第1章 電力電子技術(shù)

1電力電子與現(xiàn)代生活PowerElectronics

TechnologyandModernLife山東大學(xué)電氣工程學(xué)院電力電子研究所顏世鋼sgyan201@163.com2本課程主要內(nèi)容：

第一部分：概論第二部分：器件及變換電路第三部分：應(yīng)用：家用電器

、交通領(lǐng)域、電力系統(tǒng)、新能源與環(huán)保、工業(yè)控制等。

電力電子與現(xiàn)代生活電力電子與現(xiàn)代生活第1章電力電子與現(xiàn)代生活概論4

第1章電力電子與現(xiàn)代生活概論

1.1電力基礎(chǔ)知識(shí)

1.2電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

1.3電力電子技術(shù)概述

1.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術(shù)

1.5電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1.6電力電子與節(jié)能51.1電力基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1電力技術(shù)與電力工業(yè)的發(fā)展簡史電力技術(shù)的發(fā)明與電力工業(yè)的建立已有100余年的歷史。人類近代歷史上的第一次技術(shù)革命：蒸汽革命17世紀(jì)，牛頓（

Newton，1642~1727）力學(xué)的建立，成為第一次技術(shù)革命的先導(dǎo)；6電力工業(yè)的發(fā)展簡史18世紀(jì)下半葉（1769年），瓦特（J.Watt，1736~1819）發(fā)明蒸汽機(jī)為第一次技術(shù)革命的主要標(biāo)志。蒸汽機(jī)取代自然力成為機(jī)器制造、采礦、冶金、鐵路、化學(xué)、紡織等行業(yè)的主要?jiǎng)恿?，蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用大大促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，從此人類開始從農(nóng)業(yè)社會(huì)跨入工業(yè)社會(huì)。蒸汽革命7電力工業(yè)的發(fā)展簡史人類近代歷史上的第二次技術(shù)革命：以18世紀(jì)末至19世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)基本原理、電磁感應(yīng)現(xiàn)象為先導(dǎo)的。1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)原理，奠定了發(fā)電機(jī)的理論基礎(chǔ)?？茖W(xué)的發(fā)現(xiàn)，引起了技術(shù)的發(fā)明。1866年，馮·西門子發(fā)明了勵(lì)磁電機(jī)，并預(yù)見：電力技術(shù)很有發(fā)展前途，它將會(huì)開創(chuàng)一個(gè)新紀(jì)元。8電力工業(yè)的發(fā)展簡史1876年，貝爾發(fā)明了電話；1879年，愛迪生發(fā)明了電燈。19世紀(jì)未以后，三相交流發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、遠(yuǎn)距離輸電以及有線電、無線電通信技術(shù)的陸續(xù)發(fā)明和應(yīng)用，成為第二次技術(shù)革命的主要標(biāo)志。電氣革命9電力工業(yè)的發(fā)展簡史1882年，愛迪生建成世界上第一座正規(guī)的發(fā)電廠，裝有6臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，通過110V電纜供電，輸電距離1.6km，供6200盞白熾燈照明用，完成了初步電力工業(yè)技術(shù)體系。1881年，美國高拉德和吉布斯取得“供電交流系統(tǒng)”專利，發(fā)明家威斯汀豪斯買下此專利，并以它為基礎(chǔ)于1885年制成交流發(fā)電機(jī)和變壓器，并于1886

年建成第一個(gè)單相交流送電系統(tǒng)。1891年，在德國勞芬電廠安裝了世界第一臺(tái)三相交流發(fā)電機(jī)，建成第一條三相交流送電線路?，F(xiàn)代電力工業(yè)雛形

