【精品PPT课件】电气科学与工程学科的回顾与展望.ppt

电气科学与工程学科 的回顾与展望,哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 徐 殿 国 2008.4.27 哈尔滨,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 & predictions of climate change in the past 200 years,资料来源：中国气象局；ar4,近百年中国平均温度变化情况,资料来源: 中国气象局 data source: china meteorological administration,天山乌鲁木齐河源1号冰川变化情况,资料来源:秦大河，2002,1994,1986,1980,1973,1962,小冰期后期以来的变化,1962年以来连续退缩情况,断开 disconnection,中国应对气候变化国家方案 chinas national climate change programme,2007年5月30日国务院发布 issued by the state council on may 30,2007. 国家方案明确了到2010年中国应对气候变化的具体目标、基本原则、重点领域及其政策措施。 outlining objectives, basic principles, key areas of actions, as well as policies and measures to address climate change for the period up to 2010. 这是中国第一部应对气候变化的全面的政策性文件，也是发展中国家颁布的第一部应对气候变化的国家方案。 chinas first comprehensive policy document on response to climate change, also the first national climate change programme in developing countries.,中国应对气候变化科技专项行动,2004年6月14日，科技部联合发改委、外交部等14个部门联合发布 issued by most and other governmental agencies on june 14, 2004. 制定专项行动的目的： purposes 有效落实国家中长期科技发展规划纲要确定的重点任务 effective implementation of the key tasks in the outline of the national program for medium- and long-term science and technology development 中国应对气候变化国家方案的实施提供科技支撑， to provide s&t support to the implementation of the cnccp program 统筹协调我国气候变化的科学研究与技术开发， 全面提高国家应对气候变化的科技能力 提出了具体目标，明确了重点任务 outlining concrete objectives and key tasks,“八五”以来，科技部通过国家科技计划先后组织开展了一系列与气候变化有关的科技项目 ever since the 8th 5-year, most have supported a series of s&t programs on climate change “十五”和“十一五”期间，各科技计划应对气候变化投入大幅增加 during the 10th 5-year and 11th 5-year periods, financial support for r&d on climate change increase sharply,应对气候变化科技投入不断增加 increasing financial support for r&d to address climate change,国家各科技计划应对气候变化经费投入financial input （亿元),节能减排综合性工作方案 the general work plan for energy conservation and pollutant discharge reduction,2007年5月23日国务院发布； issued by the state council on may 23, 2007 主要目标 main objectives 到2010年，万元gdp能耗降低20%左右；单位工业增加值用水量降低30%；城市污水处理率不低于70%，工业固体废物综合利用率达到60%以上。 “十一五”期间，主要污染物排放总量减少10% 主要措施 main measures 控制高耗能、高污染行业过快增长 加快淘汰落后生产能力 积极推进能源结构调整 ,中国应对气候变化国家方案,联合国气候变化框架公约,电力电子技术的定义,以电力为对象的电子技术称作电力电子技术 (power electronics)。 它是一门利用电力电子器件对电能进行控制、转换和传输的学科,也是现代电子学的一个主要分支。 微电子技术 信息处理技术 电力电子技术 电力处理技术,电力电子技术与其他学科的关系,电力电子技术是电力、电子、控制三大工程技术领域之间的交叉学科。 随着科学技术的发展, 电力电子技术与现代控制理论、材料科学、电子技术、电力系统、计算机科学等许多领域密切相关。 目前, 电力电子技术已逐渐发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。