摘要：电力电子是现代科学、工业和国防的重要支撑技术，功率器件是电力电子技术的核心和基础，其应用是电力电子技术发展的驱动力。该文对现代电力电子器件，特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件及当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题（绿色能源应用、电动汽车、LED照明）的现状和发展前景进行简要的综述。

　　关键词：碳化硅功率器件；氮化镓功率器件；绿色能源应用；电动汽车；LED照明；现状和发展前景

　　0、引言

　　电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第5代战机、激光炮、电磁炮等诸多现代化国防武器装备重要领域，这与近30多年来电力电子器件与电力电子技术的飞速发展和电力电子的重要作用密切相关。二次大战后，特别是20世纪80年代以后，电子技术（包括：半导体、微电子技术；计算机、通信技术；电力电子技术等）的飞速发展，给世界科学技术、经济、文化、军事等各方面带来了革命性的影响。概括地说，电子技术包含两大部分：信息电子技术（包括：微电子、计算机、通信等）是实施信息传输、处理、存储和产生控制指令；电力电子技术是实施电能的传输、处理、存储和控制，它不但要保障电能安全、可靠、高效和经济地运行，而且还要将能源与信息高度地集成在一起。如果用人体组成来比喻的话，信息电子相当于人的大脑和神经中枢，负责思考和指挥；而电力电子则相当于人体的心血管系统和四肢，负责为人体活动提供能量和承担执行的功能，两者缺一不可，不可能互相代替。

　　事实表明，无论是电力、机械、矿冶、交通、石油、能源、化工、轻纺等传统产业，还是通信、激光、机器人、环保、原子能、航天等高技术产业，都迫切需要高质量、高效率的电能。而电力电子正是将各种一次能源高效率地变为人们所需的电能。它是实现节能环保和提高人民生活质量的重要手段，它已经成为弱电控制与强电运行之间、信息技术与先进制造技术之间、传统产业实现自动化、智能化改造和兴建高科技产业之间不可缺少的重要桥梁。所以，电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。

　　时至今日，无论高技术应用领域还是传统产业，特别是我国一些重大工程（三峡、特高压、高铁、西气东输等），乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在，能量的合理利用，电气系统的微型化及电源智能管理促进了电力电子近50年的革命性发展。而新型电力电子器件的出现，总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件就好像现代电力电子装置的心脏，虽然它在整台装置中的价值通常不会超过总价值的20%~30%，但是，它对装置的总价值，尺寸、重量、动态性能，过载能力，耐用性及可靠性等，起着十分重要的作用。因此，新型电力电子器件及其相关新型半导体材料的研究，一直是电力电子领域极为活跃的主要课题之一。可以这么说：没有各种现代电力电子器件，就没有现代电力电子装置及其应用；没有日益扩大的电力电子应用市场需求强烈的推动和促进，也不会出现今天现代电力电子器件的蓬勃发展的局面。

　　1、电力电子器件现状和发展

　　1.1概述

　　一个理想的功率半导体器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，能导通高的电流密度并具有低的导通压降；在开关状态和转换时，具有短的开、关时间，能承受高的di/dt和du/dt，具有低的开关损耗；运行时具有全控功能和良好的温度特性。

　　自20世纪50年代硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈努力，并已取得了世人瞩目的成就。早期的大功率变流器，如牵引变流器，几乎都是基于晶闸管的。到了20世纪80年代中期，4.5.kV的可关断晶闸管（gateturn-offthyristor，GTO）得到广泛应用，并成为在接下来的10年内大功率变流器的首选器件，一直到绝缘栅双极型晶体管（insulatedgatebipolartransistor，IGBT）的阻断电压达到3.3.kV之后，这个局面才得到改变。与此同时，对GTO技术的进一步改进导致了集成门极换流晶闸管（intergratedgatecommutatedthyristor，IGCT）的问世，它显示出比传统GTO更加显著的优点。目前的GTO开关频率大概为500.Hz，由于开关性能的提高，IGCT和大功率IGBT的开通和关断损耗都相对较低，因此可以工作在1~3.kHz的开关频率下。至2005年，以晶闸管为代表的半控型器件已达到70.MW/9.000.V的水平，全控器件也发展到了非常高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平基本上稳定在109~1010.W.Hz左右，已逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，电力电子器件的功率频率乘积和相应半导体材料极限不难理解，更高电压、更好开关性能的电力电子器件的出现，使在大功率应用场合不必要采用很复杂的电路拓扑，这样就有效地降低了装置的故障率和成本。

