电气科学与工程学科的回顾与展望

1、v哈尔滨工业大学电气工程及自动化学哈尔滨工业大学电气工程及自动化学 院院 电之重要性电之重要性 u电是人类文明的基础物质条件之一电是人类文明的基础物质条件之一 u“电气化电气化”引发了第二次产业革命引发了第二次产业革命 u“电气化电气化”被美国工程院评为被美国工程院评为20世纪世纪20项最伟项最伟 大的工程技术成就之首大的工程技术成就之首 u“电气化电气化”被中国工程院评为被中国工程院评为20世纪我国世纪我国25项项 重大工程技术成就之六重大工程技术成就之六 u电气科学与工程学科与国民经济中具有特别重电气科学与工程学科与国民经济中具有特别重 要战略地位的要战略地位的能源能源领域息息相关领域息息

2、相关 电气科学与工程学科的战略地位和特点电气科学与工程学科的战略地位和特点 电是能量转换的枢纽和信息的载体电是能量转换的枢纽和信息的载体 电是一种最便于传输、分配和控制，最易于实现与其他能电是一种最便于传输、分配和控制，最易于实现与其他能 量相互转换，最便于进行能量时空分布变换（量相互转换，最便于进行能量时空分布变换（时间分布时间分布： 恒定、交变、脉冲；恒定、交变、脉冲；空间分布空间分布：集中、分散）的一种能量。：集中、分散）的一种能量。 历史悠久而活力日增历史悠久而活力日增由雷观察到电由雷观察到电电和磁相互依存相电和磁相互依存相 互作用互作用19世纪麦克斯韦尔方程组世纪麦克斯韦尔方程组 交

3、叉面广、渗透性强交叉面广、渗透性强电子、信息、计算机、激光、自动电子、信息、计算机、激光、自动 控制等控制等电磁与物质相互作用电磁与物质相互作用 研究对象涉及的时空跨度大研究对象涉及的时空跨度大微观、介观、宏观；皮秒、微观、介观、宏观；皮秒、 纳秒纳秒 国家中长期科学和技术规划纲要国家中长期科学和技术规划纲要引领未来前沿技术引领未来前沿技术 先进能源技术先进能源技术 u电气工程学科是培养有关电能的生产直至使用的电气工程学科是培养有关电能的生产直至使用的 全过程中，各种电气设备和系统的设计、制造、全过程中，各种电气设备和系统的设计、制造、 运行、测量和控制等方面的高层次科学研究及工运行、测量和控

4、制等方面的高层次科学研究及工 程技术专门人才和高等学校师资的学科；程技术专门人才和高等学校师资的学科； u它们共同的学科基础是电工学它们共同的学科基础是电工学研究电磁现象、研究电磁现象、 规律及应用的科学。规律及应用的科学。 v发电发电v输电输电 v测量与控制测量与控制 v用户用户v配电配电 v电气工程学科的性质与作用电气工程学科的性质与作用 v电气工程一级学科简介电气工程一级学科简介 v v电气工程电气工程 v电力电电力电 子与子与 v电力传电力传 动动 v电力系电力系 统及其统及其 v自动化自动化 v电电 机与机与 v电电 器器 v高电压高电压 v与与 v绝缘技绝缘技 术术 v电工理电工理

5、 论与新技论与新技 术术 v电电 机机 v电电 器器 v理理 论论 电电 工工 v超超 导技导技 术与术与 磁流磁流 体发体发 电电 电力系统及其自动化电力系统及其自动化 v电力系统及其自动电力系统及其自动 化化 v电力系统电力系统 及其自动化及其自动化 v铁道牵引电气铁道牵引电气 化与自动化化与自动化 v（部分）（部分） v船舶与海洋工船舶与海洋工 程特辅装置与系程特辅装置与系 统（部分）统（部分） v交通运输工程学科交通运输工程学科 v海洋工程学科海洋工程学科 电力电子与电力传动电力电子与电力传动 v 电力电子与电力传电力电子与电力传 动动 v电力电子电力电子 v技术技术 v电力传动及其电

6、力传动及其 v自动化自动化 v（部分）（部分） v电磁测量技术电磁测量技术 v及仪器及仪器 v（部分）（部分） v控制科学与工程学科控制科学与工程学科 v仪器科学与技术学科仪器科学与技术学科 高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术 v高电压与绝缘技术高电压与绝缘技术 v高电压高电压 v技术技术 v电工材料及绝缘技术电工材料及绝缘技术 v（部分）（部分） v材料科学与工程学材料科学与工程学 科科 v电气工程学科的相关学科电气工程学科的相关学科 u 电子科学与技术电子科学与技术 u 计算机科学与技术计算机科学与技术 u 控制科学与工程控制科学与工程 u 信息与通信工程信息与通信工程 u 材料科学与工程材

7、料科学与工程 * 机械工程机械工程 * 仪器科学与技术仪器科学与技术 * 动力工程与工程热物理动力工程与工程热物理 * 交通运输工程交通运输工程 * 农业工程农业工程 * 环境科学与工程环境科学与工程 * 生物医学工程生物医学工程 电气科学与工程学科的内涵与分支电气科学与工程学科的内涵与分支 电能科学领域发展动力示意图电能科学领域发展动力示意图 电磁场与物质相互作用科学领域发展动力示意图电磁场与物质相互作用科学领域发展动力示意图 电能产生与利用环节示意图电能产生与利用环节示意图 v太阳能太阳能 v水力发水力发 电电 v生物发生物发 电电 v化石类能化石类能 源源 v潮汐发电潮汐发电 v地热地热

