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現代電源技術是應用電力電子半導體器件，綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用，是現代電力電子技術的具體應用。
當前，電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎，正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來，電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用，實現高效率和高品質用電相結合。
一、電力電子技術的發(fā)展
現代電力電子技術的發(fā)展方向，是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學，向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件，其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代，并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件，表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供，但是大約20%的電能是以直流形式消費的，其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?，因此在六十年代和七十年代，大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮，目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機，交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代，隨著變頻調速裝置的普及，大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出，靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變，但工作頻率較低，僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展，為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合，出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世，導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展，而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現，又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世，是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計，到1995年底，功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步，而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率，使其性能更加完善可靠，而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展，為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能，實現小型輕量化，機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
二、現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會，同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代，計算機全面采用了開關電源，率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展，提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源，根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日“能源之星"計劃規(guī)定，桌上型個人電腦或相關的設備，在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦，就符合綠色電腦的要求，提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言，電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中，通常將整流器稱為一次電源，而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中，傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代，高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作，開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內，實現高效率和小型化。近幾年，開關整流器的功率容量不斷擴大，單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多，其電源電壓也各不相同，在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊，從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓，這樣可大大減小損耗、方便維護，且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上，對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加，通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制，同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能，并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源)，同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化，模塊采用高頻PWM技術，開關頻率在500kHz左右，功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求電源模塊實現小型化，因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構，目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊，功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流，一部分能量給蓄電池組充電，另一部分能量經逆變器變成交流，經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量，另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件，電源的噪聲得以降低，而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入，可以實現對UPS的智能化管理，進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速，已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速，其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要，已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓，然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器，將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出，電源輸出波形近似于正弦波，用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期，日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年，其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調，96年引進生產線生產變頻空調器，逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外，還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略，精選功能組件，是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源，代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化，這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流，IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波，經高頻變壓器耦合，整流濾波后成為穩(wěn)定的直流，供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣，頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中，因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題，也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器，通過對多參數、多信息的提取與分析，達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的，進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理，解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A，負載持續(xù)率60%，全載電壓60~75V，電流調節(jié)范圍5~300A，重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV，電流達到0.5A以上，功率可達100kW。
