電能是迄今為止人類文明史上最優(yōu)質的能源。正是有賴于對電能的充分開發(fā)和利用，人類才得以進入如此發(fā)達的工業(yè)化和信息化社會。雖然人類在電能的產生、傳輸和利用方面已經(jīng)取得了十分輝煌的成就，但是如何更加合理、高效、精確和方便地利用電能，仍然是需要解決的重大問題。

     電力電子技術的誕生和發(fā)展使人類對電能的利用方式發(fā)生了革命性的變化，并且極大改變了人們利用電能的觀念。在世界范圍內，用電總量中經(jīng)過電力電子裝置變換和調節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標，目前，全球范圍內該指標的平均數(shù)為40%，而到2010年將達到80%[1]。這就對電力電子技術提出了新的挑戰(zhàn)。

     然而現(xiàn)在電力電子技術的發(fā)展走到了十字路口，電力電子裝置的復雜性與其應用的廣泛性間的矛盾越來越尖銳。一方面眾多領域需要大量使用電力電子裝置，而另一方面，電力電子  裝置面向的應用千差萬別，使得設計、生產和維護需要耗費大量的人力和物力，給普及和推廣造成巨大障礙，成為電能利用技術進步的瓶頸。

    目前，國際電力電子學界普遍認為，電力電子集成技術是解決電力電子技術發(fā)展面臨的障礙，進一步拓展電力電子技術應用領域的最有希望的出路。

    電力電子集成概念的提出有10余年的歷史，早期的思路是單片集成，體現(xiàn)了片內系統(tǒng)(System On Chip—SOC)的概念，即將主電路、驅動、保護和控制電路等全部制造在同一個硅片上。由于高壓、大電流的主電路元件和其他低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱的問題，故單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應用。而在中大功率范圍內，只能采用混合集成的辦法，將多個不同工藝的器件裸片封裝在一個模塊內，現(xiàn)在廣泛使用的電力電子功率模塊和智能功率模塊(Intelligent Power Module—IPM)都體現(xiàn)了這種思想。1997年前后美國政府、軍方及電力電子技術領域一些著名學者共同提出電力電子積木(Power Electronic Building Block—PEBB)的概念[1-4]，明確了集成化這一電力電子技術未來的發(fā)展方向，并將電力電子集成技術的研究推向高潮。

2 集成的意義

     集成技術的研究決定著電力電子技術未來的興衰命運，這一點可以通過與電子技術發(fā)展歷程的對比來認識。
      回顧電子技術發(fā)展的軌跡，在以集成電路為標志的微電子技術出現(xiàn)以前，電子裝置的設計、制造和維護也曾有相似情況。微電子技術的出現(xiàn)將電子設計中最主要的難點和絕大部分工作量封裝在集成電路中，使裝置的設計、制造和維護難度大大降低，每一個受過普通工科高等教育的工程師都可以很容易地設計用于各自技術領域的電子裝置，生產的自動化程度大大提高。集成化極大地推廣了電子技術的應用范圍，使其滲透到生產和生活中的各個方面，給眾多產品都打上了電子技術的烙印。應用領域的拓展反過來極大推動了該項技術自身的進步，由于得到了公眾認可、資金技術和產業(yè)支持以及巨大的市場，電子技術創(chuàng)造出了如電腦、手機、數(shù)碼照相機、MP3播放器等諸多凝結了其全部精華的技術寵兒。

     歷史常有驚人的相似，并使人從中得到啟迪。同30年前一樣，電力電子也需要從電力電子工程師所造就的象牙塔中走出來，成為從事不同行業(yè)、具備基本技能的工程師所能駕馭的有力工具。只有這樣，才能期待其更大的發(fā)展和更為輝煌的前景。而實現(xiàn)這一目標的途徑就是集成[2]。通過集成，可以將現(xiàn)有電力電子裝置設計過程中所遇到的元器件、電路、控制、電磁、材料、傳熱等方面的技術難點問題和主要設計工作解決在集成模塊內部，使應用系統(tǒng)設計簡化為選擇合適規(guī)格的標準化模塊并進行拼裝即可[3]。這一革命性的技術將使現(xiàn)在的電力電子技術領域分化為集成模塊制造技術和系統(tǒng)應用技術兩個不同的分支，前者重點解決模塊設計和制造的問題，通過多個不同學科的緊密交叉和融合攻克電力電子技術中主要的難點；而后者解決針對各種廣泛而多樣的具體應用將模塊組合成系統(tǒng)的問題。隨著這一技術的發(fā)展，集成模塊的設計和制造技術將成為電力電子技術本身研究的主要內容，而系統(tǒng)應用技術則漸漸成為具備基本素質的各行業(yè)工程師所掌握和使用的一般技術，他們會根據(jù)各自行業(yè)所針對的應用問題來設計和實現(xiàn)分散在各種裝置中的電力電子系統(tǒng)。由此，電力電子產業(yè)也將出現(xiàn)分化的趨勢，集成模塊的制造將成為該產業(yè)的主要內容，單純的電力電子裝置制造的份額會逐漸減少，而更多的是滲透到其他的各個行業(yè)中去了。但這并不意味著整個產業(yè)的萎縮，相反，由于模塊在各個不同領域中的廣泛應用，與集成電路一樣，電力電子產業(yè)將期待比現(xiàn)在更加蓬勃的發(fā)展。