8、 v核核 能能 v风力发电风力发电 v v电动车、混合电动车、混合 v动力车、燃料动力车、燃料 v电池电池 车车 v航天：火箭、航天：火箭、 v航天飞机、小航天飞机、小 v卫星卫星 v军用军用: : 飞机、飞机、 v舰艇、坦克，舰艇、坦克， v导弹导弹 v备用电源备用电源UPSUPS v民用电器：笔民用电器：笔 v记本电脑、手记本电脑、手 v机、数码相机机、数码相机 v通信设通信设 备备 v海洋温差发电海洋温差发电 v氢能燃料电池氢能燃料电池 v电能存电能存 v储设备储设备 v：各种：各种 v电池、电池、 v超级电超级电 v容、机容、机 v械飞轮械飞轮 v等等 v电站、电站、 v大容量大容量

9、v电能存电能存 v储设备储设备 v电能存储设备的电能存储设备的 v监控与管理技监控与管理技 术术 最近二百年气候变化的事实与预估最近二百年气候变化的事实与预估 Facts ; 离散时域仿真模型及广义状态平均模型。离散时域仿真模型及广义状态平均模型。 电力电子与电力传动学术活动电力电子与电力传动学术活动 pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC94) , Beijing pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC97

10、) , Hangzhou pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC2000) , Beijing pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC2004) , Xian p国内各个国家学会也经常举行全国性的电力电子、电气国内各个国家学会也经常举行全国性的电力电子、电气 传动和电子电源技术的学术研讨会；传动和电子电源技术的学术研讨会； p相关期刊的发行促进了国内学术交流，在活跃学术研究相关期刊的发行促进了国内学术交流，在

11、活跃学术研究 气氛、推广应用研究成果方面起到了积极作用。气氛、推广应用研究成果方面起到了积极作用。 国家重大关键技术对电力电子技术的支持国家重大关键技术对电力电子技术的支持 C IGBTIGBT产业化技术及其应用；产业化技术及其应用； C 高频开关电源系列；高频开关电源系列； C 风力发电技术；风力发电技术； C 高温地热发电技术；高温地热发电技术； C FACTSFACTS的关键技术与设备；的关键技术与设备； C 高压直流输电技术及设备；高压直流输电技术及设备； C 电网控制关键技术；电网控制关键技术； C 铁路提速关键技术；铁路提速关键技术； C 高效节能电炉与装备技术；高效节能电炉与装备

12、技术； C 节能最佳化大型选矿技术装备；节能最佳化大型选矿技术装备； C 建筑节能技术及产品；建筑节能技术及产品； C 家用电器节能技术及船用设备关键技术。家用电器节能技术及船用设备关键技术。 掌握这些重大关键技术是掌握这些重大关键技术是20102010年前我国电力电子技术年前我国电力电子技术 的的 发展远景目标。发展远景目标。 国际电力电子技术的发展和进步国际电力电子技术的发展和进步 电力电子器件的发展过程，经历了不控和半控器件、电力电子器件的发展过程，经历了不控和半控器件、 电流全控器件、电压全控器件和功率集成电路电流全控器件、电压全控器件和功率集成电路 (Power IC)(Power

13、IC)等若干阶段；等若干阶段； 8080年代末期，不少国际电力电子专家认为：电力电年代末期，不少国际电力电子专家认为：电力电 子器件的发展方向是高频化，大功率化和易于驱动子器件的发展方向是高频化，大功率化和易于驱动 ( (使用使用) )； 到到20002000年，各种电力电子器件的使用频率将提高一年，各种电力电子器件的使用频率将提高一 个数量级，例如：功率个数量级，例如：功率MOSFETMOSFET的频率的频率( (以以kHzkHz计，下计，下 同同) )从从10102 2提高到提高到10103 3，IGBTIGBT则从则从l0l0提高到提高到100100； 器件功率也将有所提高，例如：器件功

14、率也将有所提高，例如：IGBTIGBT的功率的功率( (以以MVAMVA 计，下同计，下同) )从从0.10.1提高到提高到1 1，GTOGTO则从则从1010以下提高到以下提高到l0l0。 国际电力电子技术的发展和进步国际电力电子技术的发展和进步 10年前国际电力电子界专家们预测：年前国际电力电子界专家们预测：90年代电年代电 力电子装置的发展方向是小型轻量化，高精度力电子装置的发展方向是小型轻量化，高精度 快速响应，并进一步系统化；快速响应，并进一步系统化； 2000年，以下几方面已由计划变为现实；年，以下几方面已由计划变为现实； 新型电力补偿器；新型电力补偿器； 无直流环节的变频器；无直

15、流环节的变频器； 应用自关断器件的高压直流输电装置；应用自关断器件的高压直流输电装置； 磁悬浮运载工具；磁悬浮运载工具； 超导磁铁储能；超导磁铁储能； 卡片式开关电源；卡片式开关电源； 高频链高频链UPSUPS； 自动驾驶的电动汽车。自动驾驶的电动汽车。 电力电子技术与知识经济电力电子技术与知识经济 人们认为人们认为2121世纪的经济将发生巨大变革，富有生命力的、世纪的经济将发生巨大变革，富有生命力的、 新型的新型的“知识经济知识经济”促进和改造传统的工业经济，对世界促进和改造传统的工业经济，对世界 经济的发展将有很大推动力；经济的发展将有很大推动力； 知识经济知识经济(Knowledge b

16、ased economy)(Knowledge based economy)的主要特征表现为：的主要特征表现为： 高新技术推动产业结构的调整和信息技术的广泛应用；高新技术推动产业结构的调整和信息技术的广泛应用； 电力电子技术与微电子技术的结合已成为当今技术发展的电力电子技术与微电子技术的结合已成为当今技术发展的 主流；主流； 物质生产可归结为把能源流作用到物料流，得到所需要的物质生产可归结为把能源流作用到物料流，得到所需要的 形状、尺寸或性质；形状、尺寸或性质； 现代化的物质生产，将是信息流、能源流同物料流的汇合，现代化的物质生产，将是信息流、能源流同物料流的汇合， 电力电子位于这三流汇合处，