10電力工業(yè)的發(fā)展簡史發(fā)電機(jī)容量發(fā)展歷史：1960年，美國制成50萬kW

汽輪發(fā)電機(jī)。1963年,美國制成100萬kW

雙軸汽輪發(fā)電機(jī)。1973年，美國將BBC公司制造的130萬kW

雙軸汽輪發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行。1980年，前蘇聯(lián)在科斯特羅姆火電廠單軸120萬kW機(jī)組投入運(yùn)行，這是世界上唯一的一臺(tái)單軸最大機(jī)組。11電力工業(yè)的發(fā)展簡史高電壓輸電發(fā)展歷史：1954年，瑞典首先建成第一條380kV輸電線。1964年，美國建成第一條500kV輸電線路，同年，原蘇聯(lián)也完成500kV輸電系統(tǒng)。1965年，前蘇聯(lián)建成±400kV直流輸電線路。同年，加拿大建成765kV輸電線路。1989年，前蘇聯(lián)建成一條世界上最高電壓1150kV、長1900km交流輸電線路。121.1.2中國電力工業(yè)的發(fā)展1.1.2中國電力工業(yè)的發(fā)展1882年上海創(chuàng)建第一個(gè)12kW發(fā)電廠，已有120年歷史。1949年，全國發(fā)電裝機(jī)容量185萬kW，年發(fā)電量43億kW·h1978年，裝機(jī)容量達(dá)到5712萬kW，年發(fā)電2566億kW·h。(30)2010年，裝機(jī)容量9.5億千瓦，年發(fā)電量4.3萬億kW·h。(510)13中國電力工業(yè)的發(fā)展發(fā)電機(jī):1975年，自行設(shè)計(jì)制造第一臺(tái)30萬kW汽輪發(fā)電機(jī)。目前，國內(nèi)運(yùn)行最大機(jī)組是60萬kW汽輪發(fā)電機(jī)和90萬kW核電機(jī)組。汽輪發(fā)電機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)組14中國電力工業(yè)的發(fā)展輸電線路:1972年，建成330kV輸電線路。1981年，建成第一條500kV輸電線路，河南姚孟到武漢。1990年，第一條葛洲壩至上?！?00kV直流輸電線路。2008年，國家電網(wǎng)1000kV特高壓骨干網(wǎng)架示范工程已在晉城—南陽—荊門之間建成并投入使用。151.1.3電力工業(yè)的特點(diǎn)電力工業(yè)主要包括5個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)：①發(fā)電，②輸電，③變電；④配電；⑤用電電力生產(chǎn)過程是連續(xù)的，發(fā)、輸、變、配電和用電在同一瞬間完成，因此發(fā)電、供電、用電之間，必須隨時(shí)保持平衡。電力系統(tǒng)內(nèi)，各環(huán)節(jié)在電磁上相互耦合，因此，任何一點(diǎn)發(fā)生故障，都會(huì)在瞬間影響和波及全系統(tǒng)，處理不當(dāng)，會(huì)引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致事故擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生大面積停電事故。電力生產(chǎn)過程有嚴(yán)格的統(tǒng)一調(diào)度制度。系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)電廠、變電站和供電所都必須接受統(tǒng)一調(diào)度，執(zhí)行調(diào)度員的命令；161.1.4直流電源直流電源是指能夠提供直流電流(電流的方向不變)的電源。包括兩大類：

一類是指化學(xué)電源，如干電池、蓄電池、燃料電池等。一類是指由交流電變換來的直流電源，如線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)型穩(wěn)壓電源（簡稱開關(guān)電源）和特種直流電源等。171.1.5交流電源交流電源：是指電流大小和方向都隨時(shí)間周期性變化的電源稱為交流電源。交流電的幅值、頻率和初相位是構(gòu)成交流電的三大要素。在我國，電力網(wǎng)稱為工頻交流電源，頻率為50Hz。Oπ2πωtuUm圖1-1正弦交流電流的波形3π181.1.6形形色色的用電負(fù)載與電能變換用電負(fù)載交流負(fù)載直流負(fù)載按頻率分工頻交流負(fù)載高頻交流負(fù)載可變頻交流負(fù)載節(jié)能燈，感應(yīng)加熱變頻空調(diào)按電壓分恒壓交流負(fù)載可變壓交流負(fù)載高、中、低壓各類交流電機(jī)調(diào)光臺(tái)燈，調(diào)速電扇按電壓分恒壓直流負(fù)載可變壓直流負(fù)載按容量分小、中、大功率直流負(fù)載高、中、低壓各類直流電機(jī)、電力機(jī)車、電子設(shè)備直流調(diào)速電機(jī)

