电力电子技术的重要作用

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1 电力电子技术的重要作用

电力电子是公民经济和领域的重要支撑技术。 它是工业化和信息化 交融的重要手段， 它将各样能源高效率地变换成为高质量的电能， 将电子信息技术和传统产业相交融的有效技术门路。 同时，仍是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段， 在履行目前国家节能减排、 发展新能源、 实现低碳经济的基本国策中起侧重要的作用。

电力电子器件在电力电子技术领域的应用和市场中起着决定性的作用， 是节能减排、可重生能源产业的“绿色的芯” 。电力电子半导体器件是陪伴着以硅为基础的微电子技术一同发展的。 在上世纪五十到六十年月， 微电子的基本技术获取了完美，而功率晶体管和晶闸管则主导了电能变换的应用。 从七十年月到八十年月，功率 MOS 技术获取了快速发展并在很大程度上代替了功率晶体管。 鉴于 MOS 技术的 IGBT 器件开始出现，并研发出 CoolMOS。九十年月初此后，主要的研发力量集中在对 IGBT 器件性能的提高和完美。到了本世纪初，经过了若干代的连续发展，以德国英飞凌、瑞士 ABB、美国国际整流器公司（ IR）、日本东芝和富士

等大公司为代表的电力电子器件产业已经拥有了趋于完满的 IGBT 技术，产品的电压覆盖 300V 到 6.5kV 范围。 电力电子器件与有关技术包含： （ 1）功率二极管； （ 2）晶闸管；

（ 3）电力晶体管；

（ 4）功率场效应晶体管（ MOSFET）； （ 5）绝缘栅双极型晶体管（ IGBT）； （ 6）复合型电力电子器件；

（ 7）电力电子智能模块（ IPM ）和功率集成芯片（ Power IC）； （ 8）碳化硅和氮化镓功率器件； （ 9）功率无源元件；

（ 10）功率模块的封装技术、热管技术； （ 11）串并联、驱动、保护技术。

2 电力电子技术发显现状和趋向 2.1 电力电子器件发显现状和趋向电力电子器件产业发展的主要方向：

（ 1）高频化、集成化、标准模块化、智能化、大功率化；（ 2）新式电力电子器件构造： CoolMOS，新式 IGBT ；

（ 3）新式半导体资料的电力电子器件：碳化硅、氮化镓电力电子器件。 2.2 电力电子装置、应用的现状和趋向（ 1）在新能源和电力系统中的应用

电力系统是电力电子技术应用中最重要和最有潜力的市场领域， 电力电子技术在电能的发生、 输送、分派和使用的全过程都获取了宽泛而重要的应用。 从用电角度来说，要利用电力电子技术进行节能技术改造，提高用电效率；从发、输配电角度来说，一定利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。 （ 2）在轨道交通和电动汽车中的应用

电力电子技术在轨道交通牵引系统中的应用主要分为三个方面： 主传动系统、协助传动系统、 控制与协助系统中的稳压电源。 在电力电子技术的带动下， 电传动系统由直流传动走向现代沟通传动。 电力电子器件容量和性能的提高、 封装形式

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的改良，以及功能单元的模块化设计技术促使了传动系统装置的简洁化， 促使牵引电传动系统、协助系统和控制与协助电流稳压电源的发展。 （ 3）工业电机节能应用

电动机作为电能最大的花费载体，拥有很大的节电潜力。我国“十五”和“十一 五”计划都将电机系统节能列为节能的要点项目。 而跟着电力电子技术、 计算机技术、自动控制技术的快速发展， 电气传动技术面对着一场历史， 即沟通调 速代替直流调速、计算机数字控制技术代替模拟控制。 （ 4）在花费类电子中的应用

电力电子技术在花费类电子中的应用主要集中于各种家电中电机的驱动、 感觉加热、照明驱动和各种个人电子用品电源管理， 家用电器依靠变频技术， 主要对准高功能和省电。

（ 5）在国防军工中的应用

电力电子技术及电力电子装置已日趋宽泛地应用和浸透到能源、环境、制造业、 交通运输业中， 特别是与和国防有关的先进能源技术、 激光技术、空天技术、高档数控机床与基础制造技术等很多重要领域， 电力电子技术是关系到上述领域中的核心技术所在。 电力电子在现代化国防中获取愈来愈宽泛的应用， 所 有现代国防装备的特种供电电源、 电力驱动、推动、控制等均波及到电力电子核心技术。

2.3 电力电子技术发展趋向

（ 1）下一代电力电子装置的变换效率将有极大的提高，采纳碳化硅器件的装置的效率将从现有硅器件的 85~90% 提高到 99% ，体积减小到 1/5~1/20 。 （ 2）下一代电力电子器件的装置将开辟崭新的应用领域，极大地拓展电力电子技术的影响，诸如进入输电系统、实现智能电网等。

