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电力电子技术课件学习8|
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电力电子技术第四版答案1
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3秒自动关闭窗口电力电子技术和产业的发展及前景
发布时间：日
　　摘要：本文简要地介绍了电力电子技术的内涵；回顾了电力电子技术的发展历程；阐述了发展我国电力电子技术和产业的意义；介绍了我国电力电子技术和产业发展现状、与国外的差距和存在的主要问题以及电力电子技术将来的发展趋势；分析了我国电力电子目前和潜在的市场应用情况。最后对发展我国电力电子技术和产业提出建议。
　　一、电力电子技术简介
　　电力电子技术（PowerElectronics，又称功率电子技术，学术上称电力电子学），是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的电子技术。电力电子技术包括电力电子器件、电力电子设备和系统及其控制三个方面，涉及电力电子器件（上游）、电力电子设备和系统（中游）、电力电子技术在各个行业的应用（下游）三个领域。与以信息处理为主的信息电子技术不同，电力电子技术主要用于功率（电力）变换，所变换“电力”功率的范围小到数瓦（W），大到数百兆瓦（MW）甚至吉瓦（GW）。
　　电力电子器件包括功率半导体分立器件、模块和组件，是电力电子技术的核心和基础，推动电力电子设备和系统、应用和产业的持续发展。
　　电力电子设备和系统种类繁多、行业应用范围极广，主要包括三大类产品：变频器、电能质量类产品以及电子电源产品。
　　电力电子技术应用领域十分广泛，几乎涉及到国民经济各个工业部门和社会生活各个方面。电力电子技术无论对改造传统工业(电力、机械、矿冶、交通、化工、轻纺等)，还是对战略性新兴产业(航天、激光、通信、高速轨道交通、机器人、电动汽车、新能源等)和高效利用能源均至关重要，尤其在贯彻“节能减排”、“发展新能源”的基本国策中发挥巨大的作用。
　　电力电子学（PowerElectronics）这一名称是在上世纪60年代出现的。1974年，美国的W.Newell用一个倒三角形（如图1）对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、电子学和控制理论三个学科交*而形成的。这一观点被全世界普遍接受。
　　图1电力电子学的构成
　　二、电力电子技术的产生
　　电力电子技术包括功率半导体器件、功率变换技术及控制技术等几个方面。其中电力电子器件是电力电子技术的核心和基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从1957年美国通用电气公司（GE）研制出世界上第一只工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器（如水整流器）进入由电力电子器件构成的静止式半导体变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。
　　我国电力电子的起步可追溯到上世纪50年代末。50年代末研制出第一只整流管，60年代初研制出第一只晶闸管和晶体管。
　　经过近二十年的工艺完善和应用开发，到上世纪70年代，普通晶闸管（不能自关断，属于半控型器件）已趋于成熟，形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展而确立的。
　　上世纪70年代后期，以门极关断晶闸管（GTO）、双极晶体管（BJT）、功率场效应管（PowerMOSFET）为代表的全控型器件（通过对门极（栅极）或基极的控制，可以使其开通，又可以使其关断）全速发展。上世纪80年代后期，以绝缘栅双极晶体管IGBT和功率MOSFET为代表的，集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件的相继问世，是传统电力电子向现代电力电子转化的标志。
　　三、电力电子技术的发展
　　电力电子技术的发展方向是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子向以高频技术处理问题为主的现代电力电子方向转变。电力电子技术的发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代。
　　表一电力电子技术发展的几个时代
　　（一）整流器时代
