当前，在工厂自动化领域被广泛应用的变频器，正向模块化、集成化方向发展。模块化变频器也不仅用于工业，它正以很快的速度向家用电器、医疗器械等领域扩展。新技术的产生和走向成熟，给大家带来了一系列问题：这一发展趋势，将给变频器行业带来怎样的影响？变频器行业该采取何种应对之策？该技术前景如何？变频器应用又遇到了哪些新问题，应如何解决？现有模块化新技术已经发展到何种水平？还有何不足或有待商榷之处？

　　为了加强业内专家、生产厂商、用户对变频器新技术及应用的交流，2004年12月17日，中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会与《世界仪表与自动化》杂志在上海宾馆联合举办了“变频器新技术及应用研讨会”。本次研讨会紧扣变频器模块化新技术主题，专家、厂商、用户三方代表们通过主题报告和讨论的方式，在龚幼民教授的主持下进行了坦诚、务实的交流。

一 变频器技术的发展趋势

　　上海大学陈伯时教授指出：“我国交流可调传动的发展经历了四个阶段：1978~1984年初创；1985~1992年应用发展，研究兴盛，大量引进外国产品和技术，其间国产变频器兴起又 衰落；1993~1998年市场经济逐步成长；1999年至今，市场直线增长，新企业发展壮大，外资产品本土化。目前，4C（计算机、通信、家电、汽车）电气传动正向着模块化和集成化发展，通用变频器则向着无传感器高性能通用变频器、中压（高压）变频器和客户定制专用变频器发展。”

　　已应用成熟的高性能调速控制策略有矢量控制（VC，Vector Control）和直接转矩控制（DTC，Direct Torque Contro 或 DSR，Direkte Selbst- regelung） 。两种系统在本质上是一样的，都能获得较高的静、动态性能，但两种系统的具体控制方法有所不同，在控制性能上各有特色。矢量控制更有利于宽范围调速系统和伺服系统。直接转矩控制系统结构简单更有利于需要快速转矩响应（特别在弱磁范围）的大惯量运动控制系统。 两者都有不足之处，研究和开发工作需朝着克服其缺点的方向发展。 对于矢量控制系统，用现代智能控制方法可使被控系统不依赖或较少依赖于控制对象的数学模型，因而能使其不受或少受电机参数变化的影响，比较方便的办法是采用单神经元构成的自适应PID控制器。对直接转矩控制系统的研究和产品改进着重于提高低速性能：在砰-砰控制器基础上改进，细化磁链偏差和转矩偏差；间接自控制ISR(Indirekte Selbstregelung)系统；按定子磁链定向的矢量控制系统( SFVC)。无速度传感器控制方案很多，可归纳为3类：基于电机数学模型计算转速或转差；基于PI控制的特点构造转速信号；利用电机结构上的特征产生转速信号。前两类策略已获实际应用。

　　陈伯时教授还指出：“中压（高压）变频器的拓扑结构常采用三电平式、多单元串联式等。功率器件和装置的发展趋势为模块化、电力电子系统集成、新材料——碳化硅(SiC)。”陈教授介绍了几种先进的功率器件：常用IGBT－额定电压3300V；“软穿通”的FS-IGBT(Field stop IGBT)； “载流子增强注入”的IEGT，都已达到6500V，2500A；IGCT——4500V、4000A和6000V、2500A。

二 模块化新技术发展及产品的研发

1．模块化新技术的发展

　　新的发展趋势下，用户对电力电子及电力传动技术有如下需求：降低成本、改善性能、提高功率密度、提高可靠性、提高可制造性和自动化程度。但电力电子技术及电力传动技术却存在种种不令人满意的现状：基于分立元件基础上，自动化程度低；按照用户和用途要求进行特殊设计，开发周期长；大量采用非标元件，成本高。要改变现状，适应变频器发展趋势和用户需求，就只能发展标准化、模块化、集成化以及具有可制造性、能通过大量生产降低成本的电力电子系统。

　　浙江大学钱照明教授认为：“标准模块具备如下特点：用单个模块代替多个复杂的电力电子电路；降低复杂功率电路的设计和开发的成本；简化电力电子大系统的开发和设计。而且，在很多应用中标准模块是可编程的，可以进行扩展。 采用多芯片封装技术实现智能标准模块，涉及到拓扑优选、无源器件继承技术、封装技术、控制技术、热设计、电磁兼容以及标准化接口等多项先进技术。”

