電氣科學(xué)與工程學(xué)科的回顧與展望

1、v哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動(dòng)化學(xué) 院院 電之重要性電之重要性 u電是人類文明的基礎(chǔ)物質(zhì)條件之一電是人類文明的基礎(chǔ)物質(zhì)條件之一 u“電氣化電氣化”引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命 u“電氣化電氣化”被美國(guó)工程院評(píng)為被美國(guó)工程院評(píng)為20世紀(jì)世紀(jì)20項(xiàng)最偉項(xiàng)最偉 大的工程技術(shù)成就之首大的工程技術(shù)成就之首 u“電氣化電氣化”被中國(guó)工程院評(píng)為被中國(guó)工程院評(píng)為20世紀(jì)我國(guó)世紀(jì)我國(guó)25項(xiàng)項(xiàng) 重大工程技術(shù)成就之六重大工程技術(shù)成就之六 u電氣科學(xué)與工程學(xué)科與國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有特別重電氣科學(xué)與工程學(xué)科與國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有特別重 要戰(zhàn)略地位的要戰(zhàn)略地位的能源能源領(lǐng)域息息相關(guān)領(lǐng)域息息

2、相關(guān) 電氣科學(xué)與工程學(xué)科的戰(zhàn)略地位和特點(diǎn)電氣科學(xué)與工程學(xué)科的戰(zhàn)略地位和特點(diǎn) 電是能量轉(zhuǎn)換的樞紐和信息的載體電是能量轉(zhuǎn)換的樞紐和信息的載體 電是一種最便于傳輸、分配和控制，最易于實(shí)現(xiàn)與其他能電是一種最便于傳輸、分配和控制，最易于實(shí)現(xiàn)與其他能 量相互轉(zhuǎn)換，最便于進(jìn)行能量時(shí)空分布變換（量相互轉(zhuǎn)換，最便于進(jìn)行能量時(shí)空分布變換（時(shí)間分布時(shí)間分布： 恒定、交變、脈沖；恒定、交變、脈沖；空間分布空間分布：集中、分散）的一種能量。：集中、分散）的一種能量。 歷史悠久而活力日增歷史悠久而活力日增由雷觀察到電由雷觀察到電電和磁相互依存相電和磁相互依存相 互作用互作用19世紀(jì)麥克斯韋爾方程組世紀(jì)麥克斯韋爾方程組 交

3、叉面廣、滲透性強(qiáng)交叉面廣、滲透性強(qiáng)電子、信息、計(jì)算機(jī)、激光、自動(dòng)電子、信息、計(jì)算機(jī)、激光、自動(dòng) 控制等控制等電磁與物質(zhì)相互作用電磁與物質(zhì)相互作用 研究對(duì)象涉及的時(shí)空跨度大研究對(duì)象涉及的時(shí)空跨度大微觀、介觀、宏觀；皮秒、微觀、介觀、宏觀；皮秒、 納秒納秒 國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)規(guī)劃綱要國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)規(guī)劃綱要引領(lǐng)未來前沿技術(shù)引領(lǐng)未來前沿技術(shù) 先進(jìn)能源技術(shù)先進(jìn)能源技術(shù) u電氣工程學(xué)科是培養(yǎng)有關(guān)電能的生產(chǎn)直至使用的電氣工程學(xué)科是培養(yǎng)有關(guān)電能的生產(chǎn)直至使用的 全過程中，各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、全過程中，各種電氣設(shè)備和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、 運(yùn)行、測(cè)量和控制等方面的高層次科學(xué)研究及工運(yùn)行、測(cè)量和控

4、制等方面的高層次科學(xué)研究及工 程技術(shù)專門人才和高等學(xué)校師資的學(xué)科；程技術(shù)專門人才和高等學(xué)校師資的學(xué)科； u它們共同的學(xué)科基礎(chǔ)是電工學(xué)它們共同的學(xué)科基礎(chǔ)是電工學(xué)研究電磁現(xiàn)象、研究電磁現(xiàn)象、 規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué)。規(guī)律及應(yīng)用的科學(xué)。 v發(fā)電發(fā)電v輸電輸電 v測(cè)量與控制測(cè)量與控制 v用戶用戶v配電配電 v電氣工程學(xué)科的性質(zhì)與作用電氣工程學(xué)科的性質(zhì)與作用 v電氣工程一級(jí)學(xué)科簡(jiǎn)介電氣工程一級(jí)學(xué)科簡(jiǎn)介 v v電氣工程電氣工程 v電力電電力電 子與子與 v電力傳電力傳 動(dòng)動(dòng) v電力系電力系 統(tǒng)及其統(tǒng)及其 v自動(dòng)化自動(dòng)化 v電電 機(jī)與機(jī)與 v電電 器器 v高電壓高電壓 v與與 v絕緣技絕緣技 術(shù)術(shù) v電工理電工理