　　1.2超大功率晶闸管

　　晶闸管是电力电子中传统的电力电子器件。自问世以来，它的功率容量已提高了近3.000倍，具有最高的功率等级（12.kV，6.kA）。并且因为晶闸管可以光触发，所以它很容易就可实现串联连接。为阻断13.kV电压，提出一种13.kV不对称晶闸管和13.kV二极管相串联的新器件概念，并通过使用一种基于N发射极前的深埋场阻层的场阻技术，13.kV二极管反向恢复性能得到显著改善。晶闸管的主要缺点是不能自关断，只能靠电路本身将其电流置零。因此，晶闸管在关断的时候需要消耗很大的无功功率。

　　我国以晶闸管为代表的第1代半控电力电子器件的产业业已成熟，种类齐全，质量可靠，产品、技术水平已居世界前列，如：5英寸7.200.V/3.000.A和6英寸8.500.V/（4.000~4.750.A）电控晶闸管以及5英寸7.500.V/3.125.A光控晶闸管已实现了产业化，并已经成功用于高压直流输电和无功补偿等领域。

　　预计在今后若干年内，晶闸管仍会在高电压、大电流应用场合得到继续发展。1982年日本日立公司首先研制成功2.500.V/1.000.A的GTO。目前许多生产商均可提供额定开关功率36.MVA（6.000.V，6.000.A）用的高压大电流GTO。为了折衷其导通、开通和关断特性，传统GTO的典型关断增量仅为3~5。GTO关断期间的不均匀性引起的“挤流效应”使GTO关断期间du/dt必须限制在500~1.000V/.s。为此，人们不得不使用体积大且笨重又昂贵的吸收电路。它另一个缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的驱动功率。但是，高的导通电流密度、阻断电压和阻断状态下高的du/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管这些突出的优点使人们仍对GTO感到兴趣。到目前为止，传统的GTO在高压、大功率牵引、工业和电力逆变器中是应用得最为普遍的门控功率半导体器件。目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6.000.V/6.000.A以及9.000.V/10.000.A。这种GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代可控硅（siliconcontrolledrectifier，SCR）。为了满足电力系统对1.GVA以上的三相逆变功率电压源的需要，可望解决几十个高压GTO串联的技术，可使电力电子技术在电力系统中的应用方面再上一个台阶。　1.3新型GTO器件—集成门极换流晶闸管（IntegratedGateCommutatedThyristor—IGCT）

　　当前已有两种常规GTO的替代品：高功率的IGBT模块；新型GTO派生器件—集成门极换流晶闸管IGCT。IGCT晶闸管是一种新型的电力电子器卷件，它的最重要特点是有一个引线电感极低的与管饼集成在一起的门极驱动器。图4为门极驱动和器件的外形照片，图中门极驱动器与IGCT管饼之间的距离只有15.cm左右，包括IGCT及其门极驱动电路在内的总引线电感量可以减小到GTO电路的1/100左右，因此与常规GTO晶闸管相比，它具有许多优良的特性，例如：损耗低、开关速度快、关断可靠、易于应用等。这些优点保证了IGCT可以以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于300.kVA~10.MVA变流器，而不需要串联或并联。

