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1、电力电子与现代生活电力电子与现代生活Power Electronics Technology and Modern Life 山东大学电气工程学院电力电子研究所山东大学电气工程学院电力电子研究所 颜世颜世钢钢镣昼背初芭岂银补殿劳便搅挖蔷虐堂替叉某沫貉点雁苗雇模至清帝吧乳抉第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1本课程主要内容：第一部分：概论第二部分：电力电子器件及变换电路第三部分：应用。节能领域、家用电器、交通领域、新能源领域、电力系统、工业控制等。电力电子与现代生活电力电子与现代生活倦碗殉凹傍沽弟寓接入懦对轩熟妹崭冶羔晾樊诊射垢滦腊掘冰矾杀嘱诺限第1章电力电子与现代生活概论
2、第1章电力电子与现代生活概论2座祈算帕邦哄榜瞄咳檄瀑忍益熟拧奋伐歉投抵闺里罚队剃乘宴磕惊争卞孝第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论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绍劈环悲欢蚤逢火黔抽藻惺食臆淮南酌吩帽雇往焚眼坟歇诀嗓傣蝎缉厩缨第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论 第第1 1章章 电力电子与现代生活概论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糖响擎厩盂秉频牵盎胁奄寅缓兔野纯搏由雅拽旺雹艾举募敞氢斧棚目啊配第1章电力
3、电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论41.1 电力基础知识电力基础知识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科技革命：蒸汽革命u17世纪，牛顿（ Newton，1642 1727）力学的建立，成为第一次技术革命的先导；你允桨汾绘迈起瞻原易常兔娱印舆插揽慕各郝程像箍柒恿荔尔晌籽普翰蛙第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论5电力工业的发展简史u18世纪下半叶（1769年），瓦特（J. Watt，1736 1819）发明蒸汽机为第一次科技革命的主要标志。u蒸汽机取代自然
4、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，蒸汽机的广泛应用使社会生产力发生了革命性的变革，从此人类开始从农业社会跨入工业社会。 蒸汽革命翻骚咐职罩能士顶穆佯戒腻雄氰籽詹娇篙眯踪藻吊恃编浪猿痞诽撒鹤痛纺第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论6第一次工业革命第一次工业革命-简介简介18世纪从英国发起的技术革命是技术发展史上的一次巨大革命，它开创了以机器代替手工工具的时代。这场革命是以工作机的诞生开始的，以蒸汽机作为动力机被广泛使用为标志的。这一次技术革命和与之相关的社会关系的变革，被称为第一次工业革命。从技术方面来说，工业革命使用机器代替了手工劳动；从社会关系
5、来说，依附于落后生产方式的自耕农阶级消失了，工业资产阶级和工业无产阶级形成和壮大起来。主要成就：棉纺织：一系列纺织机器的发明：珍妮机出现，瓦特改良蒸汽机（1785年）。交通运输：富尔顿-轮船（美、1807年）；史蒂芬逊-火车（英、1814年）。特点：1、首先发生在英国，并以英国为主体；2、以轻工业为主导；3、以蒸汽动力为主要标志；4、技术发明主要源于工人和技师的实践经验。竿荧则颂沦角志押篮拧渝睛斧豌瓮定铡竟豆猴星芯卷肾箕怕拔老搭造袋烃第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论7电力工业的发展简史人类近代历史上的第二次科技革命：以18世纪末至19世纪初发现电磁学基本原理、电磁感应现
6、象为先导的。u1831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。u1866 年，冯西门子发明了励磁发电机，并预见：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元。叔梅捷正蚁泌跪抵覆从钩鞘耍歼句出童费芽竟可稗茫公俐建吵客郸凭蓟森第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论8电力工业的发展简史u1876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，成为第二次科技革命的主要标志。电气技术革命闪祭匆啤静召芹步区疽社珊电敝呵逾盆痪糕企遇崖底誉漾组
7、肄万蹋访谩晰第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论9第二次工业革命-简介1870年以后，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。科学技术的突出发展主要表现在三个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。第二次科技革命主要成就：1、电力的广泛应用（西门子发电机、格拉姆电动机）；2、内燃机和新交通工具的创制（卡尔本茨内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机）；3、新通讯手段的发明（贝尔电话、马可尼无线电报）特点：1、科学同技术开始密切结合；2、新技术发明几乎同时发生在几个国家；3、一些
8、国家两次工业革命交叉进行。1870年以后，科学技术的发展突飞猛进，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。科学技术的突出发展主要表现在三个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。第二次科技革命主要成就：1、电力的广泛应用（西门子发电机、格拉姆电动机）；2、内燃机和新交通工具的创制（卡尔本茨内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机）；3、新通讯手段的发明（贝尔电话、马可尼无线电报）特点：1、科学同技术开始密切结合；2、新技术发明几乎同时发生在几个国家；3、一些国家两次工业革命交叉进行。1870年以后，科学技术的发展突飞猛进
9、，各种新技术、新发明层出不穷，并被迅速应用于工业生产，大大促进了经济的发展。这就是第二次工业革命。科学技术的突出发展主要表现在三个方面，即电力的广泛应用、内燃机和新交通工具的创制、新通讯手段的发明。第二次科技革命主要成就：1、电力的广泛应用（西门子发电机、格拉姆电动机）；2、内燃机和新交通工具的创制（卡尔本茨内燃机驱动的汽车、莱特兄弟飞机）；3、新通讯手段的发明（贝尔电话、马可尼无线电报）特点：1、科学同技术开始密切结合；2、新技术发明几乎同时发生在几个国家；3、一些国家两次工业革命交叉进行。粮满照疮扳废预膛吗凌侦菜求道舅甜添要解咒优骄祸屁囱交霹曹罚睛黎险第1章电力电子与现代生活概论第1章电力
10、电子与现代生活概论10电力工业的发展简史u1882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。u1881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 年建成第一个单相单相交流送电系统交流送电系统。u1891 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三相交流送电线路。 现代电力工业雏形 乐萤粟王佯淀而辙洗好傀延毋鹃违斋恤棍懂领菏悍仓嫉歹墨惫紊屠近裹店第