5、 論與新技論與新技 術(shù)術(shù) v電電 機(jī)機(jī) v電電 器器 v理理 論論 電電 工工 v超超 導(dǎo)技導(dǎo)技 術(shù)與術(shù)與 磁流磁流 體發(fā)體發(fā) 電電 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化 v電力系統(tǒng)及其自動(dòng)電力系統(tǒng)及其自動(dòng) 化化 v電力系統(tǒng)電力系統(tǒng) 及其自動(dòng)化及其自動(dòng)化 v鐵道牽引電氣鐵道牽引電氣 化與自動(dòng)化化與自動(dòng)化 v（部分）（部分） v船舶與海洋工船舶與海洋工 程特輔裝置與系程特輔裝置與系 統(tǒng)（部分）統(tǒng)（部分） v交通運(yùn)輸工程學(xué)科交通運(yùn)輸工程學(xué)科 v海洋工程學(xué)科海洋工程學(xué)科 電力電子與電力傳動(dòng)電力電子與電力傳動(dòng) v 電力電子與電力傳電力電子與電力傳 動(dòng)動(dòng) v電力電子電力電子 v技術(shù)技術(shù) v電力傳動(dòng)及其電

6、力傳動(dòng)及其 v自動(dòng)化自動(dòng)化 v（部分）（部分） v電磁測(cè)量技術(shù)電磁測(cè)量技術(shù) v及儀器及儀器 v（部分）（部分） v控制科學(xué)與工程學(xué)科控制科學(xué)與工程學(xué)科 v儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科 高電壓與絕緣技術(shù)高電壓與絕緣技術(shù) v高電壓與絕緣技術(shù)高電壓與絕緣技術(shù) v高電壓高電壓 v技術(shù)技術(shù) v電工材料及絕緣技術(shù)電工材料及絕緣技術(shù) v（部分）（部分） v材料科學(xué)與工程學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué) 科科 v電氣工程學(xué)科的相關(guān)學(xué)科電氣工程學(xué)科的相關(guān)學(xué)科 u 電子科學(xué)與技術(shù)電子科學(xué)與技術(shù) u 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) u 控制科學(xué)與工程控制科學(xué)與工程 u 信息與通信工程信息與通信工程 u 材料科學(xué)與工程材

7、料科學(xué)與工程 * 機(jī)械工程機(jī)械工程 * 儀器科學(xué)與技術(shù)儀器科學(xué)與技術(shù) * 動(dòng)力工程與工程熱物理動(dòng)力工程與工程熱物理 * 交通運(yùn)輸工程交通運(yùn)輸工程 * 農(nóng)業(yè)工程農(nóng)業(yè)工程 * 環(huán)境科學(xué)與工程環(huán)境科學(xué)與工程 * 生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)工程 電氣科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵與分支電氣科學(xué)與工程學(xué)科的內(nèi)涵與分支 電能科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)力示意圖電能科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)力示意圖 電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)力示意圖電磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展動(dòng)力示意圖 電能產(chǎn)生與利用環(huán)節(jié)示意圖電能產(chǎn)生與利用環(huán)節(jié)示意圖 v太陽能太陽能 v水力發(fā)水力發(fā) 電電 v生物發(fā)生物發(fā) 電電 v化石類能化石類能 源源 v潮汐發(fā)電潮汐發(fā)電 v地?zé)岬責(zé)?/p>

8、 v核核 能能 v風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電 v v電動(dòng)車、混合電動(dòng)車、混合 v動(dòng)力車、燃料動(dòng)力車、燃料 v電池電池 車車 v航天：火箭、航天：火箭、 v航天飛機(jī)、小航天飛機(jī)、小 v衛(wèi)星衛(wèi)星 v軍用軍用: : 飛機(jī)、飛機(jī)、 v艦艇、坦克，艦艇、坦克， v導(dǎo)彈導(dǎo)彈 v備用電源備用電源UPSUPS v民用電器：筆民用電器：筆 v記本電腦、手記本電腦、手 v機(jī)、數(shù)碼相機(jī)機(jī)、數(shù)碼相機(jī) v通信設(shè)通信設(shè) 備備 v海洋溫差發(fā)電海洋溫差發(fā)電 v氫能燃料電池氫能燃料電池 v電能存電能存 v儲(chǔ)設(shè)備儲(chǔ)設(shè)備 v：各種：各種 v電池、電池、 v超級(jí)電超級(jí)電 v容、機(jī)容、機(jī) v械飛輪械飛輪 v等等 v電站、電站、 v大容量大容量