17、具体体现为电力电子位于这三流汇合处，具体体现为“信息控制、电信息控制、电 网供电和生产机械网供电和生产机械”的接口；的接口； 电力电子技术与知识经济电力电子技术与知识经济 这些数据表明，我们应当从全球经济竞争来考这些数据表明，我们应当从全球经济竞争来考 虑一个国家的电力电子技术的发展；虑一个国家的电力电子技术的发展； 3030多年前人们认为，电力电子学是从电气工程多年前人们认为，电力电子学是从电气工程 (EE)(EE)中中3 3大学科领域大学科领域( (电力、控制、电子电力、控制、电子) )发展起发展起 来的一门新型边缘学科；来的一门新型边缘学科； 随着时间的推移和科学技术的进步，人们已意随着

18、时间的推移和科学技术的进步，人们已意 识到，仅仅识到，仅仅3 3个学科领域已不能概括作为高新边个学科领域已不能概括作为高新边 缘学科缘学科电力电子学的全部相邻学科；电力电子学的全部相邻学科； 新型电力电子器件的制造已广泛应用新型电力电子器件的制造已广泛应用VLSIVLSI； 通过电力电子器件和系统的集中监控可以实现通过电力电子器件和系统的集中监控可以实现 “弱电弱电”控制控制“强电强电”； 电力电子技术与知识经济电力电子技术与知识经济 电力电子是一种知识密集型、以高新科技知识为基础的电力电子是一种知识密集型、以高新科技知识为基础的 技术，如果缺乏对电力电子国际科技前沿动态的了解，技术，如果缺乏

19、对电力电子国际科技前沿动态的了解， 将使国家失去国际市场的竞争力，失去知识经济带来的将使国家失去国际市场的竞争力，失去知识经济带来的 新机遇；新机遇； 据据19981998年日本电气学会专家预测，到年日本电气学会专家预测，到19991999年电力电子器年电力电子器 件的世界市场为件的世界市场为9595亿美元，比亿美元，比19951995年增加年增加2121亿美元，平亿美元，平 均年增长均年增长1515； Microtech1996Microtech1996年估计，电力电子设备的世界市场为年估计，电力电子设备的世界市场为300300 亿美元。能源电子产品亿美元。能源电子产品( (包括电力电子装置

20、、电容器和电包括电力电子装置、电容器和电 池池) )的日本市场规模约为的日本市场规模约为200200亿美元；亿美元； 据美国据美国VirginiaVirginia电力电子中心电力电子中心(VPEC)(VPEC)报道，电力电子市报道，电力电子市 场有场有300300亿美元直接产品销售，并支持亿美元直接产品销售，并支持57005700亿美元电子工亿美元电子工 业；业； 电力电子技术与知识经济电力电子技术与知识经济 与现代电力电子学相关的学科更加广泛与现代电力电子学相关的学科更加广泛, , 包括：基础理包括：基础理 论论( (固体物理、电磁学、电路理论固体物理、电磁学、电路理论) )、专业理论、专业

21、理论( (电力系统、电力系统、 电子学、系统与控制、电机学及电传动、通信理论、信电子学、系统与控制、电机学及电传动、通信理论、信 号处理、微电子技术号处理、微电子技术) ) 以及专门技术以及专门技术( (电磁测量、计算机电磁测量、计算机 仿真、仿真、CAD)CAD)等，覆盖了材料、器件、电路与控制、磁学、等，覆盖了材料、器件、电路与控制、磁学、 热设计、封装、热设计、封装、CADCAD集成、制造、电力及电工应用等；集成、制造、电力及电工应用等； 知识经济时代，迫切需要跨学科、应用多种专业技术进知识经济时代，迫切需要跨学科、应用多种专业技术进 行联合研究，才能推动电力电子学科的发展；行联合研究，

22、才能推动电力电子学科的发展； 多学科合作研究的学术领域包括：节能技术，可再生能多学科合作研究的学术领域包括：节能技术，可再生能 源和新能源源和新能源( (风力发电、太阳能电池、燃料电池等风力发电、太阳能电池、燃料电池等) )的开的开 发利用，高质量的可靠能源研究，大气环境保护，新材发利用，高质量的可靠能源研究，大气环境保护，新材 料与新器件的开发与应用，微电子技术等；料与新器件的开发与应用，微电子技术等； 电力电子技术与知识经济电力电子技术与知识经济 跨学科联合研究的另一个例子是：国际著名电跨学科联合研究的另一个例子是：国际著名电 力电子界资深专家原田耕介，根据力电子界资深专家原田耕介，根据9

23、090年代能源年代能源 系统发展对电力电子技术的要求，将电力电子系统发展对电力电子技术的要求，将电力电子 学扩展为能源电子学，并在日本熊本工业大学学扩展为能源电子学，并在日本熊本工业大学 创立了国际独一无二的能源电子研究所；创立了国际独一无二的能源电子研究所； 面对新的世纪，我国若要加速从工业经济转变面对新的世纪，我国若要加速从工业经济转变 为知识经济，大力发展电力电子学，开展跨学为知识经济，大力发展电力电子学，开展跨学 科联合研究是非常重要的。科联合研究是非常重要的。 电力电子基本理论的新发展电力电子基本理论的新发展 电力电子的新进展给传统的电工学科注入了新电力电子的新进展给传统的电工学科注