3 我国电力电子行业发显现状与机会 3.1 我国电力电子器件的市场现状和趋向

（ 1）从 2005~2008 年我国电力电子市场的增添率均匀为 23% ，到 2008 年电力电子器件的市场销售额达 1016.2 亿人民币。

（ 2）跟着我国特高压直流输电、高压变频、沟通传动机车 / 动车组、城市轨道交通、电动汽车等技术的发展和市场需求的增添， 对超大功率晶闸管、 IGCT、IGBT的需求特别紧急，并且需求量特别大。

（ 3）从 2010 年到 2020 年全世界 IGBT 市场将连续保持年均 20% 左右的增添速度。我国 IGBT 的市场规模，2010 年是的 55 亿元人民币，估计 2015 年将增添到 137 亿元人民币， 2020 年将达到 341 亿元人民币。 3.2 我国电力电子器件行业与外国的差距

（ 1）高频场控电力电子器件的市场基本上被外国垄断。 （ 2）电力电子器件的生产遇到外国竞争。

（ 3）电力电子器件的中、高端芯片的研发和生产的要点技术还有待打破。 （ 4）电力电子器件芯片的生产线有待完美和提高。 （ 5）新式电力电子器件生产的产业链还未形成。 3.3 我国电力电子装置的发显现状与剖析 （ 1）变频器技术

国内市场上的变频器厂家有 300 多家。活跃在我国市场上的国产品牌占 70% 左右，但市场份额仅占 25% 。目前，高压变频器的主要市场为内资公司据有，中低压变频器市场主要被外资据有。

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（ 2）轨道交通中的应用

目前我国高铁营运里程和运转速度均为世界第一，但核心的电力电子器件如 IGBT 均为入口产品。 （ 3）直流输电技术

国内直流输电技术有了超越式的进步， 输送电能容量有了很大的提高。 高压直流 输电是当今世界上先进的输变电技术，目前国内直流输电市场主要以± 500kV 超高压直流输电工程和± 800kV 特高压直流输电工程为主， 直流输电的核心设施—国产晶闸管换流阀已获取成功的应用。 （ 4）无功赔偿技术 无功赔偿技术是电力电子大家族的重要成员，此中 SVC（静止无功赔偿器）是无功赔偿装备的代表产品。目前，我国已经完好掌握了 SVC设计制造的核心技术，完全实现了 SVC的全面国产化，并已成为国际上最大的 SVC设计制造国。 （ 5）新能源中的应用

在目前国家启动的发展新能源的战略规划中，将太阳能、热泵、水电、风电、生物质能、交通可代替能源、绿色建筑、新能源装备制造业、对外投资新能源发电等列为我国新能源发展的要点领域。我国将要点打造十大新能源工程。 （ 6）国家产业的扶助

“十一五” 时期，国家启动了支持新式电力电子器件产业化项目， 第一批达成了对国内众多电力电子（包含 IGBT）芯片和模块公司的支持，培养了一大量功率电子的研发骨干公司。在“十二五”马上到来之际，国家和工信部

又公布了支持电力电子器件研发和产业化的众多专项支持计划，对 IGBT 的支持也初次写进了牵头、 科技部组织的国家科技重要专项 “极大规模集成电路制造装备及成套工艺” ，明确了国家对 IGBT 芯片研发、制造工艺、模块封装、制造装备和资料全面支持。

（ 7）全世界功率半导体产业转移趋向

全世界功率半导体产业转移趋向促使了我国电力电子器件需求的增添和技术的进 步。目前，全世界当先的制造商全力发展微电子半导体， 而将大功率半导体器件产业向新兴市场国家特别是中国转移，主要表现为：制造转移、采买转移、技术转移。

（ 8）下一代宽禁带电力电子器件发展的机会

我国正面对着一个发展高功率碳化硅电力电子器件、 实现超越式发展并快速追上致使超越西方国家的绝好机会。 在这样一个快速发展的领域， 我国的电力电子产学研机构急需进行大量的基础性研究工作， 稳固和发展科研队伍， 增强在国际上 的影响，为发展高功率碳化硅电力电子器件确立优秀的基础。 高功率碳化硅电力电子器件的发展目标， 旨在知足国家目前在节能减排、 开发新能源、 传统产业转型以及军事安全等领域的急迫需求， 同时对准国际发展前沿， 实现高功率碳化硅电力电子器件的基础理论创新、设计方法创新和系统剖析创新。

4 我国电力电子行业发展战略规划 4.1 编制原则

我国电力电子产业化， 要以科学发展观为指导， 环绕我国低碳经济发展的重要战略需求，对准节能减排、 发展新能源和培养新兴战略产业的应用， 充足发挥巨大的国内市场需求， 坚持“推动、 市场主导，自主创新、宽泛合作，整合资源、要点打破，立足国情、超更加展”的原则，抓住机会推动电力电子器件产业化， 优化我国电力电子产业构造，为国家低碳经济发展做出贡献。

