1電力電子與現代生活PowerElectronics

TechnologyandModernLife山東大學電氣工程學院電力電子研究所顏世鋼sgyan201@163.com2本課程主要內容：

第一部分：概論第二部分：器件及變換電路第三部分：應用：家用電器

、交通領域、電力系統、新能源與環保、工業控制等。

電力電子與現代生活電力電子與現代生活第1章電力電子與現代生活概論4

第1章電力電子與現代生活概論

1.1電力基礎知識

1.2電子技術基礎知識

1.3電力電子技術概述

1.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術

1.5電力電子技術的應用

1.6電力電子與節能51.1電力基礎知識1.1.1電力技術與電力工業的發展簡史電力技術的發明與電力工業的建立已有100余年的歷史。人類近代歷史上的第一次技術革命：蒸汽革命17世紀，牛頓（

Newton，1642~1727）力學的建立，成為第一次技術革命的先導；6電力工業的發展簡史18世紀下半葉（1769年），瓦特（J.Watt，1736~1819）發明蒸汽機為第一次技術革命的主要標志。蒸汽機取代自然力成為機器制造、采礦、冶金、鐵路、化學、紡織等行業的主要動力，蒸汽機的廣泛應用大大促進了社會生產力的發展，從此人類開始從農業社會跨入工業社會。蒸汽革命7電力工業的發展簡史人類近代歷史上的第二次技術革命：以18世紀末至19世紀初發現電磁學基本原理、電磁感應現象為先導的。1831年，法拉第發現電磁感應原理，奠定了發電機的理論基礎?？茖W的發現，引起了技術的發明。1866年，馮·西門子發明了勵磁電機，并預見：電力技術很有發展前途，它將會開創一個新紀元。8電力工業的發展簡史1876年，貝爾發明了電話；1879年，愛迪生發明了電燈。19世紀未以后，三相交流發電機、變壓器、電動機、遠距離輸電以及有線電、無線電通信技術的陸續發明和應用，成為第二次技術革命的主要標志。電氣革命9電力工業的發展簡史1882年，愛迪生建成世界上第一座正規的發電廠，裝有6臺直流發電機，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技術體系。1881年，美國高拉德和吉布斯取得“供電交流系統”專利，發明家威斯汀豪斯買下此專利，并以它為基礎于1885年制成交流發電機和變壓器，并于1886

年建成第一個單相交流送電系統。1891年，在德國勞芬電廠安裝了世界第一臺三相交流發電機，建成第一條三相交流送電線路?，F代電力工業雛形

10電力工業的發展簡史發電機容量發展歷史：1960年，美國制成50萬kW

汽輪發電機。1963年,美國制成100萬kW

雙軸汽輪發電機。1973年，美國將BBC公司制造的130萬kW

雙軸汽輪發電機投入運行。1980年，前蘇聯在科斯特羅姆火電廠單軸120萬kW機組投入運行，這是世界上唯一的一臺單軸最大機組。11電力工業的發展簡史高電壓輸電發展歷史：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，原蘇聯也完成500kV輸電系統。1965年，前蘇聯建成±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中國電力工業的發展1.1.2中國電力工業的發展1882年上海創建第一個12kW發電廠，已有120年歷史。1949年，全國發電裝機容量185萬kW，年發電量43億kW·h1978年，裝機容量達到5712萬kW，年發電2566億kW·h。(30)2010年，裝機容量9.5億千瓦，年發電量4.3萬億kW·h。(510)13中國電力工業的發展發電機:1975年，自行設計制造第一臺30萬kW汽輪發電機。目前，國內運行最大機組是60萬kW汽輪發電機和90萬kW核電機組。汽輪發電機組水輪發電機組14中國電力工業的發展輸電線路: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1000kV特高壓骨干網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電力工業的特點電力工業主要包括5個生產環節：①發電，②輸電，③變電；④配電；⑤用電電力生產過程是連續的，發、輸、變、配電和用電在同一瞬間完成，因此發電、供電、用電之間，必須隨時保持平衡。電力系統內，各環節在電磁上相互耦合，因此，任何一點發生故障，都會在瞬間影響和波及全系統，處理不當，會引起連鎖反應，導致事故擴大，嚴重時會發生大面積停電事故。電力生產過程有嚴格的統一調度制度。系統內各個電廠、變電站和供電所都必須接受統一調度，執行調度員的命令；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，如線性穩壓電源、開關型穩壓電源（簡稱開關電源）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、頻率和初相位是構成交流電的三大要素。在我國，電力網稱為工頻交流電源，頻率為50Hz。Oπ2πωtuUm圖1-1正弦交流電流的波形3π181.1.6形形色色的用電負載與電能變換用電負載交流負載直流負載按頻率分工頻交流負載高頻交流負載可變頻交流負載節能燈，感應加熱變頻空調按電壓分恒壓交流負載可變壓交流負載高、中、低壓各類交流電機調光臺燈，調速電扇按電壓分恒壓直流負載可變壓直流負載按容量分小、中、大功率直流負載高、中、低壓各類直流電機、電力機車、電子設備直流調速電機

