歐洲電力電子中心（european center for power electronics）是為籌劃電力電子工業(yè)與科研的規(guī)劃與布局設(shè)立的網(wǎng)狀組織，其重點是組織電力電子技術(shù)的科研、教育、高級培訓以及公關(guān)活動。ecpe正在推動經(jīng)精選的一些頂尖大學和科研中心，對電力電子技術(shù)進行超前聯(lián)合研究，其財政來自工業(yè)研究基金。ecpe示范規(guī)劃涵蓋：
● 汽車混合牽引用系統(tǒng)集成驅(qū)動器；
● 工業(yè)驅(qū)動—系統(tǒng)集成；
● 超高功率密度電源；
此外，還介紹了歐洲學術(shù)單位和企業(yè)單位首創(chuàng)的對電力電子科技進行聯(lián)合開發(fā)的路線圖。

1 引言
ecpe建立于2003年，是根據(jù)幾家著名的電力電子企業(yè)的創(chuàng)議成立的歐洲電力電子工業(yè)及科研的網(wǎng)狀組織。同時，該組織還包含20家會員公司。若干歐洲領(lǐng)先的大學和研究所也加入此組織，稱為實力中心（competence centers）。
ecpe的工作重點放在歐洲電力電子的研究、教育、高級培訓以及公關(guān)活動上。ecpe工作的主要活動有：
—ecpe網(wǎng)址www.ecpe.org成為聯(lián)絡平臺；
—為電力電子與時俱進的課題舉辦的研究班和討論會計劃；
—基于互聯(lián)網(wǎng)的電力電子在線課程（與蘇黎世eth合辦）；
—ecpe工作小組，例如在電力電子科技路線圖方面的工作；
—電力電子的超前聯(lián)合研究方案。

圖1 ecpe的企業(yè)會員

圖2 ecpe中的大學和研究所（實力中心） ecpe的構(gòu)想和目標

2 ecpe的構(gòu)想和目標
ecpe的目標是促進歐洲電力電子技術(shù)的科研、創(chuàng)新、教育、公共關(guān)系和轉(zhuǎn)讓。
ecpe的主要工作是：
● 電力電子系統(tǒng)的超前研究；
● 教育和高級培訓；
● 有關(guān)電力電子的公關(guān)及游說。
總的目標是要加強歐洲電力電子工業(yè)的競爭地位和擴大電力電子用戶。改進電力電子的設(shè)計和生產(chǎn)工藝有利于把核心技術(shù)保留在歐洲。
作為一個工業(yè)組織，ecpe向公眾顯示電力電子的重要性，以便增加政治和學術(shù)界決策人物的認知和學生到這個領(lǐng)域求職的愿望。ecpe在這個歐洲科研院所的實力組織中，在企業(yè)部門的配合下，強化和促進電力電子領(lǐng)域中的科研和開發(fā)。
ecpe的組織結(jié)構(gòu)
在注冊的協(xié)會ecpee.v.（歐洲電力電子中心注冊社團）之外，又成立了一個有限股份公司（ecpe gmbh）。協(xié)會聯(lián)系歐洲各成員，而該公司在ecpe中的作用是承接ecpe各伙伴企業(yè)科研基金。而且，ecpe gmbh 管理歐洲各領(lǐng)先實力中心（大學和科研院所）的研究合同，監(jiān)控研究計劃實施，并掌握最后的知識產(chǎn)權(quán)，圖3表示ecpe的組織結(jié)構(gòu)。

圖3 包括協(xié)會(ecpee.v.)和有限股份公司(ecpe gmbh)在內(nèi)的ecpe組織結(jié)構(gòu)