11、1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论11 电力系统典型构成示意图电力系统典型构成示意图1发电厂发电厂高压输电网高压输电网低压配电网低压配电网用户用户乎悄空腆冷袄找好嚣逛龙擎搏诉技据柯匀四逢么诺靴叼岔聋狗医捡己窑偏第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论12 电力系统典型构成示意图电力系统典型构成示意图2发电厂发电厂输电线路输电线路配电线路配电线路变压器变压器变压器变压器用户用户220kV10kV380V10.5kV久重娠似褪沟缆寓逐认移喇觅筹缠允缮姨吃傅丹戈拜欲战虎哩胡枕矗宛巾第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论13电力工业的发展简史发电机
12、容量发展历史：u1960年，美国制成50万kW 汽轮发电机。u1963年,美国制成100万kW 双轴汽轮发电机。u1973年，美国将BBC公司制造的130万kW 双轴汽轮发电机投入运行。u1980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。裕盎耍妮纤殆拓貌蜡黍念秤奠讽刑苹纪剑疲末荔阶奠睡噎譬脊酣胀掉厌芯第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论14电力工业的发展简史1300MW双轴汽轮发电机桌汐顿辫鱼以络夺鸡革词昏味钥锦棘顷靳此砸伦匡惭啡疫温汽掠菠均虽傈第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论15电力工业的发展简史高
13、电压输电发展历史：u1954 年，瑞典首先建成第一条380kV 输电线。u1964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。u1965年，前苏联建成400kV 直流输电线路。同年，加拿大建成765kV 交流输电线路。目前最高800kV u1989年，前苏联建成一条世界上最高电压1150kV、长1900km 交流输电线路。宇晒核赡芍螺醚坷矗轴酝芝阜敞榆广玻丝啡忧谋骆羡侨稠享彤狼易雹驹摸第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论161.1.2 中国电力工业的发展中国电力工业的发展1.1.2 中国电力工业的发展中国电力工业的发展1882年上海创建第
14、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kWh 1978年，装机容量达到5712万kW，年发电2566亿kWh。(30倍)2010年，装机容量9.5亿千瓦，年发电量4.3万亿kWh。(510倍)借翘效夺翟朵胺嘿舌拽疑嘱然沦矿阐颂坤杯娶狮顺肘磊际距湃吊线矣钦几第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论17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。（2012年，莱州电厂，100万kW）汽轮发电机组水轮发电机组图缴歪犹容制斟仗颇
15、幢暴贯脏骡靶旺脏饵圭探疗吏拨毛预千泣凛厕摩钩芦第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论18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。u山东第一条500kV线路，邹县-济南-潍坊376km，1987年建成投产。1990年，第一条葛洲坝至上海500kV 直流输电线路。2008年，国家电网1000 kV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。 浴酶泣鬼薯蛙柿闰妨嘻赃盔挂灾惯哺站枝聘霹嘘犁鬼奏陛音老腹稍挨厕渠第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论19中国电力工业的发展国
16、家特高压发展规划澎驱盟匀膳绢奋碉汰予肾霸饿暮敛眉糖撼馋孟矿郡蜕暇斯稼种粉希凶蛰质第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论20中国电力工业的发展1978年后的中国电力系统2009年，世界最大水电站三峡水电站全部完工：32台70万kW水轮发电机组，总装机2250万kW；驭撮岿坞逝胯狞墟荡遣因疆管坤歹棋扎脆肌真靡肿啡搭甫铃碴匹厅沛佩绥第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论21中国电力工业的发展1978年后的中国电力系统2010年，装机容量9.62亿kW，其中风电装机4182.7万kW，水电装机2.1亿kW，双双跃居世界第一；世界首条800kV、1500km云广特高压
17、直流投产、向家坝-上海800kV、1907km特高压直流输电示范工程成功投入运行；云广特高压直流输电云广特高压直流输电修抑耶镰吼死澡朱抛靴嘛爽卡至虏歌汛我埔支山麓撤蝶版跟暂积宙烽法拴第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论22中国电力工业的发展向家坝向家坝- -上海上海 特高压直流输电走廊特高压直流输电走廊渗勉吧埂辱蜡客杯政姐追掖蚤骑匠釉擅瓢稳肿某疆腑刃苔巡嘻磁不隙仪嗜第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论231.1.3 电力工业的特点电力工业的特点电力工业主要包括5个生产环节：发电，输电，变电；配电；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
18、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；么痹训蒲颤篱侮征玉葫哪拦佳好户廓稳惕蜀溪玉戎茁叠往舒幻瞳祥妇执埂第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论24 电能对现代生活的影响电能对现代生活的影响无电的现代社会谈不上无电的现代社会谈不上“现代现代”，现代社会缺了电，现代社会缺了电将困难重重。将困难重重。 想一想，一家停电
19、会出现什么不便？一个城市呢？案例：案例：2003年年8月月14日，美加电网东北部大停电日，美加电网东北部大停电u2003年8月14日，美国东北部和加拿大联合电网发生大面积停电事故。u事故起始于俄亥俄州克夫兰的一家电力公司没有及时修剪树木，导致在用电高峰期，高压电线下垂，触到树枝而短路。u随后，俄亥俄的一家发电厂因此下线，接连发生的一系列突发事件产生累计效应，历时1小时发展成大面积停电事故。因泞择恳辫戈凿诅鼎椿俱线罕惩慑酞碰宦蓉丘式叠慰侣弧岔慌舶豺捂析泳第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论25美加电网美加电网“8.14”大停电大停电u此次大停电波及美国俄亥俄、密歇根、宾夕法尼
20、亚、纽约、佛蒙特、麻萨诸赛、康涅狄格、新泽西(8个州）以及加拿大2个省（包括安大略省），5000余万居民受到影响，停电负荷大于6200万kW；u美国估计损失40-100亿美元，加拿大8月份GDP下降0.7，安大略制造业销售量下降23亿加元；u 在加拿大的多伦多，地铁运输全部停顿，绝大部分商店都关门停业。纽约市地铁全部瘫痪，全市的地面交通也全面停止。大停电至少造成8人死亡，至少有21家发电厂在停电期间关闭。 u8月15日，美国总统布什发表讲话：“危及国家安全”。税弃议帽挞红只峦跺坦捧懦娩眼雄士搁记匡说官谜锚切龋柒帆麻赡炉振京第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论26 美加电网美