自從70年代開始，日本的一些公司開始采用逆變技術，將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻，然后升壓。進入80年代，高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件，將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源，取消了高壓變壓器油箱，使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制，市電經整流變?yōu)橹绷?，采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓，然后由高頻變壓器升壓，最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下，輸出直流電壓達到55kV，電流達到15mA，工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時，將向電網注入大量的諧波電流，引起諧波損耗和干擾，同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象，即所謂“電力公害”，例如，不可控整流加電容濾波時，網側三次諧波含量可達(70~80)%，網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足，是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓，還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考米钚吕碚摵图夹g成果，組成積木式、智能化的大功率供電電源，從而使強電與弱電緊密結合，降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力，提高生產效率。
八十年代初期，對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期，隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現，結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術，使中小功率裝置的集成成為可能，從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始，這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點，論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納，也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合，如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
三、高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源，傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重，如果采用高頓開關電源技術，其體積和重量都會大幅度下降，而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中，更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率，從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術，更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明，電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz，提高400倍的話，用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機，還是通訊電源用的開關式整流器，都是基于這一原理。同樣，傳統(tǒng)“整流行業(yè)”的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造，成為“開關變換類電源”，其主要材料可以節(jié)約90%或更高，還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高，促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化，帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益，更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊，含有一單元、兩單元、六單元直至七單元，包括開關器件和與之反并聯的續(xù)流二極管，實質上都屬于“標準”功率模塊(SPM)。近年，有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去，構成了“智能化”功率模塊(IPM)，不但縮小了整機的體積，更方便了整機的設計制造。實際上，由于頻率的不斷提高，致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重，對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性，有些制造商開發(fā)了“用戶專用”功率模塊(ASPM)，它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中，使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接，這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計，達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片，再把整個模塊固定在相應的散熱器上，就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數降到最小，從而把器件承受的電應力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性。另外，大功率的開關電源，由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考慮，一般采用多個獨立的模塊單元并聯工作，采用均流技術，所有模塊共同分擔負載電流，一旦其中某個模塊失效，其它模塊再平均分擔負載電流。這樣，不但提高了功率容量，在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求，而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊，極大的提高系統(tǒng)可靠性，即使萬一出現單模塊故障，也不會影響系統(tǒng)的正常工作，而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中，控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代，電力電子技術完全是建立在模擬電路基礎上的。但是，現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要，數字信號處理技術日趨完善成熟，顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調，也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以，在八、九十年代，對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說，模擬技術還是有用的，特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決，離不開模擬技術的知識，但是對于智能化的開關電源，需要用計算機控制時，數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電，這意味著發(fā)電容量的節(jié)約，而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因，所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染，國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準，如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上，許多功率電子節(jié)電設備，往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流，使總功率因數下降，使電網電壓耦合許多毛刺尖峰，甚至出現缺角和畸變。20世紀末，各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生，有了多種修正功率因數的方法。這些為2l世紀批量生產各種綠色開關電源產品奠定了基礎。