　　目前，IGCT电压已达到9.kV/6.kA研制水平，而6.5.kV或者是6.kA的器件已经开始供应市场了。如用串联，逆变器功率可扩展到100.MVA范围而用于电力设备。因此，IGCT可望成为高功率高电压低频变流器的优选电力电子器件之一。但是，从本质上讲，IGCT仍属于GTO系列，它主要是克服了GTO实际应用中存在的门极驱动的难题。而IGCT门极驱动电路中包含了许多驱动用的MOSFET和储能电容器，所以实际上它仍旧需要消耗较大的门极驱动功率，影响系统的总效率。

　　1.4IGBT及其功率模块

　　自1985年绝缘门极双极型晶体管进入实际应用以来，IGBT已经成为主流电力电子器件，在10~100.kHz的中压、中电流应用范围占有十分重要的地位。IGBT及其模块（包括IPMs）已经涵盖了0.6~6.6.kV的电压和1~3.500.A的电流范围，应用IGBT模块的100.MW级的逆变器也已有商品问世。

　　IGBT是一种电压全控器件，它的开通和关断可以通过门极驱动实现。IGBT相对比较容易驱动并具有低的门极驱动功率，IGBT变流器具有较高的功率密度和较低的成本。IGBT常常封装成功率模块形式。一个IGBT功率模块内实际包含很多的IGBT芯片，例如，一个比较典型的3.300.V/1.200.AIGBT模块中就具有60块IGBT裸芯片和超过450根连线。这些并联的IGBT裸芯片固定在同一块陶瓷衬底上，以保证良好的绝缘和导热，这类模块可以非常容易地安装在散热器上。但是，这种封装结构限制了IGBT模块只能采取单面冷却，这增加了在大电流条件下造成器件损坏的可能性。由此，进一步发展了陶瓷封装的双面散热IGBT模块，这样可以为中压大功率应用中提供与圆盘形密封、双面压接的晶闸管和GTO一样的可靠性。

　　虽然高功率的IGBT模块具有一些优良的特性，例如：能实现di/dt和du/dt的有源控制、有源箝位、易于实现短路电流保护和有源保护等，但是高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后会造成开路等缺点局限了高功率IGBT模块在高功率变流器中的实际应用。在过去二十几年间，基于功率MOSFET、IGBT和智能功率模块的迅速发展，电力电子装置的功率密度也随之得到了显著的提高。另外，日本东芝公司推出了一种新的加强型IGBT（也叫IEGT），它在关断损耗和导通电压上均取得了很好的折衷，可望成为中功率应用场合的优选电力电子器件。

　　1.5电子注入增强栅晶体管（injectionenhancedgatetransistor，IEGT）

　　IEGT兼有IGBT和GTO两者的某些优点：低饱和压降，宽安全工作区（吸收回路容量仅为GTO的1/10左右），低栅极驱动功率（比GTO低2个数量级），和较高的工作频率，由于该器件采用了平板压接式电极引出结构，可望有较高的可靠性和良好的散热效果。

　　目前在母线直流电压超过3.kV的应用场合，IGCT是大功率变流器的首选器件，而在母线电压不超过3.kV的应用中，IGBT、IEGT模块将具有优势，特别是IGBT在短路限流制能力对于硬开关变流器具有很大的吸引力。虽然6.6.kV的IGBT模块已经问世，但是其高昂的价格，要完全取代高功率GTO和IGCT还尚需时日。

　　1.6采用超级结技术的功率MOSFET——COOLMOS

　　70年代功率MOSFET研究成功，它是典型的多数载流子器件，其静态驱动损耗近于零，而开关速度极快。可是，对于标准的MOSFET工艺，其开关频率和功率容量的乘积，器件耐压和电流容量之间的矛盾受到材料极限的限制，如图1所示。其通态电阻Rds正比于UB2.5，所以高压功率MOSFET通态电阻较大，在开关电源中的应用受到很大局限。尽管如此，功率MOSFET在各类开关电源、3C产品中占有巨大的市场。特别是超级结技术引入到MOSFETs后，上述材料极限已被突破。这类器件的设计理念是通过在有源层内引入三维PN结结构，降低PN结周围的最大电场值。以SJ-MOSFET为例，它在寄生二极管的有源层中采用了垂直PN细条的三维结构，它能维持相同的阻断电压，但是由于通过减小垂直PN条的宽度，可以大幅度提高N型导电区的掺杂浓度，导通电阻得以成比例的减小。采用这个方法，当前最优秀的COOLMOS器件的单位面积导通电阻已经降低到相同电压等级传统MOS器件的1/10以下，开关、驱动损耗可降低2倍左右。该器件的问世为功率MOSFET的更广泛应用开辟了新的天地。