9、v電能存電能存 v儲(chǔ)設(shè)備儲(chǔ)設(shè)備 v電能存儲(chǔ)設(shè)備的電能存儲(chǔ)設(shè)備的 v監(jiān)控與管理技監(jiān)控與管理技 術(shù)術(shù) 最近二百年氣候變化的事實(shí)與預(yù)估最近二百年氣候變化的事實(shí)與預(yù)估 Facts ; 離散時(shí)域仿真模型及廣義狀態(tài)平均模型。離散時(shí)域仿真模型及廣義狀態(tài)平均模型。 電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)活動(dòng)電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)活動(dòng) pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC94) , Beijing pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC97

10、) , Hangzhou pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC2000) , Beijing pInternational Power Electronics & Motion Control Conference(IPEMC2004) , Xian p國(guó)內(nèi)各個(gè)國(guó)家學(xué)會(huì)也經(jīng)常舉行全國(guó)性的電力電子、電氣國(guó)內(nèi)各個(gè)國(guó)家學(xué)會(huì)也經(jīng)常舉行全國(guó)性的電力電子、電氣 傳動(dòng)和電子電源技術(shù)的學(xué)術(shù)研討會(huì)；傳動(dòng)和電子電源技術(shù)的學(xué)術(shù)研討會(huì)； p相關(guān)期刊的發(fā)行促進(jìn)了國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)交流，在活躍學(xué)術(shù)研究相關(guān)期刊的發(fā)行促進(jìn)了國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)交流，在

11、活躍學(xué)術(shù)研究 氣氛、推廣應(yīng)用研究成果方面起到了積極作用。氣氛、推廣應(yīng)用研究成果方面起到了積極作用。 國(guó)家重大關(guān)鍵技術(shù)對(duì)電力電子技術(shù)的支持國(guó)家重大關(guān)鍵技術(shù)對(duì)電力電子技術(shù)的支持 C IGBTIGBT產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及其應(yīng)用；產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及其應(yīng)用； C 高頻開關(guān)電源系列；高頻開關(guān)電源系列； C 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；風(fēng)力發(fā)電技術(shù)； C 高溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)；高溫地?zé)岚l(fā)電技術(shù)； C FACTSFACTS的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備；的關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備； C 高壓直流輸電技術(shù)及設(shè)備；高壓直流輸電技術(shù)及設(shè)備； C 電網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)；電網(wǎng)控制關(guān)鍵技術(shù)； C 鐵路提速關(guān)鍵技術(shù)；鐵路提速關(guān)鍵技術(shù)； C 高效節(jié)能電爐與裝備技術(shù)；高效節(jié)能電爐與裝備

12、技術(shù)； C 節(jié)能最佳化大型選礦技術(shù)裝備；節(jié)能最佳化大型選礦技術(shù)裝備； C 建筑節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品；建筑節(jié)能技術(shù)及產(chǎn)品； C 家用電器節(jié)能技術(shù)及船用設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。家用電器節(jié)能技術(shù)及船用設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)。 掌握這些重大關(guān)鍵技術(shù)是掌握這些重大關(guān)鍵技術(shù)是20102010年前我國(guó)電力電子技術(shù)年前我國(guó)電力電子技術(shù) 的的 發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)。發(fā)展遠(yuǎn)景目標(biāo)。 國(guó)際電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步國(guó)際電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步 電力電子器件的發(fā)展過程，經(jīng)歷了不控和半控器件、電力電子器件的發(fā)展過程，經(jīng)歷了不控和半控器件、 電流全控器件、電壓全控器件和功率集成電路電流全控器件、電壓全控器件和功率集成電路 (Power IC)(Power

13、IC)等若干階段；等若干階段； 8080年代末期，不少國(guó)際電力電子專家認(rèn)為：電力電年代末期，不少國(guó)際電力電子專家認(rèn)為：電力電 子器件的發(fā)展方向是高頻化，大功率化和易于驅(qū)動(dòng)子器件的發(fā)展方向是高頻化，大功率化和易于驅(qū)動(dòng) ( (使用使用) )； 到到20002000年，各種電力電子器件的使用頻率將提高一年，各種電力電子器件的使用頻率將提高一 個(gè)數(shù)量級(jí)，例如：功率個(gè)數(shù)量級(jí)，例如：功率MOSFETMOSFET的頻率的頻率( (以以kHzkHz計(jì)，下計(jì)，下 同同) )從從10102 2提高到提高到10103 3，IGBTIGBT則從則從l0l0提高到提高到100100； 器件功率也將有所提高，例如：器件功