電網提供的是固定電壓、固定頻率的交流，與多種負載的需求形成矛盾。這就需要對電能進行變換。按容量分按容量分小、中、大功率交流負載191.2電子技術基本知識電子技術是十九世紀末、二十世紀初發展起來的新興技術，二十世紀發展最迅速，應用最廣泛，成為近代科學技術發展的一個重要標志。進入21世紀，人們面臨的是以微電子技術（半導體和集成電路為代表）電子計算機和因特網為標志的信息社會?，F代電子技術在國防、科學、工業、醫學、通訊（信息處理、傳輸和交流）及文化生活等各個領域中都起著巨大作用?，F在的世界，電子技術無處不在：收音機、彩電、音響、VCD、DVD、電子手表、數碼相機、微電腦、大規模生產的工業流水線、因特網、機器人、航天飛機、宇宙探測儀，可以說，人們現在生活在電子世界中，一天也離不開它。

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電子技術的應用電子技術的應用:21電子器件的兩個發展階段

電子技術是以電子器件的發展為基礎的，電子器件的發展分為兩個階段：分立元件階段（1905～1959）真空電子管半導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柵極，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超外差無線電收音機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算機1947年肖克萊、巴丁和布拉頓發明晶體管；香農奠定信息論的基礎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

圖真空管的結構及外形真空電子管24a）真空二極管的簡化工作原理1.燈絲會把陰極加熱至紅熱，把陰極的原子激發。2.陰極接上電池組的負極，向外發射電子。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，因為有電子從陰極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.燈絲會把陰極加熱至紅熱，把陰極的原子激發。2.陰極接上電池組的負極，向外發射電子。4.電流：是指電子的流動，因為有電子從陰極走向陽極所以形成了電流。5.電子是帶負電荷的。由于同性相斥，只要把柵極接上負電壓，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，帶負電荷的電子就由陰極奔向陽極。26分立元件階段晶體管時代（1948～1959）1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊研制成第一個晶體管1948年貝爾實驗室的香農發表信息論的論文1950年麻省理工學院的福雷斯特研制成磁心存儲器1954年貝爾實驗室研制太陽能電池和單晶硅1957年蘇聯發射第一顆人造地球衛星1958年美國得克薩斯儀器公司和仙童公司研制成第一個集成電路

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，集成電路已經跨越了小、中、大、超大、特大、巨大規模幾個臺階，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。時期規模集成度（元件數）50年代末小規模集成電路（SSI）10060年代中規模集成電路（MSI）100070年代大規模集成電路（LSI）>100070年代末超大規模集成電路（VLSI）1000080年代特大規模集成電路（ULSI）>10000029

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

電子計算機的發展簡介伴隨著電子技術而發展起來的電子計算機所經歷的四個階段，充分說明了電子技術發展的四個階段的特性。第一代（1946～1957）電子管計算機

基本電子元件是電子管，內存儲器采用水銀延遲線，外存儲器主要采用磁鼓、紙帶、卡片、磁帶等。運算速度只是每秒幾千次~幾萬次基本運算，內存容量僅幾千個字。程序語言處于最低階段，主要使用二進制的機器語言，后階段采用匯編語言。體積大，耗電多，速度低，造價高，使用不便，主要局限于一些軍事和科研部門進行科學計算。（ENIAC）31