21、加电网“8.14”大停电大停电停电后纽约的夜景停电后纽约的夜景搏骸鳞分潞圈旗曾随盾属协耀绘疡宠里辙餐脏邢舰晓裙诸雹凸拾滑道绞挖第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论27美加电网美加电网“8.14”大停电大停电停电后受困的人们停电后受困的人们佛射夜叶严邪烹津茫息效隘逢均甲侥捂样紧棱朱贩廖刃匣丫输犀邢浓曾愿第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论28美加电网美加电网“8.14”大停电大停电Satellite Picture of USA妒漓制内醛病娱题娥顶危踏珍瘩娇希赠场愁拍蔚酥赎攻橡咋务铆棠腋晦航第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论29美加电
22、网美加电网“8.14”大停电大停电无奈的自由女神互殆算壤魂灰蒋刊搂诚垮氦龙汇纸传峙悔私晶关锡屈现走未氰哉夕缅丽峻第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论301.1.4 直流电源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：u一类是指化学电源，如干电池、蓄电池、燃料电池等。（可移动）u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。（不可移动）瓶拙巢孩脖厕巷葫竟闪泪衅速拄赏掂蓉班宽栽溯双缉禁幕帚启闰呢晌改抠第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论311.1.5 交流电源交流电源交流电源
23、：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。绝大多数电能的存在形式交流电的幅值、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。O2tuUm图1-1 正弦交流电流的波形3迸辈胸圃僵疏扳迟骸柯纳村桩峨妒冀酣橱箔钓唐就癸翼氓傅注池唤高陵旷第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论321.1.6 形形色色的用电负载与电能变换形形色色的用电负载与电能变换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。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变频交流负载节能灯，感应加热变频空调按电压分
24、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按容量分按容量分小、中、大功率交流负载电网提供的电能：电网提供的电能： 50Hz工频交流电工频交流电蚊镍缺怒姨诗曹寞涣滑躬挤滋涉瘴螟碧笋进肪抹疽钧泡啸京酶枢补宅澎纺第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论331.2 电子技术基本知识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，是二十世纪发展最迅速、应用最广泛的技术，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
25、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。揍迟蛰新迭犬完遥筑蒸雌灵希效哀吴誉呸喻贪耿昭梢栈旷对揖贺痪婿宴晶第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论34电子技术的应用电子技术的应用电子技术的应用:各虹沟丹婚湿馒倒骋湿缘阎旺菊挫轿黍笺翰辈
26、维憨拾德对芯哺饵斥盎沿瘴第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论35电子器件的两个发展阶段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（19051959）u真空电子管u半导体晶体管集成电路阶段（1959）uSSI、MSI、LSI、VLSI、ULSI涟霖壬蚌孟诫昼灾孝恐注狼汤烧惰桨逢上陀玩捧炎悦袄纤骂仿蒙廷踊惺湾第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论36 分立元件阶段分立元件阶段电子管时代（19051948）1905年 爱因斯坦阐述相对论Emc21906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
27、三极管，具有开创性的里程碑意义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；侗缺慈鸦惠暴凤睦技箱谎诛淮弯仕摘丢铃务姑缺旁角棍脑盅胜凛搁吁尸娠第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论37分立元件阶段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 真空管的结构及外形图 真空电子管跳诈篱扑睬超秩皿诛釜萌连孰毗掷讼陪哑炉逆紫赂战赎骸震杂炯妙磊棺缅第
28、1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论38a） 真空二极管的简化工作原理真空二极管的简化工作原理1. 1. 灯灯丝丝会会把把阴阴极极加加热热至至红红热，把阴极的原子激发。热，把阴极的原子激发。2.2.阴阴极极接接上上电电池池组组的的负负极极，向外发射电子。向外发射电子。3.3.阳阳极极接接上上电电池池组组的的正正极极，与与阴阴极极形形成成电电势势差差，所所以以，带带负负电电荷荷的的电电子子就就由由阴阴极极奔奔向向阳阳极。极。电子电子4.4.电电流流：是是指指电电子子的的流流动动，因因为为有有电电子子从从阴阴极极走走向向阳阳极极所所以以形成了电流。形成了电流。 a） 真空二极管的
29、简化工作原理真空二极管的简化工作原理电子单向移动电子单向移动环差界臭疚舒院抵窑碳扩洋捌瘸某矿扼掺摩嫂耀撩啊质盂盟凰糯坎轩掉景第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论39b）真空三极管的简化工作原理）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）真空三极管的简化工作原理1. 1. 灯灯丝丝会会把把阴阴极极加加热热至至红红热热，把阴极的原子激发。把阴极的原子激发。2.2.阴阴极极接接上上电电池池组组的的负负极极，向向外发射电子。外发射电子。4.4.电电流流：是是指指电电子子的的流流动动，因因为为有有电电子子从从阴阴极极走走向向阳阳极极所所以以形形成成了了电电流。流。5.5.
30、电电子子是是带带负负电电荷荷的的。由由于于同同性性相相斥斥，只只要要把把栅栅极极接接上上负负电电压压，就就可可以以控制电子的控制电子的流量流量6.6.栅栅极极。栅栅极极好好像像一一道道放放在在阴阴极极和和阳阳极极之之间间的的闸。闸。电子3.3.阳阳极极接接上上电电池池组组的的正正极极，与与阴阴极极形形成成电电势势差差，所所以以，带带负负电电荷荷的的电电子子就就由由阴极奔向阳极。阴极奔向阳极。电子流量受控单向移动电子流量受控单向移动撮扦腹察寇兰晌摇掳剪索氢津美广铸秃憾瘤观柒厕备砌检命葡虏敷汤五漆第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论40 分立元件阶段分立元件阶段 晶体管时代（1
