第1章 电力电子技术

1电力电子与现代生活PowerElectronics

TechnologyandModernLife山东大学电气工程学院电力电子研究所颜世钢sgyan201@163.com2本课程主要内容：

第一部分：概论第二部分：器件及变换电路第三部分：应用：家用电器

、交通领域、电力系统、新能源与环保、工业控制等。

电力电子与现代生活电力电子与现代生活第1章电力电子与现代生活概论4

第1章电力电子与现代生活概论

1.1电力基础知识

1.2电子技术基础知识

1.3电力电子技术概述

1.4电力电子器件的功率损耗与冷却技术

1.5电力电子技术的应用

1.6电力电子与节能51.1电力基础知识1.1.1电力技术与电力工业的发展简史电力技术的发明与电力工业的建立已有100余年的历史。人类近代历史上的第一次技术革命：蒸汽革命17世纪，牛顿（

Newton，1642~1727）力学的建立，成为第一次技术革命的先导；6电力工业的发展简史18世纪下半叶（1769年），瓦特（J.Watt，1736~1819）发明蒸汽机为第一次技术革命的主要标志。蒸汽机取代自然力成为机器制造、采矿、冶金、铁路、化学、纺织等行业的主要动力，蒸汽机的广泛应用大大促进了社会生产力的发展，从此人类开始从农业社会跨入工业社会。蒸汽革命7电力工业的发展简史人类近代历史上的第二次技术革命：以18世纪末至19世纪初发现电磁学基本原理、电磁感应现象为先导的。1831年，法拉第发现电磁感应原理，奠定了发电机的理论基础。科学的发现，引起了技术的发明。1866年，冯·西门子发明了励磁电机，并预见：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元。8电力工业的发展简史1876年，贝尔发明了电话；1879年，爱迪生发明了电灯。19世纪未以后，三相交流发电机、变压器、电动机、远距离输电以及有线电、无线电通信技术的陆续发明和应用，成为第二次技术革命的主要标志。电气革命9电力工业的发展简史1882年，爱迪生建成世界上第一座正规的发电厂，装有6台直流发电机，通过110V电缆供电，输电距离1.6km，供6200盏白炽灯照明用，完成了初步电力工业技术体系。1881年，美国高拉德和吉布斯取得“供电交流系统”专利，发明家威斯汀豪斯买下此专利，并以它为基础于1885年制成交流发电机和变压器，并于1886

年建成第一个单相交流送电系统。1891年，在德国劳芬电厂安装了世界第一台三相交流发电机，建成第一条三相交流送电线路。现代电力工业雏形

10电力工业的发展简史发电机容量发展历史：1960年，美国制成50万kW

汽轮发电机。1963年,美国制成100万kW

双轴汽轮发电机。1973年，美国将BBC公司制造的130万kW

双轴汽轮发电机投入运行。1980年，前苏联在科斯特罗姆火电厂单轴120万kW机组投入运行，这是世界上唯一的一台单轴最大机组。11电力工业的发展简史高电压输电发展历史：1954年，瑞典首先建成第一条380kV输电线。1964年，美国建成第一条500kV输电线路，同年，原苏联也完成500kV输电系统。1965年，前苏联建成±400kV直流输电线路。同年，加拿大建成765kV输电线路。1989年，前苏联建成一条世界上最高电压1150kV、长1900km交流输电线路。121.1.2中国电力工业的发展1.1.2中国电力工业的发展1882年上海创建第一个12kW发电厂，已有120年历史。1949年，全国发电装机容量185万kW，年发电量43亿kW·h1978年，装机容量达到5712万kW，年发电2566亿kW·h。(30)2010年，装机容量9.5亿千瓦，年发电量4.3万亿kW·h。(510)13中国电力工业的发展发电机:1975年，自行设计制造第一台30万kW汽轮发电机。目前，国内运行最大机组是60万kW汽轮发电机和90万kW核电机组。汽轮发电机组水轮发电机组14中国电力工业的发展输电线路:1972年，建成330kV输电线路。1981年，建成第一条500kV输电线路，河南姚孟到武汉。1990年，第一条葛洲坝至上海±500kV直流输电线路。2008年，国家电网1000kV特高压骨干网架示范工程已在晋城—南阳—荆门之间建成并投入使用。151.1.3电力工业的特点电力工业主要包括5个生产环节：①发电，②输电，③变电；④配电；⑤用电电力生产过程是连续的，发、输、变、配电和用电在同一瞬间完成，因此发电、供电、用电之间，必须随时保持平衡。电力系统内，各环节在电磁上相互耦合，因此，任何一点发生故障，都会在瞬间影响和波及全系统，处理不当，会引起连锁反应，导致事故扩大，严重时会发生大面积停电事故。电力生产过程有严格的统一调度制度。系统内各个电厂、变电站和供电所都必须接受统一调度，执行调度员的命令；161.1.4直流电源直流电源是指能够提供直流电流(电流的方向不变)的电源。包括两大类：