　　大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在上世纪六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了一股全国各地大办可控硅（当时对普通晶闸管SCR的称呼）的热潮,几百个可控硅制造厂在全国各地出现。目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家基本就是那个时代的产物。
　　（二）逆变器时代
　　上世纪七十年代到八十年代，交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展和普及。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。因此，大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
　　（三）变频器时代
　　上世纪八十年代末到九十年代初期，以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件相继问世,首先是功率MOSFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统电力电子向现代电力电子转化的标志。
　　四、发展电力电子技术和产业的重要意义以及对相关产业提升和带动作用
　　电力电子是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，它是信息与能源变换的结合，它将各种能源高效率地变换成为高质量的电能，是采用电子信息技术改造传统产业的有效技术途径。是实现节能环保和提高人民生活质量的重要技术手段，在执行当前国家“发展新能源”和“节能减排”基本国策的过程中起着重要的作用。电力电子技术已成为弱电控制与强电运行之间，信息技术与先进制造技术之间，传统产业实现自动化、智能化、节能化、机电一体化之间的桥梁，由于其高效、节能、省材的特点，电力电子技术成为经济发展的重要基础，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。
　　电力电子技术己日益广泛地应用和渗透到“国家中长期科学和技术发展规划纲要所规定的“重点领域及其优先主题”中的能源、环境、装备制造业、交通运输、国防；“前沿技术”中的先进能源技术、激光技术、航空航天技术；及“重大专项”中的核心电子器件、高档数控机床与基础制造技术等许多重要领域。
　　电力电子在现代化国防中得到越来越多的应用，已成为该领域的核心技术之一。所有现代国防装备的特种供电电源、功率驱动、推进、控制等均涉及到电力电子技术。而在快中子堆、磁约束核聚变、环保等前沿科学研究中，超大功率、高性能的变流器及其控制系统也是必不可少的核心部件和基础。
　　（一）电力电子技术是发展“战略性新兴产业”不可或缺的重要组成部分，在“发展战略性新兴产业”中起着关键的作用
　　从“十二五”规划强调大力发展的战略性新兴产业所涵盖的重点领域看，新能源、节能环保、新能源汽车、新材料、生物、高端装备制造、新一代信息技术等产业的发展，都离不开电力电子技术的支撑，它为这些新兴产业提供了高性能、高精度、高效率的小型轻量电控和电源设备，成为发展这些产业的关键和基础。
　　应用电力电子技术于新能源中，通过电力电子变换可使发电装置的电能在形式上与现有用电设备的要求相匹配，在品质上满足用户的需求。新能源发电装置所产生的电能还存在无法预测的周期性变化，例如，风能、光伏发电等，如果将其电能直接输入普通电网，将会对电流带来不良影响，而采用电力电子技术的储能装置就可以平衡新能源发电输入与电网之间的矛盾。
　　（二）电力电子技术是“节能的先锋”、“环保的卫士”、节能减排的重要技术
　　电力电子对节能的作用，主要体现在电机的斩波调速、风机水泵的交流调速、对新能源的利用以及对过剩能量的贮存和启用等多方面。
　　应用电力电子技术使风机和泵类设备调速运行，耗电量比传统的节流方式要少30％左右。我国现有风机和水泵2000多万台，总耗电量占全国发电量的30％以上，如有1/3改造为调速运行，即可节电150亿千瓦时。
　　采用电力电子技术进行交流电力机车变频调速，可节电近30亿千瓦时。用于城市电车、工矿电机车和电瓶车调速运行，可节电20％左右。
　　采用先进的电力电子技术于大批轧机、无轨电车、电焊机、电镀和电解电源以及风机和水泵等机电设备，我国每年可节电200亿千瓦时，相当于一个装机容量为290万kW的大型发电厂的年发电量。
　　（三）电力电子技术是智能电网的助推器
　　以灵活交流输电(FACTS)技术、高压直流(HVDC)输电技术、轻型高压直流输电技术、定制电力(custompower)技术和能量转换技术为代表的先进电力电子技术越来越广泛地应用到我国电网中，它是建设统一坚强智能电网的重要基础和手段。