14、率也將有所提高，例如：IGBTIGBT的功率的功率( (以以MVAMVA 計(jì)，下同計(jì)，下同) )從從0.10.1提高到提高到1 1，GTOGTO則從則從1010以下提高到以下提高到l0l0。 國(guó)際電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步國(guó)際電力電子技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步 10年前國(guó)際電力電子界專家們預(yù)測(cè)：年前國(guó)際電力電子界專家們預(yù)測(cè)：90年代電年代電 力電子裝置的發(fā)展方向是小型輕量化，高精度力電子裝置的發(fā)展方向是小型輕量化，高精度 快速響應(yīng)，并進(jìn)一步系統(tǒng)化；快速響應(yīng)，并進(jìn)一步系統(tǒng)化； 2000年，以下幾方面已由計(jì)劃變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；年，以下幾方面已由計(jì)劃變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)； 新型電力補(bǔ)償器；新型電力補(bǔ)償器； 無直流環(huán)節(jié)的變頻器；無直

15、流環(huán)節(jié)的變頻器； 應(yīng)用自關(guān)斷器件的高壓直流輸電裝置；應(yīng)用自關(guān)斷器件的高壓直流輸電裝置； 磁懸浮運(yùn)載工具；磁懸浮運(yùn)載工具； 超導(dǎo)磁鐵儲(chǔ)能；超導(dǎo)磁鐵儲(chǔ)能； 卡片式開關(guān)電源；卡片式開關(guān)電源； 高頻鏈高頻鏈UPSUPS； 自動(dòng)駕駛的電動(dòng)汽車。自動(dòng)駕駛的電動(dòng)汽車。 電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì)電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì) 人們認(rèn)為人們認(rèn)為2121世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)將發(fā)生巨大變革，富有生命力的、世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)將發(fā)生巨大變革，富有生命力的、 新型的新型的“知識(shí)經(jīng)濟(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)”促進(jìn)和改造傳統(tǒng)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)，對(duì)世界促進(jìn)和改造傳統(tǒng)的工業(yè)經(jīng)濟(jì)，對(duì)世界 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將有很大推動(dòng)力；經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將有很大推動(dòng)力； 知識(shí)經(jīng)濟(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)(Knowledge b

16、ased economy)(Knowledge based economy)的主要特征表現(xiàn)為：的主要特征表現(xiàn)為： 高新技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用；高新技術(shù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用； 電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合已成為當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合已成為當(dāng)今技術(shù)發(fā)展的 主流；主流； 物質(zhì)生產(chǎn)可歸結(jié)為把能源流作用到物料流，得到所需要的物質(zhì)生產(chǎn)可歸結(jié)為把能源流作用到物料流，得到所需要的 形狀、尺寸或性質(zhì)；形狀、尺寸或性質(zhì)； 現(xiàn)代化的物質(zhì)生產(chǎn)，將是信息流、能源流同物料流的匯合，現(xiàn)代化的物質(zhì)生產(chǎn)，將是信息流、能源流同物料流的匯合， 電力電子位于這三流匯合處，

17、具體體現(xiàn)為電力電子位于這三流匯合處，具體體現(xiàn)為“信息控制、電信息控制、電 網(wǎng)供電和生產(chǎn)機(jī)械網(wǎng)供電和生產(chǎn)機(jī)械”的接口；的接口； 電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì)電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì) 這些數(shù)據(jù)表明，我們應(yīng)當(dāng)從全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)來考這些數(shù)據(jù)表明，我們應(yīng)當(dāng)從全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)來考 慮一個(gè)國(guó)家的電力電子技術(shù)的發(fā)展；慮一個(gè)國(guó)家的電力電子技術(shù)的發(fā)展； 3030多年前人們認(rèn)為，電力電子學(xué)是從電氣工程多年前人們認(rèn)為，電力電子學(xué)是從電氣工程 (EE)(EE)中中3 3大學(xué)科領(lǐng)域大學(xué)科領(lǐng)域( (電力、控制、電子電力、控制、電子) )發(fā)展起發(fā)展起 來的一門新型邊緣學(xué)科；來的一門新型邊緣學(xué)科； 隨著時(shí)間的推移和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已意隨著

18、時(shí)間的推移和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已意 識(shí)到，僅僅識(shí)到，僅僅3 3個(gè)學(xué)科領(lǐng)域已不能概括作為高新邊個(gè)學(xué)科領(lǐng)域已不能概括作為高新邊 緣學(xué)科緣學(xué)科電力電子學(xué)的全部相鄰學(xué)科；電力電子學(xué)的全部相鄰學(xué)科； 新型電力電子器件的制造已廣泛應(yīng)用新型電力電子器件的制造已廣泛應(yīng)用VLSIVLSI； 通過電力電子器件和系統(tǒng)的集中監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)通過電力電子器件和系統(tǒng)的集中監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn) “弱電弱電”控制控制“強(qiáng)電強(qiáng)電”； 電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì)電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì) 電力電子是一種知識(shí)密集型、以高新科技知識(shí)為基礎(chǔ)的電力電子是一種知識(shí)密集型、以高新科技知識(shí)為基礎(chǔ)的 技術(shù)，如果缺乏對(duì)電力電子國(guó)際科技前沿動(dòng)態(tài)的了解，技術(shù)，如果缺乏

