电气科学与工程学科的回顾与展望

1、电气科学与工程学科的回顾与展望,电之重要性,电是人类文明的基础物质条件之一 “电气化”引发了第二次产业革命 “电气化”被美国工程院评为20世纪20项最伟大的工程技术成就之首 “电气化”被中国工程院评为20世纪我国25项重大工程技术成就之六 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能源领域息息相关,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（时间分布：恒定、交变、脉冲；空间分布：集中、分散）的一种能量。 历史悠久而活力日增由雷观察到电电和磁相互依存相互作用19世纪麦克斯韦

2、尔方程组 交叉面广、渗透性强电子、信息、计算机、激光、自动控制等电磁与物质相互作用 研究对象涉及的时空跨度大微观、介观、宏观；皮秒、纳秒 国家中长期科学和技术规划纲要引领未来前沿技术先进能源技术,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、运行、测量和控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； 它们共同的学科基础是电工学研究电磁现象、规律及应用的科学。,电气工程学科的性质与作用,电气工程一级学科简介,电气工程,电力电子与 电力传动,电力系统及其 自动化,电机与 电器,高电压 与 绝缘技术,电工理论与新技术,电机,电器,理论电工,超

3、导技术与磁流体发电,电力系统及其自动化,电力系统及其自动化,电力系统及其自动化,铁道牵引电气化与自动化 （部分）,船舶与海洋工程特辅装置与系统（部分）,交通运输工程学科,海洋工程学科,电力电子与电力传动,电力电子与电力传动,电力电子 技术,电力传动及其 自动化 （部分）,电磁测量技术 及仪器 （部分）,控制科学与工程学科,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,高电压 技术,电工材料及绝缘技术 （部分）,材料科学与工程学科,电气工程学科的相关学科,电子科学与技术 计算机科学与技术 控制科学与工程 信息与通信工程 材料科学与工程,机械工程 仪器科学与技术 动力工程与工程热物理 交

4、通运输工程 农业工程 环境科学与工程 生物医学工程,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,太阳能,水力发电,生物发电,化石类能源,潮汐发电,地热,核能,风力发电,电动车、混合,动力车、燃料,电池车,航天：火箭、,航天飞机、小,卫星,军用: 飞机、,舰艇、坦克，,导弹,备用电源UPS,民用电器：笔,记本电脑、手,机、数码相机,通信设备,海洋温差发电,氢能燃料电池,电能存,储设备,：各种,电池、,超级电,容、机,械飞轮,等,电站、,大容量,电能存,储设备,电能存储设备的,监控与管理技术,气候变化对中国的影响

5、与挑战Impacts and challenges of climate change on China,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。,电力电子与电力传动学术活动,International Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC94) , Beijing International Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC97) , Hangzhou International Power Electronics &

6、Motion Control Conference(IPEMC2000) , Beijing International Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC2004) , Xian 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； 相关期刊的发行促进了国内学术交流，在活跃学术研究气氛、推广应用研究成果方面起到了积极作用。,国家重大关键技术对电力电子技术的支持,IGBT产业化技术及其应用； 高频开关电源系列； 风力发电技术； 高温地热发电技术； FACTS的关键技术与设备； 高压直流输电技术及设备

7、； 电网控制关键技术； 铁路提速关键技术； 高效节能电炉与装备技术； 节能最佳化大型选矿技术装备； 建筑节能技术及产品； 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2010年前我国电力电子技术的 发展远景目标。,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、电流全控器件、电压全控器件和功率集成电路(Power IC)等若干阶段； 80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(使用)； 到2000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MOSFET的频率(以kHz计，下同)从102提高

8、到103，IGBT则从l0提高到100； 器件功率也将有所提高，例如：IGBT的功率(以MVA计，下同)从0.1提高到1，GTO则从10以下提高到l0。,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：90年代电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； 2000年，以下几方面已由计划变为现实； 新型电力补偿器； 无直流环节的变频器； 应用自关断器件的高压直流输电装置； 磁悬浮运载工具； 超导磁铁储能； 卡片式开关电源； 高频链UPS； 自动驾驶的电动汽车。,电力电子技术与知识经济,人们认为21世纪的经济将发生巨大变革，富有生命力的、新型的“知识经济”促