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4.2 发展目标

（ 1）高频场控电力电子器件和装置产业

（ a）鼎力推动 IGBT、MOSFET、FRD 等高频场控电力电子芯片和模块的产业化，成拥有自主知识产权的芯片设计、 制造和封装技术， 掌握沟糟型、 电场中断型的

NPT 型 IGBT 的设计及制造技术， 包含构造设计、 靠谱性设计， 以及光刻、刻蚀、表面钝化、反面研磨、反面离子注入、反面金属化、测试等工艺技术，提高产品 品位。赶快形成芯片和器件的规模化生产。

（ b）在芯片工作的基础上，加快并扩大采纳上述国产芯片各种模块的产业化：为知足电机节能、冶金、新能源、输变电、汽车电子、轨道交通等领域对功率模 块的实质需求， 实现采纳自主知识产权的芯片和功率模块产业化， 保证国产芯片达 30% 。除了大功率模块以外，还应当开发智能功率模块（ IPM ）和用户专用功 率模块（ ASPM）等，要点解决模块制造中的散热要点技术、电磁兼容（ EMC）技术和智能功率模块的驱动及保护技术等。

（ c）形成高端功率集成电路（ PIC）产业，包含功率 MOS 智能开关，电源管理电路（ 20V 到 700V ，功率达到 1000W ）、半桥或全桥逆变器、电机驱动器（三相全桥电路的集成，功率达到 1000W ，用于空调等应用中）、 PWM 专用 SPIC、 集成稳压器等产品和产业，力求在国内市场中据有 20% 以上的市场份额。 （ d）形成高频场控电力电子器件生产的原资料及配套件的产业化：要点解决高 阻区熔硅单晶（电阻率达到 200cm 以上、单晶直径达 8 英寸）、陶瓷复铜板、铝碳化硅基板、构造件等的制造技术和提高产质量量，知足规模生产的需求。

（ e） 成立国家级的高频场控电力电子器件的测试平台， 拟订和完美电力电子器件标准。

（ f）鼓舞和促使国产高频场控电力电子器件的应用，使器件的制造和应用互相促使推动我国的电力电子技术和产业的发展， 保证国产高频场控器件的市场据有率 20～30%。

（ g）鼓舞推行采纳自主技术芯片、器件和功率模块的应用装置产业化，包含变频装置逆变装置、感觉加热装置、无功赔偿、有源滤波、通讯（网络）电源等， 使国产化的电力电子器件在国产装置中所占比重提高到20 ～30% 。

（ h）在各应用领域培养使用国产高频场控器件的要点公司，赐予性支持，展开国产化的示范应用。在轨道交通、新能源汽车、电机节能、绿色电源、花费电子等领域培养要点，建立典型，发挥示范作用，带动和推行国产器件的应用。

“十二五”时期，国产 IGBT 在国内总销售额争取达到 20 ～30% ，培养 5～10

家在国内 IGBT 产业销售额过亿元的公司；形成商业化的产业规模。估计 2015 年 IGBT 的销售收入 25 亿元，带动电力电子装置规模达到 500 亿元～ 1370 亿元 左右。 （ 2）宽禁带半导体资料和电力电子器件的研发

我国在该领域还未展开研发， 为此要踊跃展开碳化硅资料和器件的科研， 掌握碳 化硅资料和电力电子器件要点的设计优化、 制造工艺和封装基本技术， 成立自主的下一代电力电子器件的研发能力和产业化的基础。争取在“十二五”时期，达到以下目标：

（ a）研发出 4 英寸的拥有器件制造质量的碳化硅单晶衬底； （ b）成立 60 微米以上的高电阻率碳化硅外延能力；

（ c）研制出 5000V 以上的碳化硅二极管和碳化硅晶体管芯片；

（ d）研制出 40A 以上的碳化硅二极管、 20A 以上的碳化硅晶体管芯片，

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（ e）研制出 400A 以上的碳化硅二极管模块， 200A 以上的碳化硅晶体管模块。 （ 3）电力电子装置“十二五”时期，电力电子装置及应用方面的目标则是要点解决目前新能源开发、轨道交通、电动汽车、电力系统、花费电子、国防应用中急需的各样不一样容量、高功率密度、高性能的电力电子装置， 研究和开发各应用领域中电力电子装置与节能要点技术，并实现完好的相应产业链。建议在发展布局、支持原则、优先发