19、對(duì)電力電子國(guó)際科技前沿動(dòng)態(tài)的了解， 將使國(guó)家失去國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，失去知識(shí)經(jīng)濟(jì)帶來的將使國(guó)家失去國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，失去知識(shí)經(jīng)濟(jì)帶來的 新機(jī)遇；新機(jī)遇； 據(jù)據(jù)19981998年日本電氣學(xué)會(huì)專家預(yù)測(cè)，到年日本電氣學(xué)會(huì)專家預(yù)測(cè)，到19991999年電力電子器年電力電子器 件的世界市場(chǎng)為件的世界市場(chǎng)為9595億美元，比億美元，比19951995年增加年增加2121億美元，平億美元，平 均年增長(zhǎng)均年增長(zhǎng)1515； Microtech1996Microtech1996年估計(jì)，電力電子設(shè)備的世界市場(chǎng)為年估計(jì)，電力電子設(shè)備的世界市場(chǎng)為300300 億美元。能源電子產(chǎn)品億美元。能源電子產(chǎn)品( (包括電力電子裝置

20、、電容器和電包括電力電子裝置、電容器和電 池池) )的日本市場(chǎng)規(guī)模約為的日本市場(chǎng)規(guī)模約為200200億美元；億美元； 據(jù)美國(guó)據(jù)美國(guó)VirginiaVirginia電力電子中心電力電子中心(VPEC)(VPEC)報(bào)道，電力電子市報(bào)道，電力電子市 場(chǎng)有場(chǎng)有300300億美元直接產(chǎn)品銷售，并支持億美元直接產(chǎn)品銷售，并支持57005700億美元電子工億美元電子工 業(yè)；業(yè)； 電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì)電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì) 與現(xiàn)代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科更加廣泛與現(xiàn)代電力電子學(xué)相關(guān)的學(xué)科更加廣泛, , 包括：基礎(chǔ)理包括：基礎(chǔ)理 論論( (固體物理、電磁學(xué)、電路理論固體物理、電磁學(xué)、電路理論) )、專業(yè)理論、專業(yè)

21、理論( (電力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、 電子學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機(jī)學(xué)及電傳動(dòng)、通信理論、信電子學(xué)、系統(tǒng)與控制、電機(jī)學(xué)及電傳動(dòng)、通信理論、信 號(hào)處理、微電子技術(shù)號(hào)處理、微電子技術(shù)) ) 以及專門技術(shù)以及專門技術(shù)( (電磁測(cè)量、計(jì)算機(jī)電磁測(cè)量、計(jì)算機(jī) 仿真、仿真、CAD)CAD)等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、等，覆蓋了材料、器件、電路與控制、磁學(xué)、 熱設(shè)計(jì)、封裝、熱設(shè)計(jì)、封裝、CADCAD集成、制造、電力及電工應(yīng)用等；集成、制造、電力及電工應(yīng)用等； 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，迫切需要跨學(xué)科、應(yīng)用多種專業(yè)技術(shù)進(jìn)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，迫切需要跨學(xué)科、應(yīng)用多種專業(yè)技術(shù)進(jìn) 行聯(lián)合研究，才能推動(dòng)電力電子學(xué)科的發(fā)展；行聯(lián)合研究，

22、才能推動(dòng)電力電子學(xué)科的發(fā)展； 多學(xué)科合作研究的學(xué)術(shù)領(lǐng)域包括：節(jié)能技術(shù)，可再生能多學(xué)科合作研究的學(xué)術(shù)領(lǐng)域包括：節(jié)能技術(shù)，可再生能 源和新能源源和新能源( (風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池、燃料電池等風(fēng)力發(fā)電、太陽能電池、燃料電池等) )的開的開 發(fā)利用，高質(zhì)量的可靠能源研究，大氣環(huán)境保護(hù)，新材發(fā)利用，高質(zhì)量的可靠能源研究，大氣環(huán)境保護(hù)，新材 料與新器件的開發(fā)與應(yīng)用，微電子技術(shù)等；料與新器件的開發(fā)與應(yīng)用，微電子技術(shù)等； 電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì)電力電子技術(shù)與知識(shí)經(jīng)濟(jì) 跨學(xué)科聯(lián)合研究的另一個(gè)例子是：國(guó)際著名電跨學(xué)科聯(lián)合研究的另一個(gè)例子是：國(guó)際著名電 力電子界資深專家原田耕介，根據(jù)力電子界資深專家原田耕介，根據(jù)9

