電力電子發展的契機與挑戰

鄒 應 嶼 教 授

國立交通大學 電機與控制研究所

2004825


能源科技的發展將創造未來電力電子產業發展的契機!


註:本文初發表於200121日,之後陸續作了些增添修改。

任何電子設備都需要電源供應器,功率半導體元件與電力電子技術的進步,使得電源供應器這個看似傳統卻又必須整合新材料、新元件、新設計、與新製造技術的產品,再度成為產業發展的關鍵技術。

電力電子技術的應用,將從傳統的『用電』觀點,例如設計高功率密度的電源供應器,進一步朝向『發電』與『輸配電』的觀點發展。未來『電力』將與『資訊』一樣,不僅可藉著網路流通,也可以像商品一樣進行電能交易,綠色能源、太陽光發電、燃料電池、智慧型網路電錶、電動車輛、分散式發電系統、小型電能儲能系統、住宅發電… …等等未來應用,科技發展將逐步推動人類社會走向一個資訊與能源和諧整合的生活環境。

電力電子相關產品的應用無遠弗屆,其相關技術的發展也日新又新。隨著電子資訊科技的進步、資訊家電的發展、以及未來新能源的強大發展潛力,電力電子發展的新契機已隱然啟動……

電力電子應列為國家高科技發展的重要項目!

 

電力電子

電力電子(power electronics)主要是研究改善電能使用效率的電子工程技術,藉由整合功率半導體元件、微電子、與自動控制等技術於電源轉換、電能儲存、與電力傳輸以符合各種不同形式電源需求的應用。

    

電力電子是一種必須整合多項相關技術的綜效技術(synergy technology),其中主要的關鍵技術包括半導體功率元件、電路設計、控制技術、散熱、包裝、電磁干擾等等技術,此外,電力電子產品也必須符合電磁干擾與安全的檢驗法規,這些法規標準的演進,也間接帶動了電力電子技術的發展。電力電子術領域涵蓋廣泛且具有技術整合性特質,也是自動化、國防、航太、運輸、能源、與環保等工業發展的基礎技術。

電力電子是電機工程的一個分支,主要在於將電能作不同形式的轉換以供各種不同的應用。例如:太陽能轉換、感應加熱、燈光控制、交直流電源穩壓、電能與磁能轉換、馬達驅動、電銲、放電加工、電池儲能、功率因數修正,以及種種其他各式各樣的應用。

電力電子雖然已有相當的發展歷史,唯近年來由於電力半導體開關元件的快速發展,使得新式的功率開關元件如Power MOSFET、IGBT、MCT、與IPM等,可以高頻切換進行電能處理,使得電力電子產品更能達到「輕薄短小、高效能、高可靠度」的完美境界。另一方面,隨著微電子技術的發展與資訊產品的廣大市場需求,可攜式小型電源得到了快速的發展,也直接促進了新一波的電力電子發展。

電力電子是一些未來科技發展發展的基礎技術,如電動車、分散式發電系統,其重要性與日遽增。電力電子與微電子技術的整合將造成許多相關產業的革命,例如電動汽車、電動機車、磁浮火車、變頻器、伺服驅動器、智慧型 UPS、小型智慧能源處理系統、太陽能智慧屋、電池儲能系統、電子變壓器、高壓直流電力傳輸系統等等,這些未來產品均將與我們的日常生活息息相關,因此先進國家如美日等國均視為下一波科技競爭主要發展目標之一。

資訊網路+綠色能源=優質生活環境

隨著科技的發展,人類對生活品質要求也就愈高,其中主要的關鍵在於資訊與能源。

高科技的發展必須要解決日益嚴重的環保問題,環保問題的主要根源之一即是能源問題,而電力電子正是解決能源問題的關鍵技術。由於能源與資訊都是人類生活中不可或缺的,且其關鍵技術仍在快速發展中,因此能源與資訊產業都具有市場大、變化快、種類多的產品特質。

根據統計,1997年在全球的總能源消耗中,電能的使用率僅佔23%,其中使用有電源轉換器的僅佔16%,而該年度僅是半導體功率元件的全球營業額即達81億美金,其衍生產品的營業額高達30倍。電能使用的比率將隨著科技的發展而日益提高,由此可見,電力電子產業具有廣大的市場發展機會。