9、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； 知识经济(Knowledge based economy)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； 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； 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； 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，具体体现为“信息控制、电网供电和生产机械”的接口；,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虑一个国家的电力电子技术的发展； 30多年前人们认为，电力电子学是从电气工程(EE)中3大学科

10、领域(电力、控制、电子)发展起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，人们已意识到，仅仅3个学科领域已不能概括作为高新边缘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VLSI； 通过电力电子器件和系统的集中监控可以实现“弱电”控制“强电”；,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技术，如果缺乏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新机遇； 据1998年日本电气学会专家预测，到1999年电力电子器件的世界市场为95亿美元，比1995年增加21亿美元，平均年增长15； Microtec

11、h1996年估计，电力电子设备的世界市场为300亿美元。能源电子产品(包括电力电子装置、电容器和电池)的日本市场规模约为200亿美元； 据美国Virginia电力电子中心(VPEC)报道，电力电子市场有300亿美元直接产品销售，并支持5700亿美元电子工业；,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, 包括：基础理论(固体物理、电磁学、电路理论)、专业理论(电力系统、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) 以及专门技术(电磁测量、计算机仿真、CAD)等，覆盖了材料、器件、电路与控制、磁学、热设计、封装、CAD集成、制造、电力及电工应用等； 知识经

12、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； 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(风力发电、太阳能电池、燃料电池等)的开发利用，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；,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：国际著名电力电子界资深专家原田耕介，根据90年代能源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。,

13、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的活力。 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； 强电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，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。电力电子学的发展迫切要求建立非线性电路理论，并解决分布参数问题。,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，电力电子同微电子相结合又提供了

14、有源(无功)补偿和有源(谐波)滤波的新技术手段，成为治理电网污染、改善电力品质的得力措施。 过去电工理论中“场路分家”研究是普遍的，电力电子技术向高频、大功率方向的发展，分布参数问题日显重要，这给“场路结合”的新理论提出了许多新课题。例如，工作频率在20kHz时，电力电子装置中的全部引线寄生电感应小于30nH，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。而任何直圆导线的电感约为75nH/dm，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变换装置进行优化设计。,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、强耦合的机电系统，为了对它进行分

15、析和设计，需要进一步应用和发展已有的非线性控制理论。 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，需要做精细的计算分析，并借助计算机仿真和最优设计方法。 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直交变频系统。这里也会提出许多新问题。,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

16、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。 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 (如碳化硅等宽禁带半导体材料)；高“磁能积”的永磁材料(如钕铁硼)和低磁损耗、可以工作到几十千赫的非晶态与超微晶磁材料；氮化铝、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,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。 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成化、电子化、智能电机正

17、在登上历史舞台，这也提出了智能电机从原理、设计到应用的众多课题。,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，是电力电子的重大课题之一； 火力发电(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）； 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； 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。,用电节能,我国发电总量的63左右是通过电动机消耗的，1012消耗在照明上； 电动机调速节能和照明节能是国家经贸委、国家计委、国家科技部提出的两大节能重点； 据统计，火力发电厂效率每提高1，或者说，每

18、节电1，都可减少25的二氧化碳排放量；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(840亿kWh)； 美国环境保护署(EPA)1991年提出一项“绿色照明(Green Light)”计划，目的是使美国照明用电量(占全美总发电量2030)节约一半，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染； 美国1992年通过法案，要求到2000年和2005年，照明能耗分别减少20和30。绿色照明计划的内容，除改革灯具(如用高压钠灯，高频稀土节能荧光灯等)外，主要是推广高频逆变器式电子镇流器(约3000万台年)。,绿色汽车,

19、受到世人瞩目的电动汽车EV(Electrical Vehicle)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； 1997年10月日本丰田公司研制成混合电动汽车(Hybrid EV)，废气排放减少90，节能50； 美国PNGV已提出研制绿色汽车的“新一代EV计划”，加州要求无公害(零排放)汽车ZEV所占比例逐年增加： 1998年为2，2001年为5，2003年为10； 德国希望在2000年前开始生产节省燃料的高效率EV，以中型车(Middle Size)例如雪佛莱为目标，这种车的平均电负荷约850W辆； 我国已将EV的发展