數字信號處理技術和無線通信技術的快速發(fā)展是汽車電子技術發(fā)展的驅動力、更多的創(chuàng)新技術不斷開發(fā)應用。相對其他控制技術，電子技術更具智能化，控制成本更低，性能更好。于是汽車上出現日益增加的電子單元，在提升汽車性能的同時，又會帶來線路繁雜、可靠性降低、電磁干擾、維修困難等諸多問題。近年來，總線化成為一個方向，各電子單元通過總線進行通訊，信息交換，傳輸當前的狀態(tài)信息接受中央控制單元的指令并執(zhí)行特定的功能?？偩€化增強了汽車的整體性，也提高了軟件在汽車制造技術中的地位。汽車日趨大眾化，導致苛刻要求汽車零部件降低成本，提高性能。高端豪華汽車在總計近百個電子組件或電子控制單元(ECU)的相應系統(tǒng)中包含多達100余個微處理器。這些ECU由多種網絡連接，例如控制器局域網（CAN、FlexRay）、局域互連網絡(LIN)和面向媒體的系統(tǒng)傳送（MOST）。當今汽車電子技術的特點和核心要求是：
1）實時性?？焖俜磻⒉皇菍崟r性的核心內涵，快速性僅是系統(tǒng)實時能力的表現。當系統(tǒng)不能滿足實時性要求時，必須提高系統(tǒng)的運行速度，而運行速度的提高會帶來系統(tǒng)功耗加大、電磁兼容性下降等負面效應。因而在設計具體的控制系統(tǒng)時，在保證能滿足實時性要求的條件下，應使系統(tǒng)的運行速度降到最低，以滿足系統(tǒng)在功耗、可靠性和電磁兼容性等方面獲得最佳的綜合品質。
2）安全性。安全性是指產品防止、減少故障和事故的性能。硬件的耐高低溫、耐電擊、耐火花、阻燃等從原材料制作工藝到檢測包裝儲運，有效的質量控制是關鍵；軟件漏洞的隱患與后果，如功能的缺失、安全威脅與客戶抱怨等，有一種名為“組策略”的手段提供對微處理器進行更改注冊表來實現軟件的安全。對車輛電子控制安全造成的威脅，可分成局部物理、遠程和內部電子3大類。①局部物理性威脅。通過物理性地接入傳動系統(tǒng)CAN網絡并破壞通信，這種入侵式的攻擊極易破壞汽車關鍵功能。其對策是在一個或多個ECU內部的某處存儲著隱秘的私有密鑰，用于受保護的通信通道，提供局部數據的保護服務，汽車算法、多媒體內容和保密資料都需要私鑰存儲進行數據保護，抵擋凌厲的入侵和攻擊。②遠程威脅。黑客通過偵測汽車的遠距離無線接口尋找網絡安全協(xié)議、網絡服務和程序中的軟肋，以找到內部各電子系統(tǒng)中的路徑。與數據中心不同，汽車不可能擁有完整的IDS、IPS、防火墻和UTM，防衛(wèi)機制的客觀缺失需依靠汽車的關鍵系統(tǒng)必須與非關鍵的ECU完全隔離開，以確保駕駛安全。③內部電子威脅。雖然物理網絡隔離是理想的方案，但接觸點和干擾總是難以避免，安全標準有極大差異的系統(tǒng)間通信的干擾會很敏感。業(yè)界又出現強烈的設計整合趨勢，使用更強大的多內核微處理器來實現不同系統(tǒng)的控制，從而將許多ECU變?yōu)樘摂M的ECU，這將增加源于軟件的威脅風險，從而導致操作系統(tǒng)缺陷、對密碼系統(tǒng)的旁路攻擊以及拒絕服務等。因而，關鍵和非關鍵的系統(tǒng)與網絡之間的接口必須在最高管理層面進行論證和窮盡分析，并按ISO15408等評估安保等級（EAL）6+的最高等級安保標準進行驗證，確認缺陷無虞。
3）可靠性?？煽啃允侵府a品的平均無故障運行時間（MTBF）。為確?？煽啃?，在汽車電子電路上實施冗余設計，元器件應選用汽車級。高可靠性軟件及安全工程實施原則（PHASE）協(xié)議支持最大限度地簡化復雜性、軟件組件架構、最低權限原則、安全軟件和系統(tǒng)開發(fā)過程。
4）環(huán)保性。產品符合國家相關的環(huán)保標準和規(guī)定，包括產品是否含有毒、有害原材料，芯片是否含鉛、鎘，EMC輻射是否超標，須有嚴格的檢測和認證。必須認識到切實實施ISO/TS16949和ISO14001僅是一項基礎工作。
2我國汽車電子產業(yè)概況
市場化的經濟體制帶來了高效的資源配置，我國汽車電子產業(yè)在這10年間有了飛速的發(fā)展。在汽車產業(yè)高速發(fā)展的直接推動下，2012年我國汽車電子市場規(guī)模已逾2500億元，連續(xù)7年增長率超過30％。其原因除市場需求迅猛發(fā)展外，還有國家政策帶動、國際產業(yè)轉移和地區(qū)競爭的促進。但由于基礎研發(fā)工作薄弱，掌握的自主知識產權匱乏，產品在技術上還依附于國外，核心技術仍受制于人，至今沒有世界知名的汽車電子產品品牌和供應商。石油資源日趨緊缺，人們對環(huán)境保護的意識在不斷增強。國際上對汽車排放出臺了一系列嚴格的標準，加上人們對汽車的安全性、舒適性和使用壽命的要求越來越高，汽車電子也越來越復雜，進入汽車電子零部件行業(yè)的門檻就越來越高。我國汽車電子產業(yè)雖實現了持續(xù)快速發(fā)展，產業(yè)的技術水平、規(guī)模、機構都得到了大幅度的提升，但這產業(yè)鏈中的成就僅局限于加工制造。硬件方面，元器件集成芯片幾乎全從國外公司購買；軟件方面，從開發(fā)工具到核心軟件全由國外公司提供；生產方面，從貼片到出廠，從生產檢測設備到技術規(guī)范、標準，也依循國外企業(yè)?，F狀是久負盛名的跨國芯片巨頭能針對特定的應用提供專用芯片及解決方案，使汽車電子產品開發(fā)周期縮短，質量有保障，成本較低。這樣更使我國目前幾乎所有汽車電子單元全是由芯片廠商提供設計，而我們只是二次開發(fā)。微電子行業(yè)基礎核心技術的薄弱是決定我國汽車電子產業(yè)在總體上受制于國際跨國公司的根本原因，必須徹底改變。
3汽車電子技術發(fā)展趨勢
1）總線化和中央電子控制單元向汽車電子的整體化、系統(tǒng)化邁出了革新的一步。各電子控制單元通過總線進行通信，傳輸當前狀態(tài)的信息，接受中央控制單元的指令并執(zhí)行特定的功能，使車輛行駛功能控制達到最佳水平?？偩€化還使汽車制造核心技術由硬件逐漸向軟件過渡，由諳熟全程制造技術和掌握汽車各系統(tǒng)、各零部件原理功能的龍頭企業(yè)執(zhí)掌制定切實可用通信協(xié)議的主動權。這就導致技術實力弱勢的中小企業(yè)只得依附強勢的大公司，促使行業(yè)兼并。
2）模塊化。電子技術和多領域高新技術進行系統(tǒng)集成化汽車零部件產品的構成，便于國際化采購和整車廠組裝。模塊化就是根據需求定制，完成所需的功能，以標準模塊的規(guī)格作大集成化的封裝，提高功效和可靠性，也簡化配套和整車制造工藝，有利于產品質量得到有效控制。結果將會使現在處于領先地位的行業(yè)寡頭逐漸成為系統(tǒng)集成商，電子零部件企業(yè)承擔的產品工作量越來越大，汽車零部件產業(yè)在汽車工業(yè)中的作用和地位更顯重要。
3）智能化。微控制器大量進入汽車電子各系統(tǒng)，帶來控制技術智能水平提高，性能更優(yōu)越，控制成本更低。
4）規(guī)范化和高配普及化。新的汽車電子技術不斷涌現、不斷進步，但有些電子控制技術在汽車上實施還需歷經一段時間，才能在標準配置上被確認。例如，輪胎智能壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）與ABS、安全氣囊并稱為汽車3大安全系統(tǒng)。但目前，僅在奧迪A8、寶馬7系/5系、奔馳S/E系列等高端車型中作為標準配置。在高度重視汽車安全性的當下，輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)必然很快會成為所有汽車的標準配置。就如同ABS從出現到普及一樣，需要一個過程。
5）重視傳感器的研發(fā)。汽車電子技術的應用中無處不在的傳感器，在控制技術環(huán)節(jié)里作用至關重要，應受到充分的重視。我國在傳感器技術的演進發(fā)展和實踐中雖已有一定基礎性的成果，但因投入的研發(fā)資源遠遠不足，也顯得十分薄弱。必須與汽車電子的研發(fā)齊頭并進才能相得益彰。期望在“十二五”計劃期間，我國傳感器技術及產業(yè)迎頭趕上。
6）“云控制”技術。計算機技術和信息融合技術已經發(fā)展到了云時代?！霸瓶刂啤奔夹g由以往的局部信息處理到信息共享到現代的信息融合，已經完全突破了汽車“傳感器-避開障礙-目標-方向盤”的傳統(tǒng)固有模式，使實現“目標-方向盤”的自動駕駛成為可能?！霸岂{駛”將大大提高識別道路行駛目標的效能，同時降低燃油耗費，將使駕駛由低事故向高可靠轉變。
4結束語
關鍵詞微電子技術集成系統(tǒng)微機電系統(tǒng)DNA芯片
1引言
綜觀人類社會發(fā)展的文明史，一切生產方式和生活方式的重大變革都是由于新的科學發(fā)現和新技術的產生而引發(fā)的，科學技術作為革命的力量，推動著人類社會向前發(fā)展。從50多年前晶體管的發(fā)明到目前微電子技術成為整個信息社會的基礎和核心的發(fā)展歷史充分證明了“科學技術是第一生產力”。信息是客觀事物狀態(tài)和運動特征的一種普遍形式，與材料和能源一起是人類社會的重要資源，但對它的利用卻僅僅是開始。當前面臨的信息革命以數字化和網絡化作為特征。數字化大大改善了人們對信息的利用，更好地滿足了人們對信息的需求；而網絡化則使人們更為方便地交換信息，使整個地球成為一個“地球村”。以數字化和網絡化為特征的信息技術同一般技術不同，它具有極強的滲透性和基礎性，它可以滲透和改造各種產業(yè)和行業(yè)，改變著人類的生產和生活方式，改變著經濟形態(tài)和社會、政治、文化等各個領域。而它的基礎之一就是微電子技術?？梢院敛豢鋸埖卣f，沒有微電子技術的進步，就不可能有今天信息技術的蓬勃發(fā)展，微電子已經成為整個信息社會發(fā)展的基石。
50多年來微電子技術的發(fā)展歷史，實際上就是不斷創(chuàng)新的過程，這里指的創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、技術創(chuàng)新和應用創(chuàng)新等。晶體管的發(fā)明并不是一個孤立的精心設計的實驗，而是一系列固體物理、半導體物理、材料科學等取得重大突破后的必然結果。1947年發(fā)明點接觸型晶體管、1948年發(fā)明結型場效應晶體管以及以后的硅平面工藝、集成電路、CMOS技術、半導體隨機存儲器、CPU、非揮發(fā)存儲器等微電子領域的重大發(fā)明也都是一系列創(chuàng)新成果的體現。同時，每一項重大發(fā)明又都開拓出一個新的領域，帶來了新的巨大市場，對我們的生產、生活方式產生了重大的影響。也正是由于微電子技術領域的不斷創(chuàng)新，才能使微電子能夠以每三年集成度翻兩番、特征尺寸縮小倍的速度持續(xù)發(fā)展幾十年。自1968年開始，與硅技術有關的學術論文數量已經超過了與鋼鐵有關的學術論文，所以有人認為，1968年以后人類進入了繼石器、青銅器、鐵器時代之后硅石時代（siliconage）〖1〗。因此可以說社會發(fā)展的本質是創(chuàng)新，沒有創(chuàng)新，社會就只能被囚禁在“超穩(wěn)態(tài)”陷阱之中。雖然創(chuàng)新作為經濟發(fā)展的改革動力往往會給社會帶來“創(chuàng)造性的破壞”，但經過這種破壞后，又將開始一個新的處于更高層次的創(chuàng)新循環(huán)，社會就是以這樣螺旋形上升的方式向前發(fā)展。