電網(wǎng)提供的是固定電壓、固定頻率的交流，與多種負(fù)載的需求形成矛盾。這就需要對電能進(jìn)行變換。按容量分按容量分小、中、大功率交流負(fù)載191.2電子技術(shù)基本知識(shí)電子技術(shù)是十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初發(fā)展起來的新興技術(shù)，二十世紀(jì)發(fā)展最迅速，應(yīng)用最廣泛，成為近代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志。進(jìn)入21世紀(jì)，人們面臨的是以微電子技術(shù)（半導(dǎo)體和集成電路為代表）電子計(jì)算機(jī)和因特網(wǎng)為標(biāo)志的信息社會(huì)?，F(xiàn)代電子技術(shù)在國防、科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊（信息處理、傳輸和交流）及文化生活等各個(gè)領(lǐng)域中都起著巨大作用?，F(xiàn)在的世界，電子技術(shù)無處不在：收音機(jī)、彩電、音響、VCD、DVD、電子手表、數(shù)碼相機(jī)、微電腦、大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)流水線、因特網(wǎng)、機(jī)器人、航天飛機(jī)、宇宙探測儀，可以說，人們現(xiàn)在生活在電子世界中，一天也離不開它。

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電子技術(shù)的應(yīng)用電子技術(shù)的應(yīng)用:21電子器件的兩個(gè)發(fā)展階段

電子技術(shù)是以電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的，電子器件的發(fā)展分為兩個(gè)階段：分立元件階段（1905～1959）真空電子管半導(dǎo)體晶體管集成電路階段（1959～）SSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI22

分立元件階段電子管時(shí)代（1905～1948）1905年愛因斯坦闡述相對論——E＝mc21906年德福雷斯特在弗萊明真空二極管上加?xùn)艠O，制成第一只真空三極管1912年阿諾德和蘭米爾研制出高真空電子管1922年弗里斯研制成第一臺(tái)超外差無線電收音機(jī)1934年勞倫斯研制成回旋加速器1940年帕全森和洛弗爾研制成電子模擬計(jì)算機(jī)1947年肖克萊、巴丁和布拉頓發(fā)明晶體管；香農(nóng)奠定信息論的基礎(chǔ)23分立元件階段玻璃外殼玻璃外殼金屬板陽極燈絲（陰極）金屬板陽極燈絲（陰極）柵極

真空二極管真空三極管真空三極管的外形

圖真空管的結(jié)構(gòu)及外形真空電子管24a）真空二極管的簡化工作原理1.燈絲會(huì)把陰極加熱至紅熱，把陰極的原子激發(fā)。2.陰極接上電池組的負(fù)極，向外發(fā)射電子。3.陽極接上電池組的正極，與陰極形成電勢差，所以，帶負(fù)電荷的電子就由陰極奔向陽極。電子4.電流：是指電子的流動(dòng)，因?yàn)橛须娮訌年帢O走向陽極所以形成了電流。

a）真空二極管的簡化工作原理。25b）真空三極管的簡化工作原理b）真空三極管的簡化工作原理1.燈絲會(huì)把陰極加熱至紅熱，把陰極的原子激發(fā)。2.陰極接上電池組的負(fù)極，向外發(fā)射電子。4.電流：是指電子的流動(dòng)，因?yàn)橛须娮訌年帢O走向陽極所以形成了電流。5.電子是帶負(fù)電荷的。由于同性相斥，只要把柵極接上負(fù)電壓，就可以控制電子的流量6.柵極。柵極好像一道放在陰極和陽極之間的閘。電子3.陽極接上電池組的正極，與陰極形成電勢差，所以，帶負(fù)電荷的電子就由陰極奔向陽極。26分立元件階段晶體管時(shí)代（1948～1959）1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克萊研制成第一個(gè)晶體管1948年貝爾實(shí)驗(yàn)室的香農(nóng)發(fā)表信息論的論文1950年麻省理工學(xué)院的福雷斯特研制成磁心存儲(chǔ)器1954年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制太陽能電池和單晶硅1957年蘇聯(lián)發(fā)射第一顆人造地球衛(wèi)星1958年美國得克薩斯儀器公司和仙童公司研制成第一個(gè)集成電路

27分立元件階段左起：巴丁(J·Bardeen)、肖克萊(W·Schokley)和布拉頓(W·H·Brattain)晶體管的三位發(fā)明人幾種常見的三極管外形28