24、入了新 的活力。的活力。 电力电子新技术将渗透到传统电工学科的许多电力电子新技术将渗透到传统电工学科的许多 分支，对传统电工理论提出许多新的挑战；分支，对传统电工理论提出许多新的挑战； 强电强电弱电融合的时代已经到来；弱电融合的时代已经到来； 电工理论正在并将进一步活跃起来，主要表现电工理论正在并将进一步活跃起来，主要表现 在以下几方面；在以下几方面； 电力电子器件是以开关方式运行的非线性元件，电力电子器件是以开关方式运行的非线性元件， 传统的集中参数、线性电路理论远远满足不了传统的集中参数、线性电路理论远远满足不了 分析电力电子线路行为的需要。电力电子学的分析电力电子线路行为的需要。电力电子

25、学的 发展迫切要求建立非线性电路理论，并解决分发展迫切要求建立非线性电路理论，并解决分 布参数问题。布参数问题。 电力电子基本理论的新发展电力电子基本理论的新发展 电力电子产品多数都是谐波源，给电网和电机带来大电力电子产品多数都是谐波源，给电网和电机带来大 量严重的谐波问题，除产生大家熟知的相移无功之外，量严重的谐波问题，除产生大家熟知的相移无功之外， 又大量增添了畸变无功。另一方面，电力电子同微电又大量增添了畸变无功。另一方面，电力电子同微电 子相结合又提供了有源子相结合又提供了有源( (无功无功) )补偿和有源补偿和有源( (谐波谐波) )滤波滤波 的新技术手段，成为治理电网污染、改善电力

26、品质的的新技术手段，成为治理电网污染、改善电力品质的 得力措施。得力措施。 过去电工理论中过去电工理论中“场路分家场路分家”研究是普遍的，电力电子研究是普遍的，电力电子 技术向高频、大功率方向的发展，分布参数问题日显技术向高频、大功率方向的发展，分布参数问题日显 重要，这给重要，这给“场路结合场路结合”的新理论提出了许多新课题。的新理论提出了许多新课题。 例如，工作频率在例如，工作频率在20kHz20kHz时，电力电子装置中的全部引时，电力电子装置中的全部引 线寄生电感应小于线寄生电感应小于30nH30nH，否则将对装置或电机带来很，否则将对装置或电机带来很 强的电应力，危及它们的工作寿命。而

27、任何直圆导线强的电应力，危及它们的工作寿命。而任何直圆导线 的电感约为的电感约为7 75nH/dm5nH/dm，由此提出了功率无感母线的新，由此提出了功率无感母线的新 概念与新产品，在此基础上才能对这种高频化大功率概念与新产品，在此基础上才能对这种高频化大功率 变换装置进行优化设计。变换装置进行优化设计。 电力电子基本理论的新发展电力电子基本理论的新发展 交流电机调速系统是一个多变量、非线性、强耦交流电机调速系统是一个多变量、非线性、强耦 合的机电系统，为了对它进行分析和设计，需要合的机电系统，为了对它进行分析和设计，需要 进一步应用和发展已有的非线性控制理论。进一步应用和发展已有的非线性控制

28、理论。 电力电子开关电路中常常发生重复性的瞬态过程，电力电子开关电路中常常发生重复性的瞬态过程， 它不同于常规电路中的过渡过程分析，需要做精它不同于常规电路中的过渡过程分析，需要做精 细的计算分析，并借助计算机仿真和最优设计方细的计算分析，并借助计算机仿真和最优设计方 法。法。 未来，节能效果更好、使用更方便的变频线路拓未来，节能效果更好、使用更方便的变频线路拓 扑，可能是无直流环节交扑，可能是无直流环节交交矩阵式变频器，它交矩阵式变频器，它 有可能在很大程度上替代现在普遍采用的交有可能在很大程度上替代现在普遍采用的交 直直交变频系统。这里也会提出许多新问题。交变频系统。这里也会提出许多新问题

29、。 电力电子基本理论的新发展电力电子基本理论的新发展 电工学科传统的研究内容是直流电以及工频、三相、正电工学科传统的研究内容是直流电以及工频、三相、正 弦波交流电，主要是电流、电压的变化规律，对频率、弦波交流电，主要是电流、电压的变化规律，对频率、 相位、相数、波形等参数的研究常常是不充分的。目前相位、相数、波形等参数的研究常常是不充分的。目前 电工理论和实践多集中在单相和三相系统，现代电力电电工理论和实践多集中在单相和三相系统，现代电力电 子技术的崛起，将对电能的上述几大参数进行综合调控。子技术的崛起，将对电能的上述几大参数进行综合调控。 特别使超过三相的多相电机、多相变换系统的实现成为特别

30、使超过三相的多相电机、多相变换系统的实现成为 可能，相应的工作原理、设计理论及其带来的效益将引可能，相应的工作原理、设计理论及其带来的效益将引 起广泛的兴趣和注意。起广泛的兴趣和注意。 电力电子新技术还在呼唤一系列新的电工材料的出现，电力电子新技术还在呼唤一系列新的电工材料的出现， 诸如制作新器件的新型半导体材料诸如制作新器件的新型半导体材料 ( (如碳化硅等宽禁带如碳化硅等宽禁带 半导体材料半导体材料) )；高；高“磁能积磁能积”的永磁材料的永磁材料( (如钕铁硼如钕铁硼) )和和 低磁损耗、可以工作到几十千赫的非晶态与超微晶磁材低磁损耗、可以工作到几十千赫的非晶态与超微晶磁材 料；氮化铝、