一类是指化学电源，如干电池、蓄电池、燃料电池等。一类是指由交流电变换来的直流电源，如线性稳压电源、开关型稳压电源（简称开关电源）和特种直流电源等。171.1.5交流电源交流电源：是指电流大小和方向都随时间周期性变化的电源称为交流电源。交流电的幅值、频率和初相位是构成交流电的三大要素。在我国，电力网称为工频交流电源，频率为50Hz。Oπ2πωtuUm图1-1正弦交流电流的波形3π181.1.6形形色色的用电负载与电能变换用电负载交流负载直流负载按频率分工频交流负载高频交流负载可变频交流负载节能灯，感应加热变频空调按电压分恒压交流负载可变压交流负载高、中、低压各类交流电机调光台灯，调速电扇按电压分恒压直流负载可变压直流负载按容量分小、中、大功率直流负载高、中、低压各类直流电机、电力机车、电子设备直流调速电机

电网提供的是固定电压、固定频率的交流，与多种负载的需求形成矛盾。这就需要对电能进行变换。按容量分按容量分小、中、大功率交流负载191.2电子技术基本知识电子技术是十九世纪末、二十世纪初发展起来的新兴技术，二十世纪发展最迅速，应用最广泛，成为近代科学技术发展的一个重要标志。进入21世纪，人们面临的是以微电子技术（半导体和集成电路为代表）电子计算机和因特网为标志的信息社会。现代电子技术在国防、科学、工业、医学、通讯（信息处理、传输和交流）及文化生活等各个领域中都起着巨大作用。现在的世界，电子技术无处不在：收音机、彩电、音响、VCD、DVD、电子手表、数码相机、微电脑、大规模生产的工业流水线、因特网、机器人、航天飞机、宇宙探测仪，可以说，人们现在生活在电子世界中，一天也离不开它。

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电子技术的应用电子技术的应用:21电子器件的两个发展阶段

电子技术是以电子器件的发展为基础的，电子器件的发展分为两个阶段：分立元件阶段（1905～1959）真空电子管半导体晶体管集成电路阶段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI22

分立元件阶段电子管时代（1905～1948）1905年爱因斯坦阐述相对论——E＝mc21906年德福雷斯特在弗莱明真空二极管上加栅极，制成第一只真空三极管1912年阿诺德和兰米尔研制出高真空电子管1922年弗里斯研制成第一台超外差无线电收音机1934年劳伦斯研制成回旋加速器1940年帕全森和洛弗尔研制成电子模拟计算机1947年肖克莱、巴丁和布拉顿发明晶体管；香农奠定信息论的基础23分立元件阶段玻璃外壳玻璃外壳金属板阳极灯丝（阴极）金属板阳极灯丝（阴极）栅极

真空二极管真空三极管真空三极管的外形

图真空管的结构及外形真空电子管24a）真空二极管的简化工作原理1.灯丝会把阴极加热至红热，把阴极的原子激发。2.阴极接上电池组的负极，向外发射电子。3.阳极接上电池组的正极，与阴极形成电势差，所以，带负电荷的电子就由阴极奔向阳极。电子4.电流：是指电子的流动，因为有电子从阴极走向阳极所以形成了电流。

a）真空二极管的简化工作原理。25b）真空三极管的简化工作原理b）真空三极管的简化工作原理1.灯丝会把阴极加热至红热，把阴极的原子激发。2.阴极接上电池组的负极，向外发射电子。4.电流：是指电子的流动，因为有电子从阴极走向阳极所以形成了电流。5.电子是带负电荷的。由于同性相斥，只要把栅极接上负电压，就可以控制电子的流量6.栅极。栅极好像一道放在阴极和阳极之间的闸。电子3.阳极接上电池组的正极，与阴极形成电势差，所以，带负电荷的电子就由阴极奔向阳极。26分立元件阶段晶体管时代（1948～1959）1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱研制成第一个晶体管1948年贝尔实验室的香农发表信息论的论文1950年麻省理工学院的福雷斯特研制成磁心存储器1954年贝尔实验室研制太阳能电池和单晶硅1957年苏联发射第一颗人造地球卫星1958年美国得克萨斯仪器公司和仙童公司研制成第一个集成电路