　　利用模块化技术来制造变频器，类似于微电子工业的大规模集成电路（VLSI）和机械制造领域的SIMS系统集成，对变频器设计的电力电子技术进行标准化和模块化。钱照明指出：“它可分为两个层次的集成：模块级——建立电力电子集成标准模块；系统级——基于标准模块，根据系统集成理论，集成实际电力电子应用系统。电力电子集成传动系统包含以下部分：标准集成化功率模块（驱动、控制）；标准无源元件集成模块；标准传感器模块——检测电动机端电压、电流，经过相应处理获得电机控制所需量。集成传感器就是把电动机电压/电流传感器、转子位置/速度估计器、磁链和电磁转矩观察器的功能集成到一起。”目前正在研发中的IPEM模块分为有源模块和无源模块。市售的模块主要有Toshiba 、Semikron 、Fuji等品牌。

　　钱教授介绍说：“电力电子模块化工作，我们在做，企业也在做，但企业是非标准的，我们是通过大量的调研做标准化的，我们的目标是实现自动化生产以降低成本。”

2 .模块化产品的开发

　　美国IR公司西安技术应用中心高级经理李明先生介绍了基于硬件方案的永磁电机无传感器控制。着重介绍了该方案不必编软件所有功能都集成在电路里的iMOTION集成设计平台，包括：用于交流伺服电机的 IRMCK201和用于无传感器电流驱动的 IRMCK203两种模块，以及IR芯片组——IR2175电流传感器IC。

　　山东淄博银河高科技开发有限公司总经理曹杰先生主要介绍了用二次混合封装技术制成集成IGBT变频器模块内部结构及特点。集成IGBT变频器模块是将IGBT裸片、驱动及保护电路和控制电路等混合集成，用电力电子模块的封装工艺实现交流变频器的生产。通过二次集成，可以将现有变频器设计和生产过程中所遇到的功率器件、电路、控制、电磁、材料、导热等方面的难题有效解决，从而提高变频器的可靠性，减小体积，增加功率密度，简化应用系统设计，便于标准化，缩短产品设计周期。

　　模块的电路系统是由以导热底板承载的功率电路单元和驱动单元、控制电路单元三层组成，加之壳体的机械支撑和各种防护等六部分构成： 铜基导热底板，其功能为DCB（Direct Copper Bonded）提供联结支撑和导热通道，并作为整个模块的结构基础；DCB，在高温下将氧化铝基片与铜片直接键合的高热导的陶瓷覆铜板；主电路中硅功率芯片，由三相整流桥中的DIODE芯片、六单元逆变桥和制动单元中的IGBT，以及FWD芯片所组成；电气互联；外壳，通过环氧浇注固化实现上下壳体的结构联结，以达到较高的防护强度和气闭密封，并为主端子引出和金属屏蔽以及驱动控制提供支撑和仓体；金属屏蔽，采用0.3?厚的铜片作电磁屏蔽室，驱动和控制PCB均在屏蔽室内，大大降低了空间电磁场的干扰，实验证明，驱动和控制系统工作十分稳定。

三 探讨与争鸣

1．模块化新技术的研讨

　　与会者对新技术的前景很乐观，但也分别从不同角度提出了改进或者不同意见。模块化诚然能减少成本，提高效率，但是一旦模块毁坏，造成的损失将会很大，而且模块中有一个功能块坏了，整个模块就要更换。安塞罗宾康的竺伟先生就新技术的应用范围提出了自己的看法：“模块化和集成化产品多用于家电、汽车等电压不太高、功率不太大的场合，对大功率场合的应用存在很多问题：IGBT基板大小基本确定了，这形成了散热瓶颈，单凭散热片无法解决；可靠性问题，大容量系统要求冗余设计，坏了一台变频器还要求保证一半的输出；采用薄膜电容虽然寿命长，但是价格贵、体积大。”

　　针对这些问题，与会代表深入交换了意见。曹杰先生认为：“要防止事故，关键是要严把生产质量关。”钱照明教授则提到了浙大最新的测试仪器，该仪器可以为产品质量性能进行检验并提供可靠的依据。钱教授认为：“未来模块化产品的推广和普及，可以大大降低模块化产品成本，即使出现故障，也完全可以像更换PC机里面的配件一样进行更换模块，而不必担心成本太高。”周德贤教授指出：“电解质电容寿命仅5年左右，薄膜CBB电容寿命可延长到20年以上。虽然薄膜电容价格昂贵，但是电解电容使用5~7年则必须花费大量资金更换电解电容。”

　　与会代表也提到了国际上其他的先进技术。三菱电机的居里先生提到：“国外的一种新技术，对于小功率变频器和传动装置，IGBT可以直接做到电路板上，后装散热器；功率很小的变频器，其控制可以只用一块板子，IGBT加电路。” 安川电机徐震鹏先生则提到双向开关式的，有两个IGBT的矩阵式变频器，2005年4月会推出。

