yè)部總監(jiān)寶羅爾在接受《中國電子報》記者采訪時則表示，大電流IGBT也越來越多地應(yīng)用到混合動力汽車的主轉(zhuǎn)換器中。

開源也靠電力電子

在全球范圍內(nèi)解決能源短缺問題，“開源”和“節(jié)流”是兩條最根本的途徑。利用電力電子器件提高系統(tǒng)的效率，降低能耗，屬于“節(jié)流”的范疇；而開發(fā)新能源，以替代煤、石油、天然氣等不可再生的能源，則屬于“開源”的范疇。事實上，在“開源”的領(lǐng)域，電力電子器件也起著重要作用。

太陽能發(fā)電一直是人類探索新型能源的重要領(lǐng)域。近20年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，1990年-2007年，我國太陽能電池的產(chǎn)量增長了1641倍。2007年，我國太陽能電池產(chǎn)量為821MW（兆瓦），占世界總產(chǎn)量的22%，位居世界第二。要將太陽能發(fā)電機組產(chǎn)生的直流電并入電網(wǎng)，就必須用逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電。而由于市場對可再生能源的需求上升，太陽能逆變器的市場也在不斷增長。而這些逆變器需要極高的效率和可靠性，對于需要1200V功率開關(guān)的太陽能逆變器來說，IGBT是理想的選擇。

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，電力電子器件在變流器中的應(yīng)用也起到至關(guān)重要的作用。三菱電機機電(上海)有限公司總經(jīng)理森敏在接受《中國電子報》記者采訪時表示：“風(fēng)力發(fā)電變流器是連接發(fā)電機和電網(wǎng)的橋梁，通過變流器可以使風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速跟隨風(fēng)速進(jìn)行改變，從而最大限度地提高風(fēng)能的利用效率，有效降低載荷，同時保證風(fēng)輪及其所驅(qū)動的電機轉(zhuǎn)速變化時，輸出的電能頻率始終與電網(wǎng)頻率一致。”