31、9481959）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，具有开创性的里程碑意义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 藤枪签理继贷植访寸帖狂恰驹暂王闷卞爬颓繁乾乃琅季搔男已津爸预烽踩第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论41分立元件阶段分立元件阶段左 起 ： 巴 丁 (JBardeen)、 肖 克 莱(WSchokley) 和布拉顿(WHBrattain
32、)晶体管的三位发明人几种常见的三极管外形皱辗绅摄朴亢浆躯纲搬魁叛苦及寞钻勃冕漏孰离站郸捧柱胸闻饼啡腰磐钙第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论42 集成电路阶段集成电路阶段(1959(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（ULS
33、I）100000普付肾沫沾嘿钡纠等氛狡厕蚕氓光胡窃呜呀害玲试瞪拯毙勋惠帛谜懂捞臃第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论43 集成电路阶段集成电路阶段(1959(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。可编程逻辑器件可编程逻辑器件（PLD）微控制芯片微控制芯片（MCU）数字信号处理器数字信号处理器（DSP）大规模存储芯片大规模存储芯片（RAM/ROM）优点：体积小、重量轻耗能少速度快、能力强需要软件配合战跋陵娘董缔托跑埔扮爷塌蜜澈但牲仙阮朗殴住债那例币囚颅筷搔帮硕甩第1章电力电子与现代生活概论第1章
34、电力电子与现代生活概论44 电子计算机的发展简介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（19461957）电子管计算机 基本电子元件是电子管基本电子元件是电子管，内存储器采用水银延迟线，外，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。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运算速度只是每秒几千次几万次基本运算，内存容量仅几万次基本运算，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
35、。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。（于一些军事和科研部门进行科学计算。（ENIAC） 冒揖遭斧足宛赣璃斧官蔫倪鳖仿棱崎剪柿篇忱嘉愉恳篇鳃勺砖配食酣鸟私第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论45 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，功率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，
36、服役长达9年。ENIACENIAC俘趴药莫滨护译谎邯屯昌洗靳嗣选阉县徘锥挂裂弄行荫枣哑吹钩咐左慨氦第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论46电子计算机的发展第二代（第二代（19581963）晶体管计算机）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为代表）IBM 7090诧够候拧哟痹玲里筹联肥街玖皋航到盒丙褐去疙啮丰脱寨颜税役泥睁属沃第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论47电子计算机的发展第三代（第三代（19641
37、970）集成电路计算机：）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的开发总投资5亿美元，2000名程序员夜以继日地工作，单单操作系统的开发就用了5000个人年。特点：通用化、系列化和标准化，影响深远，划时代的杰作。IBM 360 集成电路 计算机计算机冲基墒埔蛊勇陨窟柔酞伦签是伦赦靠产烟快椅蔷郊幌抬己箭掇葱荡欢座佑第1章电力电子与现代生活概论第
38、1章电力电子与现代生活概论48电子计算机的发展第四代（第四代（1971）大规模集成电路计算机：）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。品牌电脑品牌电脑爸畸撒红蟹寞菇携膛幻科肚芽匠妮呢岭汇告屡靶而蝶侯凯咆萄帝吏椿僻话第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论49四代计算机对比四代计算机对比梨粥赖岂滇狙碧朔蚕锣爹擒检萤滁宴度晾菩拜歹格蛆秘粳颖虹烟独桔轿伪第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论501.3 电力电子技
39、术概述电力电子技术概述电子电子技术技术信息信息电子技术电子技术电力电力电子技术电子技术模拟模拟电子技术电子技术数字电子技术数字电子技术1.3.1 电子技术电子技术（广义）（广义）的两大分支：的两大分支：信息信息电子技术电子技术：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。网趟豹整贼倔苟后惭夏戴喻兽豢瘸续埂反轨薪分暑倒坎确甫货岔察忻羡藉第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论51 1.3.1 电子技术电子技术的两大分支的
40、两大分支电力电子技术：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。是弱电与强电相互结合，由弱电控制强电弱电控制强电的新领域。u弱电：低电压、小电流电子电路； 强电：高电压，大电流电力电路。所用器件：采用半导体材料制成，故称电力半导体器件、电力电子器件、开关器件、电力电子开关等。u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。松颇篙窃这肌淫施钾笆更栏楔痹铬茵得仲瞬诉郭濒诽挤港北态骡敖飘扦剑第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论
41、521.3.1 电子技术电子技术的两大分支的两大分支据统计，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，发达国家已达到80%，中国大约为50%。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。幕后英雄呈识宝珊滔酚功闻韩棠卒煽漳渡浊闹郭豌劝嫡区倦萄掐
42、鼻翅喳涂峡晦拥换第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论53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信息电子技术与与电力电子技术电力电子技术的比较的比较：1.3.1 电子技术电子技术的两大分支的两大分支住蔓蓝恰酵雁铺颊冒靠爪辐拽补竞儒饼谭衔幢敲闹澄前仪撩型束杏卓毒扫第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论541.3.2 电力电子的核心技术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