20、列入“十五”和“十一五” 863计划重大专项，计划建成经济实用型EV的生产基地和23个EV运行示范区，并研制出几种新型EV,赶上国际先进水平。,开发新能源无污染绿色能源,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，可减少国家总发电量中火电的比重； 可再生(renewable)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； 全球风力发电(wind power)19951997年3年的年增长率依次为35、24和22，是发展速度最快的一种再生能源，到1997年底，全世界风力发电装机容量7669MW，1998年全球风力发电容量又增加了14

21、00MW； 90年代全世界光伏电池PV(Photo Voltaic cell)模块产量年增长20(1990年产量为30MW，到1997年产量增长为100MW, 其中美国占40)，全世界PV发电总容量1997年为600MW，1998年估计可能达到750MW； 德国PV模块产量将达到50MW/年； 日本联合太阳能公司PV模块1998年产量为5MW，计划达到25MW/年； 英国壳牌石油公司为开发PV模块，以获取太阳能，投资5亿美元/年，计划50年内达到下述目标：石油和再生能源产量各占50(1EEE Spectrum，1999 Jan)； 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器、

22、充电器、起动器、稳压器等。,储 能,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，全社会可少建3040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(SMES)，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； 电力电子技术又是破坏电网品质和

23、电磁环境的污染源，开关、移相、谐波、电磁干扰(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(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)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，要采用各种电力电子装置； 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； 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。,电力电子技术发展两阶段,1956年第一个普通晶

24、闸管（SCRSilicon Controlled Rectifier）的发明标志着电力电子技术诞生； 1957年1980年为传统电力电子技术阶段，电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； 1980年至今为现代电力电子技术阶段，目前全控型电力电子器件正大量使用，脉宽调制（PWMPulse Width Modulation）的变流电路已普及，数字控制已代替模拟控制。,传统电力电子技术以晶闸管为核心，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学。 1956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

25、技术发生第一次革 命。 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 逆导晶闸管(RCT) 双向晶闸管(TRIAC) 不对称晶闸管(ASCR),晶闸管家族,传统电力电子技术以晶闸管为核心，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： 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，效率降低； 工作频率难以提高（ 400HZ），限制其应用范围。 功率因数低，网侧及负载上谐波严重，因此阻碍了它的继续发展； 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； 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。,现代电力电子技术,

26、70年代后期，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)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(SCR)逐渐被这些新型器件取代； 80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、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的新时代。,电力电子新型器件,可关断晶闸管(GTO) 电力晶体管(GTR) 功率场效应管（功率MOSFET） 绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT） 静电感应晶体管（SIT） 静电感应晶闸管（SITH） MOSFET栅控晶闸管（MCT） 集成化门极换流晶闸管（IGCT）,电力电子技术最新

27、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； 脉宽调制（PWM）技术； 准谐振软开关技术（ZVC/ZCS-PWM、 ZVT/ZCT-PWM）。 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（VVVF）、不间断电源（UPS）、逆变式焊机（IWM）、开关电源（SPS）、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置（HVDC）、磁悬浮运载工具、超导磁铁储能、自动驾驶电动汽

28、车（EV）、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。,现代电力电子技术的主要特征,集成化 传统的电力电子器件基于分立的方式不同，几乎所有的全控型器件都是由许多子元胞器件并联而成； 高频化 从高压大电流的GTO到高频率多功能的SIT，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频化时代； 全控化 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传统电力电子技术的分水岭

29、。无论是双极型器件的GTO、GTR、SITH或单极型器件的功率MOSFET、SIT以及混合型器件IGBT、MCT、IGCT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； 多功能化 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，不但具有开关功能，还增加了保护、检测、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，使用范围拓宽，线路结构简化。,第三个电力电子器件发展平台 IGBT,10年前刚登上世界技术舞台的IGBT，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； 减小通态压降，提高工作频率，二者最佳

30、折衷，是IGBT向高频大功率化挺进的基本追求； 沟槽形结构的实现是第四代IGBT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，它挖掉了位于栅极下方、夹在P型基区中间的结型场效应管(JFET)的电阻，使元胞尺寸减小到20，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 。 采用做在单晶片上的非穿通(NPT)结构取代做在外延片上的穿通(PT)结构是IGBT大功率化的关键改进措施，NPT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题；,第三个电力电子器件发展平台 IGBT,“单串多并”封装在一个管壳里的结构是IGBT走向大功率化的必由之路； 日本东公司生产的2