Fuel Cell Power

電力電子應用

電力電子核心雖然在於電能使用效率的改善,但其應用卻遠超過此一範疇,主要原因在於電能的應用必須與其應用對象緊密結合,也必須具備跨領域的知識與技術。以電能應用來歸類,可將電力電子分為下列幾個領域:

  • 電源供應(power supply):以供應各式電子電機設備的電源為對象,也是電力電子的核心產業,如交換式電源供應器、穩壓器、adaptor、不斷電系統(UPS)、自動電源穩壓器、充電器等等。

  • 馬達驅動(motor drive):以電動機驅動控制為對象,如伺服驅動器、變頻器、驅動器、主軸驅動器、各式幫浦、風扇、壓縮機、推進器、電動車輛馬達驅動器等等。

  • 顯示(display):以各式顯示裝置為主要對象,如TFT/LCD液晶顯示器、電漿顯示器、高亮度液晶投影機等等。

  • 照明(lighting):以各式照明裝置為主要對象,如電子安定器、調光器、高亮度LED照明、探照燈、雷射、氦離子燈、各式燈泡功率轉換器等等。

  • 放射線(radiation):以發射高頻放射線為主要應用,如雷射、X光顯像器、斷層掃瞄的高壓電源供應器等等。

  • 加熱(heating):以各式電子電磁加熱為主要對象,如電磁爐加熱、感應加熱器等等。

  • 電池充電(battery charging):以各式電池為主要對象,如電池充電器、快速充電器、電池儲能系統等等。

  • 音頻放大(audio amplifier):以各式喇叭為主要對象,如音響擴大機、廣播器、開關式音響擴大機等等。

  • 射頻放大(RF amplifier):以各式高頻電磁波放大為主要對象,如雷達磁控管、手機射頻大放大器、無線電發射器、雷射波束功率放大器等等。

  • 電源品質(power quality):以電源諧波抑制、電源品質改善為主要對象,如主動式功率因數調整器、電源諧波抑制器、雙向交直流轉換器等等。

  • 發電(power generation):以發電為主要應用,如太陽光變頻器(PV inverter)、燃料電池變頻器、風力發電機轉換器等等。

  • 電力傳輸(power transmission):以電力傳輸為主要對象,如電子變壓器、高壓直流傳輸系統等等。

電力電子與功率半導體元件:積體電源模組設計

功率半導體元件是電力電子發展的基礎!

電能處理必須藉由可靠與強韌的功率開關元件始能達成任務,因此功率半導體元件的發展也就扮演著電力電子產業火車頭的角色。

重要的功率半導體元件包括:

低導通電阻(10A, 10 mOhm) Power MOSFET

3200V, 3000A GTO

6000V, 2500A Light Triggered SCR

12000V, 400A BJT

400V, 20A and 50V, 100A Power MOSFET

600V, 400A and 1200V, 300A IGBT

SIT and SITH (Static Induction Transistor/Thyristor)

MCT (MOS Controlled Thyristor)

IGCT (Insulated Gate Controlled Thyristor)

IEGT (Injection Enhanced Gate Thyristor)

智慧型功率模組 (smart power module)
 

電力電子與數位類比控制IC:控制與驅動IC設計

電源控制IC是電源供應器的控制中樞!

電力電子產品需要各式各樣的控制晶片,例如PWM控制IC、電源管理IC、PFC控制IC、馬達控制IC、伺服控制IC、電池殘電偵測IC、電池充電控制IC、電子安定器控制IC、光源控制IC、功率晶體驅動IC、感測IC…等等,這些控制IC與功率IC構成一廣大的應用市場,隨著各式各樣電子產品的發展,其中不可或缺的電源供應器、能源轉換器,也隨著技術的更新,不斷的推陳出新,因此創造了廣大的商機,這樣的發展趨勢,從過去PC的發展,到目前的網路通訊,乃至於未來的資訊家電,將持續創造電力電子產業發展的榮景。

從我國產業發展環境的觀點來審視未來全球的發展趨勢,顯示器驅動IC、電池充電與控制IC、電源管理IC、無線通訊射頻功率IC、電源功率IC、電源控制IC、小型馬達控制驅動IC是我國電力電子與半導體產業結合發展未來最具發展潛力的領域!

