大容量电力电子技术是使用大功率半导体器件,通过信息流对能量流的精确控制以实现电能的有效变换与传输的技术,包括大功率电力电子器件、电力电子装置和系统应用三个方面,涉及电力电子器件（上游）和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微电子技术和常规小容量电力电子技术不同,大容量电力电子技术面对的主要功率等级在几百千瓦乃至几十吉瓦以上,电压等级在千伏乃至几十万伏以上,电流容量在几百安培乃至上万安培以上,在不同应用领域起到重大作用^[1]。

近几年来,随着电气节能、新能源发电、电力牵引、智能电网以及军工装备等应用领域的高速发展,对大容量电力电子装置和系统的需求越来越大,无论是传统产业,还是高新技术产业,都迫切需要提供大容量、高质量、可靠及可控的电能。大容量电力电子装置和系统已经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、节能化和机电一体化之间的桥梁,被广泛应用于能源、交通、工业制造和航空航天等领域,特别在面向我国新一代电网系统和大型电力牵引系统应用中（如高铁、舰船等）,随着中高压直流变换技术、分布式新能源发电技术以及电力传动技术的长足发展,大容量电力电子变换装置和系统正成为大幅提升柔性交直流电网输送能力和电力牵引控制能力的关键装置和核心接口设备。

目前大容量电力电子技术和应用正处在快速发展的阶段。从学科发展角度来看,仍存在两个关键问题：即大功率电力电子器件的功率处理水平与电力电子装置容量和性能需求之间的矛盾问题,电力电子装置的电能变换能力与系统应用需求之间的矛盾问题。需要有不断的技术创新去解决这两个矛盾。目前主要方法为：发展以大功率电力电子器件为核心的装置分析和设计技术,提高装置的电能变换能力;发展以拓扑和控制为核心的组合式电力电子技术,提高系统在不同领域的应用潜力。

近年来,我国大容量电力电子技术从应用基础研究、关键技术、产业规模、产业链条完善和标准体系建立等方面都取得了斐然的成就。

大型风机水泵变频调速节能是大容量电力电子技术的主要应用之一,高性价比、高可靠性的高压大容量变频器仍然是该领域研究的前沿。鉴于器件容量和耐压能力的限制,目前在高压大容量变频器中广泛使用组合式电力电子变换器,如器件串并联和多电平技术等。比较有代表性的是H桥级联型多电平变换器,通过相同的H桥单元的不断级联,可以实现更高电压等级的输出,从而提高变换器的输出功率。H桥级联型多电平变换器以其结构模块化、冗余程度高以及易于实现高压多电平等优点成为应用最广泛的多电平拓扑结构之一。同时,包括二极管钳位、电容跨接等组合式电力电子变换器中的三电平、五电平及混合多电平变换器也都得到有效应用。由于后者技术门槛更高,在应用上不如H桥级联式变换器广泛。此外,器件直接并联以获得更大的容量、器件直接串联以获得更高的装置电压都在研究和应用之中,但其动态均流和均压仍然是瓶颈问题。一般来讲,容量越大、电压越高,所显示的大容量电力电子技术水平就越高。图1和图2分别为实际运行中的二极管钳位式三电平高压大容量变频器和H桥级联式多电平高压大容量变频器。可以看出,这些不同结构形式的高压大容量变换器在实际中都能得到有效的应用。

我国用于风机水泵节能的高压大容量变频器研制和应用取得了很大进展,国产高压大容量变频器的市场份额同比增加15%,已经超过国外同类产品的份额,国产高压大容量变频器的性价比和可靠性逐步得到用户的认可。在超大功率变频调速应用中处于国际领先地位。如我国自主研制的基于电子注入增强栅晶体管（IEGT）的10kV大容量变频器,容量达到32MV·A,已经应用于我国南水北调工程。

大容量电力电子技术在新能源发电方面得到广泛的应用。目前应用比较多的新能源主要有风能、太阳能、地热能、生物能和燃料电池等。通过电力电子变换技术将新能源转化成的电能进行变换和调整,以达到最大利用率及与电网或负载合适匹配。

新能源发电中的电力电子技术应用特点为：一次能源供给随机性大,风能、太阳能都随天气情况有很大变化;并网发电要求高,电网侧要求输入电能波动小,谐波小等。这就要求适应于新能源发电的大容量电力电子装置和系统输入电压范围大、网侧输出电能质量高,同时具有低电压穿越和孤岛保护等功能^[2]。目前我国在新能源发电中的大容量电力电子技术主要进展为：