　　当前，传统的硅基电力电子器件已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是如上文所述的采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）器件。

　　1.7碳化硅（SiC）器件

　　碳化硅材料相比于硅材料来说具有许多重要的特性：更高的击穿电场强度2~4.MV/cm；其最高结温可达600.℃等。众所周知，半导体材料的特性对其构成的电子器件表现起着至关重要的作用，利用适当的优良指数可以对SiC和Si以及其他的普通半导体的理论特性进行一个比较。为以Si材料为归一基准的各种半导体材料的各种优良指数对比图：其中Johnson优良指数（JFM）表示器件高功率、高频率性能的基本限制；KFM表示基于晶体管开关速度的优良指数；质量因子1（QF1）表示电力电子器件中有源器件面积和散热材料的优良指数；QF2则表示理想散热器下的优良指数；QF3表示对散热器及其几何形态不加任何假设状况下的优良指数；Baliga优良指数BHFM表示器件高频应用时的优良指数。图6表明，SiC材料具有比硅材料综合的优良特性。高压Si器件通常用于结温在200.℃以下的情况，阻断电压限制在几kV。由于较宽的能带隙，SiC拥有较高的击穿电场和较低的本征载流子浓度，这都使得器件能在高电压、高温下工作。SiC还由于有较高的饱和迁移速度和较低的介电系数，使得SiC器件具有好的高频特性。近年来，作为一种新型的宽禁带半导体材料，碳化硅因其出色的物理及电特性，越来越受到产业界的广泛关注。碳化硅电力电子器件的重要系统优势在于具有高压（达数十kV）高温（大于500.℃）特性，突破了硅基功率半导体器件电压（数kV）和温度（小于150.℃）限制所导致的严重系统局限性。随着碳化硅材料技术的进步，各种碳化硅电力电子器件被研发出来，由于受成本、产量以及可靠性的影响，碳化硅电力电子器件率先在低压领域实现了产业化，目前的商业产品电压等级在600~1.700.V。随着技术的进步，高压碳化硅器件已经问世，并持续在替代传统硅器件的道路上取得进步。随着高压碳化硅电力电子器件的发展，已经研发出了19.5.kV的碳化硅二极管，3.1.kV和4.5.kV的门极可关断晶闸管（GTO），10.kV的碳化硅MOSFET[13]和13~15.kV碳化硅IGBT等。

　　碳化硅器件已经在诸如高电压整流器以及射频功率放大器等领域有了商业应用。它们的研发成功以及未来可能的产业化，将在高压领域开辟全新的应用。在过去的15年中，碳化硅器件在材料和器件质量方面均取得了令未来应用市场瞩目的飞速发展。然而，目前碳化硅晶体缺陷和碳化硅晶片的高昂成本是其在电力电子器件上应用的一个主要制约因素，要生产电流和电压范围适用于中压驱动应用场合的器件的碳化硅材料和器件目前还相当困难。尽管如此，碳化硅还是将来代替硅材料的最有前途的材料。

　　如前所述，SiC具有高的击穿电场强度，因此，即使在比Si或GaAs更加薄（约为它们的1/10）的漂移层，SiC也能承受较高的电压，因而具有较低的导通电阻。SiC肖特基二极管已接近于4H-SiC单极性器件的极限，耐压已到达600.V，目前这类产品正被Infineon和Cree等公司投入商业生产。SiC肖特基二极管能有效避免反向恢复问题，从而降低了二极管的开关功率损耗，使得该器件能应用在开关频率较高的电路中。