　　应用各种基于电力电子器件的系统控制器于HVDC和FACTS，能在不增加输电走廊的前提下充分利用现有输电线路，提高传输容量和稳定性。监测、通信、控制、保护技术的发展使得广域内潮流控制成为可能。电能质量调节技术的发展将建立起具有自适应、自恢复能力的智能化输电配电网络。能量转换技术的成熟使得新能源发电，尤其是风电并网得到广泛应用；同时，微电网与能量存储技术使电力用户拥有更多选择，从而构成一个具有高效性、清洁性、自愈性的完全智能化的电网。
　　（四）电力电子技术在电能的发生、输送、分配和使用的全过程都得到了广泛而重要的应用
　　电力电子器件是发电、输电、变配电、用电、储能的核心部件，用于电能分配、转换和控制，起到改善电能质量、控制电能、节能环保的作用，可对电流、电压、功率、频率进行精确高效的控制和变换。
　　表二电力电子技术在电力系统中的主要应用
　　应用电力电子器件于发电、输电、变电、配电、用电、储能，起到改善电能、控制电能、节能环保的作用，能使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。从用电角度来说，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，必须利用电力电子技术提高发电效率和提高输配电质量。以在配电中的应用为例，由于电能需求的不断增加，非线性电子设备和敏感负载对电能质量提出更高要求，为了得到最大输电量和保证在分布系统的公共连接点有高的电能质量，电压调节，无功、谐波控制和补偿以及电力潮流控制技术已成为必不可少的关键技术。
　　（五）电力电子是传统产业转型和升级的基础和重要手段
　　电力电子技术是能源变换和控制的基础，是弱电控制强电、信息产业与传统产业之间的桥梁，是在非常广泛的领域内促进传统产业“转型”，加快实现由传统工业化道路向新型工业化道路的转变和“升级”，从产业价值链的低端向高端的跃生的基础和重要手段，它是对我国传统产业中的机电设备实现技术改造，实现高性能、高频率、小型化、低噪音、低成本、节能、减小环境污染，改善工作条件，使机电设备实现机电一体化，建立自动化工业体系的关键应用技术。
　　应用电力电子技术对我国传统产业中的机电设备实现技术改造，单台节电率平均可达20％左右，如在全国推广，节电量将达500亿千瓦时，相当于全国总发电量的1/10。
　　（六）电力电子与国防建设
　　电力电子技术在现代化国防中得到越来越广泛的应用，它已成为该领域的核心技术之一。所有现代国防装备的特种供电电源、电力驱动、推进、控制等均涉及电力电子核心技术。而在快中子堆、磁约束核聚变、环保等前沿科学研究以及激光、航空航天、航母等前沿技术中，超大功率、高性能的变流器及其控制系统也是必不可少的核心部件和基础。
　　应用高频电力半导体器件及高频变流技术于航天航空中的动力供电和控制电源，可使体积及重量大幅度下降，从而使整个航天飞行器的重量减轻，体积缩小，提高其性能，减小其驱动功率；应用组合开关电源改造原雷达中继系统的线性电源和400HZ发电机组，使导弹部队的装备轻型化；在雷达控制系统应用电力电子技术，能使雷达驱动电源体积缩小并提高性能。
　　（七）电力电子技术应用到日常生活中的方方面面
　　电力电子技术在家用电器控制中应用主要包括电风扇、洗衣机、吸尘器、排风机、电动缝纫机、空调机、电冰箱以及电动自行车等器具中电机的转速控制；电熨斗、电吹风、保温瓶、电热杯、电烙铁以及电饭锅等电热器的温度控制；白炽灯、荧光灯等的光亮控制；用于微波炉、冰箱定时器、自动开关以及触摸开关中的电源关断控制。
　　五、我国电力电子技术发展现状、与国外的差距和存在的主要问题
　　（一）我国电力电子技术发展现状
　　国家经济的持续发展、节能减排的驱动、产业政策的扶持、战略安全的需要、全球化趋势，助推着我国电力电子产业快速发展。
　　（1）电力电子器件方面
　　我国传统型晶闸管类电力电子器件的电压等级和电流容量不断扩展，品种不断增加，产业结构趋向合理，应用面不断扩大。目前，晶闸管类器件产业成熟，种类齐全，质量可靠，能满足国内的需求。5英寸A、6英寸A～4750A电控晶闸管(技术水平居世界前列)和5英寸A光控晶闸管实现了产业化，已经用于高压直流输电和无功补偿等领域。