展要点以及实行举措上考虑以下几点： （ a）形成电力电子装置生产产业链；

（ b）成立公共的电力电子装置检测试验平台； （ c）产业化中的要点技术问题研究；

（ d）电力电子装置的专用应用标准研究； （ e）建议要点开发的产品和有关技术研究：

* 高压大功率电动机变频调速系统； * 大功率风力发电并网变频器； * 大功率光伏发电并网变流器；

* 新能源混淆动力及电动汽车用变流器； * 轧钢系统专用变频器；

* 特高压直流换流阀暂态仿真模型的成立； * 换流阀高电位整体障蔽和障蔽性能的研究；

* 特高压直流换流阀的绝缘配合、局部放电水平的控制与克制技术； * 特高压直流换流阀要点器件的开发研制；

* 特高压直流换流阀冷却水道、 高压光缆、光缆槽布局及资料防老化举措的研究； * 特高压直流输电换流阀型式试验规范的研究；

* 实现± 800kV 特高压直流输电换流阀产业化，研制± 1000kV 特高压直流输电换流阀；

* 时速 300 ～350 公里高速铁路和大功率电力机车用变流器核心控制技术的研究和开发、消化汲取、再创新，实现国产化生产；

* 兆瓦级（ 1.5 兆瓦～ 5 兆瓦）风力发电机用变频器实现低电压穿越技术的研发及打破高压（ 1700V ～6500V ）大功率 IGBT 芯片工艺开发技术，实现国产化生产；

* MW 级双馈式风电机组变流器； * MW 级直驱式风电机组变流器； * 风力发电机组变浆控制系统；

* 采纳电力电子变换器装置实现变速恒频双馈风力发电系统； * 采纳电力电子变换装置为风力发电机供给无功控制；

* 静止无功赔偿装置（ SVC）支持沟通风电输电的无功赔偿；

* 鉴于电压源换流器（ VSC）技术的风电直流输电（ HVDC light）； * 风电沟通并网控制； * 风电电能储存和送变； * 二极管箝位多电平逆变器； * 空间矢量调制（ SVM）技术； * 电流源型变频器技术； * 高性能传动控制技术； * 模块化多电平变流器研究；

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* MMC 模块的基层开关控制策略与上层无功功率、有功功率及电流追踪控制策略的研究；

* 新资料的研究、开发。

（ 4）研究团队和人材培养“十二五”时期，培养拥有优秀的研究基础和较高水平的电力电子技术研究团队，在 IGBT 器件产业化、下一代宽禁带碳化硅电力电子器件及其相应的电力电子装

置的研发设计，使其拥有必定国际竞争力。培养造就规模弘大、构造优化、布局合理、素质优秀的人材队伍，努力实现人材资源稳步增添、队伍规模不停壮大。

人材素质大幅度提高。 人材构造进一步优化， 人材竞争优势显然增强， 竞争力不停提高。

4.3 我国电力电子行业发展的举措和建议

（ 1）建议采纳要点支持的原则，把电力电子技术的发展列入国家中长久发展规划，进行连续的、分阶段的支持；并且，在国家方面进行的扶助，鉴于以下两个原则：

（ a）重视电力电子技术在我国公民经济发展和国防科技中的重要作用，把电力电子技术的发展列入国家中长久发展计划，进入“十二五”发展规划的要点，在 、科技部、工信部等国家部委的规划中进行要点支持。

（ b）对电力电子技术进行连续支持；我国的电力电子器件和装置产业优秀的发 展需要长久连续的关怀、 支持和指引， 建议由牵头， 组织业内外专家拟订 2011~2020 年的中长久发展计划，进行连续的、分阶段的支持发展。 （ 2）支持以电力电子器件为核心的电力电子产业，打破瓶颈，推动电力电子装置和系统发展；

（ 3）加大对下一代宽禁带电力电子器件的战略科研投入；

（ 4）成立电力电子完好的的产业链，踊跃扶助器件、模块、装置和系统应用整个产业链的互相促使，鼓舞成立产业结盟；

（ 5）重视自主知识产权系统的建设，促使产学研用密切联合，重视人材队伍和梯队构造的建设。 5 结语

“十二五” 时期是实现我国小康社会的要点时辰， 是我国实现强国强军梦想的重要阶段。为了实现这个雄伟的目标， 一定仔细贯彻我国拟订的节能减排、 绿色环保、低碳经济的基本国策。 电力电子是实现上述基本国策的要点技术， 和实现小康社会、 强国强军密切相连， 发展电力电子技术和产业已成为我国科技、 经济和国防的事不宜迟。 发展我国的电力电子技术及产业， 一定走有中国特点的创 新之路，即坚持产学研用相联合， 从追踪外国先进技术开始， 逐渐走上自主创新之路。同时，要把技术创新和产品应用、市场推行相联合，以加快科技创新的良性循环，使我国电力电子产业和器件制造技术、产品设计技术获取长足的发展，经过“十二五” 时期的努力， 使我国电力电子技术和产业有一个超越式的提高和发展，知足公民经济飞快发展的要求。

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