31、金刚石等具有高导热、高绝缘性能的材料。料；氮化铝、金刚石等具有高导热、高绝缘性能的材料。 电力电子基本理论的新发展电力电子基本理论的新发展 在大量涉及非正弦量的条件下，一大批原来只适在大量涉及非正弦量的条件下，一大批原来只适 合测量正弦量的电工测试仪表需要更新换代。合测量正弦量的电工测试仪表需要更新换代。 电力电子控制的应用使电机设计制造发生了根本电力电子控制的应用使电机设计制造发生了根本 的变化，电机与电力电子电路紧密相关的新型集的变化，电机与电力电子电路紧密相关的新型集 成化、电子化、智能电机正在登上历史舞台，这成化、电子化、智能电机正在登上历史舞台，这 也提出了智能电机从原理、设计到应用

32、的众多课也提出了智能电机从原理、设计到应用的众多课 题。题。 电力电子与绿色能源电力电子与绿色能源 电力电子技术是高效节能技术，广泛应用可以电力电子技术是高效节能技术，广泛应用可以 减少社会对发电增长的需求；减少社会对发电增长的需求； 发展电动车逐步代替汽车，是电力电子的重大发展电动车逐步代替汽车，是电力电子的重大 课题之一；课题之一； 火力发电火力发电(燃煤或燃油和汽车尾气是造成大气环燃煤或燃油和汽车尾气是造成大气环 境破坏的两大重要污染源）；境破坏的两大重要污染源）； 大力发展和应用电力电子节能技术，对大气环大力发展和应用电力电子节能技术，对大气环 境保护有积极作用；境保护有积极作用； 作

33、为绿色技术的电力电子还涉及到电网环境保作为绿色技术的电力电子还涉及到电网环境保 护和电磁环境保护等问题。护和电磁环境保护等问题。 用电节能用电节能 我国发电总量的我国发电总量的63左右是通过电动机消耗的，左右是通过电动机消耗的，1012消消 耗在照明上；耗在照明上； 电动机调速节能和照明节能是国家经贸委、国家计委、国家科技电动机调速节能和照明节能是国家经贸委、国家计委、国家科技 部提出的两大节能重点；部提出的两大节能重点； 据统计，火力发电厂效率每提高据统计，火力发电厂效率每提高1，或者说，每节电，或者说，每节电1，都，都 可减少可减少25的二氧化碳排放量；我国若大面积开展用电力电的二氧化碳排

34、放量；我国若大面积开展用电力电 子技术节能，其效果可相当于三峡电站的年发电量子技术节能，其效果可相当于三峡电站的年发电量(840亿亿kWh)； 美国环境保护署美国环境保护署(EPA)1991年提出一项年提出一项“绿色照明绿色照明(Green Light)” 计划，目的是使美国照明用电量计划，目的是使美国照明用电量(占全美总发电量占全美总发电量2030)节节 约一半，达到这一目标后，可降低二氧化碳排放量，相当于约一半，达到这一目标后，可降低二氧化碳排放量，相当于 4300万辆燃油汽车排出的废气总量，从而大大减少对空气的污万辆燃油汽车排出的废气总量，从而大大减少对空气的污 染；染； 美国美国199

35、2年通过法案，要求到年通过法案，要求到2000年和年和2005年，照明能耗分别年，照明能耗分别 减少减少20和和30。绿色照明计划的内容，除改革灯具。绿色照明计划的内容，除改革灯具(如用高压如用高压 钠灯，高频稀土节能荧光灯等钠灯，高频稀土节能荧光灯等)外，主要是推广高频逆变器式电外，主要是推广高频逆变器式电 子镇流器子镇流器(约约3000万台年万台年)。 绿色汽车绿色汽车 受到世人瞩目的电动汽车受到世人瞩目的电动汽车EV(Electrical Vehicle)的推广应的推广应 用，也是改善大气环境的重要措施，其中充电装置、电动用，也是改善大气环境的重要措施，其中充电装置、电动 机传动以及电子

36、控制电路的电源和开关等均大量使用电力机传动以及电子控制电路的电源和开关等均大量使用电力 电子技术；电子技术； 1997年年10月日本丰田公司研制成混合电动汽车月日本丰田公司研制成混合电动汽车(Hybrid EV)，废气排放减少，废气排放减少90，节能，节能50； 美国美国PNGV已提出研制绿色汽车的已提出研制绿色汽车的“新一代新一代EV计划计划”，加州，加州 要求无公害要求无公害(零排放零排放)汽车汽车ZEV所占比例逐年增加：所占比例逐年增加： 1998年年 为为2，2001年为年为5，2003年为年为10； 德国希望在德国希望在2000年前开始生产节省燃料的高效率年前开始生产节省燃料的高效率

37、EV，以中，以中 型车型车(Middle Size)例如雪佛莱为目标，这种车的平均电负例如雪佛莱为目标，这种车的平均电负 荷约荷约850W辆；辆； 我国已将我国已将EV的发展列入的发展列入“十五十五”和和“十一五十一五” 863计划重大专计划重大专 项，计划建成经济实用型项，计划建成经济实用型EV的生产基地和的生产基地和23个个EV运行运行 示范区，并研制出几种新型示范区，并研制出几种新型EV,赶上国际先进水平。赶上国际先进水平。 开发新能源开发新能源无污染绿色能无污染绿色能 源源 u绿色能源包括风能、太阳能、潮汐能、地热能等，利用这类能源发电，绿色能源包括风能、太阳能、潮汐能、地热能等，利用