　　在600~3.300.V阻断电压范围，SiC结势垒肖特基二极管（JBS）是较好的选择。JBS二极管结合了肖特基二极管所拥有的出色的开关特性和PN结二极管所拥有的低漏电流的特点。但是，SiCJBS二极管的处理工艺技术比SiC肖特基二极管要更加复杂。PN结二极管在3~4.kV以上的电压范围具有优势，由于内部的电导调制作用而呈现出较低的导通电阻。Cree公司曾报道过一种在电流密度为100.A/cm2，阻断电压为19.5.kV的PN结二极管，其正向压降仅为4.9.V，这显然都得益于电导调制作用。这种甚高压二极管在诸如高直流电压输电表2SiC二极管的通态电阻及阻断电压Tab.2On-stateresistanceandblockingvoltageofrecentSiCdiode器件UBD/kVRon/（mcm2）（UB2D/Ron）/（MW/cm2）肖特基势垒二极管4.943.0.558；结型势垒二极管2.88.0.9804.542.0.482P；IN二极管19.565.05.8502.98.01.051；肖特基势垒二极管10.097.51.0254.29.11.938；结型势垒二极管1.03.0.333；阻断电压UBD/VRon/（mcm2）100101103102103104；雪崩二极管；肖特基二极管；结型二极管。硅的极限6H型碳化硅极限4H型碳化硅极限。

　　然而，甚高压二极管一般主要应用于电流在100.A以上的情况。这就要求芯片面积在1.cm2等级范围内，考虑到SiC晶片衬底存在的诸如微管、螺旋、边缘位错和低角度晶界等晶体缺陷问题，此类甚高压二极管的商业化生产必需解决了前述这些晶体缺陷问题后才有可能。

　　1.8氮化镓（GaN）电力电子器件

　　关于不同半导体材料的各种优良指数比较表明，GaN与SiC一样，与硅材料相比具有许多优良特性，但是由于它最初必须用蓝宝石或SiC晶片作衬底材料制备，限制了其快速发展。后来，它在LED照明应用市场的有力推动下，GaN异质结外延工艺技术的发展产生了质的飞跃，2012年GaN-on-Si外延片问世，为GaN材料及器件大幅度降低成本开辟了广阔的道路，随之GaN电力电子器件也得到业界热捧。

　　1.9关于现代电力电子器件发展趋势的几点看法

　　以硅晶闸管为代表的半控型器件已达到7…107.W/9.000.V的水平，各种类型的晶闸管已经广泛、成功地用于许多传统晶闸管应用及高压直流输电和无功补偿等领域。虽然它受到了全控器件应用的冲击，但由于它技术的成熟性和价格优势，今后仍旧有较好的市场前景，特别在高电压、大电流应用场合还会得到继续发展。以功率MOSFET、IGBT和GTO（包括IGCT）为代表的全控器件也发展到了十分高的水平。当前，硅基电力电子器件的水平已基本上稳定在109~1010.W.Hz左右，逼近了由于寄生二极管制约而能达到的Si材料极限。它们的飞速发展使当今无论高技术应用领域，还是传统产业，特别是一些重大工程（三峡、特高压、高铁、西气东输等），乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在，电力电子已经成为国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。这些硅基全控型电力电子器件本身的技术、制造工艺虽然发展空间已经不太大了，可是它们的待开发的应用空间仍旧十分广阔，应用市场前景无限好。

　　SiC和GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，它们的价格肯定还是比硅基贵。由于它们的优异特性可能主要用于中高端应用，与硅全控器件不可能全部取代硅半控器件一样，SiC和GaN宽禁带电力电子器件在将来也不太可能全面取代硅功率MOSFET、IGBT和GTO（包括IGCT）。从长远看，有可能形成如下一种格局：SiC电力电子器件将主要用于1.200.V以上的高压工业应用领域；预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平，GaN电力电子器件将主要用于900.V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