集成電路階段(1959~)自1958年第一塊集成元件問世以來，集成電路已經(jīng)跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規(guī)模幾個(gè)臺(tái)階，集成度平均每2年提高近3倍。隨著集成度的提高，器件尺寸不斷減小。時(shí)期規(guī)模集成度（元件數(shù)）50年代末小規(guī)模集成電路（SSI）10060年代中規(guī)模集成電路（MSI）100070年代大規(guī)模集成電路（LSI）>100070年代末超大規(guī)模集成電路（VLSI）1000080年代特大規(guī)模集成電路（ULSI）>10000029

集成電路階段(1959~)集成電路制造技術(shù)的發(fā)展日新月異，其中最具有代表性的集成電路芯片主要包括以下幾類，它們構(gòu)成了現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的基石?？删幊踢壿嬈骷≒LD）微控制芯片（MCU）數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）大規(guī)模存儲(chǔ)芯片（RAM/ROM）30

電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡介伴隨著電子技術(shù)而發(fā)展起來的電子計(jì)算機(jī)所經(jīng)歷的四個(gè)階段，充分說明了電子技術(shù)發(fā)展的四個(gè)階段的特性。第一代（1946～1957）電子管計(jì)算機(jī)

基本電子元件是電子管，內(nèi)存儲(chǔ)器采用水銀延遲線，外存儲(chǔ)器主要采用磁鼓、紙帶、卡片、磁帶等。運(yùn)算速度只是每秒幾千次~幾萬次基本運(yùn)算，內(nèi)存容量僅幾千個(gè)字。程序語言處于最低階段，主要使用二進(jìn)制的機(jī)器語言，后階段采用匯編語言。體積大，耗電多，速度低，造價(jià)高，使用不便，主要局限于一些軍事和科研部門進(jìn)行科學(xué)計(jì)算。（ENIAC）31

電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)：1946年在美國研制成功，取名ENIAC。使用18800個(gè)電子管，占地170平方米，重達(dá)30噸，耗電140千瓦，價(jià)格40多萬美元，每秒可進(jìn)行5000次加法和減法運(yùn)算。1946.2交付使用，1955.10最后切斷電源，服役長達(dá)9年。ENIAC32電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第二代（1958～1963）晶體管計(jì)算機(jī)：基本電子元件是晶體管，內(nèi)存儲(chǔ)器大量使用磁性材料制成的磁芯存儲(chǔ)器。與第一代電子管計(jì)算機(jī)相比，晶體管計(jì)算機(jī)體積小，耗電少，成本低，邏輯功能強(qiáng)，使用方便，可靠性高

。（IBM7090）IBM709033電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第三代（1964～1970）集成電路計(jì)算機(jī)：基本元件是小規(guī)模集成電路和中規(guī)模集成電路，磁芯存儲(chǔ)器進(jìn)一步發(fā)展，并開始采用性能更好的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，運(yùn)算速度提高到每秒幾十萬次基本運(yùn)算。由于采用了集成電路，第三代計(jì)算機(jī)各方面性能都有了極大提高：體積縮小，價(jià)格降低，功能增強(qiáng)，可靠性大大提高。（IBM360系列為代表）

IBM360晶體管計(jì)算機(jī)34電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展第四代（1971～）大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)：基本元件是大規(guī)模集成電路，甚至超大規(guī)模集成電路，集成度很高的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器替代了磁芯存儲(chǔ)器，運(yùn)算速度可達(dá)每秒幾百萬次，甚至上億次基本運(yùn)算。具有體積小、功能強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。品牌電腦351.3電力電子技術(shù)概述電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)1.3.1電子技術(shù)的兩大分支：信息電子技術(shù)：信息電子技術(shù)主要用于信息處理：對聲音、圖像、文字、數(shù)字等各種信號(hào)進(jìn)行獲取、加工、處理、存儲(chǔ)、傳播和使用。主要器件：晶體管、集成電路包括子學(xué)科：電子科學(xué)和技術(shù)、電子信息工程、通訊工程、微波工程，計(jì)算機(jī)工程等。361.3.1電子技術(shù)的兩大分支電力電子技術(shù)：定義：是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的一門新興學(xué)科。是弱電（低電壓、小電流—電子電路）與強(qiáng)電（高電壓，大電流—電力）相互結(jié)合，由弱電控制強(qiáng)電的新領(lǐng)域。所用器件：采用半導(dǎo)體材料制成，故稱電力半導(dǎo)體器件。

包括：晶閘管、絕緣柵極晶體管IGBT、電力晶體管、電力場效應(yīng)管、門極可關(guān)斷晶閘管等應(yīng)用場合：主要為各種負(fù)載提供合適的電源、電力系統(tǒng)能量變換等。371.3.1