結合數位IC、類比IC、與功率IC的整合性設計技術將具有未來單系統晶片設計的最大發展空間,這其中主要關鍵不僅在於掌握適當的IC設計技術,更重要的是要能夠建立系統化的設計能力,著重以技術服務為導向的整體方案系統化設計技術,這應是我們在培育高科技電力電子人才學程規劃的主軸,也是未來科技發展的挑戰。

重要的研究議題包括:

小型馬達無感測控制驅動IC

顯示器驅動IC

智慧型電池充電監控IC

可程式化數位電源控制IC 

電力電子與微處理器

微處理器是次微米大型積體電路設計與製造技術的極致表現,也是個人電腦、高階伺服器、筆記型電腦的核心。自1970年Intel生產了第一顆微處理器Intel 4004以來,微處理器的發展就遵循著摩爾定律(Moor's law),在微處理器的電晶體數目與時脈頻率均呈現等比級數的發展。

消耗在微處理器的功率與它的工作頻率成正比,也與它的工作電壓的平方成正比。因此隨著電晶體數目與時脈頻率的成長,消耗在微處理器的功率也隨之快速成長,這也是為什麼如此先進的微處理器卻要背覆著一個碩大的散熱片與風扇。

過去隨著高階微處理器的發展,其電源需求的條件也愈為嚴苛,其中特別嚴重的就是其瞬間電流需求,所需求的最大電流變化率(current slew rate)高達4000A/msec,因此必須縮短電源供應器與微處理器間的距離,遂產生的穩壓模組的需求。英特爾公司為了確保CPU的正常運作,也定義了主機板的電源規範,根據所生產的微處理器提出了穩壓模組(Voltage Regulation Module, VRM)的電源規範,以支援Pentium4(Prescott)3.2 GHz微處理器的穩壓模組為例(FMB 2.0),主機板最大供應電流(IccMax)為119安培,最大設計功率(TDP)為115W,CPU工作電壓為1.5V。

微處理器電源需求的發展趨勢

微處理器電源規格的發展趨勢

為了提供電源供應器的功率密度(power density),不僅需要從降低功率損失著手,也必須改善電源的包裝與散熱技術。新型半導體功率元件、平面磁性元件、超高容量電容、高容量可充電電池等商品化技術日趨成熟,高頻軟開關技術、電腦輔助設計技術、與高功率密度包裝技術將逐漸應用於新一代交換式電源供應器的設計,分散式電源供應器、模組式功率轉換器、與智慧型電源管理模組在新一代電腦與通訊設備的需求,將 引導未來交換式電源供應器朝向CAD整合設計的方向發展。 

電力電子與電腦通訊

21世紀將是一個以網路為基礎的資訊與通訊時代,人們的生活與企業的發展均將面臨劇烈的變革。個人電腦和伺服器是通訊網路必備的基本設施。21世紀的開關電源市場重點將在3C (Computer, Communication, and Consumer)領域。開關電源將朝向標準化、模組化與積體化的方向發展,並以積木式結構組成分散式電源系統(Distributed Power System)

PDA由於其可攜性,同時可藉由無線網路將所有的資訊予以整合,因此是將來最具有潛力的發展資訊產品。以PDA為控制平台的個人資訊系統將成為軟體的發展趨勢,以無線通訊為導向的射頻功率IC與電源IC將成為最具潛力的發展項目。

可攜式資訊設備的廣泛應用,將促成電源、電池、與SOC進一步的整合,引發高功率密度的智慧型電源技術的發展,低電壓低功率省電IC的發展將愈為重要。

隨著個人電腦、伺服器、與各種可攜式資訊與通訊設備的發展,新一代的高效率交換式電源供應器的競爭也愈為激烈。新型半導體功率元件、平面磁性元件、超高容量電容、高容量可充電電池等商品化技術日趨成熟,高頻軟開關技術、電腦輔助設計技術、與高功率密度包裝技術將逐漸應用於新一代交換式電源供應器的設計,分散式電源供應器、模組式功率轉換器、與智慧型電源管理模組在新一代電腦與通訊設備的需求,將 引導未來交換式電源供應器朝向CAD整合設計的方向發展。 