　　2、关于一些电力电子应用热点的探讨

　　如前所述，电力电子器件及其应用装置已日益广泛地应用和渗透到能源、交通运输、环境、先进装备制造、激光、航空航天及航母、舰船、坦克、第五代战机、激光炮、电磁炮等现代化国防武器装第29期钱照明等：电力电子器件及其应用的现状和发展备诸多重要领域，它们涉及到许多电力电子共性基础技术和形形色色电力电子装置和应用系统，本文限于篇幅对各种应用不作详细展开，仅对当前一些电力电子应用热点进行探讨。

　　2.1风力发电

　　风能是世界各国能源中增长最快的一种。截至2012年底，全球风力发电装机容量已达282.43.GW，其中，中国、美国、德国位居世界前3名，德国提出2020年可再生能源发电占到电力消费35%，其中50%来自风电。

　　《2012年中国风电装机容量统计》报告表明，2012年，中国（不包括台湾地区）累计装机容量75.3.GW。尽管受到中国风电产业调整政策的影响，中国风电市场的年增长率将经历一个相对减慢的时期，但是预计2015年累计装机容量仍将达到134.GW，2020年达到230.GW，2030年接近500.GW，届时将首次超过经合组织欧洲397.GW的规模，仅次于经合组织北美地区666.GW的预期。全球海上累计装机容量约5.41.GW，截至2012年底，英国海上累计装机容量达29.5.GW，位居世界第一位[21]，截至2010年底，我国海上风电装机容量仅为142.5.MW，在2010年全球海上风电装机总量中占4%左右。风电的装机成本也逐年下降，它是当前唯一在发电装机成本上可能与火力发电相媲美的一种新能源发电，目前风力发电和电网兼容的问题受到了业界极大的关注，一方面，风力发电不能适应较大的电网电压和频率暂态变化，同样风力发电的不稳定性对电网也会造成冲击。另外，在世界范围内大规模开发应用风能的今天，如何合理评估风力发电对生态的影响并加以开发利用，也显得日益重要。风是由于地球表面气流的运动形成的，如果人们大规模地、不合理地乱设风场、滥用风能，有可能使地球表面的气流发生人们预想不到的改变，可能使人们赖以生存的气候和生态环境产生灾难性的后果。因此，大规模风场的设立和风能利用应当有环境、气象科研部门的积极参与和经过认真的科学论证，如果能将风电开发利用和改造人居环境密切结合将是最理想的做法。

　　2.2太阳能光伏发电20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅光伏电池；二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术的突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。从第一次空间应用到现在，光伏产业已经经历了近50年的发展历史。过去10年，是强劲增长的10年，同时预计这种增长仍将在未来数年内持续。

　　70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。2006年全球光伏电池的实际产量达到了2.6.GW，截至2011年底，全球累计光伏装机量已达到67.4.GW，成为仅次于生物质能和风电的第3大可再生能源。传统欧洲市场仍然是2011年全球光伏发电装机市场增长的主要动力：2011年欧洲地区21.GW的光伏发电装机量占到了全球总装机的约75%，其中德国和意大利光伏装机为16.5.GW，占全球光伏装机量的近60%。截至2011年底，中国光伏发电装机量累计达3.GW，较2010年增长了三倍多。2012年中国光伏装机量累计达4.5.GW。2013年7月15日，我国出台了《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，提出到2015年总装机容量要达到35.GW以上。

　　从长远看，我们的看法是：期望用硅光伏电池来解决发电的问题从根本上讲是不现实的，因为制造一块硅光伏电池实际需要花费的电力（沙子–二氧化硅–工业级多晶硅–高纯多晶硅–单晶硅–单晶硅片–单晶硅光伏电池每道工艺过程均需要消耗大量电力）可能比它所能发出的电力还要多。因此，硅光伏电池光伏发电将主要用于特殊地区的发电及改造环境的需要。太阳能光伏发电最有应用前途的是光伏建筑一体化应用。它是结合光伏电池发电和建筑物外墙的功能，将光伏电池组件装置在建筑物上，使其起到既可以发电又可以代替建筑材料的双重用途。在土地价格昂贵的地区，光伏建筑一体化是解决土地成本过高和整合发电运送的最佳方案，建筑业已开始使用薄膜光伏电池，因为它既能发电又可降低二氧化碳的排放量，这是未来一个新的发展趋势。

