1 引言
國家中長期科學和技術發展規劃綱要（以下簡稱為“綱要”）的正式發布，吹響了我國全面建設小康社會、構建資源節約型、環境友好型社會主義和諧社會的號角，其中提出的“自主創新，重點跨越，支撐發展，引領未來”的指導方針催人奮進，也鞭策著我們認真審視在如此關鍵的歷史時期我們應當肩負的歷史使命。
我國與所有發達國家一樣，電力電子技術及電力電子裝置已日益廣泛地應用和滲透到“綱要”所規定的“重點領域及其優先主題”中的能源、環境、制造業、交通運輸業、國防；“前沿技術”中的先進能源技術、激光技術、空天技術；及“重大專項”中的高檔數控機床與基礎制造技術等許多重要領域，并且電力電子恰恰是關系到上述領域中我國許多引進技術中的核心技術所在。
正如“綱要”精辟指出的那樣：“事實告訴我們，在關系國民經濟命脈和國家安全的關鍵領域，真正的核心技術是買不來的。我國要在激烈的國際競爭中掌握主動權，就必須提高自主創新能力，在若干重要領域掌握一批核心技術，擁有一批自主知識產權，造就一批具有國際競爭力的企業。總之，必須把提高自主創新能力作為國家戰略，貫徹到現代化建設的各個方面，貫徹到各個產業、行業和地區，大幅度提高國家競爭力”。
為此本文就本領域如何在“十一五”期間進行自主創新，為發展和振興我國自主的電力電子產業作出貢獻，以及目前面臨的大好機遇等問題進行簡要的分析。
2 電力電子的涵義和任務
從學科的角度講，電力電子的主要任務是研究電力電子（功率半導體）器件、變流器拓撲及其控制和電力電子應用系統，實現對電、磁能量的變換、控制、傳輸和存貯，以達到合理、高效地使用各種形式的電能，為人類提供高質量電、磁能量。電力電子的研究范圍與研究內容主要包括：
（1）電力電子元、器件及功率集成電路；
（2）電力電子變流技術，其研究內容主要包括新型的或適用于電源、節能及電力電子新能源利用、軍用和太空等特種應用中的電力電子變流技術；電力電子變流器智能化技術；電力電子系統中的控制和計算機仿真、建模等；
（3）電力電子應用技術，其研究內容主要包括超大功率變流器在節能、可再生能源發電、鋼鐵、冶金、電力、電力牽引、艦船推進中的應用；電力電子系統信息與網絡化；電力電子系統故障分析和可靠性；復雜電力電子系統穩定性和適應性等；
（4）電力電子系統集成，其研究內容主要包括電力電子模塊標準化；單芯片和多芯片系統設計；電力電子集成系統的穩定性、可靠性等。
從工程應用的角度看，無論是電力、機械、礦冶、交通、石油化工、輕紡等傳統產業，還是通信、激光、機器人、環保、原子能、航天等高科技產業，都迫切需要提供高質量的電能，特別是要求節能和降耗。電力電子則是實現將各種能源高效率地變換成高質量電能、節能、環保和提高人民生活質量的重要手段，它已經成為弱電控制與強電運行之間，信息技術與先進制造技術之間，傳統產業實現自動化、智能化、節能化、機電一體化的橋梁。電力電子的突出特點是高效、節能、省材，所以電力電子已成為我國國民經濟的重要基礎技術，是現代科學、工業和國防的重要支撐技術。因此，無論上述諸多高技術應用領域，還是各種傳統產業，乃至照明、家電等量大面廣的，與人民日常生活密切相關的應用領域，電力電子產品已無所不在。由于目前我國還沒有形成獨立自主的、完整的、強大的電力電子的產業體系，因此它已成為制約我國建立獨立自主的現代科學、工業和國防體系的瓶頸之一。
3 電力電子應用及其重要性
下面以可再生能源發電、分布式發電、電力質量控制、電力牽引和電機驅動、國防和前沿科學技術等為例，進一步具體說明電力電子技術在這些領域中的廣泛應用及其重要性。
3.1 分布式發電及可再生能源發電
分布式發電技術（distributed generation-dg）及可再生能源（re）得到了發達國家的普遍關注。目前，國外已有多種分布式發電技術獲得了工業應用，它使得發電設備更加靠近用戶，不但減小了人們對遠距離輸電的依賴，而且提高了人們使用可再生能源發電的興趣，提高了用戶用電的獨立性、可靠性、安全性和災變應變能力。風能發電、太陽能發電、燃料電池發電和小型高速渦輪發電機（micro turbine generator）發電等分布式發電系統都有賴于電力電子技術，以實現安全、可靠、高效的運行。