43、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。（也叫做功率变换技术、电能变换技术）电力电力电子电子技术技术电力电子器件电力电子器件电力电力变换技术变换技术-是基础是基础-是核心、是目的是核心、是目的控制电路（信号、信息）控制电路（信号、信息）电力电子电力电子变换装置变换装置输入（电源）输入（电源）输出（负载）输出（负载）图图1-3 电力变换与控制的基本功能电力变换与控制的基本功能虎述妹硒懦军离翅抹杜都抿姻夸棺筛盔掺篷榜滤剐坎陀析啡鞋服烹敝驻铁第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论55 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交
44、流，从蓄电池和干电池得到的是直流。（参数：） 电力变换四大类电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表表1 电力变换的种类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电子的核心技术 电力变换技术电力变换技术电力变换技术电力变换技术瞬惮铱硒技秆禽模碉肠舍棵犊若阀畔岛陛坡吁套锑掸段待昏司羹翔衷腆胃第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论56 四种类型电能变换的关系四种类型电能变换的关系 AC DC AC DC整流整流逆变逆变直直流流变变换换交交流流变变换换 电能变换的四种类型电能变换的四种类型电力变
45、换：电力变换：也称为电能变换、功率变换、变流技术电能变换、功率变换、变流技术实际应用中，经常是两种或两种以上的变换联合使用，如：变频器=整流+逆变，开关电源=整流+逆变+整流偏仆痛递簿糟饼箩讹站康梁通剧惺沂图栈裙姓斡拘竿沼剂蜡撑评思娃哑雄第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论57 四种类型的电能变换四种类型的电能变换（1）整流（整流（ACDC）：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、各类电子仪器和家用电器的直流电源、高压直流输电等。电镀电镀淄寡响坷貉矢旨阴伴盒重透昨漠苹刽挡耐孕诲盲阶远壁嗣欠矿汕锡朋环吸第1章电
46、力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论58 四种类型的电能变换四种类型的电能变换（2）逆变（逆变（DCAC）：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UPSUPS宠鼠页奢朝雄灌款宅怀扩落尝踊氨陕赔瞳奔褪盗慧洼必虑淘屠漱机巷济肾第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论59 四种类型的电能变换四种类型的电能变换（3）交流电力控制（）交流电力控制（ACAC）：将交流电转换为频率和电压为固定或可
47、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。交-交变频应用较少。电热恒温箱软启动器婚搓闻中糜傍拱借遇麓烃墓奴贴智赂好籍锤呀咖物毅顿砷琢险夯吼惯胜脓第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论60 四种类型的电能变换四种类型的电能变换（4）直流变换（）直流变换（DCDC）：）：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
48、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。乃秤院限筐钵酗炙只奄漏鹊辩血孽撮棠醇菩时搔遏鹤匪拙窑扭律羊陌玲滴第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论61电力电力电子学电子学电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、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博士毋烤锐麻直溅帚龚冬尾伍酗玻异坷佛刑陨孙腋乓醒织皑鹏举粗漫
49、栽贺稗口第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论621.3.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史可以分成为以下电力电子技术的发展史可以分成为以下几个时代几个时代：1、史前期或黎明期，晶闸管出现前的时期（1904-1957）2、晶闸管时代（1957-1975）3、全控型器件迅速发展时期，1975-19854、高性能复合型器件出现与发展 ，20世纪8090年代5、功率模块与功率集成电路的出现和发展，20世纪90年 代您粹苔猩体沛抓福恒粘补伊诊眼岩宣肿斩立畏遏饥沽法汀贤挪备酬务覆浅第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论63电力电子技术的发
50、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）整流器时代真空电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期史前期（黎明期）（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生1.3.3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史淹酉支楷勇负找怖雾截裔怠雍破仍渤龋层穷寒滚涣源蜗苟筷绥懂津氢谬牧第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论641.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
51、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。棕冀鸡溪之夕礼壬邪孔巾屎溉曰酉誓失楔腹她绳烷粪曾甜焰砚瞻驻呆敌竿第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论651.电力电子技术的史前期或黎明期励弧极励弧极水银整流器掩聚傲擞妙乒弯迸技忘尺们屈兜杜价丹包求啤亮耸
52、分趟畸讥坞潮碟饱诽揩第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论66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电动机、直流发电机组实现交流交流直流直流变换变换下图所示是交流变直流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。（电机效率一般为80%左右）经典经典整流器整流器效率？效率？闷揽灿拐虑至臭骋凝皮束弃弟窗鹅熏喂魂贺颖燃喝拓畅肿慨毡姓阉非璃窟第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论67电力电子技术的史前期或黎明期交流变交流：交流变交流：图
53、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直流发电机组和交流发电机组实现实现交流交流-交流交流电压、频率变换电压、频率变换2经典经典变频器变频器效率？效率？祁秋燃滚磁烂虱冈脾钢棱坟铃疹客驼淤吟案眠酵痹嗡鱼罐胰翌柜升矿救能第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论68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）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生2.晶闸管时代屯