電子計算機的發展世界上第一臺電子計算機：1946年在美國研制成功，取名ENIAC。使用18800個電子管，占地170平方米，重達30噸，耗電140千瓦，價格40多萬美元，每秒可進行5000次加法和減法運算。1946.2交付使用，1955.10最后切斷電源，服役長達9年。ENIAC32電子計算機的發展第二代（1958～1963）晶體管計算機：基本電子元件是晶體管，內存儲器大量使用磁性材料制成的磁芯存儲器。與第一代電子管計算機相比，晶體管計算機體積小，耗電少，成本低，邏輯功能強，使用方便，可靠性高

。（IBM7090）IBM709033電子計算機的發展第三代（1964～1970）集成電路計算機：基本元件是小規模集成電路和中規模集成電路，磁芯存儲器進一步發展，并開始采用性能更好的半導體存儲器，運算速度提高到每秒幾十萬次基本運算。由于采用了集成電路，第三代計算機各方面性能都有了極大提高：體積縮小，價格降低，功能增強，可靠性大大提高。（IBM360系列為代表）

IBM360晶體管計算機34電子計算機的發展第四代（1971～）大規模集成電路計算機：基本元件是大規模集成電路，甚至超大規模集成電路，集成度很高的半導體存儲器替代了磁芯存儲器，運算速度可達每秒幾百萬次，甚至上億次基本運算。具有體積小、功能強、可靠性高等特點。品牌電腦351.3電力電子技術概述電子技術信息電子技術電力電子技術模擬電子技術數字電子技術1.3.1電子技術的兩大分支：信息電子技術：信息電子技術主要用于信息處理：對聲音、圖像、文字、數字等各種信號進行獲取、加工、處理、存儲、傳播和使用。主要器件：晶體管、集成電路包括子學科：電子科學和技術、電子信息工程、通訊工程、微波工程，計算機工程等。361.3.1電子技術的兩大分支電力電子技術：定義：是應用于電力領域的電子技術，利用電力電子器件對電能進行變換和控制的一門新興學科。是弱電（低電壓、小電流—電子電路）與強電（高電壓，大電流—電力）相互結合，由弱電控制強電的新領域。所用器件：采用半導體材料制成，故稱電力半導體器件。

包括：晶閘管、絕緣柵極晶體管IGBT、電力晶體管、電力場效應管、門極可關斷晶閘管等應用場合：主要為各種負載提供合適的電源、電力系統能量變換等。371.3.1

電子技術的兩大分支據技術發達國家的專家統計，大約有60%以上的電能是經過電力電子技術處理后被使用的，在中國大約為40%。家庭在很多大學和國際組織（包括美國IEEE電力電子學會）的文件中，都把電力電子稱為一種無所不在的技術。的確，當你開車，坐地鐵，乘電梯，用電腦，開空調，用微波爐做飯，用冰箱制作冷飲，打電話或使用手機，開臺燈，聽音樂，看電視，你都在和電力電子技術打交道。想不到吧？雖然電力電子這一名詞對于我們大多數人來說還比較陌生，但它與我們的生活息息相關，它在各種電器中都擔負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理論基礎應用場合工作環境信息電子三極管集成電路半導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與電力電子技術的比較：1.3.1

電子技術的兩大分支391.3.2電力電子的核心技術電力變換技術是電力電子技術的核心技術。電力變換技術也叫做變流技術，所以早期的電力電子技術也叫做半導體變流技術，后來也有人稱之為電力電子變流技術。電力電子技術電力電子器件電力變換技術----是基礎----是核心控制電路（信號、信息）電力電子變換裝置輸入（電源）輸出（負載）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

從公用電網直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。（參數：）

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

電力變換技術41

四種類型電能變換的關系ACDCACDC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42

四種類型的電能變換（1）整流（AC→DC）：將交流電轉換為電壓固定或可調的直流電，稱為整流，這種變換是正變換。用于充電、電鍍、電解、直流電動機調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）：將直流電轉換為頻率和電壓為固定或可調的交流電，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、中頻感應加熱、交流電動機的變頻調速、高壓直流輸電、變頻家電等。應用最廣泛UPS44