　　在国家产业政策支持和国民经济发展的推动下，我国高频场控类电力电子器件的研发和产业化也取得了喜人的成绩。我国一些企业在IGBT这个未曾涉足的行业中已经有所突破，经过几年的努力，终于解决了IGBT芯片“有和无”的问题，下一阶段全行业需共同努力解决IGBT芯片“多和少”、“优和好”的问题。目前，从芯片设计到芯片封装、测试的完整产业链正在形成。600V、1200V，100A的IGBT芯片在多家企业进入量产阶段，1700V，100A的IGBT芯片已研发成功，进入中试阶段。IGBT模块的封装技术也上了一个大台阶，国产品牌正在形成之中，已与国际品牌展开竞争态势。采用IGBT模块所制造的装置，如动车组的变频器、风力发电的变流器、光伏发电的逆变器、高压风机水泵的变频器、UPS、无功补偿（SVG）、高频电焊机等都已批量生产，得到广泛应用，有的已替代进口产品。国产IGBT特别是600V、1200V平面非穿通型器件在消费电子市场有所突破，在电磁炉、微波炉和变频空调等家电领域应用步伐加快。
　　100V、200V，小于30A的MOSFET和600V、1200V，100A的FRD已进入批量生产阶段。
　　（2）电力电子设备和系统方面
　　高压变频器制造技术水平和应用范围与发达国家的距离正在缩小中。活跃在我国市场上的国产品牌占70%左右，占25%市场份额，高压变频器的市场主要为内资企业占有。中低压变频器早已规模块生产，但技术缺乏优势，市场主要被国外公司占有。国产厂商在中小功率的风机水泵节能应用中大显身手，在大功率应用中也已经取得突破，在电力、水泥等行业中已经取得了70%以上的市场份额，并且有进一步加大的趋势。
　　我国直流输电技术有了跨越式进步，输送电能容量有很大提升。目前国内直流输电市场主要以±500千伏超高压直流输电工程和±800千伏特高压直流输电工程为主，多条±500千伏直流输电工程运行情况良好，对国家西电东送和各大电网联网起到了重要作用。±500千伏及以下电压等级直流输电换流阀在设计、制造、试验和运行方面技术成熟，产品质量优良，同国外同行业先进企业的产品水平接近。同时，产品国产化率大幅度提高到接近100%。
　　目前，我国已经完全掌握了SVC设计制造的核心技术，彻底实现了SVC的全面国产化，并已成为国际上最大的SVC设计制造国。
　　国内优秀品牌在UPS市场异军突起，凭借在技术上的不断追求与本土化的生产服务优势，取得了令人瞩目的成绩，已经成为中小功率UPS市场的主力军，并向高端大功率市场挺进。
　　（二）我国电力电子技术与国外的差距
　　（1）电力电子器件方面
　　晶闸管类器件产业成熟，种类齐全，质量可靠，可满足国内的需求，6寸电控晶闸管技术水平居世界前列。国内生产晶闸管类器件的厂家不少，但与发达国家有竞争力的厂家不多。
　　目前国际上功率半导体器件的主流产品、市场需求量较大的高频场控器件IGBT已发展到了第六代，商业化已经发展到了第五代。IGBT及其模块（包括IPM）已经涵盖了600V～6.5kV的电压和1A～3500A的电流，应用IGBT模块的100MW级的逆变器也已有产品问世。
　　国内已有多家企业从事IGBT的开发和生产，在政府的支持和企业的努力下，虽然解决了IGBT芯片“有和无”的问题，但还处于产品的发展与市场的培育期，其产品结构还有待于扩展，产品的成熟度还需提升。目前国内生产的IGBT电压和电流等级都较低，不能满足国内市场对高端IGBT的需求。
　　目前我国有多家企业从事中小功率IGBT的封装，只有少数厂家形成产业规模，在IGBT芯片的产业化以及高压大功率IGBT的封装方面，几乎是一片空白。国内封装IGBT模块所用芯片分别由英飞凌、ABB和IR公司提供，只有极少量的芯片由国内生产。
　　高频场控电力电子器件中另一主流功率器件是功率MOS器件，是目前功率半导体开关器件中市场容量最大、需求增长最快的产品，是低功率范围内最好的功率开关器件。国际上，增加元胞密度一直是制造高性能功率MOS器件的发展方向。在降低器件导通损耗的基础上，提高器件性能和可靠性，进一步降低以Superjunction结构为代表的新结构器件制造成本、提升以SiCMOSFET为代表的宽禁带半导体器件成品率成为功率MOS器件研发生产的努力方向。国内也只是近年才有所涉及，功率MOS以平面工艺的VDMOS为主，缺乏高元胞密度的低功耗功率MOS器件产品，国际上热门的以Superjunction为基础的低功耗MOS器件在国内尚处于研发阶段。
　　碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（AlN）以及氮化镓铝（AlGaN）等宽禁带半导体材料受到了愈来愈多的关注，成为新材料、新器件研究的热点。目前，美、日、俄、欧、韩等国家和地区正在加紧研发宽禁带半导体器件，已经有商业化产品出现。SiC肖特基二极管已经可以达到4500V的击穿电压和225℃的工作结温，SiCPIN二极管的工作电压已经达到20kV。SiC功率MOS晶体管目前工作电压已经达到10kV。在我国，现有北京大学、西安电子科技、浙江大学、中国电子科技集团公司第55研究所、山东天岳先进材料科技有限公司、北京天科合达蓝光半导体有限公司、能讯微电子有限公司、南车时代电气股份有限公司、国网智能电网研究所等单位已经或开始宽禁带半导体材料和器件的研究，虽然取得了一系列研究成果，但与国际上的研发和产业化水平差距巨大。