,电力电子器件 变 流 电 路 控 制 电 路,电力电子技术,电力电子技术的组成,电力电子与电力传动学科的地位与作用,电力电子与电力传动是一个与电能的变换、控制、输送、存贮密切相关的应用基础学科； 它是结合电能变换、电磁学、自动控制、微电子及电子信息、计算机等学科的新成就而迅速发展起来的交叉学科； 在现代工业体系中，它既是电能工业与用电工业间的接口，对电能进行有效的变换与控制；又是信息计算机控制与用电工业间的接口，为现代工业中各种功率负载和执行机构提供高质量的智能化的功率源； 本学科既涉及各种大功率的能量变换和控制，又涉及到各种最新的自动控制技术、电子信息科学中的检测技术、信息处理技术、计算机技术和电力电子与电力传动工业应用新技术； 本学科无论是对改造国民经济中的有关产业或对建立现代化新兴产业均具有十分重要的作用。,电力电子技术面临的挑战,目前，人类所处的地球面临着“能源危机、资源危机和环境危机”的威胁； 作为电子学的一个重要分支，同物质生产过程息息相关，以功率处理为对象的电力电子学，将成为缓解或克服这三大危机的主要技术手段之一； 新理论、新材料、新技术的不断涌现，推动着工业发达地区电力电子学及其应用的迅速发展，以实现“高效率、高品质”用电的目标，并将促进取之不尽用之不竭的可再生能源（太阳能、风能、潮汐能、地热能）和新能源（燃料电池等）的广泛利用； 知识经济得以在洁净的蓝天下蓬勃发展。,中国能源背景,巨大的电力缺口与人们对电力的强烈需求之间的矛盾越来越明显 ！,1999 年底全国总装机容量 2.9106mw,2010 年的电力需求量5.4106mw,2.5106mw 的电力缺口,？,我国常规能源资源的有限性 和环保的巨大压力,节能,可再生能源,电力电子与 电力传动,现代电力电子技术核心要素,现代电力电子技术,现代电力电子技术,现代电力电子技术,现代电力电子技术,电力电子与电力传动学科的研究范围,电力电子器件的原理、制造及其应用技术 电源系统及其应用技术 电力传动自动控制 电力电子系统的运行与控制 电力电子装置与电力传动系统的故障诊断技术 电磁兼容技术 电力电子技术在电力系统中的应用 电力电子装置与系统的建模、仿真与分析 电力牵引传动技术 运动控制 现代科学新成就（新材料、新器件、数学新理论、新方法、现代控 制理论、智能控制理论等）在电力电子与电力传动中的应用。,不控和半控器件电流全控器件电压全控器件功率集成电路 器件的体积减小了3到4个数量级； 大功率管的开关时间从毫秒级降到了微秒级；低功率时甚至达到了纳秒级； 工作频率从50hz增加到兆赫级； 变流器的功率水平从微伏安提高到几百兆伏安；,背景,高效率利用电能； 改造传统产业 （电力，机械，化工，冶金，汽车等）； 发展高新技术 （航空航天，激光，通信，机器人等）； 环境保护 （可再生能源发电，污水处理，除尘等）； 意义重大，需求巨大！ 电力电子与电力传动应用技术发展迅速！ 我们面临技术和国际市场竞争的挑战和机遇！,背景,背景 电力电子器件 可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制 牵引和电机传动 绿色照明技术 电力电子系统集成技术 结束语,内容导航,电力电子器件的发展历史,电力电子器件的新进展,scr 长寿性(生命周期长)； 电力电子器件 渗透性(广阔应用领域)； gto 派生性(派生出相关新器件家族)； igbt 电力电子器件的寿命周期,电力电子器件“树”,电力电子器件新的发展趋势,电力电子器件的功率频率乘积 (fp)：109 - 1010 whz,新的器件结构 新的器件材料,发展趋势,基于si的器件已经趋于材料特性的极限,超级级 (super junction)，浮动结 (floating junction) 优点：降低导通损耗， 开关损耗，提高驱动性能 举例： mdmesh : multiple-drain mesh, st公司 coolmos: infineon公司 研究中的 ldd mosfet,新的器件结构,coolmostm (infineon) 采用super-junction概念 减小导通电阻 降低门极电荷,mdmeshtm (st) mosfet 更小的导通电阻，减小4倍 更小的门极电荷,新的器件材料：sic,sic schottky barrier diodes (sbds) 肖特基,sic mosfet,1500 v sic mosfet rdson*s=25 m*cm2 =约1/25 硅 mosfet,sic jfet,在阻断电压为 3.5 kv时导通电阻仅为25m*cm2 ，小于600v的coolmos。电流密度可达100 a/cm2.,背景 电力电子器件 可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制 牵引和电机传动 绿色照明技术 电力电子系统集成技术 结束语,内容导航,电力电子技术在可再生能源和分布式发电系统有30亿美元的市场份额，增长迅速。,对电力需求的日益增加和大量的能源消耗，大量火电厂的建造，使得co2等有害气体大量排放，环境恶化。 我国目前以煤为主的能源方案，预计2020年，我国的二氧化碳排放量就可能超过美国，成为世界上第一排放国。 解决方法： 扩大再生能源的应用比例：清洁能源 包括：小水电，风能，光伏发电，生物质能，地热发电等 节能技术：减小能源消耗 电力电子技术是可再生能源广泛应用的核心技术，前景广阔，市场巨大。,可再生能源 (re),电力电子技术是未来电能系统的关键技术,可再生能源 (re)发电,利用可再生能源发电系统示意图,储能系统与变流技术的关系示意图,风能：全球年增长率超过30,ac-dc-ac 方式,ac-ac 方式,可再生能源 (re)-风力发电,风能发电模型,900kw风能发电机,可再生能源 (re)-风力发电,一个有储能系统的光伏发电系统典型结构示意图,2002年，有400mw的光伏电池模块进入市场。 