电力电子技术的二十年及其未来——思考走向信息时代的电力电子学

电力电子技术的二十年及其未来——思考走向信息时代的电力电子学
   
  我国的电力电子学会成立至今，已有20个年头了。当年我曾为此准备过一篇详细的综述文章，在成立大会上作了介绍。最近着意去找了一下这二十年来写就的多篇有关电力电子技术的文章。前后对比之后，深感电力电子技术确实已有了很大的发展。特别有个新感受是：由于时代的变迁，电力电子的侧重点和内容也正在发生巨大的变化。
  　　电力电子学在当年是一个崭新的名词，因而我花过很多时间就其形成、定义、特征、分类及其展望作了一番论述。当时我曾提到：五十年代末诞生了集成电路和晶闸管。从集成电路的发展形成了微电子学，其应用是信息电子学。从晶闸管及其他电力半导体器件的发展和变流技术结合则形成电力电子学。但当时对信息电子和电力电子的关系很少考虑过，潜意识地感到它们是属于两个各奔前程的学科。
  　　从二十年的发展来看，半导体器件确实起了推动电子技术发展的作用。集成电路对信息产业发展的重要作用是谁都了解的。晶闸管等电力半导体器件也扮演了电力电子发展中的主要角色。难怪当初电力电子的倒三角定义的中心就是晶闸管。这些年来的经验表明：当某种关键的半导体器件诞生后，往往会引起电子技术的一个飞跃。这也就容易理解当MOS功率器件诞生后为何又一次使电力电子技术跨上了一个新台阶。当然对MOS器件的深入认识也有个过程：最初根据场效应晶体管的单极性结构，很自然理解到它必然具有较快的开关速度，从而带动了高频电力电子技术的发展。又从其电压控制模式，理解到它很容易和微电子器件接口，功率集成电路就此应运而生，使MOS器件的控制方式大为丰富并简化。但当时还没有理解到，MOS晶体管实际上还是一种具有最低阻抗的整流器件。乍一看来，利用晶体管去代替整流器似乎难以理解，可是采用了同步整流的原理后这个问题就解决了。这样正好符合了电脑发展所必须的超低压电源的特殊需要，从而也就更增加了功率MOS晶体管的重要性。
  　　在半导体器件的发展中，必须注意到微电子器件永远是先导和主体。微电子器件的产值占有着半导体器件中的绝大部分，它主导了半导体新技术的发展。更重要的一点是：它在信息化的过程中起了关键作用。当今我们正处于这样一个时代，按我们国家的话来说：大力推进国民经济和社会信息化，是覆盖现代化建设全局的战略举措。这一点，在过去的年代里是无法想象的。这在某种程度上也说明了要使电力电子行业有更快发展，和信息电子挂钩也将是一个重要举措。
  
  图1 计算机及internet消耗电能的比例
  　　我们过去常把微电子比作脑子，电力电子比作肌肉，然后两者共同工作于电力电子装置之中。那时很少想到微电子或信息电子本身也需要电力电子作为电源，就象脑子需要心脏供血一样。所以信息电子不仅是电力电子的合作伙伴，而且也将是电力电子的主要客户。过去我们常忽视这一点，也许是因为信息所使用的电能似乎是微乎其微的，因而认为电力电子的节能作用对信息电子并不重要。甚至感到它并不属于电力电子的范畴。图1显示了美国信息电子消耗电能所占的比重及其逐年增加的势头，图中还显示了网络消耗电能的剧增。信息电子需要这么大的能源供给可能使许多人都意想不到。但是这却说明了优化信息电子所采用的电源，应该是电力电子界的重任。特别需要说明的一点是：对便携式（portable）电器来说，节省电池的电能还有另一层次的意义。因为对使用膝上电脑、掌上电脑、手机的人们来说，最关心或烦恼的事，就是每次充电后可使用的时间；同时人们总希望进一步缩小所使用的便携式电器，节省电能就为此创造了条件。
  
  图2CUP对电源的要求