54、寺空圾项冬很饲糯刨喜阉炽立剐影盖瓣帝轿靳迟僵剥亿民待刚煞哼祷袒第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论692.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。沈搂杭啪挠国瘦妖逊晴瓤帅尽护亿荐智贼钻六丛涌腔羹登鲍谚本非毯跋脉第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与
55、现代生活概论70晶闸管的外形图1-6 晶闸管的外形咐锥旺啊修搔谅莽屑邮拼巢控套窗哲除锤机撼坤疾蝶禹哲洛娶舰红耶股虞第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论71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。烃质憾橡扁币吁踩挑晌顺皑施姿倡铸掇颅兹柒役琐
56、阻绰问亮掀盅尊习菇西第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论72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全控型器件迅速发展时期速发展时期史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生3.全控型器件迅速发展时期正责肾圾鹰柜炊础淌钝埃钡肥掉具晶轨事矾钧颊拽吐虑蹈轴胆瑚这刹纹频第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论733.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
57、（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。挺糠流拦贱搔墨答州梯授风所丢是略谊拂馏诊氨帮熙榜嚣坟仟公役畔尉洒第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论74可关断晶闸管（GTO) 门极可关断晶闸管GTO可关断
58、晶闸管（GTOGate-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篓峰詹廓挑上敲阻越笺隔珠纽察缴斥篇锯碳再农意苗南涉扑蚌素慈敷第位第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论75电力晶体管（GTR）电力晶体管（GTRGiantTransistor）也称巨型晶体管，内部结构和工作原理
59、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。电力晶体管电力晶体管(GTR)哮韵盎耻夸董昂魂耪敦臆踢篱羌偿瞒钾栽眩妹渗不椭起辞街卤腊构撤添爬第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论76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
60、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。电力场效应晶体管电力场效应晶体管（Power MOSFET）垢猩剧盅畴狰迫诊峰夺条庐舵贾崭曙挎蔽萎媚骂棉瓜庆焦饼绅闪限痕琅穷第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论77晶闸管问世，(“公元元年”)复合型器件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
61、全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生4.高性能复合型器件出现与发展吮冉晴言吵惶秉灭揍维肃寨沛牢谋辐拌空童雅廊萨响尹胳弗墒蘑雇勿搅宾第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论784.高性能复合型器件出现与发展20世纪8090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(MOS FET)+电力晶体管
62、(GTR)IGBT兼有MOS器件和GTR的优点：u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是目前应用最广泛最广泛的器件。氮蓬克播闺刽理赃笛灌膏氛瘁太玉支惯沫珠荔服婉孺整呜闽饿忍渣蹄望赌第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论79绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)IGBT制造水平制造水平除低压(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
63、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模块外观寻社婚堂绰么樟漳玩炯茎岳饱哈层刀崖笆巢数荧须狼胖崩帧闰半壕谈陪寂第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论80ABB 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。构恐叫徽趁拦宫咱倪咒维牲降烽虑虏星漂丙挂逼辗络骗扩万拓瑟善斧佳尺第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论81集成门极换流晶闸管（IGCT）IGCT产品水平为4
64、.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变频器远嘛畦窃潦事放馁师九俗恋翁跑同敢脊级讳戚貌良约苑盂凉点拙隙博国芯第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论82晶闸管问世，(“公元元年”)复合型器件及功率集成器件功率集成器件出现和发展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）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生5.功率模块与功率模块与功率集成电路的出现和发展功率集成电路的出现和发展懊禄区达用嘶病惧疑恒之徽孤己魁抱酷涨
65、阶亢堂祷头斩搐昨忱镇初狈蕊流第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论835.功率模块与功率模块与功率集成电路的出现和发展功率集成电路的出现和发展1）功率模块）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、
66、MOSFET模块、绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块等。巩冰布践娩酉诞嘉苹潍戍抠箕璃饰涝粳查裹坟夹仙邢奋兆霹糕山问失逊弧第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论84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剂矗秤关疮习耳详许旦胀洁苗办吉惟龟赐警排晋靴晕淀审海吵差笆帕派弧第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论85IGBT功率模块的几种内部结构 部分IGBT模块内部结构图单个单个IGBT单相桥单相桥三相桥三相桥二极管单相桥二极管单相桥楞彰丫擂虹威杉牺瘸渡唁驻图瞒瘸仰曙沙抨拙纶瘟璃枫收土吼夺条捎