圖1為分布式發電系統的示意方框圖。現以固體氧化物燃料電池和一個小型高速渦輪發電機組成的混合分布式發電系統為例，其結構示意圖如圖2所示。高溫下運行的固體氧化物燃料電池產生的高溫廢氣，可用來推動小型高速渦輪機發電。在現有技術水平得到極大提高的情況下，預計這種系統的效率將達到70％左右，超過當今任何發電系統的效率[1]。
圖1 現代分布式發電系統示意圖
圖2 燃料電池和微渦輪發電機混合發電系統結構示意圖
該系統的功率調節部分由多個逆變器組成，其中功率變換和控制裝置包含許多核心技術，包括：和電網的連接、燃料電池的容量和諸多系統級控制功能：如系統效率、輸出波形質量、隔離和保護、電網電壓跌落時逆變器的承受能力、無功控制、逆變器故障容量及返回到燃料電池盒的電流紋波等。對于大功率燃料電池系統，則需要新的電路拓撲、智能集成功率變流器和智能系統級控制方法。
根據darnell公司的報告，從2003年到2008年，全球用于分布式與混合式發電設備（dcg）的電力電子產品（包括逆變器、頻率變流器、靜態傳輸開關，直流-直流變流器、交流-直流電源和集成大功率電機驅動器等）將以年均12.2%的速度增長，即將從18,550mva增加到32,981mva。
由此可見，分布式與混合式發電設備（dcg）涉及到的電力電子技術是未來分布式發電系統中關鍵技術之一。
圖1表明，大部分可再生能源和其他分布式發電系統產生的電能通常都是不穩定的。以風能為例，并網型的風力發電都要用到大容量的風力發電機，為了盡可能多的利用風能資源，通常多臺大容量的風力發電機并聯，由于風場風力的不穩定性，它們在并網時如果不加控制和調節，就會對電網造成嚴重的沖擊，同時為了保證將盡可能多的有功能量送入電網，風力發電系統還必須有儲能環節，并需解決存儲能量再次轉化的問題，上述這些過程都需要利用電力電子技術對其進行控制。圖3為儲存能量而進行的能量變換中所涉及到的電力電子技術示意圖。
圖3 儲能系統與變流技術的關系示意圖
3.2 電能質量控制[2,3]
電力電子技術在輸、配電中的應用是電力電子應用技術最具有巨大潛在市場的領域。眾所周知，從用電角度來說，利用電力電子技術可以有效地進行節電改造，提高用電效率；從輸、配電角度來說，必須利用電力電子技術提高輸配電質量。近10多年來，隨著電力電子器件和變流技術的飛速發展，高壓大功率電力電子裝置的諸多優良特性決定了它在輸、配電應用中具有強大的生命力。如表1所示，電力電子技術在電能的發生、輸送、分配和使用的全過程均起作重要的作用。
表1 電力電子技術在電力系統中的主要應用
以在配電中的應用為例，近年來，電力需求的不斷增加，非線性電子設備和敏感負載對電力質量提出更高要求，為了得到最大輸電量和保證在分布系統的公共連接點有高的電力質量，電壓調節、無功/諧波控制和補償以及電力潮流控制技術已成為必不可少的關鍵技術，典型的設備有電力調節器、靜止無功發生器(bbb)、有源濾波器、靜止調相機（statcom）和電力潮流控制器等[3]。
上述現代電力系統應用的電力電子裝置幾乎都無一例外使用了全控型大功率電力電子器件、各種新型的高性能多電平大功率變流器拓撲和dsp全數字控制技術。
3.3 電力牽引和電機驅動
在發達國家，約40%能源是通過電能的形式消耗的，而總電能的50%到60%又用于電機驅動場合，其中大部分是用于風機和水泵驅動。darnell公司作市場調查后認為，從2003年到2008年，北美市場的變頻器將會以每年11.5%的速度增長，從3.63億美元增加到6.28億美元[4]。
通用場合下的電機調速均采用電力電子與電力傳動技術，目前該技術已經比較成熟。但一些高壓大功率應用場合，如電力牽引，中、高壓高性能電機驅動等，依然是這一領域的技術制高點。
3.4 現代國防和前沿科學研究
電力電子在現代化國防中得到越來越多的應用，它已成為該領域的核心技術之一,其示意圖如圖4所示。圖4表明，所有現代國防裝備的特種供電電源、電力驅動、推進、控制等均涉及到電力電子核心技術。而在快中子堆，磁約束核聚變、環保等前沿科學研究中，超大功率、高性能的變流器及其控制系統也是必不可少的核心部件和基礎，如圖5所示。