（1）向大容量发展。风机发电系统单机容量已经达到5MW,并已在实际风电场成功投运;光伏并网发电系统中的并网逆变器单机容量也已经达到兆瓦级功率等级,多座百兆瓦级的集中式光伏并网电站已经顺利并网发电运行。

（2）直接变换。双馈式风机系统正在向直驱式或混合式系统方向发展,国内几家风力龙头企业正逐步用自主研制的2~3MW的直驱式大容量变换器替代国外同类产品。

（3）高性能。主要体现在高效率、高可靠性和适应电网需求的低电压穿越和孤岛保护等功能方面。2013年我国颁布了新制订的新能源并网变换器并网准则,目前国产风力和光伏并网变换器都具备了所要求的低电压穿越和孤岛保护功能。

图3和图4分别为国产风电变流器和50MW光伏屋顶发电系统。

由于分布式光伏发电的大力推广,组合式电力电子变换器得到广泛应用。如在大型光伏电站中使用变换器集群技术,即在兆瓦级及以上容量的变换系统中往往是两个或者多个变换器组合,在小容量变换器中使用多电平变换器来提高系统的效率或降低共模电流。另外,集群式的微型逆变器也得到了很大的发展。国产风力和光伏并网发电变换器逐渐代替进口同类产品。

电力牵引主要基于大容量电力电子变换及其控制技术,目前我国用在电力牵引中的电力电子变换器也逐步以国产替代进口。当前在电力牵引中的电力电子技术主要进展方面包括：

（1）提高电力电子变换器的效率和功率密度,主要发展集成技术和冷却技术。

（2）实施精确控制,应用高性能的闭环控制,特别是针对低速和高速下的矢量控制和直接转矩控制一直是研究热点。

（3）保证可靠运行,采用冗余控制以及能量综合管理技术等。

在电力牵引的大容量变换器中,基于大功率电力电子器件的变换器成为主流,高耐压大电流的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）得到普遍应用,集成门极换流晶闸管（IGCT）也开始有了应用。

我国自主研制的时速200~250km城际动车组成功运行,并批量投入运用。我国自主研发的采用交流牵引电动机的六轴“和谐”货运电力机车,变流技术就采用了6 500V/600A的IGBT元件器件和双面水冷功率模块,使机车单轴功率达到1 600kW,机车总功率达到9 600kW,是目前世界上单轴功率最大的铁路牵引动力装备之一。图5和图6分别为国内生产的和谐3D型电力机车及1.7MW/1.5kV牵引变流器。

智能电网正成为我国电网发展的方向,大容量电力电子技术是智能电网核心技术之一。

我国的特高压交直流输电网的建设中,已经采用和将要采用大量基于大容量电力电子技术的电力设备,包括固态变压器、固态断路器、统一潮流控制器、静止无功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿器、有源滤波器、动态电压恢复器和静止同步补偿器等^[3]。

在柔性直流输电应用中,以大功率全控型电力电子器件为核心的变换器设计和分析技术、组合式电力电子技术都成为前沿技术。耐压3.3kV以上的高压IGBT成为主流器件,而模块化多电平变换器（MMC）成为最典型的拓扑^[4]。MMC拓扑中,每相桥臂是由多个功率模块级联而成,每个功率模块只包括直流电容和一个桥臂,输入可采用单一直流电源供电,不需要多绕组隔离变压器。由于该拓扑在结构上高度模块化,增加电平数只需要增加串联的基本单元数量即可,控制简单,特别适合于6kV以上电压等级、五电平以上输出的情况^[5]。

2013年12月,国家863计划项目——南方电网广东汕头南澳岛的三端柔性直流输电工程完成了三端投产启动。该项目的成功,使我国在多端柔性直流输电技术方面站在了世界前列。图7和图8为该工程图示。

目前,我国晶闸管类器件产业成熟,能满足国内的需求。5英寸（l in=0.025 4m）7 200V/3 000A、6英寸8 500V/4 000A~4 750A电控晶闸管（技术水平居世界前列）和5英寸7 500V/3 125A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。在国产门极可关断晶闸管（GTO）器件的基础上,研制成功4 500V/4 000A的IGCT器件。一些国内企业在IGBT产业化中已经有所突破,从芯片设计到芯片封装、测试的完整产业链正在形成。600V及1 200V/100A的IGBT芯片在多家企业进入量产阶段,1 700V/100A的IGBT芯片已研发成功^[6]。图9为我国自主研制的部分大功率电力电子器件样品。