  　　另一个更重要的情况是：信息电子对电源常常有其独特的要求：例如通信系统中要求大量的DC/DC低压电源，而电脑也要求低压大电流快响应的电源（见图2）。可以想象对一个低到只有1V的电源，却又要求在高效率下流出100A的电流，这样的电源在制作时遇到很多困难。因为PN结零偏压势垒就有(0.5～0.7)V，它在超低压电源中是不可能起到有效整流作用的。因此，信息电子对功率半导体器件及电力电子技术提出了许多特殊要求。这些不仅已成为电力电子的最重要的新方向，而且也已成为一些功率半导体器件厂的新器件的主要发展方向和高收入来源。
  　　上面的叙述说明了两个问题，一方面是半导体器件对电力电子技术起了推动作用，另一方面已形成的新产业和新应用反过来又对半导体器件提出新要求。就象每十年集成度翻一倍的微电子推动了信息电子的迅速发展，而信息电子又反过来要求微电子及电力电子去配合以达到它自身更新的发展。电力电子在信息电子发展的道路上，虽然不是主体，但却是不可缺少的一员。对电力电子本身来说，这是开辟其新发展方向的重要机遇。
  　　二十年前，我介绍了晶闸管及其他自关断器件取代水银整流器，晶体管电路或集成电路作为控制部件取代单结管及磁放大器等的过程。现在看来很多话题已很陈旧，但这也说明二十年来我们确实已取得了许多进步，发生了很多变化。一些当时认为最先进的东西现在已变成很一般了。当时认为的电力电子技术应用的三大支柱：电化、牵引和直流传动现在已趋成熟，新的三大热门：交流传动、直流输电及无功补偿已进入实用。我国近年来在交流传动、牵引等方面确实有了很大的发展。有些项目，例如三峡直流输电工程，是全国最重大的项目之一，将对国民经济的发展起到巨大的作用。但我们却又看到一部分传统的功率半导体器件或有关厂家，日子并不好过。如果把我们的视野进一步扩展到信息电子行业，把电力电子看作是和信息电子同步发展的产业，也许有可能取得新的发展动力。我们为之奋斗许多年的行业，就有可能在信息时代的发展中，寻到自己另一个新的位置。
  　　我们行业内有许多仁人志士，积极争取在我国发展MOS型器件制造，我十分期盼着他们的成功。它对我国电力电子技术的发展，将会产生重大的影响。从目前我国的实力来看，取得成功的可能性是大大地增加了。国外某些功率半导体器件公司，其产品的主要客户已经有了转变，首先是信息产业，其次才是工业应用。而汽车工业和家用电器，近期也有很快的发展。当客户大量面向信息、汽车、家电后，生产业绩就有很大的上升。遗憾的是我国的器件制造业还不可能做到这一点，但相应的电力电子客户已有可能做到。我们的学术界，应有可能起到带头和舆论导向的作用。
  　　过去我们常感到中国在信息电子方面是很落后的，这个认识现在必须改变。中国最近宣布，其电话用户已突破2亿户，其中包括手机6500万户，这些都已成为世界第二。要看到，1979年时，才仅仅约200万户。1992年达1000万、1998年达1亿户，现在又达2亿户，其发展速度是惊人的。我国的网络用户，过去以每年14倍的速度发展，已列入世界第八位。据美国某投资银行估计，三年后中国的网民会达到8千万。说明我们在信息化的过程中，其速度是非常快的。再加上我国对信息产业的重视，其发展还会进一步加快。要看到信息产业已成为我国国民经济发展的主要推动力。上海最近就提出了要在五年内投入1500亿元集中发展信息电子产业，并要建造10条以上集成电路生产线，以使上海信息电子产业的产值占全市工业总产值的25％。这仅是一个例子，但从这里可看到其发展势头。我国不仅早已是钢产量世界第一、最近发电量也成为世界第一，许多家用电器也是世界第一，这说明我国信息和电力电子产业的发展还有其他产业作为后盾。不能把信息化的过程仅仅视为在计算机、通信系统、网络方面的应用，实际上其范围是更为广泛的，并不是说信息化时代，所有东西都要和信息挂上边。