2.1 超前聯(lián)合研究
ecpe電力電子系統(tǒng)的超前研究是建立在長期科研路線圖的基礎(chǔ)上的，其重點放在汽車和工業(yè)電力電子系統(tǒng)上。
ecpe最初曾在歐洲電力電子界主要單位組成的國際工業(yè)財團內(nèi)聯(lián)合組織研究課題，并用自己的資源去推動高風險超前研究。
有ecpe伙伴企業(yè)資助的ecpe科研活動，現(xiàn)在集中在稱為“示范規(guī)劃”的規(guī)劃上。在這些活動中領(lǐng)先的歐洲實力中心都在開發(fā)和實現(xiàn)嶄新的極為雄心勃勃的電力電子系統(tǒng)或子系統(tǒng)。有ecpe伙伴企業(yè)組成的規(guī)劃協(xié)調(diào)委員會確定計劃課題的選擇。在第四節(jié)中可介紹幾個規(guī)劃的范例。
● 汽車混合牽引用系統(tǒng)集成驅(qū)動器；
● 工業(yè)驅(qū)動—系統(tǒng)集成；
● 超高功率密度電源。
除了忙于自己的工業(yè)聯(lián)合研究規(guī)劃外，ecpe也在積極準備由歐洲委員會資助的研究規(guī)劃，其思路是利用作為企業(yè)和學術(shù)合作者聯(lián)合提的ecpe組織去形成特殊的國際財團，并在全歐洲推動課題申請，可舉一個最近啟動的在第6框架規(guī)劃中的ec（譯者注：european commission的縮寫）計劃為例：“配合燃料電池的高密度電力電子技術(shù)和ice—混合電動車的動力鏈（hope）”。
2.2 教育和高級培訓
ecpe在教育和高級培訓方面的活動包括專家研究班，討論會以及為企業(yè)內(nèi)工程師們舉辦的在線課程。研究班和討論會的課題涵蓋：
● 電力電子封裝技術(shù)；
● 電力電子系統(tǒng)集成；
● 提高電力電子系統(tǒng)內(nèi)部可靠性的技術(shù)；
● 電動機驅(qū)動的高級功率變換思路；
● 電源；
● 可再生能源；
● sic(碳化硅)用戶座談會:sic在電力電子技術(shù)中的應用潛力;
● 高溫電子學和熱力管理。
ecpe的在線課程“電力電子學”是在以蘇黎世eth，電力電子系統(tǒng)實驗室j.w.kolar教授的名義取得執(zhí)照的條件下開發(fā)的。這門培訓課程由大約100個相互關(guān)聯(lián)且生動活潑的專題和電力電子的基礎(chǔ)理論講座組成。
2.3 電力電子行業(yè)的公關(guān)工作
公關(guān)工作是非常重要的：電力電子行業(yè)必須有一個強大的聲音去使群眾和政府認可電力電子是一個關(guān)鍵且基本的技術(shù)。

3 ecpe示范規(guī)劃

ecpe正在推出一個由工業(yè)研究基金支持的電力電子超前聯(lián)合研究，有三個涉及歐洲幾個領(lǐng)先實力中心的示范規(guī)劃已在2003/2004啟動，即：

●　汽車混合牽引用系統(tǒng)集成驅(qū)動器；

●　工業(yè)驅(qū)動—系統(tǒng)集成；

●　超高功率密度電源；

以下幾節(jié)闡述ecpe示范規(guī)劃的最初成果。

3.1 汽車混合牽引用系統(tǒng)集成驅(qū)動器

有汽車的動力鏈中電力電子逆變器與電機的集成自然成為汽車示范規(guī)劃的重點，其中內(nèi)燃機已有的冷卻回路也被用于電力電子的直接液冷。電動機和電力電子的機電一體化集成使得逆變器達到75kva/1(litre=升)的超高功率密度。冷卻媒質(zhì)高達115℃的高溫加上如此高的功率密度顯示出獨步當今的挑戰(zhàn)。

●　對在汽車動力鏈中應用的電力電子提出的要求是：

●　冷卻劑溫度高達115℃；

●　發(fā)動機室內(nèi)的環(huán)境溫度高達140℃；

●　大電流（數(shù)百安）；

●　在200v……450v區(qū)間的高電壓；

●　非常小的體積和裝配間隙空間;

●　高抗震耐力；

●　高耐用可靠性要求；

●　很低的成本指標；

必須要有一個優(yōu)化的熱力設(shè)計去應對這一熱力學的挑戰(zhàn)。全部熱敏元件、無源元件和半導體器件都要在熱力上接到同一個冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)應提供足夠的冷卻能力，盡管量它工作在高溫條件下。

在模塊這一級，熱力優(yōu)化設(shè)計必須為電力半導體器件的芯片溫度提供一種均勻的分布狀態(tài)。

圖4汽車展品：混合牽引用系統(tǒng)集成的驅(qū)動器

圖4 顯示把電動機點擊、電力電子和控制電路子集成在汽車聯(lián)軸箱中的一個展品。

3.2 工業(yè)驅(qū)動—系統(tǒng)集成

規(guī)劃內(nèi)容與目標

示范規(guī)劃“工業(yè)驅(qū)動—系統(tǒng)集成”的主要目標是要顯著地縮小一個為22kw工業(yè)驅(qū)動用異步電動機的變換器的大小，它比市場賣的產(chǎn)品小得多。為此，關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)集中在緊湊的設(shè)計、制造進程的可行性和成本等三方面。這項規(guī)劃是由ecpe組織中兩個實力中心承擔的：delft科技大學和阿亨（aachen）市的rwth。

ipem解決方案和三維無源集成

本示范規(guī)劃的主要重點是采用集成技術(shù)、達到上述小型化的目標。我們設(shè)想：本規(guī)劃的目標可遵循兩個思路來達到，即：集成化和高水平的熱力管理。元件的集成是獲得緊湊設(shè)計，減少構(gòu)件數(shù)目從而降低成本的手段。先進的冷卻技術(shù)對于保證如下要求是最重要的：在一既定的較小體積內(nèi)，所發(fā)熱量要有效地排出，以便所有元件都運行在他們許可的溫度范圍內(nèi)。我們提出一個混合集成的思路，按此思路逆變器將根據(jù)功率等級和熱密度劃分為三個次級電路。每一次級電路用合適的集成工藝制造出來。這些系統(tǒng)組件被稱為電力電子集成模塊（integrated power electronic modules,簡稱ipems）我們建議：整個變換器分解為以下幾個系統(tǒng)組件：