在国家863计划支持下及前期工作的基础上,我国已经着手研制产品级的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件^[7],正在研制的SiC器件容量等级为1 200V/20A和1 200V/50A两种型号的二极管芯片和场效应管单芯片,正在研制的GaN器件容量等级为200V/25A和600V/10A两种型号的二极管芯片和场效应模块及1 200V/5A场效应单管芯片等。

大容量电力电子技术是电力电子器件、电子电路及其控制等多门学科的结合,长期以来,“理想开关、集中参数和信号脉宽调制（PWM）”一直是其主要的设计、分析和控制方法,实际应用中存在“器件模型理想化、拓扑结构线性化、瞬态过程不清、分析方法欠缺、失效机理模糊”等基础理论和分析方法中的问题^[8]。近年来,国家自然科学基金、国家863计划及国家支撑项目都给予了极大的支持,在电力电子学科的基础理论和分析方法研究方面取得了有意义的进展。

近年来,国内深入研究了“大容量电力电子系统电磁瞬态过程及其对可靠性的影响”和“大容量特种高性能电力电子系统理论和关键共性技术研究”,从电磁能量变换、瞬态换流回路以及系统可靠性的新视角提出了有效的大容量电力电子变换系统电磁瞬态分析方法;比较深入地研究了大功率器件开关瞬态建模与应用特性、分布杂散参数的提取及影响、不同时间尺度的电磁脉冲过渡过程和系统瞬态能量平衡关系等问题;建立了器件与装置、集中参数与分布参数、以及控制与主回路之间的定量关系,建立了系统安全工作区的概念,提出了大容量电力电子变换系统设计、分析和控制的新思路。部分研究成果的示意图如图10和图11所示,这些应用基础理论研究成果对大容量电力电子变换系统的研究具有重要的理论意义和实用价值^[9]。

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英寸电控晶闸管技术水平居世界前列。

目前国际上大功率电力电子器件的主流产品、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（包括智能功率模块IPM）已经涵盖了600V~6.5kV的电压等级范围和1A~3 500A的电流等级范围^[10],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“从无到有”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^[11]。

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。国内封装IGBT模块所用芯片大部分由英飞凌、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金属氧化物半导体（MOS）器件,是目前电力电子器件中市场容量最大、需求增长最快的产品,也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,进一步降低以超级结（Super Junction）为代表的新结构器件制造成本、提升以SiC金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）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^[12]。国内在2013~2014年已经开始涉及该方向,生产的功率MOS以平面工艺的垂直双扩散金属氧化物半导体结构（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Super Junction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4 500V的击穿电压和225℃的工作结温,SiC功率二极管的工作电压已经达到20kV ^[13]。SiC功率MOS晶体管目前工作电压已经达到10kV ^[14]。

IGCT器件特别适用于电压3 000V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产品主要有两种结构类型：非对称型和逆导型,阻断电压能力有4 500V、5 500V和6 500V三种系列,最大关断电流为5 500A ^[15],并正在研制9kV/6kA和6.5kV/6kA的器件。国内已成功研制出4 500V/4 000A非对称型以及4 500V/1 100A逆导型两种IGCT样品。

快恢复二极管（FRD）主要指与IGBT相匹配的二极管器件,以及与快速晶闸管、高频晶闸管及GTO、IGCT等晶闸管派生器件匹配的二极管器件。600V及1 200V/100A的FRD已进入批量生产阶段。国产FRD器件在国内市场占有一定的份额。

我国大容量电力电子技术在常规电力变换、电力传动等方面的应用已经较为成熟,取得了许多业绩,如通用高压变频器、静止无功补偿器等,但在针对例如船舶、国防、航空及航天等高端应用方面,与发达国家相比,仍存在很大的差距。目前尚未掌握基于电力电子技术的重大装备关键核心技术,在高端应用方面仍处于受制于人的境地。我国在大容量电力电子应用领域的主要差距表现在：大功率变换器制造技术水平较低,装置可靠性差;电力电子高性能控制技术水平还处于较低端阶段;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。除少数工程项目外,目前高性能大功率变换装置几乎全部依靠进口。