　　代表们还就对新技术的要求和期望提出了一些很有意义的建议。竺伟先生提到：“变频器整流桥后面的熔丝，小容量变频器不加也可以。但是在逆变桥发生故障时，该熔丝可以避免事故扩大。熔丝是必需的，但是又会带来电感问题，导致电流分配不均匀。IGBT生产厂家封装时，模块里能否考虑过电流保护？”

　　阮毅教授提出：“硬件技术实现了标准化、集成化和模块化，控制技术也应实现模块化、标准化以与硬件配套。”交通大学的潘俊民教授与曹杰先生就采用软开关技术和提高变频器效率问题进行了交流，还就用EMI来消除电网谐波进行了探讨。

　　关于软开关问题，龚幼民教授指出：“软开关虽然可能使寿命变长，但是适应负载变化能力比较弱，只有在100k以上才必须用；另外为提高功率因数，建议尽量用直流供电，采用1条直流母线。”

2．实际应用问题的交流

　　另外，与会代表还就变频器实际应用中遇到的问题交换了意见。无论哪种技术和产品，都存在合理选用和正确使用的问题。周德贤教授针对实际工作中存在的不足，就如何合理选用和正确使用变频装置提出了如下改善措施：“装置输出端必须增加dv/dt限制措施，因为国产电机的绝缘强度要求dV/dt(电压上升率)必须在500V/ms以下，但如今投产的变频装置很多不符合规定，为避免电机绝缘过早老化和电机、变压器损坏 ，可选用输出电抗器抑制过电压和过电流；装置输入端根据功率大小必须增加变频器输入交流电抗，以减小对电网干扰；根据工厂实际，变频装置对电网电压波动的适应应该从目前的15%增加到35%。”

　　宝钢代表黄志刚先生提到了一些变频器应用中遇到的问题：“变频器在行车的提升方面的应用情况，以及需要注意的事项，如电网电压的波动、滑触线接触问题、紧急制动和防溜钩等方面的问题。高频感应加热中MOSFET的控制技术，MOSFET的驱动、保护、与维护方面的技术关键。针对部分厂家提供的可控硅公共整流器（带回馈功能）在给一组变频器集中供电时，当变频器的负载即电机出现接地时，出现同时烧公共整流器整流侧与回馈侧可控硅或快熔的现象。”

　　与会代表比较关心的另一个问题是变频器停电后的可靠性障碍，闵行电厂的叶琦先生说：“短时间的电源波动时，要求变频器扛得住瞬时值65%的波动。”。宝钢代表黄志刚先生也提出这个问题：“电网发生短时间的电压波动时，变频器如何避免跳电或停机？”对于损失电压后要求自启动的场合，与会代表交流了各种解决方案。针对化纤行业对电压的特殊要求，中石化的刘瑞潮先生等提出了用直流端子接到直流电源或者备用电池并电容的方法，有的代表还提到了用直流母线并蓄电池组的方法。

　　艾默生网络能源公司、上海日立电器、LG产电、上海格立特、上海亚泰仪表等变频器生产厂商的代表也都踊跃发言，分别就新技术的应用前景和变频器实际应用中遇到的问题以及解决方案提出了自己的见解。

四 总结

　　演讲人精彩纷呈的报告和与会代表坦诚深入的交流，使此次会议极富成效。专家、厂商和用户三者代表了整个产业链，面对变频器模块化新技术，他们有着不同的需求和疑问。IR公司提供了iMOTION平台，有很多很好的芯片；银河公司的优势在于封装工艺，芯片烧结、定位；浙大钱教授负责的国家自然科学基金项目恰好是电力电子技术集成；三者恰好构成了一个完整的新技术链条；这个链条环环相扣，从技术理论到实际产品两个层面介绍了新技术，解答了上述疑问。

　　诚如科讯公司董事总经理伍健辉先生所言：“信息技术的发展，让集成化和模块化成为很多行业的趋势。变频器新技术是应用集成化和模块化的技术，而此次科讯公司通过自己的网站和《世界仪表与自动化》杂志提供了一个平台，把专家、厂商和用户这三大‘模块’‘集成’到一起，用最高的效率来解决共同关注的问题，两者相得益彰，殊途同归。”

　　会议结束了，交流仍在继续；现有问题解决了，新的问题必将接踵而来。我们不能阻止新问题的产生，但是我们可以通过解决问题来增强和完善自己。科讯圆桌会议谱写的这支动人的圆舞曲，与新年的钟声一起，揭开了新年里变频器行业蓬勃发展的帷幕。