在微電子技術發(fā)展的前50年，創(chuàng)新起到了決定性的作用，而今后微電子技術的發(fā)展仍將依賴于一系列創(chuàng)新性成果的出現。我們認為：目前微電子技術已經發(fā)展到了一個很關鍵的時期，21世紀上半葉，也就是今后50年微電子技術的發(fā)展趨勢和主要的創(chuàng)新領域主要有以下四個方面：以硅基CMOS電路為主流工藝；系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，SOC）為發(fā)展重點；量子電子器件和以分子（原子）自組裝技術為基礎的納米電子學；與其他學科的結合誕生新的技術增長點，如MEMS，DNAChip等。
221世紀上半葉仍將以硅基CMOS電路為主流工藝
微電子技術發(fā)展的目標是不斷提高集成系統(tǒng)的性能及性能價格比，因此便要求提高芯片的集成度，這是不斷縮小半導體器件特征尺寸的動力源泉。以MOS技術為例，溝道長度縮小可以提高集成電路的速度；同時縮小溝道長度和寬度還可減小器件尺寸，提高集成度，從而在芯片上集成更多數目的晶體管，將結構更加復雜、性能更加完善的電子系統(tǒng)集成在一個芯片上；此外，隨著集成度的提高，系統(tǒng)的速度和可靠性也大大提高，價格大幅度下降。由于片內信號的延遲總小于芯片間的信號延遲，這樣在器件尺寸縮小后，即使器件本身的性能沒有提高，整個集成系統(tǒng)的性能也可以得到很大的提高。
自1958年集成電路發(fā)明以來，為了提高電子系統(tǒng)的性能，降低成本，微電子器件的特征尺寸不斷縮小，加工精度不斷提高，同時硅片的面積不斷增大。集成電路芯片的發(fā)展基本上遵循了Intel公司創(chuàng)始人之一的GordonE．Moore1965年預言的摩爾定律，即每隔三年集成度增加4倍，特征尺寸縮小倍。在這期間，雖然有很多人預測這種發(fā)展趨勢將減緩，但是微電子產業(yè)三十多年來發(fā)展的狀況證實了Moore的預言[2]。而且根據我們的預測，微電子技術的這種發(fā)展趨勢還將在21世紀繼續(xù)一段時期，這是其它任何產業(yè)都無法與之比擬的。
現在，0．18微米CMOS工藝技術已成為微電子產業(yè)的主流技術，0．035微米乃至0．020微米的器件已在實驗室中制備成功，研究工作已進入亞0．1微米技術階段，相應的柵氧化層厚度只有2．0～1．0nm。預計到2010年，特征尺寸為0．05～0．07微米的64GDRAM產品將投入批量生產。
21世紀，起碼是21世紀上半葉,微電子生產技術仍將以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術為主流。盡管微電子學在化合物和其它新材料方面的研究取得了很大進展；但還不具備替代硅基工藝的條件。根據科學技術的發(fā)展規(guī)律，一種新技術從誕生到成為主流技術一般需要20到30年的時間，硅集成電路技術自1947年發(fā)明晶體管1958年發(fā)明集成電路,到60年代末發(fā)展成為大產業(yè)也經歷了20多年的時間。另外，全世界數以萬億美元計的設備和技術投入，已使硅基工藝形成非常強大的產業(yè)能力；同時，長期的科研投入已使人們對硅及其衍生物各種屬性的了解達到十分深入、十分透徹的地步，成為自然界100多種元素之最，這是非常寶貴的知識積累。產業(yè)能力和知識積累決定了硅基工藝起碼將在50年內仍起重要作用，人們不會輕易放棄。
目前很多人認為當微電子技術的特征尺寸在2015年達到0．030～0．015微米的“極限”之后，將是硅技術時代的結束，這實際上是一種誤解。且不說微電子技術除了以特征尺寸為代表的加工工藝技術之外，還有設計技術、系統(tǒng)結構等方面需要進一步的大力發(fā)展，這些技術的發(fā)展必將使微電子產業(yè)繼續(xù)高速增長。即使是加工工藝技術，很多著名的微電子學家也預測，微電子產業(yè)將于2030年左右步入像汽車工業(yè)、航空工業(yè)這樣的比較成熟的朝陽工業(yè)領域。即使微電子產業(yè)步入汽車、航空等成熟工業(yè)領域，它仍將保持快速發(fā)展趨勢，就像汽車、航空工業(yè)已經發(fā)展了50多年仍極具發(fā)展?jié)摿σ粯印?/p>
隨著器件的特征尺寸越來越小，不可避免地會遇到器件結構、關鍵工藝、集成技術以及材料等方面的一系列問題，究其原因，主要是：對其中的物理規(guī)律等科學問題的認識還停留在集成電路誕生和發(fā)展初期所形成的經典或半經典理論基礎上，這些理論適合于描述微米量級的微電子器件，但對空間尺度為納米量級、空間尺度為飛秒量級的系統(tǒng)芯片中的新器件則難以適用；在材料體系上，SiO2柵介質材料、多晶硅／硅化物柵電極等傳統(tǒng)材料由于受到材料特性的制約，已無法滿足亞50納米器件及電路的需求；同時傳統(tǒng)器件結構也已無法滿足亞50納米器件的要求，必須發(fā)展新型的器件結構和微細加工、互連、集成等關鍵工藝技術。具體的需要創(chuàng)新和重點發(fā)展的領域包括：基于介觀和量子物理基礎的半導體器件的輸運理論、器件模型、模擬和仿真軟件，新型器件結構，高k柵介質材料和新型柵結構，電子束步進光刻、13nmEUV光刻、超細線條刻蝕，SOI、GeSi／Si等與硅基工藝兼容的新型電路，低K介質和Cu互連以及量子器件和納米電子器件的制備和集成技術等。
3量子電子器件（QED）和以分子原子自組裝技術為基礎的納米電子學將帶來嶄新的領域
在上節(jié)我們談到的以尺寸不斷縮小的硅基CMOS工藝技術，可稱之為“scalingdown”，與此同時我們必須注意“bottomup”?！癰ottomup”最重要的領域有二個方面：
(1)量子電子器件（QED—QuantumElectronDevice）這里包括單電子器件和單電子存儲器等。它的基本原理是基于庫侖阻塞機理控制一個或幾個電子運動，由于系統(tǒng)能量的改變和庫侖作用，一個電子進入到一個勢阱，則將阻止其它電子的進入。在單電子存儲器中量子阱替代了通常存儲器中的浮柵。它的主要優(yōu)點是集成度高；由于只有一個或幾個電子活動所以功耗極低；由于相對小的電容和電阻以及短的隧道穿透時間，所以速度很快；且可用于多值邏輯和超高頻振蕩。但它的問題是制造比較困難，特別是制造大量的一致性器件很困難；對環(huán)境高度敏感，可靠性難以保證；在室溫工作時要求電容極?。é罠），要求量子點大小在幾個納米。這些都為集成成電路帶來了很大困難。
因此，目前可以認為它們的理論是清楚的，工藝有待于探索和突破。
(2)以原子分子自組裝技術為基礎的納米電子學。這里包括量子點陣列（QCA—Quantum－dotCellularAutomata)和以碳納米管為基礎的原子分子器件等。
量子點陣列由量子點組成，至少由四個量子點,它們之間以靜電力作用。根據電子占據量子點的狀態(tài)形成“0”和“1”狀態(tài)。它在本質上是一種非晶體管和無線的方式達到陣列的高密度、低功耗和實現互連。其基本優(yōu)勢是開關速度快，功耗低，集成密度高。但難以制造，且對值置變化和大小改變都極為靈敏，0．05nm的變化可以造成單元工作失效。
以碳納米管為基礎的原子分子器件是近年來快速發(fā)展的一個有前景的領域。碳原子之間的鍵合力很強，可支持高密度電流，而熱導性能類似于金剛石，能在高集成度時大大減小熱耗散，性質類金屬和半導體，特別是它有三種可能的雜交態(tài)，而Ge、Si只有一個。這些都使碳納米管（CNT）成為當前科研熱點，從1991年發(fā)現以來，現在已有大量成果涌現，北京大學納米中心彭練矛教授也已制備出0．33納米的CNT并提出“T形結”作為晶體管的可能性。但是問題是如何去生長有序的符合設計性能的CNT器件，更難以集成。
目前“bottomup”的量子器件和以自組裝技術為基礎的納米器件在制造工藝上往往與“Scalingdown”的加工方法相結合以制造器件。這對于解決高集成度CMOS電路的功耗制約將會帶來突破性的進展。
QCA和CNT器件不論在理論上還是加工技術上都有大量工作要做，有待突破，離開實際應用還需較長時日！但這終究是一個誘人探索的領域，我們期待它們將創(chuàng)出一個新的天地。
4系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip）是21世紀微電子技術發(fā)展的重點
在集成電路（IC）發(fā)展初期，電路設計都從器件的物理版圖設計入手，后來出現了集成電路單元庫（Cell－Lib），使得集成電路設計從器件級進入邏輯級，這樣的設計思路使大批電路和邏輯設計師可以直接參與集成電路設計，極大地推動了IC產業(yè)的發(fā)展。但集成電路僅僅是一種半成品，它只有裝入整機系統(tǒng)才能發(fā)揮它的作用。IC芯片是通過印刷電路板（PCB）等技術實現整機系統(tǒng)的。盡管IC的速度可以很高、功耗可以很小，但由于PCB板中IC芯片之間的連線延時、PCB板可靠性以及重量等因素的限制，整機系統(tǒng)的性能受到了很大的限制。隨著系統(tǒng)向高速度、低功耗、低電壓和多媒體、網絡化、移動化的發(fā)展，系統(tǒng)對電路的要求越來越高，傳統(tǒng)集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于IC設計與工藝技術水平提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高，已經可以將整個系統(tǒng)集成為一個芯片。目前已經可以在一個芯片上集成108－109個晶體管，而且隨著微電子制造技術的發(fā)展，21世紀的微電子技術將從目前的3G時代逐步發(fā)展到3T時代（即存儲容量由G位發(fā)展到T位、集成電路器件的速度由GHz發(fā)展到燈THz、數據傳輸速率由Gbps發(fā)展到Tbps，注：1G=109、1T=1012、bps：每秒傳輸數據位數）。