電子技術(shù)的兩大分支據(jù)技術(shù)發(fā)達(dá)國家的專家統(tǒng)計(jì)，大約有60%以上的電能是經(jīng)過電力電子技術(shù)處理后被使用的，在中國大約為40%。家庭在很多大學(xué)和國際組織（包括美國IEEE電力電子學(xué)會(huì)）的文件中，都把電力電子稱為一種無所不在的技術(shù)。的確，當(dāng)你開車，坐地鐵，乘電梯，用電腦，開空調(diào)，用微波爐做飯，用冰箱制作冷飲，打電話或使用手機(jī)，開臺(tái)燈，聽音樂，看電視，你都在和電力電子技術(shù)打交道。想不到吧？雖然電力電子這一名詞對于我們大多數(shù)人來說還比較陌生，但它與我們的生活息息相關(guān)，它在各種電器中都擔(dān)負(fù)著極其重要而又默默無聞的工作。幕后英雄

38基本器件器件材料制造工藝?yán)碚摶A(chǔ)應(yīng)用場合工作環(huán)境信息電子三極管集成電路半導(dǎo)體材料集成工藝電路理論信息處理低電壓小電流電力電子晶閘管功率晶體管半導(dǎo)體材料集成工藝電路理論電力變換高電壓大電流信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的比較：1.3.1

電子技術(shù)的兩大分支391.3.2電力電子的核心技術(shù)電力變換技術(shù)是電力電子技術(shù)的核心技術(shù)。電力變換技術(shù)也叫做變流技術(shù)，所以早期的電力電子技術(shù)也叫做半導(dǎo)體變流技術(shù)，后來也有人稱之為電力電子變流技術(shù)。電力電子技術(shù)電力電子器件電力變換技術(shù)----是基礎(chǔ)----是核心控制電路（信號(hào)、信息）電力電子變換裝置輸入（電源）輸出（負(fù)載）圖1-3電力變換與控制的基本功能40

電力——交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。（參數(shù)：）

電力變換四大類

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類逆變直流斬波直流交流電力控制、變頻、變相整流交流交流直流

輸出輸入

電力電子的核心技術(shù)

電力變換技術(shù)41

四種類型電能變換的關(guān)系A(chǔ)CDCACDC整流逆變直流變換交流變換

電能變換的四種類型電力變換：也稱為電能變換、功率變換、變流技術(shù)42

四種類型的電能變換（1）整流（AC→DC）：將交流電轉(zhuǎn)換為電壓固定或可調(diào)的直流電，稱為整流，這種變換是正變換。用于充電、電鍍、電解、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速以及各類電子儀器和家用電器的直流電源、高壓直流輸電等。電鍍43

四種類型的電能變換（2）逆變（DC→AC）：將直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓為固定或可調(diào)的交流電，是與整流過程相反的變換，故稱為逆變。用于恒壓恒頻（CFCF）電源、不間斷供電電源(UPS)、各種變頻電源、中頻感應(yīng)加熱、交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速、高壓直流輸電、變頻家電等。應(yīng)用最廣泛UPS44

四種類型的電能變換（3）交流電力控制（AC→AC）：將交流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓為固定或可調(diào)的交流電，稱為交流電力控制。其中，對交流電壓的調(diào)節(jié)稱為交流電壓控制簡稱交流調(diào)壓，用于調(diào)光、風(fēng)扇調(diào)速、交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、軟啟動(dòng)器等；對交流輸出功率的調(diào)節(jié)稱為交流調(diào)功，常用于調(diào)溫電路，如電飯煲等。電熱恒溫箱軟啟動(dòng)器45

四種類型的電能變換（4）直流變換（DC→DC）：將直流電（幅值或極性）轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，稱為直流變換。不采用變壓器隔離的直流變換也稱為直接直流變換或直流斬波，應(yīng)用于城市電車、地鐵、電瓶車、搬運(yùn)車等直流電動(dòng)機(jī)的牽引傳動(dòng)；利用變壓器隔離的直流變換也稱為間接直流變換，用于電子儀器、計(jì)算機(jī)、電信設(shè)備等的直流開關(guān)電源等。46電力電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論連續(xù)、離散