●　陶瓷襯底上的平面ipem：本ipem包含一片陶瓷襯底上有多個高熱密度電力半導體器件。

●　pcb（印刷電路板）內(nèi)的平面ipem：電子控制電路、輔助電源和門極驅(qū)動電路等部分都用pcb集成工藝制造在一塊印刷電路板上。

●　3d ipem（three dimensional integrated power electronic module,三維電力電子集成模塊）：本ipem包含變換器的較大無源元件，如低通濾波器和電磁兼容濾波器（emi）。與前述兩種ipem相比，前兩種采用當前最新工藝，而這個ipem需要全新的集成思路。

●　i型機殼（i—housing, integrated convert housing,集成變換器機殼）：次機殼是一鋁制外殼，內(nèi)罩3個ipem，外為強迫風冷。

熱力管理的思路是建立在包裝三個ipem的集成機殼的基礎(chǔ)上的。此機殼對于三個ipem來說起到集熱器和散熱器的作用。他表面的整個外形和剖面設(shè)計成使熱量散出的方式可保證三個ipem的各元件都運行在其應有的溫度下。

圖5

用于3dipem的集成工藝和設(shè)計思路

在傳統(tǒng)的驅(qū)動裝置中，像低通濾波器和電磁兼容（emi）濾波器的無源組件都是用分立元件組裝成的。這些元件一般都是粗大的并且不是為相互間在空間很好配合而設(shè)計，其結(jié)果則是變換器體積的大部分被無源元件和空氣隙占去。無源元件組裝體積及成本中的大部分被外殼、互聯(lián)部件等封裝零件所占據(jù)。如果采用裸的未封裝的元件并使其享有共同封裝部件（如共同外殼和熱力管理），則體積和成本都可得到降低。如果集成水平向更高級推進，則所用元件本身可以集成到一種境界，即一個元件可以執(zhí)行一個以上的功能。

3.3 具有超高功率密度的電源

有關(guān)電源的示范規(guī)劃著眼于開發(fā)一種超緊湊的獨立dc電源，具有三相pwm整流作前沿，可用于變速驅(qū)動，it系統(tǒng)和進程控制技術(shù)等方面。重焦點在于應用先進的電力半導體器件、集成技術(shù)和冷卻技術(shù)。除了大有改進的特性（效率、功率密度、大?。┲?，可靠性、emi標準和成本降低等也應考慮。

第一步是開發(fā)一臺500khz, 單位功率因素為1的、三相ac/dc變換器，其目標是在硬件上實現(xiàn)一臺功率密度為10kw/1的三相pwm整流功率電路。第二步的目標則是實現(xiàn)一臺功率密度為10 kw/1的獨立dc/dc變換器。

為達到高功率密度這個目標，將開發(fā)新的控制技術(shù)和電力電子技術(shù)。這些開發(fā)工作包括：應用具有sic二極管的功率模塊，一種創(chuàng)新的水冷設(shè)施，高速門極驅(qū)動器,和電流傳感器，一種低分布“零波紋”的emi濾波器，以及高速數(shù)字控制。這種10 kw/1的整流器已經(jīng)在實驗上實現(xiàn)了，它表現(xiàn)出卓越的特性并在很寬的運行輸出功率范圍內(nèi)達到了很低的thd（注：total harmonic debbbbation總諧波畸變）電流。

圖6

4 科研路線圖

ecpe已經(jīng)啟動一個全歐學術(shù)單位和企業(yè)部門的創(chuàng)議，即：聯(lián)合擬定電力電子科技路線圖。我們憧憬是希望這一長遠的科研路線圖（直到2020年）將成為由大學和研究中心指導的電力電子科研指南，為公眾研究規(guī)劃提供方向并幫助企業(yè)為面臨的技術(shù)進步做好準備。

精選的切入點集中在應用電力電子的關(guān)鍵技術(shù)及其系統(tǒng)的要求上。在專門組成的工作組織內(nèi)由企業(yè)和大學來的專家們正在制定相應應用領(lǐng)域內(nèi)的路線圖。這些界定的分全部包括：

●　電力網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)和配電；

●　大容量驅(qū)動（大型工業(yè)和牽引用驅(qū)動）；

●　高性能電動機驅(qū)動；

●　高頻電源；

●　高頻功率變換（1kw以下小容量應用）；

●　汽車電力電子；

●　未來（可再生）能源。

5 結(jié)論

有了ecpe，電力電子集團網(wǎng)絡將具備更高的能力去面對未來需要的強大趨勢。由學術(shù)單位和企業(yè)來的電力電子專5家組成的實力中心，可以專注于這些學科的科研主流上，其目標就是要強化歐洲的這門關(guān)鍵工業(yè)。

譯自:pcim europe 2006.keynote paper 3