正是在需求牽引和技術推動的雙重作用下，出現了將整個系統(tǒng)集成在一個微電子芯片上的系統(tǒng)芯片（SystemOnAChip，簡稱SOC）概念。
系統(tǒng)芯片（SOC）與集成電路（IC）的設計思想是不同的，它是微電子設計領域的一場革命，它和集成電路的關系與當時集成電路與分立元器件的關系類似，它對微電子技術的推動作用不亞于自50年代末快速發(fā)展起來的集成電路技術。
SOC是從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結構、各層次電路直至器件的設計緊密結合起來，在單個（或少數幾個）芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，它的設計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自頂向下（Top－Down）的。很多研究表明，與IC組成的系統(tǒng)相比，由于SOC設計能夠綜合并全盤考慮整個系統(tǒng)的各種情況，可以在同樣的工藝技術條件下實現更高性能的系統(tǒng)指標。例如若采用SOC方法和0．35μm工藝設計系統(tǒng)芯片,在相同的系統(tǒng)復雜度和處理速率下，能夠相當于采用0．18～0.25μm工藝制作的IC所實現的同樣系統(tǒng)的性能；還有，與采用常規(guī)IC方法設計的芯片相比,采用SOC設計方法完成同樣功能所需要的晶體管數目約可以降低l～2個數量級。
對于系統(tǒng)芯片（SOC）的發(fā)展，主要有三個關鍵的支持技術。
（1）軟、硬件的協(xié)同設計技術。面向不同系統(tǒng)的軟件和硬件的功能劃分理論（FunctionalPartitionTheory），這里不同的系統(tǒng)涉及諸多計算機系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、數據壓縮解壓縮和加密解密系統(tǒng)等等。
（2）IP模塊庫問題。IP模塊有三種,即軟核，主要是功能描述；固核，主要為結構設計；和硬核，基于工藝的物理設計、與工藝相關，并經過工藝驗證過的。其中以硬核使用價值最高。CMOS的CPU、DRAM、SRAM、E2PROM和FlashMemory以及A／D、D／A等都可以成為硬核。其中尤以基于深亞微米的新器件模型和電路模擬為基礎，在速度與功耗上經過優(yōu)化并有最大工藝容差的模塊最有價值?，F在,美國硅谷在80年代出現無生產線（Fabless)公司的基礎上，90年代后期又出現了一些無芯片（Chipless）的公司,專門銷售IP模塊。
（3）模塊界面間的綜合分析技術,這主要包括IP模塊間的膠聯邏輯技術（gluelogictechnologies）和IP模塊綜合分析及其實現技術等。
微電子技術從IC向SOC轉變不僅是一種概念上的突破,同時也是信息技術新發(fā)展的里程碑。通過以上三個支持技術的創(chuàng)新,它必將導致又一次以系統(tǒng)芯片為主的信息技術上的革命。目前，SOC技術已經嶄露頭角，21世紀將是SOC技術真正快速發(fā)展的時期。
在新一代系統(tǒng)芯片領域，需要重點突破的創(chuàng)新點主要包括實現系統(tǒng)功能的算法和電路結構兩個方面。在微電子技術的發(fā)展歷史上,每一種算法的提出都會引起一場變革，例如維特比算法、小波變換等均對集成電路設計技術的發(fā)展起到了非常重要的作用,目前神經網絡、模糊算法等也很有可能取得較大的突破。提出一種新的電路結構可以帶動一系列的應用,但提出一種新的算法則可以帶動一個新的領域,因此算法應是今后系統(tǒng)芯片領域研究的重點學科之一。在電路結構方面,在系統(tǒng)芯片中，由于射頻、存儲器件的加入，其中的電路結構已經不是傳統(tǒng)意義上的CMOS結構，因此需要發(fā)展更靈巧的新型電路結構。另外，為了實現膠聯邏輯（GlueLogic）新的邏輯陣列技術有望得到快速的發(fā)展,在這一方面也需要做系統(tǒng)深入的研究。
5微電子與其他學科的結合誕生新的技術增長點
微電子技術的強大生命力在于它可以低成本、大批量地生產出具有高可靠性和高精度的微電子結構模塊。這種技術一旦與其它學科相結合,便會誕生出一系列嶄新的學科和重大的經濟增長點，這方面的典型例子便是MEMS（微機電系統(tǒng)）技術和DNA生物芯片。前者是微電子技術與機械、光學等領域結合而誕生的，后者則是與生物工程技術結合的產物。
微電子機械系統(tǒng)不僅是微電子技術的拓寬和延伸,它將微電子技術和精密機械加工技術相互融合，實現了微電子與機械融為一體的系統(tǒng)。MEMS將電子系統(tǒng)和外部世界聯系起來，它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界的外部信號，把這些信號轉換成電子系統(tǒng)可以認識的電信號，而且還可以通過電子系統(tǒng)控制這些信號，發(fā)出指令并完成該指令。從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機電系統(tǒng)。MEMS技術是一種典型的多學科交叉的前沿性研究領域，它幾乎涉及到自然及工程科學的所有領域，如電子技術、機械技術、光學、物理學、化學、生物醫(yī)學、材料科學、能源科學等〖3〗。
MEMS的發(fā)展開辟了一個全新的技術領域和產業(yè)。它們不僅可以降低機電系統(tǒng)的成本，而且還可以完成許多大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務。正是由于MEMS器件和系統(tǒng)具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、可靠性高、性能優(yōu)異及功能強大等傳統(tǒng)傳感器無法比擬的優(yōu)點,因而MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。例如微慣性傳感器及其組成的微型慣性測量組合能應用于制導、衛(wèi)星控制、汽車自動駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)（ABS）、穩(wěn)定控制和玩具；微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進、傷員救護；信息MEMS系統(tǒng)將在射頻系統(tǒng)、全光通訊系統(tǒng)和高密度存儲器和顯示等方面發(fā)揮重大作用；同時MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、光譜分析、信息采集等等?，F在已經成功地制造出了尖端直徑為5μm的可以夾起一個紅細胞的微型鑷子，可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。
MEMS技術及其產品的增長速度非常之高，目前正處在技術發(fā)展時期，再過若干年將會迎來MEMS產業(yè)化高速發(fā)展的時期。2000年，全世界MEMS的市場達到120到140億美元，而帶來的與之相關的市場達到1000億美元。
目前，MEMS系統(tǒng)與集成電路發(fā)展的初期情況極為相似。集成電路發(fā)展初期，其電路在今天看來是很簡單的，應用也非常有限，以軍事需求為主,但它的誘人前景吸引了人們進行大量投資，促進了集成電路飛速發(fā)展。集成電路技術的進步,加快了計算機更新換代的速度，對CPU和RAM的需求越來越大,反過來又促進了集成電路的發(fā)展。集成電路和計算機在發(fā)展中相互推動，形成了今天的雙贏局面，帶來了一場信息革命?，F階段的微機電系統(tǒng)專用性很強，單個系統(tǒng)的應用范圍非常有限,還沒有出現類似于CPU和RAM這樣量大面廣的產品。隨著微機電系統(tǒng)的進步，最后將有可能形成像微電子技術一樣有廣泛應用前景的新產業(yè)，從而對人們的社會生產和生活方式產生重大影響。
當前MEMS系統(tǒng)能否取得更更大突破，取決于兩方面的因素：第一是在微系統(tǒng)理論與基礎技術方面取得突破性進展，使人們依靠掌握的理論和基礎技術可以高效地設計制造出所需的微系統(tǒng)；第二是找準應用突破口，揚長避短，以特別適合微系統(tǒng)應用的重大領域為目標進行研究,取得突破，從而帶動微系統(tǒng)產業(yè)的發(fā)展。在MEMS發(fā)展中需要繼續(xù)解決的問題主要有：MEMS建模與設計方法學研究；三維微結構構造原理、方法、仿真及制造；微小尺度力學和熱學研究；MEMS的表征與計量方法學；納結構與集成技術等。
微電子與生物技術緊密結合誕生的以DNA芯片等為代表的生物芯片將是21世紀微電子領域的另一個熱點和新的經濟增長點。它是以生物科學為基礎，利用生物體、生物組織或細胞等的特點和功能，設計構建具有預期性狀的新物種或新品系，并與工程技術相結合進行加工生產，它是生命科學與技術科學相結合的產物。具有附加值高、資源占用少等一系列特點，正日益受到廣泛關注。目前最有代表性的生物芯片是DNA芯片。
采用微電子加工技術，可以在指甲蓋大小的硅片上制作出包含有多達萬種DNA基因片段的芯片。利用這種芯片可以在極快的時間內檢測或發(fā)現遺傳基因的變化等情況，這無疑對遺傳學研究、疾病診斷、疾病治療和預防、轉基因工程等具有極其重要的作用。
DNA芯片的基本思想是通過生物反應或施加電場等措施使一些特殊的物質能夠反映出某種基因的特性從而起到檢測基因的目的。目前Stanford和Affymetrix公司的研究人員已經利用微電子技術在硅片或玻璃片上制作出了DNA芯片〖4〗。他們制作的DNA芯片是通過在玻璃片上刻蝕出非常小的溝槽，然后在溝槽中覆蓋一層DNA纖維。不同的DNA纖維圖案分別表示不同的DNA基因片段，該芯片共包括6000余種DNA基因片段。DNA（脫氧核糖核酸）是生物學中最重要的一種物質，它包含有大量的生物遺傳信息，DNA芯片的作用非常巨大，其應用領域也非常廣泛：它不僅可以用于基因學研究、生物醫(yī)學等，而且隨著DNA芯片的發(fā)展還將形成微電子生物信息系統(tǒng)，這樣該技術將廣泛應用到農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學和環(huán)境保護等人類生活的各個方面，那時，生物芯片有可能象今天的IC芯片一樣無處不在。