電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)圖描述電力電子學(xué)的倒三角形

電力電子與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系1974年，美國的W.Newell用圖示倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。

WilliamE.Newell博士47電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生1.3.3電力電子技術(shù)的發(fā)展史481.電力電子技術(shù)的史前期或黎明期◆史前期或黎明期：晶閘管出現(xiàn)前的時(shí)期（1904-1957）?1904年出現(xiàn)電子管，能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。?20世紀(jì)30年代到50年代，水銀整流器廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電。這一時(shí)期，各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在這一時(shí)期，也應(yīng)用變流機(jī)組來變流。?1947年美國著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命，為電力電子器件的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。49電力電子技術(shù)的史前期或黎明期變流機(jī)組實(shí)現(xiàn)電力變換

交流電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)交流一直流變換下圖所示是交流變直流的直流發(fā)電機(jī)組。三相交流電網(wǎng)的50Hz電源，經(jīng)起動(dòng)器給交流異步電動(dòng)機(jī)供電，異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，發(fā)出負(fù)載所需的直流電。

經(jīng)典整流器效率低50電力電子技術(shù)的史前期或黎明期圖1-7所示是將公用電網(wǎng)50Hz恒頻、恒壓交流電變?yōu)轭l率、電壓都可變的交流電的交流變流機(jī)組。直流發(fā)電機(jī)組和交流發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)交流-交流電壓、頻率變換2經(jīng)典變頻器51晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生2.晶閘管時(shí)代522.晶閘管時(shí)代◆晶閘管時(shí)代（1957-1975）一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管為標(biāo)志的。晶閘管是一個(gè)半可控的單向?qū)щ婇_關(guān)，可用于整流。晶閘管由于其優(yōu)越的性能，很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式，簡稱相控方式。53

晶閘管的外形圖1-6晶閘管的外形54

晶閘管整流器時(shí)代相控整流電路的主要功能是使交流變成直流，因此當(dāng)時(shí)有晶閘管整流器時(shí)代之稱。應(yīng)用領(lǐng)域：直流傳動(dòng)（軋鋼、造紙等）、機(jī)車牽引（電氣機(jī)車、電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)、地鐵機(jī)車等）、電化電源（電解、電鍍等）是當(dāng)時(shí)的三大支柱應(yīng)用領(lǐng)域，直到今天這些裝置仍在大量生產(chǎn)和應(yīng)用。高壓直流輸電是晶閘管新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前普通晶閘管的水平為12kV/1kA和6500V/4000A。是目前單管功率最大的器件。55晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生3.全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期563.全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期20世紀(jì)70年代中期至80年代，門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）和電力場效應(yīng)管（PowerMOSFET）為典型代表的第二代自關(guān)斷全控型器件獲得迅速發(fā)展。同時(shí)，其它高頻率的器件如靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）等相繼問世，形成了一個(gè)新型的全控型電力電子器件的大家族。全控型器件的特點(diǎn)是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關(guān)斷。?全控型器件的主要控制方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式，并且推動(dòng)了PWM控制技術(shù)的迅速發(fā)展和應(yīng)用。與此相對應(yīng)，晶閘管的控制方式為相位控制方式。57可關(guān)斷晶閘管（GTO)

門極可關(guān)斷晶閘管GTO可關(guān)斷晶閘管（GTO——Gate-Turn-OffThyristor）是20世紀(jì)60年代初在美國通用公司問世的，但當(dāng)時(shí)容量很小沒有投入生產(chǎn)。1973年通用公司在GTO的設(shè)計(jì)制造工藝上得到突破，開發(fā)出大容量GTO。GTO具有高導(dǎo)通電流密度、高阻斷電壓，使它在高壓、大功率牽引、

工業(yè)和電力逆變器中得到廣泛應(yīng)用。目前GTO研制水平已達(dá)