31、500V1000A平板压接式IGBT，即由24个2500V80A IGBT芯片并联而成, 还有16个2500Vl00A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； 类似的4500V IGBT已在实验室开发出来； 10年前人们预测IGBT会取代电力晶体管(GTR)，现早已成为事实； IGBT成为在高电压、大功率应用领域中GTO的潜在竞争者，却是当年未曾预料的；美国IR公司开发了WARP系列、美国APT公司开发了GT系列“霹雷(Thunderbolt)型”IGBT。,MOSFET栅控晶闸管MCT,MOSFET栅控晶闸管(MCT)10年前曾被预言为新世纪电

32、力电子器件的主力； 结构、工艺复杂，合格率偏低，成本太高，没能达到当年期望的4500V2000A水平； 日本、欧洲(尤里卡计划)公司先后放弃MCT开发计划； 发明MCT并坚持18年研制、中试的美国哈里斯公司也宣布停止对MCT进一步投资； MCT的疲软激发起一系列高电压、大电流器件的竞争。,高电压、大电流器件SCR/GTO,美国Silicon Power公司开发了125mm晶片的 6500A6000V新结构晶闸管； 日本东芝、三菱公司开发了4000A8000V光触 发晶闸管； 三菱公司开发了150mm的6000A/6000V GTO，新开发的9000V GTO含2000个元胞； 目前用于高压直流

33、输电(HVDC)和静止无功发生器(SVG)的功率器件。,GTO IGCT IEGT,鉴于晶闸管不易关断, GTO靠很大的负门极电流关断，它们难以在较高频率下开关运行，在GTO芯片内增设一组MOSFET管来实现开关，就是MCT的构想； 欧洲ABB公司和日本三菱公司合作完成了“集成化门极换流晶闸管”(1GCT)的实用化开发，也称为阴极关断的晶闸管(ETO)，它实际是关断增益为l的GTO，又是把MOSFFT从半导体内部移到管壳外边来的MCT； 它是在GTO阴极和门极外各串联一组MOSFFT管。在它关断时，先令门极MOSFFT管导通，主电流一部分分流到门极；再把阴极MOSFFT管关断，全部主电流换流到

34、门极回路，这时再把门极MOSFFT管关断。这种器件比GTO有所改进，已做到4000A4500V，可望取代GTO。但它仍以GTO为基础，开关频率一般不超过1kHz； IGCT在HVDC、SVG 、APF等电力系统工频应用中将很有前途； 在较高工作频率(20kHz)下，高压IGBT正在实用化，把IGBT和GTO二者优点结合起来的“注入增强栅晶体管”(IEGT)正在迅速开发中，它们在中高压大功率电机调速中将发挥优势。,功率 MOSFFT,功率MOSFFT管取得对功率双极型晶体管的市场优势；1988年二者市场比例约是1：3，1997年二者在美国市场的比例转为1：0.8，亚洲市场比例则为1：13、目前市

35、场上，MOSFET管和功率双极晶体管已平分秋色，前者取上升趋势； 在一般开关电源中，MOSFFT管虽受到霹雳型IGBT的挤压，但仍在不断改进，向更高频率、通态电阻更低的方向发展； 美国APT公司开发120MHz、150W300V的MOSFFT管，向微波级赫(GHz)频段逼近； 美国哈里斯公司等开发了30200V系列、导通电阻为几毫欧的大电流MOSFET管，为电压逼近1V的计算机电源VRM以及汽车电子化提供优质开关器件； 美国APT公司1200V26A 1MHz的功率MOSFFT管已商品化。,新一代半导体材料碳化硅(SiC),硅是20世纪下半叶最成功、最成熟的功率半导体器件材料； 可以预见，碳化