目前的生物芯片主要是指通過平面微細加工技術及超分子自組裝技術，在固體芯片表面構建的微分析單元和系統(tǒng)，以實現對化合物、蛋白質、核酸、細胞以及其它生物組分的準確、快速、大信息量的篩選或檢測。生物芯片的主要研究包括采用生物芯片的具體實現技術、基于生物芯片的生物信息學以及高密度生物芯片的設計、檢測方法學等等。
6結語
在微電子學發(fā)展歷程的前50年中，創(chuàng)新和基礎研究曾起到非常關鍵的決定性作用。而隨著器件特征尺寸的縮小、納米電子學的出現、新一代SOC的發(fā)展、MEMS和DNA芯片的崛起，又提出了一系列新的課題，客觀需求正在“召喚”創(chuàng)新成果的誕生。
回顧20世紀后50年，展望21世紀前50年，即百年的微電子科學技術發(fā)展歷程，使我們深切地感受到，世紀之交的微電子技術對我們既是一個重大的機遇，也是一個嚴峻的挑戰(zhàn)，如果我們能夠抓住這個機遇，立足創(chuàng)新，去勇敢地迎接這個挑戰(zhàn)，則有可能使我國微電子技術實現騰飛，在新一代微電子技術中擁有自己的知識產權，促進我國微電子產業(yè)的發(fā)展，為迎接21世紀中葉將要到來的偉大的民族復興奠定技術基礎，以重鑄中華民族的輝煌！
參考文獻
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[4]NicholasWadeWhereComputersandBiologyMeet:MakingaDNAChip.NewYorkTimes,April8,1997
關鍵詞：電力電子技術；開關電源
現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術的具體應用。
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續(xù)流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。
關鍵詞：電力電子技術；開關電源
現代電源技術是應用電力電子半導體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術和電磁技術的多學科邊緣交又技術。在各種高質量、高效、高可靠性的電源中起關鍵作用,是現代電力電子技術的具體應用。
當前,電力電子作為節(jié)能、節(jié)才、自動化、智能化、機電一體化的基礎,正朝著應用技術高頻化、硬件結構模塊化、產品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠的將來,電力電子技術將使電源技術更加成熟、經濟、實用,實現高效率和高品質用電相結合。
1.電力電子技術的發(fā)展
現代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)模控制集成電路作基本部件,利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續(xù)流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。3.3數字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。
參考文獻：
[1]林渭勛:淺談半導體高頻電力電子技術,電力電子技術選編,浙江大學,384-390,1992。
現代電力電子技術的發(fā)展方向,是從以低頻技術處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學,向以高頻技術處理問題為主的現代電力電子學方向轉變。電力電子技術起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進了電力電子技術在許多新領域的應用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術已經進入現代電力電子時代。
1.1整流器時代
大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應用得以很大發(fā)展。當時國內曾經掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導體廠家就是那時的產物。
1.2逆變器時代
七十年代出現了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調速的關鍵技術是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關斷晶閘管(GT0)成為當時電力電子器件的主角。類似的應用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償等。這時的電力電子技術已經能夠實現整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內。
1.3變頻器時代
進入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術的迅猛發(fā)展,為現代電力電子技術的發(fā)展奠定了基礎。將集成電路技術的精細加工技術和高壓大電流技術有機結合,出現了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現,又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現代電力電子轉化的標志。據統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導體器件市場上已達到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現代電子技術不斷向高頻化發(fā)展,為用電設備的高效節(jié)材節(jié)能,實現小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術基礎。
2.現代電力電子的應用領域
2.1計算機高效率綠色電源
高速發(fā)展的計算機技術帶領人類進入了信息社會,同時也促進了電源技術的迅速發(fā)展。八十年代,計算機全面采用了開關電源,率先完成計算機電源換代。接著開關電源技術相繼進人了電子、電器設備領域。
計算機技術的發(fā)展,提出綠色電腦和綠色電源。綠色電腦泛指對環(huán)境無害的個人電腦和相關產品，綠色電源系指與綠色電腦相關的高效省電電源,根據美國環(huán)境保護署l992年6月17日"能源之星"計劃規(guī)定,桌上型個人電腦或相關的設備,在睡眠狀態(tài)下的耗電量若小于30瓦,就符合綠色電腦的要求,提高電源效率是降低電源消耗的根本途徑。就目前效率為75%的200瓦開關電源而言,電源自身要消耗50瓦的能源。
2.2通信用高頻開關電源
通信業(yè)的迅速發(fā)展極大的推動了通信電源的發(fā)展。高頻小型化的開關電源及其技術已成為現代通信供電系統(tǒng)的主流。在通信領域中,通常將整流器稱為一次電源,而將直流-直流(DC/DC)變換器稱為二次電源。一次電源的作用是將單相或三相交流電網變換成標稱值為48V的直流電源。目前在程控交換機用的一次電源中,傳統(tǒng)的相控式穩(wěn)壓電源己被高頻開關電源取代,高頻開關電源(也稱為開關型整流器SMR)通過MOSFET或IGBT的高頻工作,開關頻率一般控制在50-100kHz范圍內,實現高效率和小型化。近幾年,開關整流器的功率容量不斷擴大,單機容量己從48V/12.5A、48V/20A擴大到48V/200A、48V/400A。
因通信設備中所用集成電路的種類繁多,其電源電壓也各不相同,在通信供電系統(tǒng)中采用高功率密度的高頻DC-DC隔離電源模塊,從中間母線電壓(一般為48V直流)變換成所需的各種直流電壓,這樣可大大減小損耗、方便維護,且安裝、增加非常方便。一般都可直接裝在標準控制板上,對二次電源的要求是高功率密度。因通信容量的不斷增加,通信電源容量也將不斷增加。
2.3直流-直流(DC/DC)變換器
DC/DC變換器將一個固定的直流電壓變換為可變的直流電壓,這種技術被廣泛應用于無軌電車、地鐵列車、電動車的無級變速和控制,同時使上述控制獲得加速平穩(wěn)、快速響應的性能,并同時收到節(jié)約電能的效果。用直流斬波器代替變阻器可節(jié)約電能(20~30)%。直流斬波器不僅能起調壓的作用(開關電源),同時還能起到有效地抑制電網側諧波電流噪聲的作用。
通信電源的二次電源DC/DC變換器已商品化,模塊采用高頻PWM技術,開關頻率在500kHz左右,功率密度為5W~20W/in3。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,要求電源模塊實現小型化,因此就要不斷提高開關頻率和采用新的電路拓撲結構,目前已有一些公司研制生產了采用零電流開關和零電壓開關技術的二次電源模塊,功率密度有較大幅度的提高。
2.4不間斷電源(UPS)
不間斷電源(UPS)是計算機、通信系統(tǒng)以及要求提供不能中斷場合所必須的一種高可靠、高性能的電源。交流市電輸入經整流器變成直流,一部分能量給蓄電池組充電,另一部分能量經逆變器變成交流,經轉換開關送到負載。為了在逆變器故障時仍能向負載提供能量,另一路備用電源通過電源轉換開關來實現。
現代UPS普遍了采用脈寬調制技術和功率M0SFET、IGBT等現代電力電子器件,電源的噪聲得以降低,而效率和可靠性得以提高。微處理器軟硬件技術的引入,可以實現對UPS的智能化管理,進行遠程維護和遠程診斷。
目前在線式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS發(fā)展也很迅速,已經有0.5kVA、lkVA、2kVA、3kVA等多種規(guī)格的產品。
2.5變頻器電源
變頻器電源主要用于交流電機的變頻調速,其在電氣傳動系統(tǒng)中占據的地位日趨重要,已獲得巨大的節(jié)能效果。變頻器電源主電路均采用交流-直流-交流方案。工頻電源通過整流器變成固定的直流電壓,然后由大功率晶體管或IGBT組成的PWM高頻變換器,將直流電壓逆變成電壓、頻率可變的交流輸出,電源輸出波形近似于正弦波,用于驅動交流異步電動機實現無級調速。