虽然我国电力电子技术的开发研究已有近50年的历史,取得了长足的进步,但由于该领域科学技术的飞速发展,加之我国财力和原有基础薄弱的限制 ^[16],目前的发展还远远不能满足我国社会经济发展对它的需求。当前存在的主要问题是：

（1）我国电力电子产品以中低端产品为主,缺乏高端产品,特别是先进的全控型电力电子器件大多依赖进口。目前我国生产的大多数大容量电力电子设备和系统中采用的功率半导体器件主要以进口为主,虽然也能制造一些高端的电力电子设备和系统,但是它们主要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^[17]。

（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^[18]。

（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很大。国际上一些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^[19]。在新一代宽禁带电力电子器件产业中,我国还处于全面落后、亟需跨越式发展的关键时期。

（5）应用基础研究欠缺。我国许多研究院、研究所乃至高校,由于转制、经费来源等方面的原因,将大部分研究力量从应用基础研究转向产品试制、开发,而忽视了电力电子技术应用基础的研究,迫切需要在新型元器件、可靠性,以及高压、大功率变换技术的基础研究方面加强投入。

集成化、标准模块化、智能化和组合应用技术是大功率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、更低的通态压降及更快的开关时间;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、机车和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型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改善和提高,各种改进型IGBT和IGCT仍相当有生命力和竞争力。压装式的功率器件（如IGCT、IEGT及压装式的HVIGBT）等将成为主流器件。

（3）电力电子器件的智能化应用仍在不断研究中,取得了许多实质成果。一些国外制造企业已经开发出了相应的针对不同用途的智能化功率模块,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）新型高频碳化硅器件和氮化镓器件正在迅速发展,相应的产品已经出现。大容量的器件也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^[20]。

（5）单个器件的功率处理能力的提升还不能满足日益增长的大容量电力电子装置电能处理能力的需求,所以在提高单个器件功率处理能力的基础上,器件组合技术,如串并联技术、多电平技术等,在很长时间内都是很重要的发展方向,并且从可靠性、可用性以及应用需求的角度,器件组合技术应该是今后大容量电力电子技术和应用的主要技术方向。

由于环境、能源、社会和高效化的要求,大容量电力电子设备和系统正朝着应用技术集成化、智能化、高性能控制、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。

（2）以IGBT为主功率器件的电力电子变换器可提高效率,减小噪声,减轻设备的重量,减少体积,将会广泛应用于工业（电机变频、电焊机,工业加热,电镀电源、储能装置等）、家用电器（电磁炉,变频空调,变频冰箱等）和新能源（风力发电,光伏发电、电动汽车等）等方面。

（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采用晶闸管的设备和系统。压装型的功率器件将在大容量电力电子技术和应用中成为主流。

（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作用。

（5）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。

（6）未来大容量电力电子设备和系统的应用热点仍然是：变频调速、智能电网、新能源（包括太阳能、风能及燃料）电源、各种牵引用特种电源等;新能源汽车、无线电能传输、数据中心电源等也将成为重要的应用领域。

电力电子学科从一开始就定义为交叉学科,包括电力电子器件、功率变换电路,以及对器件与电路的控制,同时需要考虑到电磁场、热力和机械等多种学科,是一个综合性系统级的学科,它的诞生和发展是对整个电气工程学科内涵的深化和外延的扩展。电力电子学科的发展遵循其内在规律,关键是处理好电磁能量可控变换,它主要涉及到电磁能量变换瞬态过程与多时间尺度能量平衡,需要处理好器件与装置、控制与主电路、分布参数与集中参数等关系问题。电力电子学科发展目前还处于一个基于功率半导体技术、电子电路技术以及控制技术的简单合成应用的技术层面,其本身理论体系还在动态发展之中。从系统集成、能量变换以及电磁瞬变的角度进行电力电子学科的基础理论研究是总的发展方向。

我国大容量电力电子技术近年来在直流输电和高速列车迅猛发展的背景下得到了快速发展,进一步的发展包括：在已有理论基础上,发展新的概念、理论和方法;依托重点工程应用,将理论研究成果有效地转化到产品之中;加强对大容量电力电子基础理论和关键技术的研究;加快推动对新型大功率器件和装置的关键技术研究;加强对大容量电力电子模块及其组合方式的研究;开展柔性直流输电基础理论和关键技术的专题研究等。可以相信,随着这些研究的深入和扩展,我国的大容量电力电子技术和应用将会有更大的提升和发展。

（编辑：郭丽军）