27分立元件阶段左起：巴丁(J·Bardeen)、肖克莱(W·Schokley)和布拉顿(W·H·Brattain)晶体管的三位发明人几种常见的三极管外形28

集成电路阶段(1959~)自1958年第一块集成元件问世以来，集成电路已经跨越了小、中、大、超大、特大、巨大规模几个台阶，集成度平均每2年提高近3倍。随着集成度的提高，器件尺寸不断减小。时期规模集成度（元件数）50年代末小规模集成电路（SSI）10060年代中规模集成电路（MSI）100070年代大规模集成电路（LSI）>100070年代末超大规模集成电路（VLSI）1000080年代特大规模集成电路（ULSI）>10000029

集成电路阶段(1959~)集成电路制造技术的发展日新月异，其中最具有代表性的集成电路芯片主要包括以下几类，它们构成了现代数字系统的基石。可编程逻辑器件（PLD）微控制芯片（MCU）数字信号处理器（DSP）大规模存储芯片（RAM/ROM）30

电子计算机的发展简介伴随着电子技术而发展起来的电子计算机所经历的四个阶段，充分说明了电子技术发展的四个阶段的特性。第一代（1946～1957）电子管计算机

基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外存储器主要采用磁鼓、纸带、卡片、磁带等。运算速度只是每秒几千次~几万次基本运算，内存容量仅几千个字。程序语言处于最低阶段，主要使用二进制的机器语言，后阶段采用汇编语言。体积大，耗电多，速度低，造价高，使用不便，主要局限于一些军事和科研部门进行科学计算。（ENIAC）31

电子计算机的发展世界上第一台电子计算机：1946年在美国研制成功，取名ENIAC。使用18800个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电140千瓦，价格40多万美元，每秒可进行5000次加法和减法运算。1946.2交付使用，1955.10最后切断电源，服役长达9年。ENIAC32电子计算机的发展第二代（1958～1963）晶体管计算机：基本电子元件是晶体管，内存储器大量使用磁性材料制成的磁芯存储器。与第一代电子管计算机相比，晶体管计算机体积小，耗电少，成本低，逻辑功能强，使用方便，可靠性高

。（IBM7090）IBM709033电子计算机的发展第三代（1964～1970）集成电路计算机：基本元件是小规模集成电路和中规模集成电路，磁芯存储器进一步发展，并开始采用性能更好的半导体存储器，运算速度提高到每秒几十万次基本运算。由于采用了集成电路，第三代计算机各方面性能都有了极大提高：体积缩小，价格降低，功能增强，可靠性大大提高。（IBM360系列为代表）

IBM360晶体管计算机34电子计算机的发展第四代（1971～）大规模集成电路计算机：基本元件是大规模集成电路，甚至超大规模集成电路，集成度很高的半导体存储器替代了磁芯存储器，运算速度可达每秒几百万次，甚至上亿次基本运算。具有体积小、功能强、可靠性高等特点。品牌电脑351.3电力电子技术概述电子技术信息电子技术电力电子技术模拟电子技术数字电子技术1.3.1电子技术的两大分支：信息电子技术：信息电子技术主要用于信息处理：对声音、图像、文字、数字等各种信号进行获取、加工、处理、存储、传播和使用。主要器件：晶体管、集成电路包括子学科：电子科学和技术、电子信息工程、通讯工程、微波工程，计算机工程等。361.3.1电子技术的两大分支电力电子技术：定义：是应用于电力领域的电子技术，利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一门新兴学科。是弱电（低电压、小电流—电子电路）与强电（高电压，大电流—电力）相互结合，由弱电控制强电的新领域。所用器件：采用半导体材料制成，故称电力半导体器件。