主要应用缺点： 成本高 效率不高 在家庭分布式发电系统中有广阔的应用前景。,可再生能源 (re)-光伏发电,典型的家庭太阳能能源系统： 对电力电子技术的要求： 成本 效率 可靠性 安全 性能 可制造性 可维护性,可再生能源 (re)-光伏发电,优点：提高电网可靠性，减少远距离输电，促进可再生能源的应用,固体氧化物燃料电池和小型高速涡轮发电机组成的混合发电系统结构示意图,abb mt100 microturbine.,分布式发电系统（dg）,分布式发电系统（dg）,风能,混合微型涡轮机,微型涡轮机(10-200kw),小型涡轮机(1-100mw),成本下降 应用加速,燃料电池,未来混合发电系统示意图,分布式与混合式发电系统需要大量的电力电子技术 包括：逆变器，频率变流器，静态传输开关，dc-dc 变流器，ac-dc变流器等。 2003-2008年，预计年平均增长率12.2 混合式发发电技术的发展，促使电力电子的标准化、模块化和智能化。,从用电的角度：节电；从输配电的角度：提高电网质量,电力电子技术在电力系统中的应用,电能质量控制,柔性输电(facts)技术,电能质量控制,用于电压调节、移相和谐波隔离的串补系统示意图,电能质量控制,背景 电力电子器件 可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制 牵引和电机驱动 绿色照明技术 电力电子系统集成技术 结束语,内容导航,能源消耗图,目前采用逆变器调速的比例10% 北美变频器年增长将达到11.5 电力电子调速装置市场十分巨大,电动汽车,机车牵引,铁路电气化：交流传动为特征,牵引和电机驱动中的电力电子技术 通用场合的电力传动技术趋于成熟 高压大功率电机驱动技术 变流技术（多电平变流器，多电平级联技术，矩阵变流器等） 控制技术 降低成本,背景 电力电子器件 可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制 牵引和电机传动 绿色照明技术 电力电子系统集成技术 结束语,内容导航,高效率电光源（荧光灯，hid灯等），对电子整流器 (ballast) 需求旺盛 固态照明技术，高流明发光二极管 (hbled) 是一个重要发展领域,背景 电力电子器件 可再生能源、分布式发电系统和电能质量控制 牵引和电机传动 绿色照明技术 电力电子系统集成技术 结束语,内容导航,电力电子技术现状 基于分离元件基础上，自动化程度低 按照用户和用途要求进行特殊设计，开发周期长 大量采用非标元件，成本高 成本高，开发周期长，自动化程度低（劳动密集） 可靠性差，功率密度低 限制电力电子技术在应用领域的推广,外部对电力电子技术的需求 降低成本 改善性能 提高功率密度 提高可靠性 提高可制造性，提高自动化程度 电力电子系统集成技术 本世纪电力电子技术方向性发展趋势,电力电子系统集成概念,摩尔定律（moores law） 标准化 (standardization) 模块化 (modularization) 集成化 (integration) 可制造性 (manufacturability) 大量生产 (volume production) 降低成本 (cost reduction),功率处理 标准模块,信号处理,电力电子系统集成技术,电力电子系统集成技术,电力电子系统集成：类似于微电子的大规模集成电路 (vlsi) 和机械制造领域的 sims 系统集成，对电力电子技术进行标准化和模块化。 两个层次的集成： 模块级： 建立电力电子集成标准模块 系统级： 基于标准模块，根据系统集成理论，集成实际电力电子应用系统,电力电子系统集成技术,电力电子标准模块,技术要点： 拓扑优选，无源器件集成技术，封装技术，控制技术，热设计，电磁兼容，标准化接口等。,电力电子智能标准模块示意图,采用多芯片封装技术实现智能标准模块示意图,电力电子系统集成技术,电力电子系统集成技术,电力电子应用系统集成,基于电力电子标准模块的应用系统集成模型,电力电子应用系统示意图,技术要点：系统集成理论（串联、并联技术，系统建模和仿真，emc设计）,电力电子系统集成技术,产品指标设计,自动化生产组装,各类标准模块,实际应 用系统,期望中的电源工业,21世纪电力电子与电力传动技术将在建设一个更美丽、更环保、更适合人类生活的地球中，发挥其不可替代的作用； 电力电子与电力传动技术的飞速发展，知识经济将逐步替代工业经济的趋势，为我国在该领域的科技工作者和实业家们提出了挑战和提供了机遇； 我们必需迎接挑战、抓住机遇，为我国电力电子与电力传动技术赶上世界先进水平，为我国知识经济的腾飞作出贡献！,结束语,90年代我国电力电子技术发展概况,我国电力电子器件及应用的研究开发已有40年历史。改革开放以来得到蓬勃发展； 1988年初1989年秋，国家科委组织国内专家完成“电力电子技术发展战略”的软科学研究，为90年代我国电力电子技术的迅猛发展和广泛应用莫定了基础； 1989年6月1991年3月，国家自然科学基金会(nsfc)组织国内电工界专家完成“电工学科发展战略调查研究报告”，包括电力电子学及其应用，为90年代我国电力电子学科的建设和发展做出规划，并为政府决策和研究人员从事应用基础研究提供科学咨询；,90年代我国电力电子技术发展概况,1991年6月，国家科委委托机械电子部机械科学研究院进行跟踪性电力电子技术政策的软科学研究，并于1993年初完成咨询报告，针对不久将恢复我国gatt缔约国地位、进入wto所面临的形势，提出进一步推动我国电力电子技术发展的对策和政策建议； 这三项软科学研究对90年代我国电力电子技术的发展起了积极的推动和指导作用，为政府下决心组织“八五”和“九五”电力电子重点科技攻关规划提供决策依据。