23、090年代能源年代能源 系統(tǒng)發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的要求，將電力電子系統(tǒng)發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的要求，將電力電子 學(xué)擴(kuò)展為能源電子學(xué)，并在日本熊本工業(yè)大學(xué)學(xué)擴(kuò)展為能源電子學(xué)，并在日本熊本工業(yè)大學(xué) 創(chuàng)立了國(guó)際獨(dú)一無二的能源電子研究所；創(chuàng)立了國(guó)際獨(dú)一無二的能源電子研究所； 面對(duì)新的世紀(jì)，我國(guó)若要加速從工業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變面對(duì)新的世紀(jì)，我國(guó)若要加速從工業(yè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變 為知識(shí)經(jīng)濟(jì)，大力發(fā)展電力電子學(xué)，開展跨學(xué)為知識(shí)經(jīng)濟(jì)，大力發(fā)展電力電子學(xué)，開展跨學(xué) 科聯(lián)合研究是非常重要的?？坡?lián)合研究是非常重要的。 電力電子基本理論的新發(fā)展電力電子基本理論的新發(fā)展 電力電子的新進(jìn)展給傳統(tǒng)的電工學(xué)科注入了新電力電子的新進(jìn)展給傳統(tǒng)的電工學(xué)科注

24、入了新 的活力。的活力。 電力電子新技術(shù)將滲透到傳統(tǒng)電工學(xué)科的許多電力電子新技術(shù)將滲透到傳統(tǒng)電工學(xué)科的許多 分支，對(duì)傳統(tǒng)電工理論提出許多新的挑戰(zhàn)；分支，對(duì)傳統(tǒng)電工理論提出許多新的挑戰(zhàn)； 強(qiáng)電強(qiáng)電弱電融合的時(shí)代已經(jīng)到來；弱電融合的時(shí)代已經(jīng)到來； 電工理論正在并將進(jìn)一步活躍起來，主要表現(xiàn)電工理論正在并將進(jìn)一步活躍起來，主要表現(xiàn) 在以下幾方面；在以下幾方面； 電力電子器件是以開關(guān)方式運(yùn)行的非線性元件，電力電子器件是以開關(guān)方式運(yùn)行的非線性元件， 傳統(tǒng)的集中參數(shù)、線性電路理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了傳統(tǒng)的集中參數(shù)、線性電路理論遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了 分析電力電子線路行為的需要。電力電子學(xué)的分析電力電子線路行為的需要。電力電子

25、學(xué)的 發(fā)展迫切要求建立非線性電路理論，并解決分發(fā)展迫切要求建立非線性電路理論，并解決分 布參數(shù)問題。布參數(shù)問題。 電力電子基本理論的新發(fā)展電力電子基本理論的新發(fā)展 電力電子產(chǎn)品多數(shù)都是諧波源，給電網(wǎng)和電機(jī)帶來大電力電子產(chǎn)品多數(shù)都是諧波源，給電網(wǎng)和電機(jī)帶來大 量嚴(yán)重的諧波問題，除產(chǎn)生大家熟知的相移無功之外，量嚴(yán)重的諧波問題，除產(chǎn)生大家熟知的相移無功之外， 又大量增添了畸變無功。另一方面，電力電子同微電又大量增添了畸變無功。另一方面，電力電子同微電 子相結(jié)合又提供了有源子相結(jié)合又提供了有源( (無功無功) )補(bǔ)償和有源補(bǔ)償和有源( (諧波諧波) )濾波濾波 的新技術(shù)手段，成為治理電網(wǎng)污染、改善電力

26、品質(zhì)的的新技術(shù)手段，成為治理電網(wǎng)污染、改善電力品質(zhì)的 得力措施。得力措施。 過去電工理論中過去電工理論中“場(chǎng)路分家場(chǎng)路分家”研究是普遍的，電力電子研究是普遍的，電力電子 技術(shù)向高頻、大功率方向的發(fā)展，分布參數(shù)問題日顯技術(shù)向高頻、大功率方向的發(fā)展，分布參數(shù)問題日顯 重要，這給重要，這給“場(chǎng)路結(jié)合場(chǎng)路結(jié)合”的新理論提出了許多新課題。的新理論提出了許多新課題。 例如，工作頻率在例如，工作頻率在20kHz20kHz時(shí)，電力電子裝置中的全部引時(shí)，電力電子裝置中的全部引 線寄生電感應(yīng)小于線寄生電感應(yīng)小于30nH30nH，否則將對(duì)裝置或電機(jī)帶來很，否則將對(duì)裝置或電機(jī)帶來很 強(qiáng)的電應(yīng)力，危及它們的工作壽命。而