　　依照安装位置的不同，光伏建筑一体化可以有很多种类型，如与屋顶结合、与外墙结合、与遮阳装置结合、做玻璃幕墙用等。光伏建筑一体化具有如下优点：节省光伏电池支撑结构，并可替代屋顶、墙面、窗户等建材；节省光伏电池安装成本；有效利用建筑物的表面积，不需另外占用土地；可以遮阳，降低建筑物外表温度；增加建筑物美观；将太阳能和建筑物结合，使建筑物能有自己的电源供应，特别在我国这样一个幅员广阔、人口众多的国家将会在很大程度上解决电能供给的难题。

　　薄膜光伏电池有非晶硅（amorphusSilicon，a-Si）；微晶硅（NanocrystalineSilcon，nc-Si，MicrocrystallineSilicon，mc-Si）；无机化合物半导体（CdS、CdTe（碲化镉））、CIGS（铜铟镓硒化物）；色素敏化染料（Dye-Sensitized）和有机高分子（Organic/Polymer）光伏电池等多种类别。其中，目前已实现产业化的薄膜光伏电池有非晶硅、微晶硅、无机化合物半导体、CIGS光伏电池等。色敏染料和有机高分子光伏电池尚处于实验室研究阶段。

　　2010年12月6日，全球重要的铜铟镓硒CIGS（Cu（In,Ga）Se2）薄膜光伏电池制造商MiaSolé宣布，经美国能源部下属的国家可再生能源实验室证实，该公司生产的铜铟镓硒薄膜光伏电池转换效率已第29期钱照明等：电力电子器件及其应用的现状和发展5159达到了15.7%。据悉，这是当前薄膜组件在商业运用中已被证实的最高转换效率。虽然许多数据表明，无机化合物半导体（CdS、CdTe（碲化镉））、CIGS（铜铟镓硒化物）薄膜光伏电池具有许多如表3所示的优点，但是由于它们存在材料来源稀缺或有毒和会造成环境污染等致命缺点，推广应用速度不快。

　　随着技术的进步，薄膜光伏电池产品的转换效率可望稳定达到10%以上，加上它们原来就具有低成本、总耗电量小、可大规模量产等一系列的优点，组件售价可望降到l.$/W以下，发电成本也就可望降到8.￠/（kW.h）以下，和现有传统电力相比是具有竞争力的。图21为全球当前各类光伏电池产业化/实验室研发水平进程示意图，图中EmergingPV表明各种目前尚处于实验室研究开发阶段的有机/非有机薄膜光伏电池的技术现状，从图可见，目前EPFL研发的色素敏化染料薄膜光伏电池转换效率已达到14.1%，多个实验室制作的有机高分子（Organic/Polymer）和非有机高分子（Inorganic）薄膜光伏电池转换效率均已达到10%以上，距离实现产业化并不遥远。

　　2.3电动汽车

　　汽车是人们生活的重要交通工具，随着人们生活水平的提高，越来越多的人开始购买汽车。但是，汽车的大量使用带来了能源消耗、资源短缺、环境污染等一系列问题，这些问题促使各大汽车公司竞相研制各种新型无污染的环保车。而电动汽车是以电能为动力，通过电动机将电能转化为机械能，这完全符合零污染汽车的理念。因此，电动汽车作为解决资源短缺、环境污染等问题的重要途径，得到了快速发展。

　　国内外电动汽车发展从动力上来说，目前主要分为3种类型：纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车。纯电动汽车完全由二次电池（蓄电池）提供动力；燃料电池汽车以燃料电池作为动力源，利用燃料和氧化剂在催化剂作用下直接经电化学反应产生电能；混合动力汽车则采用内燃机和电动机两种动力，将内燃机与储能器件通过先进控制系统相结合。近年来，随着环境污染和能源危机的加剧，世界各国在电动汽车的研发布局中出现了三者并驾齐驱的局面，电动汽车正朝产业化方向一步步迈进。