38、这类能源发电， 可减少国家总发电量中火电的比重；可减少国家总发电量中火电的比重； u可再生可再生(renewable)的能源以及燃料电池，受到世界各国重视的原因的能源以及燃料电池，受到世界各国重视的原因 主要是：全球气候变化和石油资源紧缺，不能满足需求；主要是：全球气候变化和石油资源紧缺，不能满足需求； u全球风力发电全球风力发电(wind power)19951997年年3年的年增长率依次为年的年增长率依次为35 、24和和22，是发展速度最快的一种再生能源，到，是发展速度最快的一种再生能源，到1997年底，年底， 全世界风力发电装机容量全世界风力发电装机容量7669MW，1998年全球风力

39、发电容量又增年全球风力发电容量又增 加了加了1400MW； u90年代全世界光伏电池年代全世界光伏电池PV(Photo Voltaic cell)模块产量年增长模块产量年增长20 (1990年产量为年产量为30MW，到，到1997年产量增长为年产量增长为100MW, 其中美国占其中美国占40 )，全世界，全世界PV发电总容量发电总容量1997年为年为600MW，1998年估计可能达到年估计可能达到 750MW； u德国德国PV模块产量将达到模块产量将达到50MW/年；年； u日本联合太阳能公司日本联合太阳能公司PV模块模块1998年产量为年产量为5MW，计划达到，计划达到25MW/年；年； u

40、英国壳牌石油公司为开发英国壳牌石油公司为开发PV模块，以获取太阳能，投资模块，以获取太阳能，投资5亿美元亿美元/年，年， 计划计划50年内达到下述目标：石油和再生能源产量各占年内达到下述目标：石油和再生能源产量各占50(1EEE Spectrum，1999 Jan)； u要使这些新能源产生的电能实用化，离不开各种电力电子设备要使这些新能源产生的电能实用化，离不开各种电力电子设备逆变逆变 器、充电器、起动器、稳压器等。器、充电器、起动器、稳压器等。 储储 能能 电网的交流电是无法储存的；电网的交流电是无法储存的； 昼夜用电量不同，如果把夜间的发电能力用足，储存到次日白天来用，全社会昼夜用电量不同

41、，如果把夜间的发电能力用足，储存到次日白天来用，全社会 可少建可少建30304040的电厂，这是极大的节约；的电厂，这是极大的节约； 目前主要储能方式是建立抽水蓄能电站，水电厂白天发电，晚上发电机作为电目前主要储能方式是建立抽水蓄能电站，水电厂白天发电，晚上发电机作为电 动机把水抽回水库，以供次日白天再发电，但总体效率是不高的；动机把水抽回水库，以供次日白天再发电，但总体效率是不高的； 在电厂地下室设置大电容器与多台蓄电池来储备夜晚多发的电能，这些尝试都在电厂地下室设置大电容器与多台蓄电池来储备夜晚多发的电能，这些尝试都 在实践之中；在实践之中； 把电网交流电变成直流电储存和把直流电逆变成交流

42、电使用离不开电力电子；把电网交流电变成直流电储存和把直流电逆变成交流电使用离不开电力电子； 国际上广泛重视的超导电磁铁线圈储能国际上广泛重视的超导电磁铁线圈储能(SMES)(SMES)，是效率最高的储能措施，但必，是效率最高的储能措施，但必 须依靠大功率电力电子技术来完成储能和用电；须依靠大功率电力电子技术来完成储能和用电； 电力电子技术又是破坏电网品质和电磁环境的污染源，开关、移相、谐波、电电力电子技术又是破坏电网品质和电磁环境的污染源，开关、移相、谐波、电 磁干扰磁干扰(EMI)(EMI)等，影响其他电子、电工设备的正常运行；利用电力电子技术，提等，影响其他电子、电工设备的正常运行；利用电

43、力电子技术，提 供各种有源功率因数校正和有源滤波装置、动态无功补偿装置等，在电网环境供各种有源功率因数校正和有源滤波装置、动态无功补偿装置等，在电网环境 和电磁环境保护方面和电磁环境保护方面( (如改善电网电压质量、防止电网谐波污染、防止电磁场对如改善电网电压质量、防止电网谐波污染、防止电磁场对 环境污染等环境污染等) )起了相当大的作用。起了相当大的作用。 电力电子器件与电力电子电路的关系电力电子器件与电力电子电路的关系 电力电子器件是电力电子装置的基础；电力电子器件是电力电子装置的基础； 为了对电力进行变换和控制，要采用各种电力电为了对电力进行变换和控制，要采用各种电力电 子装置；子装置；

44、 电力电子变流电路是各种装置的主体，其中电力电力电子变流电路是各种装置的主体，其中电力 电子器件则是千变万化的电力电子电路的中心；电子器件则是千变万化的电力电子电路的中心； 一代器件牵动着一代整机；一代器件牵动着一代整机； 器件的更新必然带动电路和装置的发展。器件的更新必然带动电路和装置的发展。 电力电子技术发展两阶段电力电子技术发展两阶段 19561956年第一个普通晶闸管（年第一个普通晶闸管（SCRSCRSilicon Silicon Controlled RectifierControlled Rectifier）的发明标志着电力电子）的发明标志着电力电子 技术诞生；技术诞生； 1957

45、1957年年19801980年为年为传统电力电子技术传统电力电子技术阶段，电阶段，电 力电子器件以半控型的晶闸管为主，变流电路以力电子器件以半控型的晶闸管为主，变流电路以 相控电路为主，控制电路以模拟电路为主；相控电路为主，控制电路以模拟电路为主； 19801980年至今为年至今为现代电力电子技术现代电力电子技术阶段，目前全控阶段，目前全控 型电力电子器件正大量使用，脉宽调制（型电力电子器件正大量使用，脉宽调制（PWMPWM Pulse Width ModulationPulse Width Modulation）的变流电路已普及，）的变流电路已普及， 数字控制已代替模拟控制。数字控制已代替模