27、任何直圓導(dǎo)線強(qiáng)的電應(yīng)力，危及它們的工作壽命。而任何直圓導(dǎo)線 的電感約為的電感約為7 75nH/dm5nH/dm，由此提出了功率無感母線的新，由此提出了功率無感母線的新 概念與新產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上才能對(duì)這種高頻化大功率概念與新產(chǎn)品，在此基礎(chǔ)上才能對(duì)這種高頻化大功率 變換裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。變換裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 電力電子基本理論的新發(fā)展電力電子基本理論的新發(fā)展 交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦 合的機(jī)電系統(tǒng)，為了對(duì)它進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，需要合的機(jī)電系統(tǒng)，為了對(duì)它進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，需要 進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展已有的非線性控制理論。進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展已有的非線性控制

28、理論。 電力電子開關(guān)電路中常常發(fā)生重復(fù)性的瞬態(tài)過程，電力電子開關(guān)電路中常常發(fā)生重復(fù)性的瞬態(tài)過程， 它不同于常規(guī)電路中的過渡過程分析，需要做精它不同于常規(guī)電路中的過渡過程分析，需要做精 細(xì)的計(jì)算分析，并借助計(jì)算機(jī)仿真和最優(yōu)設(shè)計(jì)方細(xì)的計(jì)算分析，并借助計(jì)算機(jī)仿真和最優(yōu)設(shè)計(jì)方 法。法。 未來，節(jié)能效果更好、使用更方便的變頻線路拓未來，節(jié)能效果更好、使用更方便的變頻線路拓 撲，可能是無直流環(huán)節(jié)交撲，可能是無直流環(huán)節(jié)交交矩陣式變頻器，它交矩陣式變頻器，它 有可能在很大程度上替代現(xiàn)在普遍采用的交有可能在很大程度上替代現(xiàn)在普遍采用的交 直直交變頻系統(tǒng)。這里也會(huì)提出許多新問題。交變頻系統(tǒng)。這里也會(huì)提出許多新問題

29、。 電力電子基本理論的新發(fā)展電力電子基本理論的新發(fā)展 電工學(xué)科傳統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容是直流電以及工頻、三相、正電工學(xué)科傳統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容是直流電以及工頻、三相、正 弦波交流電，主要是電流、電壓的變化規(guī)律，對(duì)頻率、弦波交流電，主要是電流、電壓的變化規(guī)律，對(duì)頻率、 相位、相數(shù)、波形等參數(shù)的研究常常是不充分的。目前相位、相數(shù)、波形等參數(shù)的研究常常是不充分的。目前 電工理論和實(shí)踐多集中在單相和三相系統(tǒng)，現(xiàn)代電力電電工理論和實(shí)踐多集中在單相和三相系統(tǒng)，現(xiàn)代電力電 子技術(shù)的崛起，將對(duì)電能的上述幾大參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)控。子技術(shù)的崛起，將對(duì)電能的上述幾大參數(shù)進(jìn)行綜合調(diào)控。 特別使超過三相的多相電機(jī)、多相變換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為特別

30、使超過三相的多相電機(jī)、多相變換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成為 可能，相應(yīng)的工作原理、設(shè)計(jì)理論及其帶來的效益將引可能，相應(yīng)的工作原理、設(shè)計(jì)理論及其帶來的效益將引 起廣泛的興趣和注意。起廣泛的興趣和注意。 電力電子新技術(shù)還在呼喚一系列新的電工材料的出現(xiàn)，電力電子新技術(shù)還在呼喚一系列新的電工材料的出現(xiàn)， 諸如制作新器件的新型半導(dǎo)體材料諸如制作新器件的新型半導(dǎo)體材料 ( (如碳化硅等寬禁帶如碳化硅等寬禁帶 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料) )；高；高“磁能積磁能積”的永磁材料的永磁材料( (如釹鐵硼如釹鐵硼) )和和 低磁損耗、可以工作到幾十千赫的非晶態(tài)與超微晶磁材低磁損耗、可以工作到幾十千赫的非晶態(tài)與超微晶磁材 料；氮化鋁、