國際上400kVA以下的變頻器電源系列產品已經問世。八十年代初期,日本東芝公司最先將交流變頻調速技術應用于空調器中。至1997年,其占有率已達到日本家用空調的70%以上。變頻空調具有舒適、節(jié)能等優(yōu)點。國內于90年代初期開始研究變頻空調,96年引進生產線生產變頻空調器,逐漸形成變頻空調開發(fā)生產熱點。預計到2000年左右將形成。變頻空調除了變頻電源外,還要求有適合于變頻調速的壓縮機電機。優(yōu)化控制策略,精選功能組件,是空調變頻電源研制的進一步發(fā)展方向。
2.6高頻逆變式整流焊機電源
高頻逆變式整流焊機電源是一種高性能、高效、省材的新型焊機電源,代表了當今焊機電源的發(fā)展方向。由于IGBT大容量模塊的商用化,這種電源更有著廣闊的應用前景。
逆變焊機電源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)變換的方法。50Hz交流電經全橋整流變成直流,IGBT組成的PWM高頻變換部分將直流電逆變成20kHz的高頻矩形波,經高頻變壓器耦合,整流濾波后成為穩(wěn)定的直流,供電弧使用。
由于焊機電源的工作條件惡劣,頻繁的處于短路、燃弧、開路交替變化之中,因此高頻逆變式整流焊機電源的工作可靠性問題成為最關鍵的問題,也是用戶最關心的問題。采用微處理器做為脈沖寬度調制(PWM)的相關控制器,通過對多參數、多信息的提取與分析,達到預知系統(tǒng)各種工作狀態(tài)的目的,進而提前對系統(tǒng)做出調整和處理,解決了目前大功率IGBT逆變電源可靠性。
國外逆變焊機已可做到額定焊接電流300A,負載持續(xù)率60%,全載電壓60~75V,電流調節(jié)范圍5~300A,重量29kg。
2.7大功率開關型高壓直流電源
大功率開關型高壓直流電源廣泛應用于靜電除塵、水質改良、醫(yī)用X光機和CT機等大型設備。電壓高達50~l59kV,電流達到0.5A以上,功率可達100kW。
自從70年代開始,日本的一些公司開始采用逆變技術,將市電整流后逆變?yōu)?kHz左右的中頻,然后升壓。進入80年代,高頻開關電源技術迅速發(fā)展。德國西門子公司采用功率晶體管做主開關元件,將電源的開關頻率提高到20kHz以上。并將干式變壓器技術成功的應用于高頻高壓電源,取消了高壓變壓器油箱,使變壓器系統(tǒng)的體積進一步減小。
國內對靜電除塵高壓直流電源進行了研制,市電經整流變?yōu)橹绷?采用全橋零電流開關串聯諧振逆變電路將直流電壓逆變?yōu)楦哳l電壓,然后由高頻變壓器升壓,最后整流為直流高壓。在電阻負載條件下,輸出直流電壓達到55kV,電流達到15mA,工作頻率為25.6kHz。
2.8電力有源濾波器
傳統(tǒng)的交流-直流(AC-DC)變換器在投運時,將向電網注入大量的諧波電流,引起諧波損耗和干擾,同時還出現裝置網側功率因數惡化的現象,即所謂"電力公害",例如,不可控整流加電容濾波時,網側三次諧波含量可達(70~80)%,網側功率因數僅有0.5~0.6。
電力有源濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置,能克服傳統(tǒng)LC濾波器的不足,是一種很有發(fā)展前途的諧波抑制手段。濾波器由橋式開關功率變換器和具體控制電路構成。與傳統(tǒng)開關電源的區(qū)別是:(l)不僅反饋輸出電壓,還反饋輸入平均電流;(2)電流環(huán)基準信號為電壓環(huán)誤差信號與全波整流電壓取樣信號之乘積。
2.9分布式開關電源供電系統(tǒng)
分布式電源供電系統(tǒng)采用小功率模塊和大規(guī)?？刂萍呻娐纷骰静考?利用最新理論和技術成果,組成積木式、智能化的大功率供電電源,從而使強電與弱電緊密結合,降低大功率元器件、大功率裝置(集中式)的研制壓力,提高生產效率。
八十年代初期,對分布式高頻開關電源系統(tǒng)的研究基本集中在變換器并聯技術的研究上。八十年代中后期,隨著高頻功率變換技術的迅述發(fā)展，各種變換器拓撲結構相繼出現,結合大規(guī)模集成電路和功率元器件技術,使中小功率裝置的集成成為可能,從而迅速地推動了分布式高頻開關電源系統(tǒng)研究的展開。自八十年代后期開始,這一方向已成為國際電力電子學界的研究熱點,論文數量逐年增加，應用領域不斷擴大。
分布供電方式具有節(jié)能、可靠、高效、經濟和維護方便等優(yōu)點。已被大型計算機、通信設備、航空航天、工業(yè)控制等系統(tǒng)逐漸采納,也是超高速型集成電路的低電壓電源(3.3V)的最為理想的供電方式。在大功率場合,如電鍍、電解電源、電力機車牽引電源、中頻感應加熱電源、電動機驅動電源等領域也有廣闊的應用前景。
3.高頻開關電源的發(fā)展趨勢
在電力電子技術的應用及各種電源系統(tǒng)中，開關電源技術均處于核心地位。對于大型電解電鍍電源,傳統(tǒng)的電路非常龐大而笨重,如果采用高頓開關電源技術,其體積和重量都會大幅度下降,而且可極大提高電源利用效率、節(jié)省材料、降低成本。在電動汽車和變頻傳動中,更是離不開開關電源技術，通過開關電源改變用電頻率,從而達到近于理想的負載匹配和驅動控制。高頻開關電源技術,更是各種大功率開關電源(逆變焊機、通訊電源、高頻加熱電源、激光器電源、電力操作電源等)的核心技術。
3.1高頻化
理論分析和實踐經驗表明,電氣產品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比。所以當我們把頻率從工頻50Hz提高到20kHz,提高400倍的話,用電設備的體積重量大體下降至工頻設計的5~l0%。無論是逆變式整流焊機,還是通訊電源用的開關式整流器,都是基于這一原理。同樣,傳統(tǒng)"整流行業(yè)"的電鍍、電解、電加工、充電、浮充電、電力合閘用等各種直流電源也可以根據這一原理進行改造,成為"開關變換類電源",其主要材料可以節(jié)約90%或更高,還可節(jié)電30%或更多。由于功率電子器件工作頻率上限的逐步提高,促使許多原來采用電子管的傳統(tǒng)高頻設備固態(tài)化,帶來顯著節(jié)能、節(jié)水、節(jié)約材料的經濟效益,更可體現技術含量的價值。
3.2模塊化
模塊化有兩方面的含義,其一是指功率器件的模塊化,其二是指電源單元的模塊化。我們常見的器件模塊,含有一單元、兩單元、六單元直至七單元,包括開關器件和與之反并聯的續(xù)流二極管,實質上都屬于"標準"功率模塊(SPM)。近年,有些公司把開關器件的驅動保護電路也裝到功率模塊中去,構成了"智能化"功率模塊(IPM),不但縮小了整機的體積,更方便了整機的設計制造。實際上,由于頻率的不斷提高,致使引線寄生電感、寄生電容的影響愈加嚴重,對器件造成更大的電應力(表現為過電壓、過電流毛刺)。為了提高系統(tǒng)的可靠性,有些制造商開發(fā)了"用戶專用"功率模塊(ASPM),它把一臺整機的幾乎所有硬件都以芯片的形式安裝到一個模塊中,使元器件之間不再有傳統(tǒng)的引線連接,這樣的模塊經過嚴格、合理的熱、電、機械方面的設計,達到優(yōu)化完美的境地。它類似于微電子中的用戶專用集成電路(ASIC)。只要把控制軟件寫入該模塊中的微處理器芯片,再把整個模塊固定在相應的散熱器上,就構成一臺新型的開關電源裝置。由此可見,模塊化的目的不僅在于使用方便,縮小整機體積,更重要的是取消傳統(tǒng)連線,把寄生參數降到最小,從而把器件承受的電應力降至最低,提高系統(tǒng)的可靠性。這樣,不但提高了功率容量,在有限的器件容量的情況下滿足了大電流輸出的要求,而且通過增加相對整個系統(tǒng)來說功率很小的冗余電源模塊,極大的提高系統(tǒng)可靠性,即使萬一出現單模塊故障,也不會影響系統(tǒng)的正常工作,而且為修復提供充分的時間。
3.3數字化
在傳統(tǒng)功率電子技術中,控制部分是按模擬信號來設計和工作的。在六、七十年代,電力電子技術擬電路基礎上的。但是,現在數字式信號、數字電路顯得越來越重要,數字信號處理技術日趨完善成熟,顯示出越來越多的優(yōu)點:便于計算機處理控制、避免模擬信號的畸變失真、減小雜散信號的干擾(提高抗干擾能力)、便于軟件包調試和遙感遙測遙調,也便于自診斷、容錯等技術的植入。所以,在八、九十年代,對于各類電路和系統(tǒng)的設計來說,模擬技術還是有用的,特別是:諸如印制版的布圖、電磁兼容(EMC)問題以及功率因數修正(PFC)等問題的解決,離不開模擬技術的知識,但是對于智能化的開關電源,需要用計算機控制時,數字化技術就離不開了。
3.4綠色化
電源系統(tǒng)的綠色化有兩層含義:首先是顯著節(jié)電,這意味著發(fā)電容量的節(jié)約,而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因,所以節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染;其次這些電源不能(或少)對電網產生污染,國際電工委員會(IEC)對此制定了一系列標準,如IEC555、IEC917、IECl000等。事實上,許多功率電子節(jié)電設備,往往會變成對電網的污染源:向電網注入嚴重的高次諧波電流,使總功率因數下降,使電網電壓耦合許多毛刺尖峰,甚至出現缺角和畸變。20世紀末,各種有源濾波器和有源補償器的方案誕生,有了多種修正功率因數的方法。
總而言之,電力電子及開關電源技術因應用需求不斷向前發(fā)展,新技術的出現又會使許多應用產品更新換代,還會開拓更多更新的應用領域。開關電源高頻化、模塊化、數字化、綠色化等的實現,將標志著這些技術的成熟,實現高效率用電和高品質用電相結合。這幾年,隨著通信行業(yè)的發(fā)展,以開關電源技術為核心的通信用開關電源,僅國內有20多億人民幣的市場需求,吸引了國內外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內市場正在啟動,并將很快發(fā)展起來。還有其它許多以開關電源技術為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們去開發(fā)。
參考文獻：
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[2]季幼章:迎接知識經濟時代,發(fā)展電源技術應用,電源技術應用,N0.2,l998。
[3]葉治正,葉靖國:開關穩(wěn)壓電源。高等教育出版社,1998。
