如今提高能源利用效率，普及并促進可再生能源的使用，已成為主要工業(yè)國家能源政策中必須達成的目標。這種情況下對電能而言電力電子技術非常重要，該技術運用高頻開關功率半導體對電力進行控制，并對電壓及電流的品質(zhì)進行調(diào)節(jié)。例如，在太陽能發(fā)電方面利用最大功率點跟蹤以最大發(fā)電效率將直流電能送入交流電網(wǎng)中，在風力發(fā)電方面通過高壓直流輸電減少因長距離輸電造成的輸電損耗。另一方面，運用能任意控制輸出電壓與頻率的變換器，可實現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)矩控制的變速驅(qū)動，可以讓產(chǎn)業(yè)工藝高效化。

由于擁有以上優(yōu)點，運用電力電子技術的變換器的應用范圍非常廣泛，在過去數(shù)十年中隨著功率半導體技術的持續(xù)發(fā)展，采用數(shù)字信號處理、新型變換器拓撲結構與調(diào)制方式，從而大幅提高了功能性、成本與性能的平衡性、裝置體積和變換效率。雖然已經(jīng)實現(xiàn)了上述高性能，但是對大幅提高性能的要求沒有止境，不僅要對一個性能指標，還需要對變換效率與體積，或者成本與效率等多個性能指標同時進行改善。

使用SiC(碳化硅)及GaN(氮化鎵)等寬禁帶功率半導體的新元件技術為提高上述性能提供了技術基礎。同時由于開關速度較快，因此需要新的封裝結構等新技術。而且，門極驅(qū)動器與功率半導體開關實現(xiàn)一體化后，將來除了可以對裝置進行現(xiàn)場監(jiān)控外，對開關行為的控制也將成為可能。另外，取代焊錫接合技術的低溫銀燒結工藝等功率半導體模塊中的接合技術成為進一步提高性能的關鍵技術。采用此技術便可在高溫下運行，并簡化冷卻結構。關于無源器件需要關注具備高能量密度和高電流的新型陶瓷電容器技術，以及以兩面冷卻和氣液兩相冷卻等為代表的新冷卻技術。數(shù)字控制技術作為變換器控制以及在線整定最佳控制參數(shù)的基礎技術將進一步得以推廣。在電源領域中，有望從以電流連續(xù)模式運行的硬開關變換器過渡到以電流不連續(xù)模式或電流臨界模式運行的軟開關變換器。電流不連續(xù)模式中存在高導通損耗的問題，可以通過新一代功率半導體的低導通電阻得到改善。設計EMC濾波器時，雖然可以采用使多個系統(tǒng)并聯(lián)運行的相移型系統(tǒng)即交錯型轉(zhuǎn)換器，但這是以電流連續(xù)模式運行的，所以必須慎重選擇。DSP(Digital Signal Processor)以及FPGA(Field Programmable Gate Array)等數(shù)字控制裝置性能的進一步提高(摩爾定律)使得這些復雜的調(diào)制方式容易得到采用。

隨著已確立技術的深入開發(fā)，應在所有等級中進行功能整合。例如，在裝置等級的整合過程中，通過將變頻器與電機一體化，不僅能實現(xiàn)裝置整體的最佳設計，還可以提高用戶使用的方便性。最后補充一點，為方便對裝置特性進行多方面分析，開發(fā)可同時分析電熱特性或磁熱特性的仿真工具非常重要。其課題主要是元器件的建模和正確的參數(shù)選取。

例如，搭載有在效率與成本方面實現(xiàn)最優(yōu)化的高輸出AllSiC模塊的太陽能發(fā)電用功率調(diào)節(jié)器(PCS)，搭載有高效率高密度 Si-SiC混合模塊的變頻器，為控制體積和成本而與電機一體化的帶變頻器的空調(diào)用變速驅(qū)動器，在效率方面實現(xiàn)最佳化的電機的新系列，采用RB-IGBT的T-型三電平拓撲結構的不間斷電源裝置(UPS)。在這些最先進工業(yè)系統(tǒng)中的大幅度的性能提高，是通過電力儀表領域的高度的技術進步，并且在實踐過程中于極為廣泛的范圍內(nèi)掌握技術要素來實現(xiàn)的，這些都給人留下了深刻的印象。

電力電子技術領域已達到非常高的技術水平，今后還將繼續(xù)對性能進行改善。在下個開發(fā)階段中，大概會將降低成本、確保較高可靠性和魯棒性作為核心焦點。在印刷電路板上的封裝功率半導體、光信號路徑、散熱元件的封裝技術、3D打印機等新生產(chǎn)技術可以讓構成變換器的要素及材料實現(xiàn)多功能，為提高性能做出貢獻。然而在高度集成的極緊湊系統(tǒng)中，為觀測無法直接測定的信號，需要將仿真技術與測定技術進行整合的動態(tài)信號推測技術。

在電力電子應用領域中，以直流供電系統(tǒng)為代表的中壓絕緣型變換器的進一步發(fā)展值得期待。同時在小容量領域中，運用微電子技術，可取名為微電力電子的新電力電子領域?qū)⒌玫酱_立。而且隨著電力電子設備的深入普及，為實現(xiàn)循環(huán)型社會做出貢獻，在設計過程中不僅要考慮削減制造成本，還必須考慮到再生性。關于所使用材料的成本及特性，在大學中也應該進行研究，而實際上在瑞士聯(lián)邦理工學院蘇黎世校(ETHZ)的電力電子系統(tǒng)實驗室(PES)已進行了多年研究。

總而言之，從只考慮單一變換器的設計向考慮供配電系統(tǒng)整體的設計進行范式轉(zhuǎn)移，作為今后應用領域的中心值得期待。隨時進行高效電力轉(zhuǎn)換的要求，將被電源系統(tǒng)壽命周期成本的最小化以及保證高效高可靠性的能源供應的要求所替代。同時，除了對單一變換器的詳細功能進行分析外，對微電網(wǎng)及微微電網(wǎng)系統(tǒng)中變換器之間的相互作用的研究的重要性也極大地增加。正如幾十年前由分立元器件構成的電子電路向?qū)崿F(xiàn)集成化的單一封裝的IC、LSI轉(zhuǎn)變那樣，今后電力電子設備中的變換器也會向標準化功能塊的集成和封裝的方向發(fā)展。智能電網(wǎng)以及除電力以外擁有多個能源介質(zhì)的超智能電網(wǎng)將得到這些新一代電力電子技術的強力支持。實現(xiàn)從元器件向系統(tǒng)或者從電力電子向其他領域的技術拓展過程中存在很多難題。但從另一角度來看，這也是提高創(chuàng)造性，引導技術革新，最終取得經(jīng)濟方面成功的一項具有魅力的挑戰(zhàn)。
作者：瑞士聯(lián)邦理工學院蘇黎世校區(qū)(ETHZ)教授