包括：晶闸管、绝缘栅极晶体管IGBT、电力晶体管、电力场效应管、门极可关断晶闸管等应用场合：主要为各种负载提供合适的电源、电力系统能量变换等。371.3.1

电子技术的两大分支据技术发达国家的专家统计，大约有60%以上的电能是经过电力电子技术处理后被使用的，在中国大约为40%。家庭在很多大学和国际组织（包括美国IEEE电力电子学会）的文件中，都把电力电子称为一种无所不在的技术。的确，当你开车，坐地铁，乘电梯，用电脑，开空调，用微波炉做饭，用冰箱制作冷饮，打电话或使用手机，开台灯，听音乐，看电视，你都在和电力电子技术打交道。想不到吧？虽然电力电子这一名词对于我们大多数人来说还比较陌生，但它与我们的生活息息相关，它在各种电器中都担负着极其重要而又默默无闻的工作。幕后英雄

38基本器件器件材料制造工艺理论基础应用场合工作环境信息电子三极管集成电路半导体材料集成工艺电路理论信息处理低电压小电流电力电子晶闸管功率晶体管半导体材料集成工艺电路理论电力变换高电压大电流信息电子技术与电力电子技术的比较：1.3.1

电子技术的两大分支391.3.2电力电子的核心技术电力变换技术是电力电子技术的核心技术。电力变换技术也叫做变流技术，所以早期的电力电子技术也叫做半导体变流技术，后来也有人称之为电力电子变流技术。电力电子技术电力电子器件电力变换技术----是基础----是核心控制电路（信号、信息）电力电子变换装置输入（电源）输出（负载）图1-3电力变换与控制的基本功能40

电力——交流和直流两种

从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。（参数：）

电力变换四大类

交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1

电力变换的种类逆变直流斩波直流交流电力控制、变频、变相整流交流交流直流

输出输入

电力电子的核心技术

电力变换技术41

四种类型电能变换的关系ACDCACDC整流逆变直流变换交流变换

电能变换的四种类型电力变换：也称为电能变换、功率变换、变流技术42

四种类型的电能变换（1）整流（AC→DC）：将交流电转换为电压固定或可调的直流电，称为整流，这种变换是正变换。用于充电、电镀、电解、直流电动机调速以及各类电子仪器和家用电器的直流电源、高压直流输电等。电镀43

四种类型的电能变换（2）逆变（DC→AC）：将直流电转换为频率和电压为固定或可调的交流电，是与整流过程相反的变换，故称为逆变。用于恒压恒频（CFCF）电源、不间断供电电源(UPS)、各种变频电源、中频感应加热、交流电动机的变频调速、高压直流输电、变频家电等。应用最广泛UPS44

四种类型的电能变换（3）交流电力控制（AC→AC）：将交流电转换为频率和电压为固定或可调的交流电，称为交流电力控制。其中，对交流电压的调节称为交流电压控制简称交流调压，用于调光、风扇调速、交流电动机调速、软启动器等；对交流输出功率的调节称为交流调功，常用于调温电路，如电饭煲等。电热恒温箱软启动器45

四种类型的电能变换（4）直流变换（DC→DC）：将直流电（幅值或极性）转换为另一固定电压或可调电压的直流电，称为直流变换。不采用变压器隔离的直流变换也称为直接直流变换或直流斩波，应用于城市电车、地铁、电瓶车、搬运车等直流电动机的牵引传动；利用变压器隔离的直流变换也称为间接直流变换，用于电子仪器、计算机、电信设备等的直流开关电源等。46电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散

电路、器件静止器、旋转电机图描述电力电子学的倒三角形

电力电子与相关学科的关系1974年，美国的W.Newell用图示倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。

WilliamE.Newell博士47电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生1.3.3电力电子技术的发展史481.电力电子技术的史前期或黎明期◆史前期或黎明期：晶闸管出现前的时期（1904-1957）☞1904年出现电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，开启了电子技术用于电力领域的先河。☞20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用变流机组来变流。☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命，为电力电子器件的出现奠定了基础。49电力电子技术的史前期或黎明期变流机组实现电力变换

交流电动机、直流发电机组实现交流一直流变换下图所示是交流变直流的直流发电机组。三相交流电网的50Hz电源，经起动器给交流异步电动机供电，异步电动机带动直流发电机，发出负载所需的直流电。

经典整流器效率低50电力电子技术的史前期或黎明期图1-7所示是将公用电网50Hz恒频、恒压交流电变为频率、电压都可变的交流电的交流变流机组。直流发电机组和交流发电机组实现交流-交流电压、频率变换2经典变频器51晶闸管问世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生2.晶闸管时代522.晶闸管时代◆晶闸管时代（1957-1975）一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。晶闸管是一个半可控的单向导电开关，可用于整流。晶闸管由于其优越的性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。53