上世紀50年代末晶閘管在美國問世，標志著電力電子技術就此誕生。第一代電力電子器件主要是可控硅整流器(SCR)，我國70年代將其列為節(jié)能技術在全國推廣。然而，SCR畢竟是一種只能控制其導通而不能控制關斷的半控型開關器件，在交流傳動和變頻電源的應用中受到限制。70年代以后陸續(xù)發(fā)明的功率晶體管(GTR)、門極可關斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應管(PowerMOSFET)、絕緣柵晶體管(IGBT)、靜電感應晶體管(SIT)和靜電感應晶閘管(SITH)等，它們的共同特點是既控制其導通，又能控制其關斷，是全控型開關器件，由于不需要換流電路，故體積、重量較之SCR有大幅度下降。當前，IGBT以其優(yōu)異的特性已成為主流器件，容量大的GTO也有一定地位[1][2][3]。
許多國家都在努力開發(fā)大容量器件，國外已生產6000V的IGBT。IEGT(injectionenhancedgatethyristor)是一種將IGBT和GTO的優(yōu)點結合起來的新型器件，已有1000A/4500V的樣品問世。IGCT(integratedgateeommutatedthyristor)在GTO基礎上采用緩沖層和透明發(fā)射極，它開通時相當于晶閘管，關斷時相當于晶體管，從而有效地協(xié)調了通態(tài)電壓和阻斷電壓的矛盾，工作頻率可達幾千赫茲[2][3]。瑞士ABB公司已經推出的IGCT可達4500一6000V，3000一3500A。MCT因進展不大而引退而IGCT的發(fā)展使其在電力電子器件的新格局中占有重要的地位。與發(fā)達國家相比，我國在器件制造方面比在應用方面有更大的差距。高功率溝柵結構IGBT模塊、IEGT、MOS門控晶閘管、高壓砷化稼高頻整流二極管、碳化硅(SIC)等新型功率器件在國外有了最新發(fā)展?？梢韵嘈牛捎肎aAs、SiC等新型半導體材料制成功率器件，實現人們對“理想器件”的追求，將是21世紀電力電子器件發(fā)展的主要趨勢。
高可靠性的電力電子積木(PEBB)和集成電力電子模塊(IPEM)是近期美國電力電子技術發(fā)展新熱點。GTO和IGCT，IGCT和高壓IGBT等電力電子新器件之間的激烈競爭，必將為21世紀世界電力電子新技術和變頻技術的發(fā)展帶來更多的機遇和挑戰(zhàn)。
二、變頻技術的發(fā)展過程
變頻技術是應交流電機無級調速的需要而誕生的。電力電子器件的更新促使電力變換
技術的不斷發(fā)展。起初,變頻技術只局限于變頻不能變壓。20世紀70年代開始,脈寬調制變壓變頻(PWM-VVVF)調速研究引起了人們的高度重視。20世紀80年代,作為變頻技術核心的PWM模式優(yōu)化問題吸引著人們的濃厚興趣,并得出諸多優(yōu)化模式,如:調制波縱向分割法、同相位載波PWM技術、移相載波PWM技術、載波調制波同時移相PWM技術等。
VVVF變頻器的控制相對簡單,機械特性硬度也較好,能夠滿足一般傳動的平滑調速要求,已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是,這種控制方式在低頻時,由于輸出電壓較小,受定子電阻壓降的影響比較顯著,故造成輸出最大轉矩減小。
矢量控制變頻調速的做法是:將異步電動機在三相坐標系下的定子交流電流Ia、Ib、Ic通過三相——二相變換,等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Iml、Itl,然后模仿直流電動機的控制方法,求得直流電動機的控制量,經過相應的坐標反變換,實現對異步電動機的控制。
直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型,控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機,因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算;它不需要模仿直流電動機的控制,也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。
VVVF變頻、矢量控制變頻、直接轉矩控制變頻都是交—直—交變頻中的一種。其共同缺點是輸入功率因數低,諧波電流大,直流回路需要大的儲能電容,再生能量又不能反饋回電網,即不能進行四象限運行。為此,矩陣式交—交變頻應運而生。
三、變頻技術與家用電器
20世紀70年代,家用電器開始逐步變頻化,出現了電磁烹任器、變頻照明器具、變頻空調、變頻微波爐、變頻電冰箱、IH(感應加熱)飯堡、變頻洗衣機等[4]。
20世紀末期期,家用電器則依托變頻技術,主要瞄準高功能和省電。
首先是電冰箱,由于它處于全天工作,采用變頻制冷后,壓縮機始終處在低速運行狀態(tài),可以徹底消除因壓縮機起動引的噪聲,節(jié)能效果更加明顯。其次,空調器使用變頻后,擴大了壓縮機的工作范圍,不需要壓縮機在斷續(xù)狀態(tài)下運行就可實現冷、暖控制,達到降低電力消耗,消除由于溫度變動而引起的不適感。近年來,新式的變頻冷藏庫不但耗電量減少、實現靜音化,而且利用高速運行能實現快速冷凍。
在洗衣機方面,過去使用變頻實現可變速控制,提高洗凈性能,新流行的洗衣機除了節(jié)能和靜音化外,還在確保衣物柔和洗滌等方面推出新的控制內容;電磁烹任器利用高頻感應加熱使鍋子直接發(fā)熱,沒有燃氣和電加熱的熾熱部分,因此不但安全,還大幅度提高加熱效率,其工作頻率高于聽覺之上,從而消除了飯鍋振動引起的噪聲。
四、電力電子裝置帶來的危害及對策
電力電子裝置中的相控整流和不可控二極管整流使輸入電流波形發(fā)生嚴重畸變,不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數,還引起了嚴重的諧波污染。
另外,硬件電路中電壓和電流的急劇變化,使得電力電子器件承受很大的電應力,并給周圍的電氣設備及電波造成嚴重的電磁干擾(EM1),而且情況日趨嚴重。許多國家都已制定了限制諧波的國家標準,國際電氣電子工程師協(xié)會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE)紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也制定了限制諧波的有關規(guī)定[5]。
（一）諧波與電磁干擾的對策
1、諧波抑制
為了抑制電力電子裝置產生的諧波,一種方法是進行諧波補償,即設置諧波補償裝置,使輸入電流成為正弦波[3]。
傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用IC調諧濾波器,它既可補償諧波,又可補償無功功率。其缺點是,補償特性受電網阻抗和運行狀態(tài)影響,易和系統(tǒng)發(fā)生并聯諧振,導致諧波放大,使LC濾波器過載甚至燒毀。此外,它只能補償固定頻率的諧波,效果也不夠理想。
電力電子器件普及應用之后,運用有源電力濾波器進行諧波補償成為重要方向。其原理是,從補償對象中檢測出諧波電流,然后產生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流,從而使電網電流只含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償,且補償特性不受電網阻抗的影響。
大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術:將多個方波疊加以消除次數較低的諧波,從而得到接近正弦的階梯波。重數越多,波形越接近正弦,但電路結構越復雜。小容量變流器為了實現低諧波和高功率因數,一般采用二極管整流加PWM斬波,常稱之為功率因數校正(PEC)。典型的電路有升壓型、降壓型、升降壓型等。
2、電磁干擾抑制
解決EMI的措施是克服開關器件導通和關斷時出現過大的電流上升率di/dt和電壓上升率du/dt,目前比較引入注目的是零電流開關(ZCS)和零電壓開關(ZVS)電路。方法是:
(1)開關器件上串聯電感,這樣可抑制開關器件導通時的di/dt,使器件上不存在電壓、電流重疊區(qū),減少了正關損耗;
(2)開關器件上并聯電容,當器件關斷后抑制du/dt上升,器件上不存在電壓、電流重疊區(qū),減少了開關損耗;
(3)器件上反并聯二極管,在二極管導通期間,開關器件呈零電壓、零電流狀態(tài),此時驅動器件導通或關斷能實現ZVS、ZCS動作。
目前較常用的軟件開關技術有部分諧振PWM和無損耗緩沖電路。
（二）功率因數補償
早期的方法是采用同步調相機,它是專門用來產生無功功率的同步電機,利用過勵磁和欠勵磁分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。然而,由于它是旋轉電機,噪聲和損耗都較大,運行維護也復雜,響應速度慢。因此,在很多情況下已無法適應快速無功功率補償的要求。
另一種方法是采用飽和電抗器的靜止無功補償裝置。它具有靜止型和響應速度快的優(yōu)點,但由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài),損耗和噪聲都很大,而且存在非線性電路的一些特殊問題,又不能分相調節(jié)以補償負載的不平衡,所以未能占據靜止無功補償裝置的主流。
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,使用SCR、GTO和IGBT等的靜止無功補償裝置得到了長足發(fā)展,其中以靜止無功發(fā)生器最為優(yōu)越。它具有調節(jié)速度快、運行范圍寬的優(yōu)點,而且在采取多重化、多電平或PWM技術等措施后,可大大減少補償電流中諧波含量。更重要的是,靜止無功發(fā)生器使用的抗器和電容元件小,大大縮小裝置的體積和成本。靜止無功發(fā)生器代表著動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。
五、結束語
我們相信，電力電子技術將成為21世紀重要的支柱技術之一，變頻技術在電力電子技術領域中占有重要的地位，近年來在中壓變頻調速和電力牽引領域中的發(fā)展引人注目。隨著全球經濟一體化及我國加人世界貿易組織，我國電力電子技術及變頻技術產業(yè)將出現前所未有的發(fā)展機遇。
參考文獻:
[1]周明寶.電力電子技術[M].北京:機制工業(yè)出版社,1985.
[2]陳堅.電力電子學－電力電子變換和控制技術.北京：高等教育出版社,2002.
[3]王兆安黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.
[4]陳國呈,周勤利.變頻技術研究[J].上海大學自動化學院學報,1995(6):23-26.