67、严抱第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论865.功率模块与功率集成电路的出现和发展2）功率集成电路（功率集成电路（PIC）功率集成电路（PICPowerIntegratedCircuit）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。燥柬手令割椎州沁撮攻滦深竖棉凳铭漆邻湍豹戴凳银台键璃湖绕赶点畴碎第
68、1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论87一种功率集成电路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剑驶俘藻彤赵坎宙骨桨叭讨播婪估熬孤达荷永测将钵阿牌冕列枉姜府漆闷第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论88表表1 竞相发展的各种电力电子器件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
69、（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）帝饥抄渺蘑纯藏宁迸甜依义炔陌告蚊根浊牺掌脏渡咳焰堑床宗烹沃栗煽顷第1章电力电子与现代生活概论第
70、1章电力电子与现代生活概论89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工作频率虹船醛工陆詹飞讲介渠芍空啦顺扦县衬份间聪拽歪搪染沟岂拓夺菊倘坤氯第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论901.4 电力电子器件的功率损耗与冷却技术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
71、小漏电流流过，尽管数值很小，由于断态阻抗很高，也会形成一定的功率损耗。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。牧踌衡于扫霸雁靴坡置明倚赶绘扳锄染睹喉灿晋皋勤艳锑谣畅召秘氰喇鳃第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论911.4 电力电子器件的功率损耗与冷却技术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爪找磐翔蝗币坛再邵翱绚乙空余附挡焦恃示捶营芜
72、睬蛹数搓椿贷非二仟毗第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论921.4 电力电子器件的功率损耗与冷却技术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伙匪牌绽年羚淮蔓首胺妨拨点脊冬呻畦慷甘魏碴豪衙数詹舰唇轩苇硷尺镀第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论931.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1. 在一般工业中的应用在一般工业中的应用交、直流电机调速交、直流电机调速：工业动力源工业动力源。大至数千。大至数千kWkW的的轧钢机轧钢机，小，小到几百到几百WW的数控机床的伺服电机，及矿山牵引等场合。的数控机床的伺服
73、电机，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，以达到采用了变频装置，以达到节能节能的目的。的目的。大型电机的大型电机的软起动装置。电化学工业电化学工业：电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解：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。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。冶金工业冶金工业：电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频、中：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。频感应加热电
74、源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。递芬逊痛绣非冲戈崩键宪斯质漏跌放闰赋樊躲连访雌窑匝湘讲刃著桥屋掺第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论941.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用轧钢机1. 1. 一般工业一般工业宰锨逮欠轴辈震迟设羽屠狸培颠呼秉极脆脐宙猎鸟雕挤水甘绘伦二宜仰支第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论95轧钢机数控机床冶金工业电解铝1.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用变频器变频器架优锄炕炳柏住小扩堵赚抓挺绞女黍斩肢秸弹赦舀搅莹菠延施圆绅散鳃王第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论961.5 电力电子技术的应用电力
75、电子技术的应用电解铝电解铝工艺流程：以冰晶石作溶剂，氧化铝作溶质，碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950-970下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。化学方程：2Al2O3=4Al+3O2师宇腿彬挟啦兄舍觉撰俗酥梢淖匝友撬法姿墓戳莎蓟巫讲躇震卡拷反蕴旨第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论97高频、中频感应加热电源感应加热原理椰首艇晓捕挖栖严迈窥迅哉茧练蔫昂褪厅孝岭缮钾庭勘滔液脏官斧胡稍媒第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论981.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用2、在交通运输中的应用、在交通运输中的应用电气化铁道中广泛
76、采用电力电子技术。直流机车直流机车中采用整流装置，交流机车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动并控制。车用延迟熄灯控制。飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术。电梯以前大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流。电动自行车。烹系摹若汾胚量翟侨钝邓比光
77、垢崎侦簿芽溶啮增棋竖草希新盟唯蚊诸瘟记第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论992.交通运输交通运输1.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用江疏变署闸探忽唐贩鞠棘革缄滦原赔贮统爽甭魁寝扣枣锤涯欠堑诊凉巩造第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1001.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用2.交通运输交通运输隋痊庙怔愿痰咏渭少掠肿假歧聘梳抵钳铲靳蝶仇露鸵匪揉副娱联馈歧衡淮第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1011.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用3、在电力系统中的应用、在电力系统中的应用在电力系统中应用非常广泛。可以毫不夸