　　国内电动汽车的研究始于20世纪60年代，但当时的研究开发都是零散和小规模的，投入也很少。自1980年开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮，电动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果，但与国外先进电动汽车相比还有一定差距。2001年9月30日，科技部组织召开了“十五”国家“863”计划电动汽车重大专项可行性论证会，专项确立了“三纵三横”的研发布局，其中“三纵”是指燃料电动汽车、混合动力汽车、纯电动汽车3种整车技术，“三横”指多能源动力总成系统、驱动电机、动力电池3种关键技术。虽然电动汽车呈现良好的发展状态，但是无论国内还是国外在电动汽车发展方面还存在一定的问题。从三种类型电动汽车的技术特点看，阻碍纯电动汽车、燃料电池汽车和混合动力汽车产业化发展的主要原因也有所不同。其中最大的技术障碍是纯电动汽车的动力蓄电池，燃料电池汽车的燃料电池。当前已有的各种动力蓄电池的优缺点比较。要真正解决动力蓄电池和燃料电池的瓶颈尚需时日，对于能源与环境问题而言，电动汽车“不是近期，也不是中期，而确实是远期的解决办法”。

　　2.4LED照明

　　据估计，照明大约消耗20%的电能。照明用电的迅速增加不但要增加大量的电力投资，且还会产生大量污染。照明在能源及环境污染上的严重问题已引起了人们的共识。为此，工业发达国家纷纷制定了绿色照明工程计划。特别是近几年发展起来的LED照明技术是一个重要的发展领域，如前所述，在LED照明应用市场的有力推动下，GaN异质结外延工艺技术的发展产生了质的飞跃，2012年GaN-on-Si外延片问世，为GaN材料及器件大幅度降低成本开辟了广阔的道路，可以预料，LED照明技术将在节能减排中大显神威。

　　3、结论1）电力电子是我国国民经济的重要基础技术，是现代科学、工业和国防的重要支撑技术。时至今日，无论高技术应用领域，还是传统产业，特别是我国一些重大工程（三峡、特高压、高铁、西气东输等），乃至照明、家电等量大面广的与人民日常生活密切相关的应用领域，电力电子产品已经无所不在。

　　2）传统的硅基电力电子器件已经逼近了由于寄生二极管制约而能达到的硅材料极限，为突破目前的器件极限，有两大技术发展方向：一是采用各种新的器件结构；二是采用宽能带间隙材料的半导体器件，如SiC或GaN器件。

　　3）以硅晶闸管为代表的半控型器件已达到70.MW/9.000.V的水平，虽然它受到了全控器件应用的冲击，但由于它技术的成熟性和价格优势，今后仍旧有较好的市场前景，特别在高电压、大电流应用场合还会得到继续发展。

　　4）硅基全控型电力电子器件本身的技术、制造工艺虽然发展空间已经不太大了，可是它们的待开发的应用空间仍旧十分广阔，应用市场前景无限好。

　　5）SiC和GaN宽禁带电力电子器件代表着电力电子器件领域发展方向，材料和工艺都存在许多问题有待解决，即使这些问题都得到解决，其价格还是比硅基的贵。由于它们的优异特性，可能主要用于中高端应用。从长远看，将来有可能形成如下一种格局：SiC电力电子器件将主要用于1.200.V以上的高压工业应用领域；预计到2019年，硅基GaN的价格可能下降到可与硅材料相比拟的水平，GaN电力电子器件将主要用于900.V以下的消费电子、计算机/服务器电源应用领域。

　　6）对于当前电力电子应用装置/系统的诸多热点问题（绿色能源应用、电动汽车、LED照明），我们应当理性思考，抓住发展机遇，挑战电力电子技术应用的明天。

　　参考文献：

　　[1]钱照明等：电力电子器件及其应用的现状和发展