　　IGCT器件特别适用于电压3000V以上、容量1～20MW范围的变流装置，在交流电机驱动及柔性供电系统中有潜在的巨大市场。目前，ABB公司商品化的IGCT产品主要有三种结构类型：非对称型、逆导型和逆阻型，阻断能力有电压4500V和6000V两种系列，最大关断电流分别为4000A和3000A，研制水平的电压已达到9kV/6kA，6.5kV或6kA的器件已经开始供应市场。国内已成功研制出V非对称型以及V逆导型两种IGCT样品。
　　快恢复二极管主要指与IGBT相匹配的FRED器件，与快速晶闸管、高频晶闸管以及GTO、IGCT等晶闸管派生器件匹配的FRD器件。600V、1200V，100A的FRD已进入批量生产阶段。国产快恢复二极管器件在国内市场占有一定的份额。
　　（2）电力电子应用领域
　　我国电力电子在电力、铁道交通等方面的应用技术较为成熟，取得了令人满意的成绩，但在船舶、国防、航空、航天这些方面的应用技术和发达国家相比，存在很大的差距。目前尚未握电力电子重大装备的关键核心技术，不可避免地处于受制于人的境地，需要花费数倍于合理价格购买，甚至受到禁运，对我国经济发展和国家安全造成威胁。我国在电力电子应用领域主要差距在于：大功率变流器制造技术水平较低、装置可靠性差；电力电子全数字控制技术水平还处于初级阶段；应用系统控制技术和系统控制软件水平较低、缺乏重大工程经验积累等。高性能大功率变流装置目前几乎全部依靠进口。
　　（三）我国电力电子行业存在的主要问题
　　虽然我国电力电子的开发研究已有50年的历史，取得了长足的进步，但由于该领域科技飞速发展，加之我国财力和原有基础薄弱的限制，特别是面临国外高科技的冲击等原因，我国电力电子被“边缘化”。各行各业都迫切需要高性能的电力电子器件及系统和设备，都认为电力电子技术和产业十分重要，但是至今国家没有一个部门对电力电子进行统一规划和管理，电力电子技术也一直未能列入国家科技中长期的计划，对电力电子技术和产业的支持缺乏引导和力度。目前我国与发达国家先进水平的差距是很大的。
　　当前存在的主要问题是：
　　（1）我国电力电子产品以低中端产品为主，缺乏高端产品，特别是先进的全控型电力电子器件则依赖进口。目前我国生产的大多数电力电子设备和系统还主要基于晶闸管，虽然也能制造一些高技术的电力电子设备和系统，但是它们均是采用国外生产的电力电子器件和组件以组装集成的方式制造。许多关系到国民经济命脉和国家安全的若干关键领域中的高端产品、核心技术和软硬件，国外均是对我国进行控制和封锁的。
　　（2）我国电力电子产业链亟需进一步加强和完善，以形成行业竞争力。经过多年发展，国内电力电子企业在一些技术环节取得一定的突破，但是由于在整个产业链中无法凝聚成合力，所以无法将技术进步转变成行业的竞争力。
　　（3）在电力电子最先进、最核心的现代电力电子器件行业中，高频场控电力电子器件的许多关键核心技术还未突破，其产业链还未形成，市场基本上被国外垄断。同时由于该行业中设计、流片、封装和测试四个环节的发展不均衡，严重影响了产业化的进程。
　　（4）在下一代宽禁带电力电子器件领域，我国还处于研发的初级阶段，与国际上的研发和产业化水平差距巨大。国际技术先进国家对宽禁带电力电子器件进行了长期的大力投入，在部分类型和等级的产品上已经或者将在近期内实现产业化。在新一代宽禁带电力电子器件产业中，我国处于全面落后、亟需跨越式发展的紧急时期。
　　六、我国电力电子市场应用前景
　　（一）目前应用情况及市场规模
　　我国电力电子产业目前和未来一段时间均处于高速发展期，市场前景广阔。
　　有关数据表明，我国正在成长为全球最大的功率半导体市场。年，我国功率半导体市场年平均增长率为23%，2008年的销售额为821.8亿元，2009年超过870亿元。2010年达到956.6亿元，2011年达到1060.5亿元。2011年功率半导体在我国市场的销售量占全球的50%。
　　表三近年我国大功率半导体器件在几个主要领域的市场规模
　　（二）潜在市场规模
　　随着战略性新兴产业的崛起，电力电子技术在风能、太阳能、热泵、水电、生物质能、绿色建筑、新能源装备、电动汽车等先进制造业等重要领域都将发挥重要作用，而这其中的许多领域都在“十二五”规划中具备万亿以上的市场规模，其必然带动电力电子技术及产业高速发展。迎来重大的发展机遇。