36、硅(SiC)将是21世纪上半叶最可能成功和成熟的功率半导体器件材料； 碳化硅禁带宽，器件工作温度高达6000C，PN结耐压容易做到5KV，其通态电阻小，导热性好，漏电流极小； 美国现已制造出1750V的碳化硅Schottky二极管，正向压降仅1.3V； 作为对比，硅Schottky二极管耐压极难超过100V。此外还研制了750V的碳化硅MOSFFT管； 这种材料、器件、工艺和配套技术将在新世纪中成熟起来。关键是把晶片直径从2540mm增大到l00mm，且价格要降到100美元片以下。,智能功率集成电路(Smart Power IC)高电压集成电路(HVIC)专用集成电路(ASIC for Pow

37、er Electronics),制造具有各种不同功能的功率集成电路的最大优势是减少引线，提高可靠性，其经济效益也有明显增长； 10年来，具有功率控制能力，含有功率器件的智能功率集成电路(Smart Power IC)和高电压集成电路(HVIC)都已形成各种实用系列，但功率不是很大； 另一方面，供电力电子装置使用的各种专用集成电路(ASIC for Power Electronics)的类型和产量则迅速增长； 其中，有的为实现有源功率因数校正(APFC)、零电压开关(ZVS)和零电流开关(ZCS)、脉宽调制等各种特殊电路功能； 有的专用芯片是用以实现各种不同蓄电池快速充电、不同交直流电机、无刷永

38、磁电机、步进电机及开关磁阻电机调速等； 有的是驱动各种主开关器件的集成电路； 这些专用集成电路产品在我国基本上还是空白，如不重视解决，在下世纪内可能会进一步加大同国外的差距。,智能化电力电子模块IPM和PEBB,80年代发展起来的智能功率模块(Intelligent Power Module)，将具有驱动自保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中，并可用于10100W电传动系统； 进入90年代，大功率IPM已成为电力电子科技领域的一个研究重点； 由于分布式电源系统DPS(Distributed Power System)的发展，美国海军研究所提出了集成电力电子模块PEBB(Powe

39、r Electronic Building Block)计划, 以设计舰艇的DPS； 采用标准电力电子模块封装(Packaging)，将很多元器件组装在一起，从而将电路设计工程提高到系统级(System Level)； 其中包括：功率开关器件、集成无源元件、表面贴装元件(驱动、控制、检测、保护等电路)、母线、散热器等； 甚至将功率变换器、逆变器的标准电路与电机控制电路、电源、电路开关等集成为一个模块；,智能化电力电子模块IPM和PEBB,由于不同的元器件、电路、集成片的封装或相互联接产生的寄生参数已成为影响电力电子系统性能的关键问题，所以采用IPM方法可以减少设计工作量，使生产自动化，提高系统

40、质量、可靠性和可维护性，设计周期短，成本下降； IPM是单层单片集成、一维封装；而PEBB电压高、电流大，属于多层多片集成、三维封装，结构更复杂，多方向散热，热设计也更重要； 其中待解决的基本问题有：结构的确定和通用性问题，新型电力电子器件的评估，开关单元(cell)拓扑，高压功率器件单片集成并与检测、控制电路集成在同一基片上的问题，大功率无源元件集成，三维封装(控制寄生参数和寄生影响，使它们极小)，热流处理(thermal management)，设计软件，接口与系统兼容性，性能预测，可靠性，冗余和容错等； 这些问题都需要跨学科联合研究；,智能化电力电子模块IPM和PEBB,美国Virgin

41、ia电力由于中心已开发了两套PEBB样品：60kW整流逆变器，250kW超导磁铁储能系统(SMES)的功率处理单元(用于美国阿拉斯加州电力网)。现正为美国海军建造三相100kW ZCS整流逆变器，用于21世纪初的电动舰艇上。其前途为所谓“All-in-one”，即把一台电力电子装置(或系统)的所有硬件, 都以芯片形式封装在一个模块内。这样，装置(或系统)的体积达到最小，所有引线减至最少，寄生电感、电容降到最低，可靠性大为提高。 美国Van Wyk教授认为表面贴装系统的集成应当用混合技术，因为从器件角度看是最佳的材料，导磁性不一定最佳，而对器件、导磁最佳的材料，导电性未必最佳。他并预言，到201