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

58

電力晶體管（GTR）電力晶體管（GTR——GiantTransistor）也稱巨型晶體管，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子技術(shù)中的晶體管相類似，但是容量要大得多。GTR具有自關(guān)斷能力，控制十分方便，在許多電力變流裝置中得到應(yīng)用。GTR的額定值已達(dá)1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。優(yōu)點(diǎn)：加工工藝成熟、成品率極高、生產(chǎn)成本低廉、應(yīng)用電路成熟、使用方便等，應(yīng)用十分廣泛。電力晶體管(GTR)59電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子技術(shù)中的絕緣柵型場效應(yīng)晶體管（MOSFET）相類似，容量也是大很多。顯著特點(diǎn)：是驅(qū)動(dòng)電路簡單，驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，是目前所有電力電子器件中工作頻率最高的器件，其工作頻率可達(dá)數(shù)MHz。但是電力MOSFET的容量小，常用于高頻、小功率的電力電子裝置中，如電子設(shè)備的開關(guān)電源、小功率逆變器，手機(jī)、照相機(jī)等。電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）60晶閘管問世，(“公元元年”)

復(fù)合型器件及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生4.高性能復(fù)合型器件出現(xiàn)與發(fā)展614.高性能復(fù)合型器件出現(xiàn)與發(fā)展20世紀(jì)80~90年代，出現(xiàn)了以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)和集成門極換流晶閘管（IGCT）為代表的第三代復(fù)合型半導(dǎo)體器件。

IGBT：是美國無線電公司（RCA）和美國通用電氣公司（GE）1982年開發(fā)，于1986年開始正式生產(chǎn)。復(fù)合器件：

IGBT=電力場效應(yīng)管(MOSFET)+電力晶體管(GTR)

IGBT兼有MOS器件和GTR的優(yōu)點(diǎn)：特點(diǎn)：柵極（控制極）電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路簡單、驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)損耗小、工作頻率高、熱穩(wěn)定性好（MOS優(yōu)點(diǎn)），承受電壓較高、載流密度大、通態(tài)壓降?。℅TR優(yōu)點(diǎn)）。IGBT是目前應(yīng)用最廣泛的器件。62

絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT)IGBT制造水平除低壓(1700V/1200A)外，已開發(fā)出高壓IGBT，可達(dá)3.3KV/1.2KA

或4.5KV/0.9KA

的水平，器件工作頻率可達(dá)幾百KHz.。目前IGBT的主要生產(chǎn)廠家有美國的國際整流器公司，德國的西門子公司，日本的東芝公司、富士通公司、三菱公司、日立公司等。IGBT單管外觀IGBT模塊外觀63ABB公司開發(fā)的IGCT外形結(jié)構(gòu)

集成門極換流晶閘管（IGCT）1996年，瑞士ABB公司開發(fā)出集成門極換流晶閘管

IGCT。

IGCT=

GTO芯片+門極驅(qū)動(dòng)電路。

64集成門極換流晶閘管（IGCT）IGCT產(chǎn)品水平為4.5KV/4KA

，研制水平6KV/4KA。應(yīng)用于ABB公司的ACSl000變頻器等多類高壓設(shè)備。ACSl000變頻器65晶閘管問世，(“公元元年”)復(fù)合型器件及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時(shí)代晶閘管時(shí)代水銀（汞弧）整流器時(shí)代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時(shí)期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生5.功率模塊與功率集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展665.功率模塊與功率集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展1）功率模塊模塊化就是按照典型電力電子電路的結(jié)構(gòu)，將多個(gè)相同的電力電子器件或多個(gè)相互配合使用的不同電力電子器件封裝在一個(gè)模塊內(nèi)，共用一個(gè)外殼和散熱器。模塊內(nèi)部只有功率器件及其電路，不包含電子電路。

優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、通用性強(qiáng)、互換性好、結(jié)構(gòu)重復(fù)性好、外接線簡單、便于安裝和維修、總價(jià)格（包括散熱器）比分立器件低等。各種器件都有商品化模塊，如整流管模塊、晶閘管模塊、雙向晶閘管模塊、電力晶體管模塊、GTO模塊、MOSFET模塊、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）模塊等。67

幾種功率模塊外形結(jié)構(gòu)IGBT模塊晶閘管模塊電力MOSFET模塊電力GTR模塊圖1-22幾種電力電子器件模塊的外形圖68IGBT功率模塊的幾種內(nèi)部結(jié)構(gòu)