,90年代我国电力电子技术发展概况,国家在“八五”(1991-1995年)重点科技攻关计划中首次将电力电子技术立项，总投资5808万元，其中新型器件研制的投资约占60，应用技术研究的投资约占40%； 取得一批研制开发成果，包括新型全控器件样管，如：1000v50a igbt、1000v100a sith、800v10a sit、900v10a mct，各种规格vdmos管等完成设计或生产定型； 应用技术的研究成果则有：gto变频调速(630kva)和斩波调速(1200kw)，sit高频感应加热装置(10kw、400khz，200kw、200khz)，高频电子镇流器(40w、50khz)和高频开关电源的研制等。,90年代我国电力电子技术发展概况,“八五”电力电子计划的完成增强了我国技术实力和国力，在减轻能源紧张、提高铁路和城市交通运输能力、改造传统产业、加快军工装备现代化进程方面起了重要作用； 我国已能研制或生产： 城市地铁igbt斩波装置； 2000kva电力机车gto变流装置； 50kva电牵引用智能igbt模块； 近百个模块并联的大功率通信开关电源； 船艇、航空电源及火箭、卫星的二次电源； 40kw谐振型脉冲激光电源； 300kvar静止同步补偿器(statcom)等； 磁悬浮电牵引概念车也已研制成功。,10年来我国电机调速技术与应用发展现状,我国已经生产了几千万千瓦晶闸管直流传动装置，武 装了从轧机到电气机车的电力传动设备, 制造技术和生产工艺均已过关； 80年代后期我国陆续引进了10套单台3250kw到9000kw、总容量5万kw的晶闸管交-交变频装置，先后完成了1250kva、2500kva、2x1400kva、5000kva交-交变频器的设计、制造、调试。运行过程中对电网注入严重的谐波和畸变无功功率，有待进一步治理； 90年代初期，在引进多套2600kva晶闸管交-直-交电流型变频调速装置基础上，现已掌握了设计造技术，生产了多套晶闸管交直交电流型变频装置。而进口设备在运行两年后却发生电机损坏事故，检查表明，谐波与电应力造成绝缘击穿、轴电流烧蚀轴承；,gto交直交电压型pwm变频调速装置在宝钢引进的大型轧机以及发电厂和炼钢炉的巨型鼓风机中的应用业已成熟。北京地铁直流电机gto斩波调速装置在试运行。 国内已试制成功美国罗宾康公司于1993年开发的igbt多电平、级联式、积木化变频调速装置(绿色变频器)，并通过工业试验，有所创新、突破。这是一种代表发展方向的高电压、大功率变频器，电网和电机两侧谐波均可达标，功率因数达到0.95以上，进而使电应力降到最低，大大延长了用电负载(包括电动机)的工作寿命。,10年来我国电机调速技术与应用发展现状,我国已掌握的现代电力电子技术,矢量控制技术 软开关变换技术 功率因数校正技术 gto及igbt的应用基础技术 并联均流技术 智能控制技术 谐波治理技术同步整流技术 分布电源系统及其远方监控技术 智能化高频开关电源技术 l0mhz磁薄膜技术 270f超容电容技术,电力电子与电力传动国家工程研究中心,北京电力电子新技术研究开发中心； 株州变流技术国家工程研究中心； 西安电力电子技术国家工程研究中心； 杭州应用电力电子技术国家工程研究中心； 天津电气控制与传动系统国家工程研究中心。 这些国家工程研究中心的陆续建成，极大地提高了我国电力电子技术的科学研究、开发和应用的水平。,国家自然科学基金会(nsfc) 对电工学科前沿课题的研究资助,测定gto最大阳极电流机理与方法； 电机车单相apf控制策略； 电力电子电路及系统通用仿真软件包； 专家系统实现电力传动智能控制； 电力电子电路故障自诊断； 单神经元控制； pwm开关变换器的最优控制模型； 谐振变换器的最优设计建模； 开关变换器的时间平均等效电路模型; 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,international power electronics & motion control conference(ipemc94) , beijing international power electronics & motion control conference(ipemc97) , hangzhou international power electronics & 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； 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； microtech1996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。,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,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1400mw； 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、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,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。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