　　直流输电领域：“十二五”国家规划将进入以特高压和智能化为重要特征，各级电网建设协调推进的新阶段，形成坚强的电网构架。至2015年，国家将计划建成11个±800千伏特高压直流输电工程，直流换流容量1.64亿千瓦。至2020年，建成20个±800千伏特高压直流输电工程，4个±1000千伏特高压直流输电工程，直流换流容量3.5亿千瓦。鉴于广阔的市场需求，自主研发我国专有技术，并具有国际领先水平的特高压直流输电换流阀、轻型高压直流输电换流阀，对满足我国电力需求，对中国成为世界上特高压直流输电强国具有重要意义。
　　变频调速：据业界权威传媒中国自动化网统计，近年来，我国变频器市场每年需求大约形成100多亿元的市场空间。我国变频器总的潜在市场空间大约为亿元，其中常压变频器约占市场份额的60%左右，中高压变频器需求数量相对比较少，但由于其单台功率大、售价高，也占市场的40%左右。目前国内带变动负载、具有节能潜力的电机至少有1.8亿千瓦，由此为变频器的应用提供了极为巨大的市场。我国高压变频器市场将保持年均40%以上的复合增长率，5年内国内高压变频器的年均市场规模将稳定在150亿元以上。
　　发达国家电能的75%经过电力电子技术变换或控制后使用，本世纪将达到95%以上。目前我国经过变换或控制后使用的电能仅占30%，70%的电能仍采用传统的传输方式。作为节能降耗的主力军，电力电子行业每年高增长可以维持相当长的时间。
　　据CCID预计电力电子器件的年平均增长速度超过20%。IGBT等新型电力电子器件的年平均增长率超过30%，我国IGBT市场规模将从2010年的55亿元人民币增加到2015年的150亿元，到2020年将达到341亿元人民币。
　　七、电力电子技术发展趋势
　　应用技术高频化（20kHz以上）、硬件结构集成模块化（单片集成模块、混合集成模块）、软件控制数字化和产品性能绿色化（无电磁干扰和对电网无污染）是当前电力电子新技术产品的四大发展方向。
　　（一）电力电子器件发展趋势
　　高频化、集成化、标准模块化和智能化是电力电子器件未来的主要发展方向。
　　（1）随着电力电子技术应用的不断发展，对电力电子器件性能指标和可靠性的要求也日益苛刻。具体而言，要求电力电子器件具有更大的电流密度、更高的工作温度、更强的散热能力、更高的工作电压、更低的通态压降、更快的开关时间，而对于航天和军事应用，还要求有更强的抗辐射能力和抗振动冲击能力。特别是航天、航空、舰船、输变电、机车、装甲车辆等使用条件恶劣的应用领域，以上要求更为迫切。
　　（2）未来几年中，尽管以硅为半导体材料的双极功率器件和场控功率器件已趋于成熟，但是各种新结构和新工艺的引入，仍可使其性能得到进一步提高和改善，Coolmos、各种改进型IGBT和IGCT均有相当的生命力和竞争力。
　　（3）电力电子器件的智能化应用也在不断研究中取得了实质成果。一些国外制造企业已经开发出了相应的IPM智能化功率模块，结构简单、功能齐全、运行可靠性高，并具有自诊断和保护的功能。
　　（4）新型高频器件碳化硅和氮化镓器件正在迅速发展，一些器件有望在不远的将来实现商品化。但由于材料和制造工艺方面的问题，还需要大量的研究投入和时间才能逐步解决。
　　（二）电力电子设备和系统发展趋势
　　由于环境、能源、社会和高效化的要求，电力电子设备和系统正朝着应用技术高频化、智能化、全数字控制、系统化及绿色化方向发展。
　　（1）在未来一段时间内，以各种电力半导体器件为主功率器件的电力电子设备和系统将展开竞争且共同发展。晶闸管及其派生器件仍将垄断特大功率领域。
　　（2）以IGBT为主功率器件的整流器和逆变器可提高效率、减小噪声，减轻设备的重量、减少体积，将广泛应用于工业（电机变频、电焊机，工业加热，电镀电源、贮能装置等）、家用电器（电磁炉，商用电磁炉，变频空调，变频冰箱等）和新能源等方面（风力发电，光伏发电、电动汽车等）等。
　　（3）以IGCT为主功率器件的电力电子设备和系统将有可能逐步取代晶闸管。
　　（4）以MOSFET为主功率器件的电力电子设备和系统将在中低功率领域发挥巨大的作用。
　　（5）谐振变流器技术将广泛应用，新的控制技术及手段将在电力电子设备和系统中获得应用，并进一步提高电力电子设备和系统的性能和档次。
　　（6）电力电子设备和系统中的电磁干扰（EMI）控制、PWM传动系统中的轴电流和轴电压等难题将取得突破性进展。
　　（7）未来电力电子设备和系统的应用热点是：变频调速、智能电网、汽车电子、信息和办公自动化、家用特种电源、牵引用特种电源、新能源、太阳能、风能及燃料电源等。
　　八、对发展我国电力电子技术和产业的建议
　　（一）由政府牵头，组织业内外专家制定我国电力电子技术和产业年中长期发展规划，指导我国电力电子技术和产业的发展