42、0年可做出单元功率为1MW的电力电子系统，从材料、声音、电磁、完全可回收性等角度看，将是对环境无害并且是免维护的人工智能技术的应用使系统具有多功能。,软开关技术,为缩小功率开关变换器的体积，提高其功率密度，并改善动态响应，从70年代起，高频化的程度一直是功率变流技术发展进步的技术标志。但高频化又会产生新的问题，如开关器件的开关损耗及无源元件的损耗增大，高频寄生参数及高频EMI问题严重等； 应用各种软开关技术(包括无源无损软开关技术，有源软开关技术)可以减少开关损耗，提高效率。美国Vicor公司生产的48V600W输出、DCDC开关变换器模块，由于采用高频软开关技术，功率密度已达到732W/cm

43、3(120Win3)；效率为90。3MHz低电压(1V)输出的便携式DC-DC变换器也在研究中。 美国ETM公司开发了为行波管配套的LCC谐振式ZCS高压开关电源，输出11kV, 15kW, 开关频率100kHz，效率92。 1994年2月，IEEE电力电子学会组织“功率变换技术2000年展望”专题研讨会，就DCDC及ACDC功率变换器的发展趋势与需求进行探讨。例如高功率密度DCDC ZVS开关变换器1994年经济技术指标与2000年预计指标对，在保证可靠性增加一倍的基础上，开关频率和功率密度均提高一倍，尺寸和成本将降低一半，效率增加l0，现有产品已达到或接近这一目标。高频、高效、高功率密度的

44、DCDC开关变换器，不仅与软开关技术有关，而且与器件性能、无源元件、封装技术等也都有很大关系。,软开关技术,国际上7080年代主要研究方向是ZVS或ZCS谐振、准谐振软开关技术，其缺点是开关电流(电压)应力高，并且变频控制复杂。 进入90年代，各种软开关技术的开发和应用有较大发展。 ZVSZCSPWM、ZVTZCTPWM、移相全桥和有源钳位ZVSPWM变换器等都有较大发展； 针对中等功率移相全桥ZVSPWM技术的固有缺点以及应用IGBT后的特点，人们又做了许多改进研究，提出了混合ZVZCSPWM移相全桥软开关技术； 在ZCTPWM Boost电路基础上的改进研究，得到ZVTZCTPWM大功率软

45、开关变换器新拓扑，使整流管和辅助开关也实现了软开关，提高了电路效率； 也有人将ZVT/ZCT PWM技术应用于APFC和三相全桥FWM整流器。,软开关技术,大功率软开关逆变器的开发，也有很大进展。 80年代末，Divan提出并联谐振直流环(DC Link)逆变器(PRDCLI)； 90年代又有许多研究成果，例如美国PNGV(新一代汽车协会)1996年报道，Oak Ridge国家实验室在混合电动汽车中成功地应用了辅助谐振换相ZVS逆变器，其功率为100kW，尺寸023m03m015m(9in12in6in)，功率密度11kWkg(PNGV要求为5kWkg)。试验结果满意：高速和低速时效率分别为9

46、8和80，dvdt从3000V/us降为560Vus。 在感应加热等工业应用方面，20kHz2MHz高频大功率谐振逆变器也有发展，如汽车工业零件表面淬火用SIT电流源并联谐振逆变器的频率和功率达到200kHz/200kW；焊管用MOSFET电压源串联谐振逆变器的频率和功率则达到350kHz600kW。,谐波治理技术,由于电网中有许多电力电子装置、电磁设备和电子设备等非线性负载，使电网产生谐波电压和电流。 这些谐波分量会导致在某一频率谐振，使电力电容器或电力变压器发生爆炸等恶性事故。而许多电力电子电路(如UPS、离线式开关变换器、荧光灯镇流器、传动装置等)以及大量电子仪器的输入级为ACDC整流平

47、波电容组合电路，输入电流波形呈尖脉冲状，因此交流网侧功率因数只有0607，电流的总谐波畸变(THD)很大可超过100。 为了防止电网的谐波污染，或限制电子设备对电网发射谐波电流，国际上已经制定了许多电磁兼容标准，如针对中小功率电器设备的IEC555-2、IEC-3-2以及其他军用标准；适用于大功率电器设备的IEEE519，IEC555-4等。利用电力电子变流技术构造有源电力滤波器APF(Active Power Filter)、静止无功功率发生器SVG(Static Var Generator)、有源功率因数校正器APFC(Active Power Factor Corrector)等，可治理