四種類型的電能變換（3）交流電力控制（AC→AC）：將交流電轉換為頻率和電壓為固定或可調的交流電，稱為交流電力控制。其中，對交流電壓的調節稱為交流電壓控制簡稱交流調壓，用于調光、風扇調速、交流電動機調速、軟啟動器等；對交流輸出功率的調節稱為交流調功，常用于調溫電路，如電飯煲等。電熱恒溫箱軟啟動器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）轉換為另一固定電壓或可調電壓的直流電，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，應用于城市電車、地鐵、電瓶車、搬運車等直流電動機的牽引傳動；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、計算機、電信設備等的直流開關電源等。46電力電子學電子學電力學控制理論連續、離散

電路、器件靜止器、旋轉電機圖描述電力電子學的倒三角形

電力電子與相關學科的關系1974年，美國的W.Newell用圖示倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受。

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

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

交流電動機、直流發電機組實現交流一直流變換下圖所示是交流變直流的直流發電機組。三相交流電網的50Hz電源，經起動器給交流異步電動機供電，異步電動機帶動直流發電機，發出負載所需的直流電。

經典整流器效率低50電力電子技術的史前期或黎明期圖1-7所示是將公用電網50Hz恒頻、恒壓交流電變為頻率、電壓都可變的交流電的交流變流機組。直流發電機組和交流發電機組實現交流-交流電壓、頻率變換2經典變頻器51晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現和發展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生2.晶閘管時代522.晶閘管時代◆晶閘管時代（1957-1975）一般認為，電力電子技術的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標志的。晶閘管是一個半可控的單向導電開關，可用于整流。晶閘管由于其優越的性能，很快就取代了水銀整流器和旋轉變流機組。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導通而不能使其關斷的器件，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

晶閘管整流器時代相控整流電路的主要功能是使交流變成直流，因此當時有晶閘管整流器時代之稱。應用領域：直流傳動（軋鋼、造紙等）、機車牽引（電氣機車、電傳動內燃機、地鐵機車等）、電化電源（電解、電鍍等）是當時的三大支柱應用領域，直到今天這些裝置仍在大量生產和應用。高壓直流輸電是晶閘管新的應用領域。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和發展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生3.全控型器件迅速發展時期563.全控型器件迅速發展時期20世紀70年代中期至80年代，門極可關斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（GTR）和電力場效應管（PowerMOSFET）為典型代表的第二代自關斷全控型器件獲得迅速發展。同時，其它高頻率的器件如靜電感應晶體管（SIT）、靜電感應晶閘管（SITH）等相繼問世，形成了一個新型的全控型電力電子器件的大家族。全控型器件的特點是，通過對門極（基極、柵極）的控制既可使其開通又可使其關斷。?全控型器件的主要控制方式為脈沖寬度調制（PWM）方式，并且推動了PWM控制技術的迅速發展和應用。與此相對應，晶閘管的控制方式為相位控制方式。57可關斷晶閘管（GTO)

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

工業和電力逆變器中得到廣泛應用。目前GTO研制水平已達

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，內部結構和工作原理與信息電子技術中的晶體管相類似，但是容量要大得多。GTR具有自關斷能力，控制十分方便，在許多電力變流裝置中得到應用。GTR的額定值已達1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。優點：加工工藝成熟、成品率極高、生產成本低廉、應用電路成熟、使用方便等，應用十分廣泛。電力晶體管(GTR)59電力場效應晶體管（PowerMOSFET）電力場效應晶體管（PowerMOSFET）的內部結構和工作原理與信息電子技術中的絕緣柵型場效應晶體管（MOSFET）相類似，容量也是大很多。顯著特點：是驅動電路簡單，驅動功率小，開關速度快，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，其工作頻率可達數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，如電子設備的開關電源、小功率逆變器，手機、照相機等。電力場效應晶體管（PowerMOSFET）60晶閘管問世，(“公元元年”)

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

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

IGBT=電力場效應管(MOSFET)+電力晶體管(GTR)

IGBT兼有MOS器件和GTR的優點：特點：柵極（控制極）電壓驅動，驅動電路簡單、驅動功率小、開關損耗小、工作頻率高、熱穩定性好（MOS優點），承受電壓較高、載流密度大、通態壓降小（GTR優點）。IGBT是目前應用最廣泛的器件。62

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

或4.5KV/0.9KA

的水平，器件工作頻率可達幾百KHz.。目前IGBT的主要生產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公司開發的IGCT外形結構