46、拟控制。 传统电力电子技术传统电力电子技术以晶闸管为核心，以晶闸管为核心， 采用相控技术实现变流电路采用相控技术实现变流电路 1947年第一支晶体管诞生，产生半导体固态电子年第一支晶体管诞生，产生半导体固态电子 学。学。 1956年第一支晶闸管问世，产生电力电子技术。年第一支晶闸管问世，产生电力电子技术。 1971年第一台微处理器问世，电子技术发生第一年第一台微处理器问世，电子技术发生第一 次革次革 命。命。 以晶闸管为核心形成电力处理的电力电子技术。以晶闸管为核心形成电力处理的电力电子技术。 快速晶闸管快速晶闸管 逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT) 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC) 不对称晶闸

47、管不对称晶闸管(ASCR) v晶闸管家族晶闸管家族 传统电力电子技术传统电力电子技术以晶闸管为核心，以晶闸管为核心， 采用相控技术实现变流电路采用相控技术实现变流电路 晶闸管及其组成变流电路的缺点：晶闸管及其组成变流电路的缺点： 控制功能欠缺，属半控型器件；控制功能欠缺，属半控型器件； 采用强迫换流电路使整机体积增大，重量增加，效采用强迫换流电路使整机体积增大，重量增加，效 率降低；率降低； 工作频率难以提高（工作频率难以提高（ 400HZ），限制其应用范围。），限制其应用范围。 功率因数低，网侧及负载上谐波严重，因此阻碍功率因数低，网侧及负载上谐波严重，因此阻碍 了它的继续发展；了它的继续发

48、展； 由晶闸管及其变流电路组成的传统电力电子技术由晶闸管及其变流电路组成的传统电力电子技术 经过几十年的发展已处于停滞阶段；经过几十年的发展已处于停滞阶段； 现代电力电子器件及其变流电路正取代传统电力现代电力电子器件及其变流电路正取代传统电力 电子技术。电子技术。 现代电力电子技术现代电力电子技术 70年代后期，可关断晶闸管年代后期，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体、电力晶体 管管(GTR)及其模块相继实用化。在中大容量的及其模块相继实用化。在中大容量的 变流装置中，传统的晶闸管变流装置中，传统的晶闸管(SCR)逐渐被这些逐渐被这些 新型器件取代；新型器件取代； 80年代以来，微电子技术与电力

49、电子技术在各年代以来，微电子技术与电力电子技术在各 自发展的基础上相结合而产生了新一代高频化、自发展的基础上相结合而产生了新一代高频化、 全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术全控型的功率集成器件，从而使电力电子技术 由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术由传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术 的新时代。的新时代。 电力电子新型器件电力电子新型器件 可关断晶闸管可关断晶闸管(GTO) 电力晶体管电力晶体管(GTR) 功率场效应管（功率功率场效应管（功率MOSFET） 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT或或IGT） 静电感应晶体管（静电感应晶体管（SIT） 静电感应晶闸管（静电感

50、应晶闸管（SITH） MOSFET栅控晶闸管（栅控晶闸管（MCT） 集成化门极换流晶闸管（集成化门极换流晶闸管（IGCT） 电力电子技术最新成就电力电子技术最新成就 高频化全控型电力电子器件在寿命周期曲线上正处于引入期或成长期，发展前高频化全控型电力电子器件在寿命周期曲线上正处于引入期或成长期，发展前 景十分乐观；景十分乐观； 新一代器件的问世引起电力电子变流电路及其控制系统的深刻变革；新一代器件的问世引起电力电子变流电路及其控制系统的深刻变革； 脉宽调制（脉宽调制（PWM）技术；）技术； 准谐振软开关技术（准谐振软开关技术（ZVC/ZCS-PWM、 ZVT/ZCT-PWM）。）。 电力电子技

51、术由传统的整流时代进入今天的逆变时代（电力电子技术由传统的整流时代进入今天的逆变时代（DC/AC）；）； 与新型电路相适应的新一代交流电动机变频调速装置（与新型电路相适应的新一代交流电动机变频调速装置（VVVF）、不间断电源）、不间断电源 （UPS）、逆变式焊机（）、逆变式焊机（IWM）、开关电源（）、开关电源（SPS）、新型电力补偿器（）、新型电力补偿器（SVC、 APF、STATCOM、UPFC、FACTS等）、应用自关断器件的高压直流输电装等）、应用自关断器件的高压直流输电装 置（置（HVDC）、磁悬浮运载工具、超导磁铁储能、自动驾驶电动汽车（）、磁悬浮运载工具、超导磁铁储能、自动驾驶电

52、动汽车（EV）、）、 绿色电光源、智能家电等电力电子装置相继出现；绿色电光源、智能家电等电力电子装置相继出现； 新一代电力电子装置在机电一体化的载体上开始进入各个应用领域，电力电子新一代电力电子装置在机电一体化的载体上开始进入各个应用领域，电力电子 设备已成为世界范围内的一项重要产品；设备已成为世界范围内的一项重要产品； 电力电子工业是二十世纪八十年代以来世界范围内发展最快的产业之一。电力电子工业是二十世纪八十年代以来世界范围内发展最快的产业之一。 现代电力电子技术的主要特征现代电力电子技术的主要特征 集成化集成化 传统的电力电子器件基于分立的方式不同，几乎所传统的电力电子器件基于分立的方式不

53、同，几乎所 有的全控型器件都是由许多子元胞器件并联而成；有的全控型器件都是由许多子元胞器件并联而成； 高频化高频化 从高压大电流的从高压大电流的GTO到高频率多功能的到高频率多功能的SIT，其工，其工 作频率已从数千赫到兆赫，这标志着电力电子技术进入高作频率已从数千赫到兆赫，这标志着电力电子技术进入高 频化时代；频化时代； 全控化全控化 电力电子器件实现全控化，即自关断化，是现代电电力电子器件实现全控化，即自关断化，是现代电 力电子器件在功能上的重大突破，是现代电力电子技术与力电子器件在功能上的重大突破，是现代电力电子技术与 传统电力电子技术的分水岭。无论是双极型器件的传统电力电子技术的分水岭