48、电网的谐波，显著改善电网污染程度。,谐波治理技术,90年代功率因数校正技术有了极大发展。在输入整流器之后加一级APFC电路(DCDC开关变换器)，利用PFC控制集成电路片使输入端电流波形接近正弦，从而有可能使输入端功率因数近于1。但成本要增加1520。最常见的APFC主电路是boost开关变换器，可以用峰值电流，平均值电流或滞环(hysteresis)电流等方法控制。 国内外均已将软开关技术应用于APFC电路，从而提高了效率。对于小功率(100W以下)ACDC开关电源，现在国内外正在开发研究单级高功率因数电源(PFC和开关电源用一级主电路构成)，功率因数可达09，成本只增加5。 相对而言，实现

49、三相APFC要比实现单相APFC更困难些。90年代中期已开发出一些三相APFC，如：单开关三相APFC、三相全桥PWM整流器、在三相电路中采用高次谐波注入(injected)PWM控制器。目前国外已有500KVA的三相APFC，应用DSP控制。 日本三菱公司已开发出PF0999(THD3)的大功率UPS，用IGBT，单机容量15MVA 8台并联(调制频率8l0kHz)。 日本在电网上已安装一批10KVA60MVA有源滤波器(APF)，如1995年东海道新干线安装3台东芝造GTO并联APF，总功率316MVA，采用dq理论时域控制策略，补偿无功及负序电流，目前这条新干线还安装了几台4060MVA

50、的APF。 美国Van Wyk认为APF的发展方向应是；降低安装和运行费用，尤其是小功率APF的成本；将PWM动态APF扩大到10MVar以上；澄清功率理论的混乱现象；建立损耗模型；开发自适应、学习系统位于APF动态运行；应用现代模糊、神经控制系统等使APF的费用/效益(Cost-Effective)最优。,高频磁技术(High Frequency Magnetics),随着电力电子电路与系统的高频化(几十、几百千赫、兆赫不等), 在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能(如开关尖峰能量、噪声水平等)产生重要影响。尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻Rac和分布电容等在低频

51、和高频下的表现有很大不同。虽然，磁理论研究已有多年历史，但进入90年代后，电力电子的高频磁技术理论作为学科前沿问题，受到人们的广泛重视，如：磁芯损耗的数学建模、磁滞回线的仿真建模、高频磁元件的计算机仿真建模和CAD、高频变压器一维和二维仿真模型等。 适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，如56um超簿钴基非晶态磁带，1MHz(Bm0.1T)时，比损耗仅为0.71Wcm3，是MnZn高频铁氧体的1314。铁基非晶态磁粉型压磁心及纳米结晶软磁薄膜(Film)也在研究。 高频磁元件(如储能电感等)的设计决定了高效率电力电子电路的性能、损耗分布和波形等，人们希望给出高频磁元件的设计准则(Guidel

52、ine)、方法(Methodology)、参数关系(磁参数和结构参数与电路性能的依赖关系)，明确设计的自由度与约束条件等也是近期高频磁技术研究的主要内容之一。,变频技术,现代变频技术是重要的节能和环保技术，在各种工业生产、交通运输和家用电器中应用十分广泛。 Leohard认为：工业发达国家电力传动系统几乎消耗一半电能。从欧洲市场分析可看出现代变频技术的发展趋势：据统计，到2002年欧洲变频器(Inverter或AC driver)产量为5855xl04台，市场销售额151亿美元，以1995年为基准，平均年增长75。 其技术特点包括：EMI滤波器集成在变频器内，有储存参数的记忆卡，有串行通信功能

53、(Serial communication)，有基于Windows的软件；有的变频器集成在电动机内(称为Integral motor)。 80年代，变频技术只提供可变频、变压的电源，以后发展了矢量控制技术。 到90年代，应用正弦变频、空间矢量PWM变频、无速度传感变频等新技术构成了一批新型变频器。 台湾省科技界也十分重视现代变频技术的研究，1997年科委工程处设立“电力电子推动组(Promotion Group)”，“交流传动系统分析、控制、测量与实现”是该组大型研究计划之一。投资约30万美元，组织10余位教授参加，设子课题14项，包括：CAD、MATLAB和SIMULINK软件应用，DSP控