圖4 電力電子在現代化國防中的應用示意圖
(a)在科學研究和核物理中應用 (b)在環境保護中的應用
圖5 電力電子在前沿科學研究中的應用
4 電力電子技術目前在我國發展、應用現狀和存在的主要問題
雖然我國電力電子的開發研究已有50年歷史，過去已經取得了長足的進步，但是與超大規模集成電路的發展一樣，該領域科技發展速度太快，加之我國財力和原有基礎薄弱等因素的限制，特別是當前面臨國外高科技沖擊等原因，我國電力電子有種被“邊緣化”的趨勢：即各行各業都迫切需要它，但是，各應用領域均沒將其作為研究重點，國內解決不了的就依靠進口！
當前存在的主要問題是：目前我國生產的大多數電力電子產品和裝置還主要基于晶閘管；雖然也能制造一些高技術的電力電子產品和裝置，但是它們均是采用國外生產的電力電子器件和組件多以組裝集成的方式制造的；特別是先進的全控型電力電子器件則全部依賴進口，而許多關系到國民經濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術、軟、硬件和關鍵設備，國外均是對我國進行控制和封鎖的。特別是關系到國民經濟命脈和國家安全的若干關鍵領域中的核心技術與國外先進水平的差距更大，迅速改變這一現狀是我們面臨的挑戰和義不容辭的任務。
過去，我國國民經濟各部門雖然已引進了不少國外的先進技術，也開始注意強調了國產化的問題，表面上看，盡管國外引進技術中的絕大多數幾年后都可以達到國產化率70%的要求，可是只要仔細分析一下，就不難發現，最終國外公司拒絕轉讓的技術和重要部件，均是涉及到高技術的電力電子及電力傳動產品中的核心技術，表2列舉了部分電力電子技術和應用裝置在各領域的主要應用及涉到的關鍵技術。
表2所列各應用領域所涉及到的關鍵電力電子技術可概括為：大功率變流技術；電力電子及其系統控制技術；大功率逆變器并網技術；大功率全控電力電子器件和電力電子全數字控制技術等。
表2 電力電子技術和應用裝置在各領域的主要應用
目前與國外的主要差距和存在的問題是：全控電力電子器件國內不能制造；大功率變流器制造技術水平較低，裝置可靠性差；電力電子全數字控制技術水平還處于初級階段；應用系統控制技術和系統控制軟件水平較低；缺乏重大工程經驗積累等。高性能大功率變流裝置目前幾乎全部依靠進口。
5 我國電力電子與電力傳動技術和產業化面臨大發展的良好機遇
綜上所述，我國要真正實現構建自主創新、資源節約型、環境友好型社會主義和諧社會這一目標，迫切需要建立一個自主創新的、強大的、達到世界先進水平的電力電子產業。為此，國家科技部專門發布了“電力電子器件及電力電子裝置”支撐項目指南[5]，該支撐項目內容包括：“新型電力電子器件及電力電子集成技術”；“中高壓、百mva級鏈式及多電平變流器與靜止補償器研制”；“電能質量復合控制技術及裝置”；“分布式供能系統高壓變流器及軟開關技術”；“電氣化鐵路同相供電裝置”；“高速貨運機車牽引變流器研制”；“城市軌道交通能饋式牽引供電系統及牽引傳動系統研制”等7個項目，國家擬撥款2.0億元人民幣，自籌4.0億元人民幣。
國家發改委也發布了“新型電力電子器件及電力電子裝置”專項[6]，專項目標為：“提高新型電力電子器件技術和工藝水平，促進產業發展，滿足市場需求，以技術進步和產業升級推進節能降耗；推動產、學、研、用相結合，突破核心基礎器件發展的關鍵技術，完善電力電子產業鏈，促進具有自主知識產權的芯片和技術的推廣應用；培育骨干企業，增強企業自主創新能力。”該專項提出支持的重點為：
（1）芯片產業化
絕緣柵雙極晶體管（igbt）、金屬氧化物半導體場效應管（mosfet）、快恢復二極管（frd）、功率集成電路（pic）、門極換流晶閘管（igct）等產品的芯片設計、制造、封裝測試和模塊組裝；
（2）模塊產業化
電力電子器件系統集成模塊，智能功率模塊（ipm）和用戶專用功率模塊（aspm）；
（3）應用裝置產業化
重點圍繞電機節能、照明節能、交通、電力、冶金等領域需求，支持應用具有自主知識產權芯片和技術的電力電子裝置；
（4）專用工藝設備和測試儀器產業化
電力電子器件生產專用工藝設備；專用檢測儀器。