晶闸管的外形图1-6晶闸管的外形54

晶闸管整流器时代相控整流电路的主要功能是使交流变成直流，因此当时有晶闸管整流器时代之称。应用领域：直流传动（轧钢、造纸等）、机车牵引（电气机车、电传动内燃机、地铁机车等）、电化电源（电解、电镀等）是当时的三大支柱应用领域，直到今天这些装置仍在大量生产和应用。高压直流输电是晶闸管新的应用领域。目前普通晶闸管的水平为12kV/1kA和6500V/4000A。是目前单管功率最大的器件。55晶闸管问世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生3.全控型器件迅速发展时期563.全控型器件迅速发展时期20世纪70年代中期至80年代，门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）和电力场效应管（PowerMOSFET）为典型代表的第二代自关断全控型器件获得迅速发展。同时，其它高频率的器件如静电感应晶体管（SIT）、静电感应晶闸管（SITH）等相继问世，形成了一个新型的全控型电力电子器件的大家族。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。☞全控型器件的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式，并且推动了PWM控制技术的迅速发展和应用。与此相对应，晶闸管的控制方式为相位控制方式。57可关断晶闸管（GTO)

门极可关断晶闸管GTO可关断晶闸管（GTO——Gate-Turn-OffThyristor）是20世纪60年代初在美国通用公司问世的，但当时容量很小没有投入生产。1973年通用公司在GTO的设计制造工艺上得到突破，开发出大容量GTO。GTO具有高导通电流密度、高阻断电压，使它在高压、大功率牵引、

工业和电力逆变器中得到广泛应用。目前GTO研制水平已达

9kV/2.5kA/800Hz6KV/6kA/1kHz

58

电力晶体管（GTR）电力晶体管（GTR——GiantTransistor）也称巨型晶体管，内部结构和工作原理与信息电子技术中的晶体管相类似，但是容量要大得多。GTR具有自关断能力，控制十分方便，在许多电力变流装置中得到应用。GTR的额定值已达1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。优点：加工工艺成熟、成品率极高、生产成本低廉、应用电路成熟、使用方便等，应用十分广泛。电力晶体管(GTR)59电力场效应晶体管（PowerMOSFET）电力场效应晶体管（PowerMOSFET）的内部结构和工作原理与信息电子技术中的绝缘栅型场效应晶体管（MOSFET）相类似，容量也是大很多。显著特点：是驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，是目前所有电力电子器件中工作频率最高的器件，其工作频率可达数MHz。但是电力MOSFET的容量小，常用于高频、小功率的电力电子装置中，如电子设备的开关电源、小功率逆变器，手机、照相机等。电力场效应晶体管（PowerMOSFET）60晶闸管问世，(“公元元年”)

复合型器件及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生4.高性能复合型器件出现与发展614.高性能复合型器件出现与发展20世纪80~90年代，出现了以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)和集成门极换流晶闸管（IGCT）为代表的第三代复合型半导体器件。

IGBT：是美国无线电公司（RCA）和美国通用电气公司（GE）1982年开发，于1986年开始正式生产。复合器件：

IGBT=电力场效应管(MOSFET)+电力晶体管(GTR)

IGBT兼有MOS器件和GTR的优点：特点：栅极（控制极）电压驱动，驱动电路简单、驱动功率小、开关损耗小、工作频率高、热稳定性好（MOS优点），承受电压较高、载流密度大、通态压降小（GTR优点）。IGBT是目前应用最广泛的器件。62

绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)IGBT制造水平除低压(1700V/1200A)外，已开发出高压IGBT，可达3.3KV/1.2KA

或4.5KV/0.9KA

的水平，器件工作频率可达几百KHz.。目前IGBT的主要生产厂家有美国的国际整流器公司，德国的西门子公司，日本的东芝公司、富士通公司、三菱公司、日立公司等。IGBT单管外观IGBT模块外观63ABB公司开发的IGCT外形结构

集成门极换流晶闸管（IGCT）1996年，瑞士ABB公司开发出集成门极换流晶闸管

IGCT。

IGCT=

GTO芯片+门极驱动电路。

64集成门极换流晶闸管（IGCT）IGCT产品水平为4.5KV/4KA

，研制水平6KV/4KA。应用于ABB公司的ACSl000变频器等多类高压设备。ACSl000变频器65晶闸管问世，(“公元元年”)复合型器件及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生5.功率模块与功率集成电路的出现和发展665.功率模块与功率集成电路的出现和发展1）功率模块模块化就是按照典型电力电子电路的结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块内，共用一个外壳和散热器。模块内部只有功率器件及其电路，不包含电子电路。