54、制、智能控制、参数白适应、在线检测、直接转矩控制、无速度传感矢量控制，源侧PFC，电机传动系统的参数特性测量等。,变频技术,90年代变频技术的主要研究成果是： 100kVA以下变频调速系统(包括洗衣机、空调)应用IPM或功率MOSFET管可快速准确控制功率流，进一步降低噪声、源侧谐波电流以及EMI。 中等功率IGBT交流传动系统的功率已达15003000kW，用于电牵引，城市轻轨机车以及钢材轧制装置等。 大功率变频调速系统(电机车牵引、轧机主传动、超导储能系统、FACTS它等)需要大电流高电压GTO或光控晶闸管。现已有芯片直径达15.2cm(6in)的GTO，从而使轧机主传动系统每桥臂可只用一

55、个GTO，系统大为简化。15.2cm(6in)4kA8kV的光控晶闸管(关断时间为几百微秒)和12.7cm(5in)4kA6kV 500Hz GTO也在开发。 大功率器件的研制成功为10MVA级交交变频传动系统(Cyclo-Converter)创造了条件。如ABB Industries AG公司1996年用新型器件GCT制造100MW的50Hz16.66Hz(电压为112kV121kV)变频装置。ABB公司并提出，下一世纪通用变频器调速系统采用无速度传感器和直接转矩控制方案。GE公司5kVA以下中压变频器IGBT，515MVA的装置则用IGCT；采用无感多层引线，热管散热，不加吸收网络。,变频

56、技术,1992年东芝公司开发了1125MVA轧机主传动装置；日本Ohkawachi抽水蓄能电站400MW机织的VVVF传动系统1993年底投人运行，由日立公司制造72MVA/52kV直接变频器，应用3kA/4kV光控晶闸管；1997年东芝公司制造的40MW PWM整流器及三电平电压源逆变器，采用45kV3kA、500Hz GTO,已用于300MW抽水蓄能机组。 1996年日本有人预测到2001年及2006年，对应用三种电力电子器件制造的大功率逆变器容量发展与1996年比较如下表。 表 (/MVA) 功率传动系统进一步要研究的内容有：减少吸收网络损耗，开发高频驱动电路，多桥联接、多电平电压型逆变

57、器及其控制，PWM开关器件的直接并联，故障自诊断、自整定和自测试, 开发灵活的便于用户使用(User friendship)的软件包。最新控制理论的应用：自适应控制，负载扰动观测器控制，2自由度控制，加速度控制，H控制，带反馈补偿协调控制，模糊逻辑控制，神经网络自整定控制以及智能控制等。,电力电子技术在电力系统中的应用,早期电力电子技术在电力系统中的应用领域主要有：发电机自励磁系统、高压直流输电(HVDC)、静止无功补偿器SVC等。 为了改善电网供电质量，国内外均在现代电力系统中设置功率处理装置(Power Processing Equipment)，如：无功功率及负序电流补偿、谐波补偿、谐波

58、阻尼、Flicker补偿和或电压调节等。 静止同步补偿器STATCOM(Static Synchronous Compensator)是提高电力系统供电质量的有力的工具。日本和美国已分别开发了STATCOM，容量为80MVA和100MVA。清华大学与河南电力局合作研制20MVA的STATCOM，中间试验装置正在试运行。 80年代末期，美国电力研究院(EPRI)提出了灵活交流输电系统FACTS的设想，以控制功率流(Power flow)输送，并保证输电系统的稳定条件。90年代初投资l亿美元进行FACTS的试验研究，并陆续开发出FACTS的专用电力电子设备和相应的计算机软件，在美国一些电力系统中示范运行，如：100Mvar的STATCOM，320MVA统一潮流控制器UPFC，用于50kV输电系统的晶闸管控制串联补偿TCSC等。 我国也已着手进行FACTS的预研究，300kvar的SVC样机已进入工业试运行阶段；TCSC的可行件研究、仿真研究都取得了一些成果。,电力电子技术在电力系统中的应用,90年代中，美同EPRI又提出了用于配电系统的用户电力(Custom Power)新技术，如配电网电能质量统一控制器(UPQC)，以保证向用户提供增值(Valueadded)的、高可靠、高质量的电力。主要利用GTO、IGBT等电力电子控制设备，提高供电可靠性