電力電子與消費性電子

電源的要求就是「輕薄短小、高效能、高可靠度」,更簡單的說就是『高功率密度與高可靠度』。近年來由於功率元件、封裝技術的進步,再加上CPU高速化的發展,都直接與間接的促成了積體功率模組(integrated power module, IPM)的發展,這其中尤其以dc-to-dc converter (D2D)的發展特別值得注意。D2D的發展將改變小型電源供應器的市場生態,一方面將形成標準型電源IC的發展,另一方面也可能促成新興公司的誕生。

隨著未來可攜式電子通訊與資訊產品的發展,高密度電源模組的設計將形成未來電力電子產業發展的重要契機,這其整合電力電子技術與半導體設計與製造技術就更為重要,特別是功率IC、類比IC、與數位IC的單系統晶片整合技術的發展。未來重要的研究領域包括:

低電壓(1.5V, 0.9V)電源模組的研製
低功率高密度DC-DC與AC-DC電源模組
高功率分散式架構的通訊電源系統
電源管理IC
智慧型電池充電與監控IC
智慧型UPS系統
數位式電源控制技術

結合高科技所發展的電子寵物,將成為廣受歡迎的智慧型寵物,其發展進一步促成家用智慧型機器人的發展。目前一隻電子狗當中具有20-30顆馬達,這些馬達需要整合性的控制以顯現多樣的學習與智慧功能,因此必須以簡單的網路介面予以連結,一方面簡化硬體的設計,二方面也可提供相同的軟體控制平台易於智慧控制軟體的發展。每一顆馬達都需要一顆控制與驅動IC以簡化電路,,因此每一顆馬達的使用,均將間接帶動半導體產業的發展,這其中特別是以功率半導體的power IC與control IC的發展。

電力電子與資訊家電

電冰箱、冷氣機、洗衣機可以說是現代家庭不可缺少的家電設備,由於網路技術的發展,未來這些家電設備將可輕易的藉由無線網路予以連結,這種連結一方面有助於使用者,另一方面也有助於設計者。經由PDA將可更容易的完成家庭自動化,因此,PDA與無線網路技術的發展將引發下一波智慧型資訊家電設備的發展,也將引發家庭自動化的發展契機。

電冰箱、冷氣機、洗衣機這些資訊家電設備發展的另一個重要契機是效率與性能的提升。根據統計美國能源部的研究,公元 1997年全世界能源消耗的55%來自馬達,未來由於電動車輛的發展,其比率仍將上升,因此馬達驅動效率的改進,成為全球環境保護的重要議題。

近年來,由於變頻技術的發展,變頻式馬達驅動已逐漸應用於這些傳統的家電設備,新一代的高效率資訊家電不僅環保也兼具整合控制介面,智慧型的家庭自動化環境正隨著資訊產業的發展在逐漸成熟。

重要的研究問題包括:

高效率壓縮機驅動技術

低噪音馬達控制技術

高功率密度模組化電源轉換器設計與製造技術

電力電子與光電照明

近年來由於顯示技術的發展,平面液晶顯示器(LCD)已成為電腦、數位電視、手機中必備的輸出裝置。液晶顯示器具有薄型化、輕量化、低耗電量、無輻射污染、且能與半導體製程技術相容等優點,順應著網際網路與資訊家電市場的興起,已成為平面顯示器市場的主流。 

液晶顯示器依據驅動方式的差異可分為兩類:被動式與主動式驅動。前者的液晶顯示器面板乃單純地由電極與液晶所構成,並在上下基板配置行列矩陣式的掃描電極和資料電極,直接運用與掃描訊號同步的方式,由外部電壓來驅動各畫素內的液晶,以達到對比顯示之作用。當畫面密度愈高時,掃描線數就愈多,則每一畫素所分配到的驅動時間愈短,因此造成顯示對比值的降低。 