优点：体积小、重量轻、结构紧凑、可靠性高、通用性强、互换性好、结构重复性好、外接线简单、便于安装和维修、总价格（包括散热器）比分立器件低等。各种器件都有商品化模块，如整流管模块、晶闸管模块、双向晶闸管模块、电力晶体管模块、GTO模块、MOSFET模块、绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块等。67

几种功率模块外形结构IGBT模块晶闸管模块电力MOSFET模块电力GTR模块图1-22几种电力电子器件模块的外形图68IGBT功率模块的几种内部结构

部分IGBT模块内部结构图单个IGBT单相桥三相桥二极管单相桥695.功率模块与功率集成电路的出现和发展2）功率集成电路（PIC）功率集成电路（PIC——PowerIntegratedCircuit）是指将电力电子功率器件与驱动电路、逻辑电路、控制电路、保护电路、检测电路、自诊断电路等信息电子电路制作在同一芯片上，封装在一个外壳中。优点：体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好，功能全面，成本低，便于大规模生产。已有系列PIC产品问世，包括功率MOS智能开关，电源管理电路、半桥或全桥逆变器、电机驱动器。70一种功率集成电路PIC的外形和内部结构

一种功率集成电路PIC的外形和内部结构原理71表1竞相发展的各种电力电子器件第一代不控、半控型器件第二代自关断器件第三代复合型第四代功率集成电路PIC整流二极管（SR）快恢复二极管(FSR)吸收二极管FRD肖特基势垒二极管（SBD）普通晶闸管（SCR）快速晶闸管（SCR）双向晶闸管（Triac）逆导晶闸管（RCT）高频晶闸管（HFSCR）非对称晶闸管（ASCR）门极辅助关断晶闸管（GATT）光控晶闸管（LATT）门极关断晶闸管（GTO）门极换向晶闸管（GCT）电力晶体管（GTR）达林顿晶体管（DT）静电感应晶体管（SIT）静电感应晶闸管（SITH）电力场效应晶体管(P-MOSFET)联栅晶体管（GAT）场控晶闸管（FCTH）绝缘栅双极晶体管（IGBT）MOS控制晶闸管（MCT）高压IGBT集成门极换流晶闸管（IGCT）注入增强型晶体管（IEGT）MOS双门极晶闸管（EST）高压集成电路（HVIC）智能功率集成电路（SPIC）智能功率模块（IPM）72电力电子装置与所用电力电子器件的用属关系

电力电子装置与所用电力电子器件的用属关系工作频率731.4电力电子器件的功率损耗与冷却技术功率损耗：电力电子器件一般工作于开关状态，但是器件由半导体材料制作，存在内阻。通态损耗：器件在导通状态下，不是理想的短路，内部有一定的通态电阻，虽然非常小，但在流过较大的通态电流时，也会形成较大的功率损耗。断态损耗：器件在阻断状态下，也不是理想的断路，阻断电阻不是无穷大，有微小漏电流流过，尽管数值很小，由于断态阻抗很高，也会形成较大的功率损耗。开关损耗：器件在开通过程和关断过程中，也会产生功率损耗，分别称为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。

散热和冷却:各种损耗将导致器件发热，需要散热和冷却。741.4电力电子器件的功率损耗与冷却技术电力电子器件的冷却技术：电力电子设备常用的冷却技术包括自然冷却、风冷、液冷和热管冷却等方式。电力电子器件的风冷散热器751.4电力电子器件的功率损耗与冷却技术

液体冷却技术电力电子器件的水冷散热电力电子模块的液冷散热761.5电力电子技术的应用1.在一般工业中的应用交、直流电机调速：大至数千kW的各种轧钢机，小到几百W的数控机床的伺服电机，以及矿山牵引等场合。

一些对调速性能要求不高的大型鼓风机、泵类等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。

大型电机的软起动装置。电化学工业：电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。冶金工业：电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

77轧钢机数控机床冶金工业电解铝1.一般工业1.5电力电子技术的应用变频器78高频、中频感应加热电源791.5电力电子技术的应用2、在交通运输中的应用电气化铁道中广泛采用电力电子技术。直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机外，车辆中的各种辅助电源也离不开电力电子。机车的空调系统、照明系统等需要电力变换。电动汽车的电机需要进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子。高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