國家發改委發布 “新型電力電子器件及電力電子裝置”專項以后，全國有97家企業申報，經初步審核篩選有70余家參加答辯，最后有36項獲得立項（芯片相關14項；模塊相關11項；裝置相關11項）。可以預料，我國電力電子與電力傳動產業必將迎來繁榮的春天。
6 結論
綜上所述，“綱要”所列諸多領域均涉及到電力電子技術這一關鍵技術。我國要真正實現構建自主創新、資源節約型、環境友好型社會主義和諧社會這一目標，迫切需要建立一個自主創新的、強大的、達到世界先進水平的電力電子產業。為此，我國政府相關職能部門已經采取了一系列有力措施，將發展電力電子技術作為在相當長的一段時間里重點發展的關鍵技術。作為在該領域的研究和工程技術人員，我們必需迎接挑戰、抓住機遇，為我國電力電子與電力傳動技術趕上世界先進水平作出貢獻。
作者簡介
錢照明 教授/博導，1961年畢業于浙江大學無線電技術專業，1984-1989年在比利時天主教魯汶大學及比利時高校微電子中心進修學習，獲博士學位。現任職于浙江大學電力電子技術研究所，曾任所長，現任浙江大學電力電子應用技術國家工程研究中心副主任，電力電子技術國家專業實驗室學術委員會常務副主任，中國電工技術學會常務理事, ieee高級會員。在多屆重要電力電子及電力傳動國際學術會議（ipemc，ieee peds，epe，epe-pemc）上任委員會主席或國際指導委員會委員，多個電力電子國際會議（ieee apec; ieee peds; epe; epe-pemc等）和ieee transbbbbbb ( pel,ie,ia,tsac) 特約審稿人等。
專業特長為：電力電子器件及其應用技術，電源技術，電力電子系統集成及電磁兼容設計等。
領導、主持或參加的重大課題與項目有: 浙江大學電力電子國家專業實驗室的籌建；浙江大學電力電子應用技術國家工程研究中心的立項申請和籌建; 國家自然科學基金重點項目1項, 面上項目5項; “八五”攻關項目2項, 國際合作項目十余項。
論著:《電力電子系統電磁兼容設計及干擾抑制技術基礎》, 《電氣工程師手冊》第12篇 “電力電子器件與設備”第一主編；發表重要學術論文總計382篇，其中學術期刊論文總計181篇，其中: sci收錄 28篇；ei收錄36篇; 國內其它一級學術期刊及國外學術期刊41篇; 重要國際會議論文201篇，其中：ei收錄141篇; istp收錄 29篇。擁有授權實用新型專利21項，發明專利7項。
1993年起享受國務院政府特殊津貼，曾獲國家教委科技進步獎三等獎一項，教育部科技進步獎二等獎一項，浙江省高校科研成果獎一等獎兩項，中國電工技術學會、浙江省自然科學優秀論文獎七項，浙江大學優秀導師獎兩項, 浙江省優秀碩士論文指導獎壹項，浙江省優秀博士論文指導獎兩項，全國優秀博士論文提名獎壹項。
參考資料
[1] bimal k bose. energy,environment,and advances in power electronics. ieee trans on power electronics,2000,15(4): 688-701
[2] 蔡宣三,錢照明,王正元. 電力電子學的發展戰略調查研究報告. 電工技術學報. 1999(14)增刊:1-21
[3] f z peng,zhaoming qian. applications of cascade multilevel inverters. journal of zhejiang university science,2003,4(11/12): 658-665
[4] jeffrey d shepard. power electronics futures. in: proceedings of ieee-apec,2004(1): 22-26
[5] 國家科技部 “十一五”國家科技支撐計劃重點項目“電力電子關鍵器件及重大裝備研制”課題申請指南
[6] 國家發展改革委辦公廳關于組織實施新型電力電子器件產業化專項的通知
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