為了改善此一現象,主動式驅動LCD利用主動矩陣的驅動方式,運用薄膜電晶體或金屬絕緣層金屬二極體的主動元件來達到每個畫素的開關動作。當輸入一掃描訊號,使主動元件為選擇狀態(開)時,所要顯示的訊號就會經由該主動元件傳送到畫素上。反之,若為非選擇狀態(關)時,顯示訊號被儲存保持在各畫素上,使得各畫素有記憶的動作,並隨時等待下一次的驅動。因此,這種模式即使是在高的占空比情況下,也可以得到良好的顯示畫質。 

LCD液晶顯示器的應用廣泛,其控制驅動IC必須結合數位、類比、功率IC的設計,不僅具有廣大的市場發展誘因,本身也是混和式IC設計的挑戰。以LCD TV所需的關鍵IC來看,主要包括位於前端負責轉換TV類比訊號的Video Decoder(視訊解碼器)、中端負責將電視訊號所用的交錯式掃描轉會為各種新興數位顯示裝置用逐行循序掃瞄的De-Interlacer(解交錯式掃描器),以及後端的Scaler(縮放控制器)。其他,當然還包括一些介面轉換、微控制單元,以及記憶體等分離式晶片。此外,基液晶(LCoS)顯示技術能實現更高的對比度和亮度,且畫素尺寸小,隨著配套光學元件和電路技術的成熟且成本進一步降低,LCoS顯示技術已經成為大螢幕HDTV最具發展的顯示技術之一。

重要的研究問題包括:

低電壓LCD控制驅動IC設計
白光LED驅動IC
LCos控制驅動IC設計

電力電子與自動化

電力電子是自動化、資訊家電、國防、航太、運輸、與環保等工業發展的基礎技術,而控制技術更在其中扮演著從基本元件到系統整的關鍵角色,因此,控制與電力電子整合技術的發展更成為發展高層次產品的關鍵技術。

近年來,由於IC製程技術的發展,使得高性能數位信號處理器(DSP) 、FPGA、晶片設計、混和式類比數位IC設計等技術快速發展。DSP由於其快速的計算能力,不僅廣泛應用於通訊與視訊信號處理,也逐漸應用各種高級的控制系統如引擎控制、振動控制、噪音控制、磁碟機控制、馬達控制、電源控制等等。 

以即時網路控制為核心的網路式伺服驅動與運動控制將成為產業自動化設備最重要的發展平台。

重要的研究問題包括:

即時網路馬達與運動控制通訊協定的推廣
即時網路通訊介面驅動程式的發展
多功能數位達驅動控制技術的發展
建立以無線網路通訊為監控平台的分散式馬達控制 
智慧型馬達自調控制技術
適應型無感測馬達控制技術
機電一體化的電控馬達設計與製造技術

電力電子與交通運輸

電動車、複合電動車(HEV)經過過去二十餘年來的發展,在技術方面已日趨成熟,其中商品化之困難仍在於價格與電池儲存容量無法與傳統車輛競爭。然而,由於國際環保要求的水準日益提高,人們對於都市車輛的的廢氣污染日益無法忍受,遂在環保的壓力下,各國已逐漸重視電動車輛的發展。

美國加州為了逐步推動電動車的發展,已立法於1998年起,在加州銷售之車輛必須至少1%是電動車輛。由於立法的保護,使得電動車輛的發展,將成為各國未來發展的趨勢。

新一代的交通載具將必須具備零污染、安全、良好的操控性、自動導航駕駛等特性,智慧型載將朝向節能環保綠化、驅動電力化、操控電子化、控制智慧化、資訊網路化等方向發展,因此必須發展未來智慧車的關鍵技術,這些技術包括高效率的馬達設計技術、智慧型積體化功率模組技術、高效率電力驅動與控制技術、以網路為基礎的整合控制技術、智慧型錯誤診斷技術、與智慧型自動駕駛控制技術等等。

以先進電池或燃料電池為能量來源,以高效率馬達為動力來源,以高效率電力轉換器為驅動控制單元,隨著未來先進電池的發展,以電力電子技術為核心的電動車驅動控制技術,將主導未來電動車發展的關鍵技術。

重要的研究問題包括:

輕便個人化行動工具的設計
燃料電池車輛驅動控制技術
高功率三相脈寬調變換流器的柔切技術
高效率快速充電技術
無感測高效率馬達驅動控制技術
智慧型電池充電與監測技術

電力電子與綠色能源

再生能源(renewable energy)係指可自行再生的能源,例如日光能、風能、潮汐能、地熱能、生物廢料能等等。將再生能源有效且經濟的轉換為一般民生供電,已成為先進科技國家兼顧環保與發電的重要產業發展政策。此外,根據全世界石油生產統計,石油產量將於十年內達到高峰,爾後產量將逐年降低,這不僅意味著油價(包括電價)將不再便宜,也可能導致真正石油危機的到來,間接引發全球經濟風暴。有鑑於再生能源對未來世界環保與經濟發展的重要性,各先進國家無不全力推動再生能源的發展計畫。

應用太陽能於再生能源發電系統,由於具有環保易於安裝等優點,再加上商品化技術的成熟與國家計畫性的輔助推動,已成為先進國家發展分散式電源系統的主要選擇。太陽能光伏變頻器 (photovoltaic inverter, PV-inverter)可直接將太陽能光電池所產生的電能饋入市電,如圖1所示,因此不僅可提供使用者的自用電源,也可提供公眾電源另一種型式的電力來源,形成一個分散式的發電系統。

由於光伏變頻器具有廣大的市場發展潛力,先進國家不僅政策性的發展太陽能科技,同時也藉由立法程序制訂法規來規範併聯電系統的產業安全標準。美國自1970年起,由能源部主導,成立國家再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory, NREL),開始有計畫的發展再生能源技術,以配合美國經濟與能源發展的需求,這其中包含了每期五年的『光伏計畫』(photovoltaics program)

美國能源部在1999年底,發表了『2000-2004光伏計畫』,此計畫對未來人類生活的影響將不亞於六0年代的阿波羅計畫。在這五年的『2000-2004光伏計畫』中,將著重於太陽光電池效率的改善、太陽光發電模組製造成本的降低、系統裝置可靠度的提升、安裝標準與安全法規的制訂與推動,以及加強產業界的參與及整合。為了降低成本以便推廣至一般家庭住戶,預計太陽光發電模組的製造成本在2004年,必須低於每瓦一美元的標準,效率必須高於97%,故障率必須低於1%

重要的研究問題包括:

高效率低價格光伏模組的發展
併網型太陽光變頻器的發展
住宅用小型併網型風力變頻器的發展
太陽能路燈的推廣與應用
高效率燃料電池的發展

 

電力電子與分散式發電系統

分散式發電系統(distributed power generation system)是指藉由小型區域性的電力發電系統所連結而成的公共發電系統,藉由諸如風力發電、太陽光發電、與天然氣發電等等方式,提供了有別於傳統中央集中式的發電系統。

分散式發電系統有許多優點,諸如更為可靠、符合環保要求、有利於電力經濟的發展等等,藉由分散式發電系統『電力』也可以像商品一樣藉由電路網路的傳輸自由交易。

隨著再生能源技術的發展,分散式發電系統將得到更大的發展空間,微電子控制技術、電力電子技將應用於電力網路發電與輸配電系統,形成一個智慧型分散式再生能源電力網路,未來將更進一步與資訊網路結合形成一個整合資訊與電力網路的未來生活環境,未來電能的網路化,將創造新一波的商業契機。

重要的研究問題包括:

併網型電力調節器(power conditioner)的發展
住宅用小型併網型風力變頻器的發展
太陽能路燈的推廣與應用
高效率燃料電池的發展

電力電子與國防武器

電力電子的主要應用即是電源與馬達驅動技術,這兩項技術在現代化的武器系統、航空載具、與能源節約均扮演著至為關鍵的角色, 以美國為例,其國防部與能源部長久以來均大力支持尖端電力電子領域的研究發展其道理在此。

在高科技武器中,如電力驅動、線控飛行、電力驅動自動尋標魚雷、高功率超高頻雷達磁控管、自動尋標射控系統、電磁干擾防制、高能量電磁波炸彈、高能集束電磁電子槍、高能雷射等等,凡此種種,其關鍵都在於高功率高效率高密度積體化電源轉換技術的發展,由此可見電力電子在高科技國防武器中所扮演的重要角色 。

未來高科技戰爭之決策關鍵在於資訊,勝負關鍵則在於電子武器,而電子武器的關鍵技術則在於高脈衝功率電力電子技術的發展。

重要的研究問題包括:

獨立型發電系統

高脈衝功率電力電子技術

高功率高密度無感測馬達驅動控制技術

高速魚雷無刷馬達驅動技術

高頻高電壓功率放大器設計技術

電磁屏障防護技術

高效能即時網路電源控制技術

電力電子是國家高科技發展重大優先項目!