　　我国电力电子技术和产业发展中，缺乏国家统一的政策引导和支持，缺乏政府的统一的布署和管理。进入本世纪后，电力电子技术和产业得到了多个政府部门的关心和支持，有效推动了电力电子技术和产业的发展，但这种支持缺乏力度、缺乏计划性和连续性，一、二次“撒芝麻”式的支持是解决不了问题的。电力电子技术和产业是一门高新技术，从诞生之日起，发达国家政府就把电力电子列为重大的高新技术，长期以来给予持续投入。在发展我国科技和产业中，需借鉴发达国家的经验，把电力电子技术和产业列入国家中长期发展的规划，有计划、有步骤的给予持续支持。在制定中长期发展规划中，要充分认识电力电子在国民经济发展和国防建设中的重要地位，要充分发挥业内专家的作用，制定科学的有效的电力电子技术和产业的中长期发展规划。
　　希望在发展我国电力电子技术和产业中，得到和发展微电子同等的政府支持力度，希望把电力电子技术和产业列入国务院的重大专项。
　　（二）政府加强对电力电子行业的统一管理，完善相关法律法规，通过政府的资金支持引导，吸引银行、风险投资机构和民间资金的投入，为电力电子技术研发和产业发展提供充足的资金支持
　　高新技术的电力电子产业，其资金密集、技术密集是一个突出的特点，发展电力电子器件和发展微电子器件一样，都会遇到技术门槛高、投资大、回报周期长的困难。近年来，不少从事电力电子产业如开发和生产IGBT、MOSFET、FRED等产品的企业由于资源缺口，开发和生产难以为继，甚至下马停产。建议政府在支持电力电子技术和产业发展中，要加强支持资金的引导性，通过中央政府和地方政府的资金投入，引导、吸引银行、风险投资机构、民间的资产金进入电力电子行业，并在政府、财政补贴、税收优惠、关税及非关税壁垒保护、金融支持、国产化率考核、使用采用国产电力电子器件的首台（套）装备的风险补偿、重大项目示范工程（项目）等政策上给予支持，这样既缓解了发展电力电子资金紧缺的问题，也杜绝了全部由政府买单的现象。
　　（三）重点对电力电子器件的研发和产业化进行投入，鼓励自主创新，攻克关键核心技术，尽快形成高频场控器件的生产能力
　　电力电子器件是电力电子的核心，是电力电子的基础。一代新的器件必将开发出一代新的装置，必要开辟一代新的应用领域。电力电子器件由以晶闸管为代表的第一代半控器件，经过以门极可关断晶闸管为代表的第二代全控器件，到今天以绝缘栅双极晶体管为代表的高频场控的全控器件，经历了半个多世纪的发展，日趋完善和先进，为电力电子技术和产业的发展做出了重大贡献。由于多种原因，我国电力电子器件发展相对落后，成为我国电力电子发展的瓶颈，制约了国民经济和国家安全的发展。建议电力电子技术的支持和发展应本着以电力电子器件为核心，以设备和系统及其应用为推动力的思路，对电力电子器件的研发和产业化，根据拟制定的我国电力电子技术及产业年中长期发展规划，进行重点投入，大力支持，攻克电力电子器件的关键核心技术，尽快形成生产力，为电力电子产业提供优良的电力电子器件。
　　（四）积极鼓励国产高频场控电力电子器件及装置的示范应用
　　电力电子的另一特点是器件和应用的关系十分密切。进入本世纪后，我国高频场控电力电子器件的核心技术有所突破，采用自主研发的芯片封装的单管和模块已有少量生产，并成功用于设备制造和工程应用，经使用可满足用户的要求，但最终用户仍倾向于采用进口器件的电力电子设备，使国产高频场控器件的推广和应用受阻。所以，要加大政策的引导和推动作用，通过政府采购、节能工程、示范工程等政策，整合企业、高等院校和科研机构等资源优势，促进国产高频场控电力电子器件及设备和系统的推广应用，形成支持国产高频场控电力电子器件自主创新及应用的长效机制，推动高频场控电力电子器件产业的发展。
　　（五）积极支持宽禁带电力电子器件的研究，实现跨越式发展
　　一代新的半导体材料，必将造就一代新的电力电子器件，半导体材料和器件日新月异的发展，将电力电子推向SIC、GAN时代。建议政府主管部门将宽禁带电力电子器件的研发列入国家科技重大专项，对下一代半导体材料和电力电子器件研发加大投入。只有对下一代电力电子器件的关键技术进行研究，才能从根源上使我国电力电子技术及其相关产业突破低端市场、进入中高端应用领域，为我国经济和国防现代化长期稳定发展提供可靠的保障。
　　（六）发挥区域优势和集聚效应，规划和建设完整的电力电子产业链，加快形成大规模的生产能力
　　产业链的完整性反映了产业的成熟性。完整的产业链体现在有可靠的原材料、零部件的供货保证，有成熟的设计、制造、检测的生产手段、合理的工艺过程和完善的质量保证体系，有通畅的销售渠道、可靠的技术服务保障和成熟的应用领域。目前，高频场控电力电子器件的生产线还不健全，关键原材料、零部件的供货缺乏保证，设计、制造的关键核心技术有待突破和提升，检测手段不完善，市场还处于培育期。上述问题有待于逐步解决。
　　目前，我国电力电子行业主要分布在长三角、环渤海、珠三角、西安一带，在产业布局上要充分发挥这些地区的优势，政策要给予倾斜，尤其对于同类产品集中的地区，要充分发挥该地区的区域优势，地方政府要给予关心和支持。
