第21届联合国气候大会正在巴黎召开，国家主席习近平30日出席大会开幕式并发表题为”携手构建合作共赢、公平合理的气候变化治理机制”的重要讲话。在巴黎气候大会的推动下，绿色能源的发展上升到新的高度。目前，中国已经成为世界节能和利用新能源、可再生能源的第一大国。作为讨论降低二氧化碳排放和可持续电力生产时的一部分，广泛用于电力电子电路的功率半导体器件获得了越来越多的关注。以能量转换技术为代表的先进功率半导体器件越来越广泛地运用到我国风能发电、太阳能发电与电网中，成为建设统一智能绿色电力市场的基石。 

 

图1 绿色电力体系

 

电力电子元器件应用于新能源中，通过电力电子变换使得发电装置的电能可以与现有用电设备的要求相匹配。目前，以风能、光伏发电为代表的新能源发电装置产生的电能还存在无法预测的周期性变化，直接输入普通电网会对电流产生不良影响，而采用电力电子技术的能量转换装置就可以平衡新能源发电输入与电网之间的矛盾。

 

发展功率半导体的战略意义

 

出于对信息安全、产业重要性等方面的考量，目前功率半导体的生产与制造已经上升到国家战略的高度。大力发展功率半导体可谓战略意义深远。绿色能源是一个需要产业链上下游紧密联系的生态体系，功率半导体目前处于发展绿色生态体系的上游，其目前的生产制造实力制约着整个体系的和谐发展。

2015年5月，国务院发布了《中国制造2025规划纲要》。纲要将电力装备列为大力推动突破发展的10个重点领域之一，提出要推动大型高效超净排放煤电机组产业化和示范应用，进一步提高超大容量水电机组、核电机组、重型燃气轮机制造水平。推进新能源和可再生能源装备、先进储能装置、智能电网用输变电及用户端设备发展。突破大功率电力电子器件、高温超导材料等关键元器件和材料的制造及应用技术，形成产业化能力。

电力电子元器件应用于风机和泵类设备调速运行，耗电量比传统的节流方式要少30%左右，应用于城市电车、工矿电机车和电瓶车调速运行，可节电20%左右。国家目前大力提倡节能、减排和环保，功率半导体器件正是“节能的先锋”、“环保的卫士”，驱动绿色电力的高速发展的引擎

 

功率半导体在风力发电系统中的应用

 

人类利用风能的历史已经有数百年。在早期，风车用来研磨谷物或用作锯木机。如今，最先进的风力涡轮机从风力产生电力。作为绿色电力，风能正成为越来越多国家的重点能源。对风能的需求与日俱增。根据世界风能协会 (WWEA) 的数据，已经有 100 个国家采用风能发电。特别是在西欧，亚洲和北美，以及离岸地区，风能发电正在大幅扩张，以满足这些地区的国家日益增长的能源需求。从长期来看，前景光明：WWEA 相信在未来 20 年，全球风电生产将有 10 倍的增长。

 

图2 功率半导体在风力发电中的应用

 

通过风能获得电能并非新鲜事物，但当今的功率半导体器件却使这种能源更加适用。风力涡轮发电机所需的功率半导体器件是从事微电子学的人所不熟悉的。你要考虑的不是亚微米线宽，而是一个单器件模块占用的欧洲标准印制板面积。这样的器件可在数千伏电压下承受千安培级的电流，而且在过去几十年内，这一技术的进步是对风力涡轮发电机发展的最大贡献。功率半导体在风力发电中主要应用于：主逆变器（输出功率范围大约 2MW 到 8MW），辅助逆变器（输出功率范围5kW 到 50kW），负责校准旋转叶片（变桨驱动器）和机舱（方位角驱动器）。功率半导体用在风力涡轮机中能确保能量传输保持一致，而不受风力大小和发电机速度的影响。不同的风速会引起电压和频率的波动。电力电子电路对发电进行控制和调节，使之永远以正确的电源频率和质量输送到公共电网。

 

功率半导体在太阳能光伏发电系统中的应用

 

太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广与应用。太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。2012 年，德国的太阳能系统生产了将近 28 兆兆瓦时的电能。相当于三个以上大型电站的能力。日照充足地区的太阳能产量会大幅增高。例如，撒哈拉沙漠 0.2% 的表面就能为整个欧洲提供能源。

 

 

图3 功率半导体在太阳能发电中的应用

 

功率半导体器件在太阳能光伏发电系统中的发电、输电、配电、储能等多个环节均被应用。从而改善输电性能，减少谐波对用电设备的损害，改善电网性能的稳定性。如果没有以功率半导体为主要器件的功率模块，光伏系统就无法控制输送到用户端的电力。电力电子电路负责将光伏电站的电压、频率和相位转换，使之适应相关应用。由于光伏电池产生的是直流电，需要逆变器将其转换成电网的交流电。在太阳能光伏电站中，逆变器的可用性是确保经济运行的关键标准。逆变器在严厉的竞争中的一个重要卖点是它的高效率，而功率半导体器件是保证逆变器高效率的根本。太阳能板的能量必须以最低的损耗回馈到电网。最好的太阳能逆变器可达到 98% 以上的效率。

 

功率半导体在智能电网中的应用

 

智能电网是一个互动系统，对于系统变化、用户需求和环境变更的要求，电网要有最佳的反应和适应能力，而电力电子技术是使电网迅速反应并采取相应措施的有力手段。当前，我国电网中的先进电力电子技术通过多种形式的自主创新，已在HVDC、FACTS等相关产业中形成培育点，在提高电网输配电能力、改善电网电能质量、降低故障损失及缩短故障后恢复时间方面取得了一些成果。未来智能电网的建设发展，势必对先进电力电子技术与功率半导体器件的进一步发展提出新的需求。

 

图4 功率半导体在智能电网中的应用

 

功率半导体器件主要应用于智能电网中的输电、变流器、电能质量管理等方面。从我国电网的基本情况考虑，各种基于功率半导体器件的系统控制器将得到更广泛的应用，HVDC技术和FACTS技术的日趋成熟，能在不增加输电走廊的前提下充分利用现有输电线路，提高传输容量和稳定性。应用功率半导体器件的微电网与能量存储技术使电力用户拥有更多选择，从而构成一个具有高效性、清洁性、自愈性的完全智能的电网。

 

我国功率半导体的发展现状及展望

 

我国功率半导体器件的作用长期以来没有引起人们足够的重视，国内功率半导体行业处于小、散状态，发展水平与国际先进相比有较大差距。功率半导体器件器件行业目前和未来一段时间均处于持续发展阶段，国内进军功率半导体器件制造行业的企业数量和市场规模都不断攀升。相较于Infineon、ST、IXYS等已开始在12英寸晶园上生产功率半导体产品，国内目前还没有一家功率半导体IDM企业拥有8英寸生产线。国内大部分功率半导体IDM企业传统上以硅基二极管、三极管和晶闸管为主，国际功率半导体器件的主流产品功率MOSFET器件和IGBT只是近年才有所涉及。

在国产替代进程与国家产业政策的引导下，我国功率半导体产业展现出蓬勃发展的局面。国内众多厂家涉足功率半导体的研发与生产，其中以：南车时代电气、台基股份、西安永电为代表。国家电网等国内骨干整机（系统）企业也开始研发或投资建设以MOSFET与IGBT为代表的功率半导体器件。

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