展望:雖然我國電力電子領域雖然仍落後先進國家,但過去二十餘年來配合資訊產業的發展,電源產業已發展至相當的規模,例如台達電子、光寶電子已是全球資訊設備電源供應器製造的主要廠商,為未來發展奠定了良好的基礎,同時新一波高附加價值的高密度特殊電源需求正在快速興起,若能配合資訊家電與半導體產業的發展,將可趁勢帶起下一波電源產業的發展。

契機:目前正是我國整合半導體產業、3C產業、電力電子產業的大好機會,藉由低功率IC、電源模組、與3C產業特殊電源控制IC的發展,我國將有機會在以微電子、電力電子為核心的整合技術系統晶片設計領域開創先機,同時帶動電力電子的全面性發展。

困難與挑戰:目前主要的困難在於高級電力電子人才嚴重的不足。電力電子的核心人才有兩類,一類是以設計與製造功率半導體元件元件、控制與相關主動與被動功率元件為主,主要在於以功率半導體元件為主的元件與電路設計;另一類是以應用為主,主要是以可取得的功率半導體元件進行功率電路的分析與設計。前者,目前在國立大學幾無教授從事相關之研究,因此相關業者只有自行培養。後者,是目前國內電力電子人才的主要來源,但每年所培養的人才遠低於業界的需求。另一方面,國內主要電源產業的廠商,在人才尋覓不易,生產基地也已移至大陸的考量下,也逐漸在大陸設立研發中心。

電力電子的高級人才不易培養,因為一方面必須具備類比電路設計經驗與分析能力(在數位電路當紅下,更難扭轉此一發展),另一方面也必須具備以回授控制為基礎的系統設計觀念。此外,實務經驗更是不可或缺的。電力電子的人才培育也無法短期養成,產業界與學術界在人才培育方面,也缺乏良好的互動管道。總體而言,碩博士級專業人才的缺乏,是當前電力電子發展的最大瓶頸。

目前我國電力電子產業大多數的廠商所生產的成品,附加價值不高,營運利潤主要來自量產技術,因此多數廠商在研發方面,不僅難以負擔高額的研發成本,另一方面,也難以覓得優秀的人才。產業界由於營運上的壓力,多數只能顧及短期可預期之產品開發,對於長期較具挑戰性的研發項目則已無法顧及,而學術界的一些研究題目,或許與產業界的未來需求仍有相當的距離,因此難以形成良性互動。

   由上述之分析與產業發展說明,當可瞭解電力電子確實應考慮為國家重要的科技發展項目,觀察先進國家,如美國、日本、德國均致力發展新一代的電力電子技術,既使中國大陸也早於1995年即將電力電子列為優先發展之重要科研項目,反觀我國,雖然電子資訊產業已在全世界扮演關鍵角色,PC的電源供應器也早已是全球主要供應國,但在電力電子領域的技術水準仍落後先進國家,為了提昇我國電力電子產業在研究與發展的全球競爭力,應提出積極的發展策略:

  1. 規劃與執行具有前瞻性的重點研究項目

  2. 建立高科技產業形象,吸引優秀學生

  3. 配合國內資訊、光電、IC設計產業,發展相關之電源驅動IC與系統。

  4. 建立國家級『電力電子實驗室』

我國電力電子產業的發展,已面臨關鍵時刻,若無法由學界共同努力,促使政府統籌規劃鼓勵發展,則在高級人才的培育方面勢將面臨斷層,相對於彼岸的快速發展,實是我國電力電子領域發展的共同挑戰!

電力電子應用無遠弗屆


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Last update: 2004/10/10