展望廿一世纪的电机控制与电子技术

　　三、电力电子技术

　　电力电子技术是控制技术'>电机控制技术发展的最重要的物质基础，电力电子技术迅猛发展促使了控制技术'>电机控制技术水平有了突破性的提高。没有电力电子技术的发展，就没有今天的高水平电机控制，这句话一点都不为过，从廿世纪60年代第一代电力电子器--晶闸管(SCR)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器--GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件--IGBT、SIT、MCT等，和如今正蓬勃发展的第四代产品--功率集成电路 (PIC)。但每一代的电力电子元件也并未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。

　　SCR作为最早的电力电子元件自60年代问世以来，至今其功率容量已提高了近3000倍。许多国家正能稳定生产Φ100mm、 8000V/4000A的晶闸管。尽管有自关断能力的电子电子器件的发展使晶闸管的应用领域有所减小，但由于它的高电压、大电流特性，它在大功率直流驱动和大功率高电压的变频调速驱动应用中仍占有不可动摇的地位。自第二代GTR、MOSFET至第三代IGBT为代表的电力半导体器件的发展中，除了自关断能力外，一个显著的特点是元件的开关频率不断提供了元件通态压降不断降低，在电机控制中应用的结果是使电机控制性能有了很大的提高。例如采用GTR做成的通用型变频器，GTR的开关频率约为2KHz左右，变频器输出的最低工作频率约为3Hz，最高频率120Hz左右。而采用IGBT做成的通用型变频器， IGBT的开关频率约达20KHz左右，变频器的最低输出频率可达0.5Hz，最高工作频率可达400－500Hz。用它控制电机运行，则噪声更小，电机运行更平稳。功率MOSFET的特点是开关频率高，最高可达几百KHz。但其初期的最大不足是通态压降高，电流、电压容量低，故早期它主要在一些电压、小容量的电机控制场合使用。但近年来该类元件在结构、制造上有了重大改进，将微电子制造工艺引入了该功率元件的制造中。IR公司至今已推出了第八代功率 MOSFET的产品，性能已大为改观。自96年以来，该公司的功率MOSFET的通态电阻以每年50％的速度下降，单位面积功耗已从最初的每平方厘米 30mW降至现在的每平方厘米0.9mW，元件体积大为缩小，容量大大提高。本来分工明确的功率MOSFET和IGBT，现在也出现了新一轮的竞争。几年前WarpIGBT开关频率可达150KHz，逼近了MOSFET的频率，现在又有垂直P＋结构的MOSFET来夺取更低的正向电阻(Coolmos), 新一代的NPTIGBT(非穿通型IGBT)以其更好的耐用度(Ruggedness)夺走了1200伏的IGBT市场。
　　这些高开关性能的元件问世是现代最新的矢量变换控制应用于中小功率、高性能交流调速系统的保证。

　　在开关元件发展的同时，驱动电路也获得了飞速发展，目前，对每一类功率元件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性，为整机设计也带来了极大的方便。现在已可以做到使用一片驱动电路，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。

　　进入廿一世纪后，可以予期新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进提高。除此之外，一个新的发展动向值得注意，这就是大功率半导体元器件向集成化、智能化方向发展，智能功率模块(IPM)是向第四代器件功率集成电路(PIC)发展的过渡产品。它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。它不但提供一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路、可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现电机的再生制动。外界只需提供PWM信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更加紧凑。如果与单片控制芯片结合则可以实现两片式系统。故当今的电机控制系统的开发者应首先考虑这种智能功率模块的选用，可提高系统可靠性，大幅度降低开发时间和费用。

　　总之，电机控制是各种自动化技术的基本环节，它的发展是与微电子技术、电力电子技术和自控技术密切相关的。可以预期，在廿一世纪中，控制技术'>电机控制技术将随电子技术发展而有一广阔的发展前景。