3 集成技術的不同層次和形式
    總的來說，電力電子裝置與系統(tǒng)的集成可以分為3個不同的層次和形式：

    1) 單片集成，即將電力電子電路中的功率器件、驅動、控制和保護電路都采用半導體集成電路的加工方法，制作在同一硅片上，體現(xiàn)了SOC(System On Chip——單片系統(tǒng))的概念。這種集成方式集成度最高、適合大批量、自動化制造，可以非常有效的降低成本、減小體積和重量，但面臨高壓 、大電流的主電路元件和其他低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離和傳熱的問題。故單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應用，如TopSwitch等。隨著新型半導體材料和加工工藝的發(fā)展，將來必然向較大的功率等級發(fā)展。

    2) 混合集成，就是采用封裝的技術手段，將分別包含功率器件、驅動、保護和控制電路的多個硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能的、相對獨立的單元。這種集成方法可以較好的解決不同工藝的電路間的組合與高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以比較有效的減小體積和重量，但目前還存在分布參數(shù)、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術問題，并且尚不能有效地降低成本，達到較高的可靠性，因此目前仍以中等功率應用為主，并正在向大功率發(fā)展?；旌霞傻牡湫屠邮荌PM。在某種意義上，混合集成是在集成度與技術難度之間，根據(jù)當前的技術水平所采取的一種折衷方案，具有較強的現(xiàn)實意義，是目前電力電子集成技術的主流方式。

    3) 系統(tǒng)集成，也就是系統(tǒng)級的集成，這是目前在工程技術領域普遍采用的集成方案，其含義是將已有的實體經(jīng)過有機的組合及拼裝形成一個完整的系統(tǒng)，在電力電子技術領域，系統(tǒng)集成一般指將多個電路或裝置有機的組合成具有完整功能的電力電子系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)等。系統(tǒng)集成是功能的集成，具有低的集成度和技術難度，容易實現(xiàn)，但由于集成度低，與獨立的裝置和電路相比，體積和重量都無法顯著降低，而且其構成仍以分立的元器件為主，設計、制造都較復雜，不能明顯的體現(xiàn)集成的優(yōu)勢。目前，系統(tǒng)集成技術多用于功率很大、結構和功能復雜的系統(tǒng)。
目前，國際電力電子學界所談論的集成概念一般指單片集成和混合集成，而很少包含系統(tǒng)集成這一層次。

4 主要研究機構

    目前國際電力電子集成領域內比較有影響的研究機構有：美國電力電子研究中心(Center for Power Electronic System—CPES)[1,2]，美國康奈爾大學電氣工程學院[3]，美國阿肯色大學電力電子研究小組[5]，西班牙國家微電子研究中心[6]等。美國通用電氣(GE)公司[7]，美國國際整流器公司(IR)，德國賽米控(Semikron)公司，瑞士ABB公司等一些有實力的企業(yè)也加入其中。

    CPES目前在該領域的研究中處于核心地位，所研究的內容最為廣泛，產出的文獻和研究成果數(shù)量最多，在一定程度上領導著國際電力電子集成技術的主流研究方向。CPES提出的目標是通過高密度混合集成和多層互連，將電力電子系統(tǒng)中主電路、傳感、驅動、保護、控制、通信接口等全部電路和元件都集成到一起，形成具有通用性的標準化電力電子集成模塊(Integrated Power Electronic Module—IPEM)，用以構成各種不同的應用系統(tǒng)。

    國內學術界目前已經(jīng)對電力電子集成技術引起高度重視，并形成共識，認為應該在政府的推動下，盡快開展我國的電力電子集成技術的研究工作。來自清華大學、浙江大學、西安交通大學的部分學者已著手從不同的角度進行研究工作[8]，但總的來說還處于起步階段。

    中國國家自然科學基金已經(jīng)批準了“電力電子系統(tǒng)集成的理論與關鍵技術研究”重點項目，由浙江大學，西安交通大學和西安電力電子技術研究所分別承擔，于2003年1月起正式啟動。國家自然科學基金項目的資助數(shù)額雖不大，但這一項目的立項具有深遠的意義，標志著我國電力電子集成技術研究的正式啟動。

     這一部分主要研究基于標準化集成模塊的應用系統(tǒng)設計，其內容涉及根據(jù)應用選取適當?shù)哪K、解決多模塊構成的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性問題及進行系統(tǒng)的優(yōu)化設計。由于尚未形成模塊的標準化系列，目前這一領域的研究主要試圖建立由模塊構成的示范系統(tǒng)，以證明電力電子集成概念的可行性和有效性。

     一個成功的范例是集成交流電機(Integrated Motor)，功率約1kW的變頻器被集成在交流異步電機的殼體內，從而使電機具有了可調速性能，并且體積小、效率高。 
此外，還有采用集成技術的分布式電源系統(tǒng)等。

5. 結 論

     本文對電力電子集成技術的概念、意義和發(fā)展概況進行了綜述，詳細介紹了國內外該領域的主要研究機構和研究內容，作出如下結論：

     1) 電力電子集成技術是目前電力電子技術領域最為重要的研究方向，必將成為未來該領域的研究熱點，并在某種程度上決定電力電子技術未來的興衰命運。
     2) 單片集成、混合集成和系統(tǒng)集成可以看成是電力電子集成的不同層次和形式，現(xiàn)階段，單片集成局限于小功率范圍，中功率領域多采用混合集成或混合集成與系統(tǒng)集成相結合的形式，而大功率領域仍以系統(tǒng)集成為主。由于具有更高的集成度和更好的性能，單片集成和混合集成是未來集成技術的主要發(fā)展方向。

     3) 目前應該立足于現(xiàn)有技術水平，根據(jù)實際情況，采取合理的集成度和集成形式，并應盡快推進集成技術的實用化和產業(yè)化。