54、。无论是双极型器件的GTO、 GTR、SITH或单极型器件的功率或单极型器件的功率MOSFET、SIT以及混合以及混合 型器件型器件IGBT、MCT、IGCT等，都实现了全控化，从而避等，都实现了全控化，从而避 免了传统电力电子器件关断所需要的强迫换流电路；免了传统电力电子器件关断所需要的强迫换流电路； 多功能化多功能化 控制电路弱电化，控制技术数字化。随着集成工控制电路弱电化，控制技术数字化。随着集成工 艺的提高和突破，电力电子器件的功能扩大，品种增多，艺的提高和突破，电力电子器件的功能扩大，品种增多， 不但具有开关功能，还增加了保护、检测、驱动等功能，不但具有开关功能，还增加了保护、检测、

55、驱动等功能， 有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功能，使 用范围拓宽，线路结构简化。用范围拓宽，线路结构简化。 第三个电力电子器件发展平台第三个电力电子器件发展平台 IGBT 1010年前刚登上世界技术舞台的年前刚登上世界技术舞台的IGBTIGBT，尽管综合性能很好，尽管综合性能很好， 许多人仍难以相信它在大功率领域中的生命力；许多人仍难以相信它在大功率领域中的生命力； 减小通态压降，提高工作频率，二者最佳折衷，是减小通态压降，提高工作频率，二者最佳折衷，是IGBTIGBT向向 高频大功率化挺进的基本追求；高频大功率化挺进的基本追求；

56、沟槽形结构的实现是第四代沟槽形结构的实现是第四代IGBTIGBT的基本特征；的基本特征； 这种准三维组成工艺是大规模集成电路两维集成的深化，它挖掉了位这种准三维组成工艺是大规模集成电路两维集成的深化，它挖掉了位 于栅极下方、夹在于栅极下方、夹在P P型基区中间的结型场效应管型基区中间的结型场效应管(JFET)(JFET)的电阻，使元的电阻，使元 胞尺寸减小到胞尺寸减小到2020，提高硅片利用率，减小通态压降，为改善其频率，提高硅片利用率，减小通态压降，为改善其频率 特性创造了新的可能特性创造了新的可能 。 采用做在单晶片上的非穿通采用做在单晶片上的非穿通(NPT)(NPT)结构取代做在外延片上

57、结构取代做在外延片上 的穿通的穿通(PT)(PT)结构是结构是IGBTIGBT大功率化的关键改进措施，大功率化的关键改进措施，NPTNPT芯芯 片具有正电阻温度系数，解决了多芯片并联自动均流的难片具有正电阻温度系数，解决了多芯片并联自动均流的难 题；题； 第三个电力电子器件发展平台第三个电力电子器件发展平台 IGBT “单串多并单串多并”封装在一个管壳里的结构是封装在一个管壳里的结构是IGBTIGBT走向大功率化走向大功率化 的必由之路；的必由之路； 日本东公司生产的日本东公司生产的2500V2500V1000A1000A平板压接式平板压接式IGBTIGBT，即由，即由2424 个个2500V

58、2500V80A IGBT80A IGBT芯片并联而成芯片并联而成, , 还有还有1616个个2500V2500Vl00Al00A 续流用超快恢复二极管芯片与之反并联，在日本新干线高续流用超快恢复二极管芯片与之反并联，在日本新干线高 速列车上成功地经受了长时间运行的考验；速列车上成功地经受了长时间运行的考验； 类似的类似的4500V IGBT4500V IGBT已在实验室开发出来；已在实验室开发出来； 1010年前人们预测年前人们预测IGBTIGBT会取代电力晶体管会取代电力晶体管(GTR)(GTR)，现早已成为，现早已成为 事实；事实； IGBTIGBT成为在高电压、大功率应用领域中成为在高

59、电压、大功率应用领域中GTOGTO的潜在竞争者，的潜在竞争者， 却是当年未曾预料的；美国却是当年未曾预料的；美国IRIR公司开发了公司开发了WARPWARP系列、美国系列、美国 APTAPT公司开发了公司开发了GTGT系列系列“霹雷霹雷(Thunderbolt)(Thunderbolt)型型”IGBTIGBT。 MOSFETMOSFET栅控晶闸管栅控晶闸管MCTMCT MOSFETMOSFET栅控晶闸管栅控晶闸管(MCT)10(MCT)10年前曾被预言为新世年前曾被预言为新世 纪电力电子器件的主力；纪电力电子器件的主力； 结构、工艺复杂，合格率偏低，成本太高，没能结构、工艺复杂，合格率偏低，成

60、本太高，没能 达到当年期望的达到当年期望的4500V4500V2000A2000A水平；水平； 日本、欧洲日本、欧洲( (尤里卡计划尤里卡计划) )公司先后放弃公司先后放弃MCTMCT开发开发 计划；计划； 发明发明MCTMCT并坚持并坚持1818年研制、中试的美国哈里斯公年研制、中试的美国哈里斯公 司也宣布停止对司也宣布停止对MCTMCT进一步投资；进一步投资； MCTMCT的疲软激发起一系列高电压、大电流器件的的疲软激发起一系列高电压、大电流器件的 竞争。竞争。 高电压、大电流器件高电压、大电流器件SCR/GTOSCR/GTO 美国美国Silicon PowerSilicon Power公