部分IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖單個(gè)IGBT單相橋三相橋二極管單相橋695.功率模塊與功率集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展2）功率集成電路（PIC）功率集成電路（PIC——PowerIntegratedCircuit）是指將電力電子功率器件與驅(qū)動(dòng)電路、邏輯電路、控制電路、保護(hù)電路、檢測電路、自診斷電路等信息電子電路制作在同一芯片上，封裝在一個(gè)外殼中。優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，引出線和焊接點(diǎn)少，壽命長，可靠性高，性能好，功能全面，成本低，便于大規(guī)模生產(chǎn)。已有系列PIC產(chǎn)品問世，包括功率MOS智能開關(guān)，電源管理電路、半橋或全橋逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。70一種功率集成電路PIC的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一種功率集成電路PIC的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理71表1競相發(fā)展的各種電力電子器件第一代不控、半控型器件第二代自關(guān)斷器件第三代復(fù)合型第四代功率集成電路PIC整流二極管（SR）快恢復(fù)二極管(FSR)吸收二極管FRD肖特基勢壘二極管（SBD）普通晶閘管（SCR）快速晶閘管（SCR）雙向晶閘管（Triac）逆導(dǎo)晶閘管（RCT）高頻晶閘管（HFSCR）非對稱晶閘管（ASCR）門極輔助關(guān)斷晶閘管（GATT）光控晶閘管（LATT）門極關(guān)斷晶閘管（GTO）門極換向晶閘管（GCT）電力晶體管（GTR）達(dá)林頓晶體管（DT）靜電感應(yīng)晶體管（SIT）靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）電力場效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)聯(lián)柵晶體管（GAT）場控晶閘管（FCTH）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）MOS控制晶閘管（MCT）高壓IGBT集成門極換流晶閘管（IGCT）注入增強(qiáng)型晶體管（IEGT）MOS雙門極晶閘管（EST）高壓集成電路（HVIC）智能功率集成電路（SPIC）智能功率模塊（IPM）72電力電子裝置與所用電力電子器件的用屬關(guān)系

電力電子裝置與所用電力電子器件的用屬關(guān)系工作頻率731.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術(shù)功率損耗：電力電子器件一般工作于開關(guān)狀態(tài)，但是器件由半導(dǎo)體材料制作，存在內(nèi)阻。通態(tài)損耗：器件在導(dǎo)通狀態(tài)下，不是理想的短路，內(nèi)部有一定的通態(tài)電阻，雖然非常小，但在流過較大的通態(tài)電流時(shí)，也會(huì)形成較大的功率損耗。斷態(tài)損耗：器件在阻斷狀態(tài)下，也不是理想的斷路，阻斷電阻不是無窮大，有微小漏電流流過，盡管數(shù)值很小，由于斷態(tài)阻抗很高，也會(huì)形成較大的功率損耗。開關(guān)損耗：器件在開通過程和關(guān)斷過程中，也會(huì)產(chǎn)生功率損耗，分別稱為開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱為開關(guān)損耗。

散熱和冷卻:各種損耗將導(dǎo)致器件發(fā)熱，需要散熱和冷卻。741.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術(shù)電力電子器件的冷卻技術(shù)：電力電子設(shè)備常用的冷卻技術(shù)包括自然冷卻、風(fēng)冷、液冷和熱管冷卻等方式。電力電子器件的風(fēng)冷散熱器751.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術(shù)

液體冷卻技術(shù)電力電子器件的水冷散熱電力電子模塊的液冷散熱761.5電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.在一般工業(yè)中的應(yīng)用交、直流電機(jī)調(diào)速：大至數(shù)千kW的各種軋鋼機(jī)，小到幾百W的數(shù)控機(jī)床的伺服電機(jī)，以及礦山牽引等場合。

一些對調(diào)速性能要求不高的大型鼓風(fēng)機(jī)、泵類等近年來也采用了變頻裝置，以達(dá)到節(jié)能的目的。

大型電機(jī)的軟起動(dòng)裝置。電化學(xué)工業(yè)：電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源，電解鋁、電解食鹽水等都需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源。冶金工業(yè)：電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻、中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。

77軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)電解鋁1.一般工業(yè)1.5電力電子技術(shù)的應(yīng)用變頻器78高頻、中頻感應(yīng)加熱電源791.5電力電子技術(shù)的應(yīng)用2、在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)。直流機(jī)車中采用整流裝置，交流機(jī)車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在磁懸浮列車中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)外，車輛中的各種輔助電源也離不開電力電子。機(jī)車的空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等需要電力變換。電動(dòng)汽車的電機(jī)需要進(jìn)行電力變換和驅(qū)動(dòng)控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子。高級(jí)汽車中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器和斬波器驅(qū)