　　（七）积极促进电力电子和微电子的合作，加强技术交流，发挥微电子生产线的作用，加快电力电子技术和产业的发展
　　电力电子器件和微电子器件是半导体器件的两个分枝，电力电子技术和产业考虑的是大功率超大功率，微电子考虑的是提高集成度，所以它们的设计理念和关键制造工艺是不同。但电力电子和微电子器件基本原理相同，技术相通，所以促进电力电子和微电子的合作，加强技术交流，发挥微电子生产线的作用，有利于加快电力电子技术和产业发展的进程。在发展电力电子器件时，要加强引导，如鼓励IGBT的正面加工在微电子生产线上加工流片，并通过技术交流，提高加工流片的质量。同时要做好高频场控器件IGBT背面加工工艺线的建设，形成高频场控IGBT件器件完整的加工线。同时，在发展高频场控器件时，要引导企业实事求是，量力而行，防止一哄而上、急功近利的现象出现。
　　（八）通过引进、培养，建立一支创新能力强、结构合理、素质优良的技术队伍
　　发展电力电子技术，人才是根本。总结上世纪九十年代我国高频场控器件IGBT的研制过程，人才缺乏，尤其是领军人才缺乏是失败的关键原因。从事高频场控器件IGBT的研制人才既不同于从事第一代和第二代电力电子器件的技术人才，也不同于从事微电子的技术人才，是上述技术复合性的人才，所以引进这类人才是当务之急。实践证明近年来高频场控器件IGBT有所突破是和积极引进这类人才的政策密不可分的。在引进人才的同时，大专院校、科研院所要加快人才的培养，早日形成一支创新能力强、结构合理、素质优良的技术队伍。
　　（九）重点扶持创新能力强、业绩好、竞争力强的大中型电力电子企业和研发单位
　　目前，从事电力电子行业的单位很多，从事电力电子器件的单位也不少，但均缺乏竞争力。以晶闸管这类产品为例，在国际市场上有竞争力的厂家也只有1～2家。从事高频场控器件IGBT的单位也有近二十家，真正能有一定数量的产品，占有一定市场规模的企业屈指可数。电力电子作为一个高速发展的战略性高新产业，对其发展中的艰巨性、长期性应有正确的认识，对它的巨额资金投入应有足够的心理准备，扶持的重点应注重其创新能力、研发和产业化能力，还要关注企业的规模和竞争实力。
　　（十）充分发挥行业协会的桥梁和纽带作用，促进电力电子技术和产业的发展
　　自政府职能逐步走向宏观管理后，一些具体管理职能交给行业协会办理。多年来，我电力电子分会坚持为政府和企业服务的宗旨，积极为政府制定相关政策建言献策，为企业的发展出谋划策，起到了积极作用。我们体会到协会为行业发展的工作大有可为。
　　鉴于行业协会是一个民间组织，根据民政部的相关政策规定，协会不能从事营利性的工作，只能靠会费维持运转，许多工作因资金紧缺无法开展，如没有能力给予专家支付相应的差旅费和劳务费。希望政府对协会的工作采取有偿服务的办法，提供相应的资金作为回报，或交给协会一些软课题研究，提供一定的资金回报，保证行业协会的工作正常运转。
　　九、结语
　　我国电力电子技术和产业的发展，经历了起步创业、快速发展、探索全控器件和突破高频场控器件四个阶段，至今已有半个多世纪。晶闸管类器件及设备和系统产业成熟，种类齐全，质量可靠，能满足国民经济发展的需求，超大功率晶闸管及应用技术水平居世界前列。进入本世纪后，IGBT、MOSFET等高频场控电力电子器件的研发和生产有了长足的进步，中低功率的MOSFET已批量生产，在消费类电子领域得到广泛应用。IGBT的研发有了重大突破，终于解决了IGBT芯片“有和无”的问题，已有产品用于电机变频、风力发电变流器、光伏发电逆变器、高频电焊机、UPS、SVG等。但和发达国家相比，我国电力电子技术和产业仍有很大的差距，远不能满足国民经济和国家安全的需要，高频场控器件电力电子器的许多关键核心技术有待突破，IGBT等高频场控电力电子器件的芯片“多和少”、“优和好”的问题还有待于下大力气去解决。在目前国民经济增速下滑，下行压力加大的情况下，和其它行业相比，电力电子产业仍有较好的发展，电力电子行业要抓住这个难得的机遇，坚持主攻高端，自主创新，调整结构，攻克关键核心技术，提高产品的技术含量，满足经济发展的需求。电力电子行业大有可为，任重道远，力争经过2-3五年的努力，使我国电力电子技术和产业能力达到当时发达国家的水平。
　　参考文献
　　（1）“电力电子技术”，王兆安
　　（2）“我国电力电子与电力传动发展的大好机遇”，钱照明
　　（3）电力电子行业“十二五”发展规划，中国电器工业协会电力电子分会
　　（4）对我国电力电子技术及产业发展的建议，中国电器工业协会电力电子分会
　　（5）有关文件和资料
来源：中国半导体行业协会
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