信息时代的产品，当然不会统统是信息产品，例如汽车正在进一步电子化或电动化，为了操作更方便，行驶更安全，汽车中愈来愈多的微电子电路和功率集成电路参与控制，有愈来愈多的电子安全保护。汽车电子还为汽车的节能发挥了重要作用。从功率半导体厂的发展来看，汽车电子可能成为其第二大客户。这些并不都是信息化的应用，但这是当今这个时代的新技术。当然汽车中也在发展导向装置，现在上海的有些出租车，管理部可直接读到它的具体位置，有的公交车路牌，可动态标示下辆车还有几分钟可以到达，这些也可算是信息化的一种表现。家用电器将是功率半导体厂的第三或第四重要客户。家用电器中电源的进一步发展会和通信中的电源有共通之处。家用电器中的变频调速，所采用的大多是MOS型器件，已普遍用于空调、冰箱之中，在洗衣机中的发展也已开始。这些变频调速，用到从整流到逆变，从控制到主部件等各种元器件，是最典型的电力电子应用。我们不能因为家电的功率不大，就忽视了它在电力电子中的位置，这是一个必须强调的方面。此外，当这些微波炉、空调、冰箱和网络有了结合，就有可能成为今后的另一个新热点，即所谓信息家电。但这仅是信息家电的一个概念。信息家电的主要概念和方向是将家电中的电视、电话（包括手机）、VCD、CD、电脑、游戏机、新闻或小说阅读、电子邮件、电子商务、数字相机、数字摄像机、家庭保安中的若干部分组合在一起。据说日本的信息家电1998年已达2万亿日元。这些发展都需要电源和电力电子。房地产业是拉动我国国民经济的另一要素，有了新住房就要新电器，这是家用电器包括功率半导体器件的一个新机会。不少住宅区已和网络建立联系，信息电子已和每个家庭挂钩。中国的有线电视的覆盖率已达70％以上，这也为信息家电进入家庭创造了条件。据说今后有可能模糊电脑、通信和家电的界限。但另一说法是，信息家电永远代替不了个人电脑。同时目前的信息电子也已进入了金融、保险等行业，而各种信用卡、交通卡、煤气卡等等都在发展。据说上海是世界上第二个使用公用交通卡的城市，坐公交车、地铁、出租车都可以用它。在电脑发展方面，（要注意，这是电力电子的重要服务对象）中国去年销售6百万台。近年来，中国的电脑制造业有了突飞猛进的发展。我国的东莞，据说已是世界最大的电脑零部件产地，已可供应95％的零部件。用IBM人的话来说，如果香港和东莞的交通有了堵塞，则全球75％电脑市场就会受到影响。总之，当前信息电子的概念已经进入了几乎每个领域，而我国在信息电子方面也已有了一定规模。
  　　综上所述，我认为二十年来，整个国民经济的发展形势已有很大的变化。全球包括中国正在进一步信息化，在此形势下，电力电子技术必须考虑跟上这一变化，其原因如下：
  　　（1）信息产业已成为国家的最重要的产业之一。甚至影响整个国民经济和社会的发展。信息电子应用、以及采用这个时代最新技术的汽车电子和家用电器，将有可能成为今后电力电子的最主要的一些应用方面。
  　　（2）根据信息产业对电力电子技术的需要，专门服务于信息产业的功率半导体器件及其应用技术已有了长足的发展，且已能满足信息产业的需要。这些新技术，今后将影响电力电子的进一步发展。
  　　我上面的叙述，并不表明不重视传统电力电子学的发展。而只是表明，电力电子工作者要关心信息化过程中电力电子的新作用。我比较趋向于把大（功率）电力电子技术和小（功率）电力电子技术都明确地归纳在电力电子之中。两者都应受到重视，以共通的技术来互相补充和互相促进。我还建议那些卓有成就的电力电子学者和专家，分一部分精力来思考走向信息时代的电力电子技术，思考未来二十年电力电子可能达到境界。这样会更有利于开拓新的技术，取得新的活力，发展新的产品。
  　　谨以此文，献给二十年来致力于发展电力电子技术的同志们，望大家取得新的进步。