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

IGCT。

IGCT=

GTO芯片+門極驅動電路。

64集成門極換流晶閘管（IGCT）IGCT產品水平為4.5KV/4KA

，研制水平6KV/4KA。應用于ABB公司的ACSl000變頻器等多類高壓設備。ACSl000變頻器65晶閘管問世，(“公元元年”)復合型器件及功率集成器件出現和發展時代晶閘管時代水銀（汞弧）整流器時代電子管問世全控型器件迅速發展時期史前期（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和發展665.功率模塊與功率集成電路的出現和發展1）功率模塊模塊化就是按照典型電力電子電路的結構，將多個相同的電力電子器件或多個相互配合使用的不同電力電子器件封裝在一個模塊內，共用一個外殼和散熱器。模塊內部只有功率器件及其電路，不包含電子電路。

優點：體積小、重量輕、結構緊湊、可靠性高、通用性強、互換性好、結構重復性好、外接線簡單、便于安裝和維修、總價格（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構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功率模塊的幾種內部結構

部分IGBT模塊內部結構圖單個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和發展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動電路、邏輯電路、控制電路、保護電路、檢測電路、自診斷電路等信息電子電路制作在同一芯片上，封裝在一個外殼中。優點：體積小，重量輕，引出線和焊接點少，壽命長，可靠性高，性能好，功能全面，成本低，便于大規模生產。已有系列PIC產品問世，包括功率MOS智能開關，電源管理電路、半橋或全橋逆變器、電機驅動器。70一種功率集成電路PIC的外形和內部結構

一種功率集成電路PIC的外形和內部結構原理71表1競相發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斷器件第三代復合型第四代功率集成電路PIC整流二極管（SR）快恢復二極管(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）逆導晶閘管（RCT）高頻晶閘管（HFSCR）非對稱晶閘管（ASCR）門極輔助關斷晶閘管（GATT）光控晶閘管（LATT）門極關斷晶閘管（GTO）門極換向晶閘管（GCT）電力晶體管（GTR）達林頓晶體管（DT）靜電感應晶體管（SIT）靜電感應晶閘管（SITH）電力場效應晶體管(P-MOSFET)聯柵晶體管（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系

電力電子裝置與所用電力電子器件的用屬關系工作頻率731.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術功率損耗：電力電子器件一般工作于開關狀態，但是器件由半導體材料制作，存在內阻。通態損耗：器件在導通狀態下，不是理想的短路，內部有一定的通態電阻，雖然非常小，但在流過較大的通態電流時，也會形成較大的功率損耗。斷態損耗：器件在阻斷狀態下，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，盡管數值很小，由于斷態阻抗很高，也會形成較大的功率損耗。開關損耗：器件在開通過程和關斷過程中，也會產生功率損耗，分別稱為開通損耗和關斷損耗，總稱為開關損耗。

散熱和冷卻:各種損耗將導致器件發熱，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電力電子器件的冷卻技術：電力電子設備常用的冷卻技術包括自然冷卻、風冷、液冷和熱管冷卻等方式。電力電子器件的風冷散熱器751.4電力電子器件的功率損耗與冷卻技術

液體冷卻技術電力電子器件的水冷散熱電力電子模塊的液冷散熱761.5電力電子技術的應用1.在一般工業中的應用交、直流電機調速：大至數千kW的各種軋鋼機，小到幾百W的數控機床的伺服電機，以及礦山牽引等場合。

一些對調速性能要求不高的大型鼓風機、泵類等近年來也采用了變頻裝置，以達到節能的目的。

大型電機的軟起動裝置。電化學工業：電化學工業大量使用直流電源，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：電力電子技術還大量用于冶金工業中的高頻、中頻感應加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場合。

77軋鋼機數控機床冶金工業電解鋁1.一般工業1.5電力電子技術的應用變頻器78高頻、中頻感應加熱電源791.5電力電子技術的應用2、在交通運輸中的應用電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術。直流機車中采用整流裝置，交流機車采用變頻裝置。直流斬波器也廣泛用于鐵道車輛。在磁懸浮列車中，電力電子技術更是一項關鍵技術。除牽引電機外，車輛中的各種輔助電源也離不開電力電子。機車的空調系統、照明系統等需要電力變換。電動汽車的電機需要進行電力變換和驅動控制，其蓄電池的充電也離不開電力電子。高級汽車中需要許多控制電機，它們也要靠變頻器和斬波器驅