78、张地说，离开电力电子技术，电力系统现代化是不可想象的。发电环节涉及发电机组、风机、泵类等多种设备，电力电子用来改善这些设备的运行特性。包括发电机组励磁、风机与泵类的变频调速、太阳能及风力发电的电能变换等。高压直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其受电端的整流阀和送电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年来，轻型直流输电技术采用IGBT等器件组成换流器并用脉宽调制技术无源逆变，可向无交流电流的负荷点送电，同时大幅度简化设备，降低造价。喘孺侯蔗滦芦穿遥片升命祟帖爬科膛品蹿运逢脱棠伎志队翻步坍蚂凹悔讥第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1021.5 电力电子技术的应用电力电
79、子技术的应用柔性（灵活）交流输电（FACTS）技术是一项基于电力电子技术与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压、相位角、功率潮流实施灵活快速调节的输电技术。目前FACTS控制器已有数十种，包括静止无功补偿器、静止调相机、串联补偿器、晶闸管控制串联电容器、统一潮流控制器、静止无功发生器、有源电力滤波器等。近年来柔性交流输电技术已经在美国、日本、瑞典、巴西等重要的超高压输电工程中得到应用，国内也有深入的研究和开发。夕企追氮择狐航呐状佛缸礁凝丢瘤毛高枪惟仅廓赋辩赢驾姬撂汛叹峻常盛第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1033.电力系统电力系统静止无功发生器静止无功发生器高压直流装
80、置HVDC柔性交流输电FACTS1.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用芒郊兑抬贰蠢旁玲益苦化翠恳吼赎锤搽访卉曝砰分蹈四胯佬头目在攒候壳第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1041.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用天生桥-广州HVDC天生桥换流站的外景（据Siemens资料）统一潮流控制器(UPFC)美国玉烘鲸赖鹅狄钟黔阳脉口念火逻网睫鹃撕柞敖颈晋除久拌厦牢被臼乱孺枚第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1051.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上
81、）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）挛洞揖掉爷拼涸碳茅牲蝶刽推杂梦僳双泌询你撒霉疹办贪庇逞诚购绿口琅第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论106 三峡至上海三峡至上海500kV直流输电工程直流输电工程警呜谈弱雍莲慨歌场想热绥信潘汤信敛恤谆力捌矾卞炎促冤蛤砾垄慰贪吩第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1071.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用4.在各种电子装置中的应用在各种电子装置中的应用各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。电子装置，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性
82、电源。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。电子装置大都采用高频开关电源：包括大型及微型计算机、医疗设备(CT机、B超、心电图机等)、实验室设备（示波器、波形发生器等）、化学分析仪、物理实验设备等。楼瞬季坞晴未寡泰弃粳铃墩象例弄今港她曹弘血奈创塌秽舞啸存荧浪雨和第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1084. 4. 电子装置用电源电子装置用电源程控交换机电子装置电子装置微型计算机1.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用蛮漠搏铝蛆径慢主粳芯庐疟褒局摔肌毛淆俭挖提寨厄惫加郴烯湛懒川熙捎第1章电力电子与现代生活概论第1
83、章电力电子与现代生活概论1091.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用B超机CT机物理实验仪器化学分析仪器4. 4. 电子装置用电源电子装置用电源丽棕彦摈陶豢羔轮诽笋阶北您躇轨鹰眩膊抚抵绅哺坞拇曙荷城殿翼大嫂缩第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1101.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用5、在家用电器中的应用、在家用电器中的应用照明在家用电器中占有十分突出的地位。“节能灯”正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。变频空调器、变频冰箱是应用电力电子技术的典型例子。电视机、音响设备、家用计算机等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、微波炉等电器也应用了
84、电力电子技术。电饭煲、调温电熨斗等电热设备，调光台灯、调速风扇等。数码相机、手机等的电源管理及闪光灯。电力电子技术广泛用于家用电器使得它和我们的生活变得十分贴近。史貌群将浆肝撵冷留慌盘丈痈角指赵蛋茄祭桥冒滁高鸡科伶芯境沪悸狰定第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1115.5.家用电器家用电器1.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用嚷吐伏认看乳纺隘知函栅盖吠弃无翼鼻彭掂忱再幼冒丹禁崔晌秦悼蜂肋湾第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论1121.5 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电热毯5.5.家用电器家用电器臭氧机电磁灶愤铰铬扩霍幽军苟展霸胁惋信阜狈琳啊嫌贱研琢流例芽穴类再箕招骑时宝第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论113晾久丰札姥剖晚理契利虚汕碗软愧鸯计篓忍诞妒呵憋韩虫婚惟灌帖善畅乔第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论114髓盗嚼珐喂夏亩爵判踢挺倍鹅巨焰波茵毯迢午挪把获锻擎抑决受条酚钟海第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论115枫泥莫粉忘嫡币战甚波蚁铁订旗潭晓渣钾轿窒品哑犀浅罪缨虏垛子娜拍匝第1章电力电子与现代生活概论第1章电力电子与现代生活概论116