31、金剛石等具有高導(dǎo)熱、高絕緣性能的材料。料；氮化鋁、金剛石等具有高導(dǎo)熱、高絕緣性能的材料。 電力電子基本理論的新發(fā)展電力電子基本理論的新發(fā)展 在大量涉及非正弦量的條件下，一大批原來只適在大量涉及非正弦量的條件下，一大批原來只適 合測(cè)量正弦量的電工測(cè)試儀表需要更新?lián)Q代。合測(cè)量正弦量的電工測(cè)試儀表需要更新?lián)Q代。 電力電子控制的應(yīng)用使電機(jī)設(shè)計(jì)制造發(fā)生了根本電力電子控制的應(yīng)用使電機(jī)設(shè)計(jì)制造發(fā)生了根本 的變化，電機(jī)與電力電子電路緊密相關(guān)的新型集的變化，電機(jī)與電力電子電路緊密相關(guān)的新型集 成化、電子化、智能電機(jī)正在登上歷史舞臺(tái)，這成化、電子化、智能電機(jī)正在登上歷史舞臺(tái)，這 也提出了智能電機(jī)從原理、設(shè)計(jì)到應(yīng)用

32、的眾多課也提出了智能電機(jī)從原理、設(shè)計(jì)到應(yīng)用的眾多課 題。題。 電力電子與綠色能源電力電子與綠色能源 電力電子技術(shù)是高效節(jié)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用可以電力電子技術(shù)是高效節(jié)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用可以 減少社會(huì)對(duì)發(fā)電增長(zhǎng)的需求；減少社會(huì)對(duì)發(fā)電增長(zhǎng)的需求； 發(fā)展電動(dòng)車逐步代替汽車，是電力電子的重大發(fā)展電動(dòng)車逐步代替汽車，是電力電子的重大 課題之一；課題之一； 火力發(fā)電火力發(fā)電(燃煤或燃油和汽車尾氣是造成大氣環(huán)燃煤或燃油和汽車尾氣是造成大氣環(huán) 境破壞的兩大重要污染源）；境破壞的兩大重要污染源）； 大力發(fā)展和應(yīng)用電力電子節(jié)能技術(shù)，對(duì)大氣環(huán)大力發(fā)展和應(yīng)用電力電子節(jié)能技術(shù)，對(duì)大氣環(huán) 境保護(hù)有積極作用；境保護(hù)有積極作用； 作

33、為綠色技術(shù)的電力電子還涉及到電網(wǎng)環(huán)境保作為綠色技術(shù)的電力電子還涉及到電網(wǎng)環(huán)境保 護(hù)和電磁環(huán)境保護(hù)等問題。護(hù)和電磁環(huán)境保護(hù)等問題。 用電節(jié)能用電節(jié)能 我國(guó)發(fā)電總量的我國(guó)發(fā)電總量的63左右是通過電動(dòng)機(jī)消耗的，左右是通過電動(dòng)機(jī)消耗的，1012消消 耗在照明上；耗在照明上； 電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能和照明節(jié)能是國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科技電動(dòng)機(jī)調(diào)速節(jié)能和照明節(jié)能是國(guó)家經(jīng)貿(mào)委、國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科技 部提出的兩大節(jié)能重點(diǎn)；部提出的兩大節(jié)能重點(diǎn)； 據(jù)統(tǒng)計(jì)，火力發(fā)電廠效率每提高據(jù)統(tǒng)計(jì)，火力發(fā)電廠效率每提高1，或者說，每節(jié)電，或者說，每節(jié)電1，都，都 可減少可減少25的二氧化碳排放量；我國(guó)若大面積開展用電力電的二氧化碳排

34、放量；我國(guó)若大面積開展用電力電 子技術(shù)節(jié)能，其效果可相當(dāng)于三峽電站的年發(fā)電量子技術(shù)節(jié)能，其效果可相當(dāng)于三峽電站的年發(fā)電量(840億億kWh)； 美國(guó)環(huán)境保護(hù)署美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)1991年提出一項(xiàng)年提出一項(xiàng)“綠色照明綠色照明(Green Light)” 計(jì)劃，目的是使美國(guó)照明用電量計(jì)劃，目的是使美國(guó)照明用電量(占全美總發(fā)電量占全美總發(fā)電量2030)節(jié)節(jié) 約一半，達(dá)到這一目標(biāo)后，可降低二氧化碳排放量，相當(dāng)于約一半，達(dá)到這一目標(biāo)后，可降低二氧化碳排放量，相當(dāng)于 4300萬輛燃油汽車排出的廢氣總量，從而大大減少對(duì)空氣的污萬輛燃油汽車排出的廢氣總量，從而大大減少對(duì)空氣的污 染；染； 美國(guó)美國(guó)199

35、2年通過法案，要求到年通過法案，要求到2000年和年和2005年，照明能耗分別年，照明能耗分別 減少減少20和和30。綠色照明計(jì)劃的內(nèi)容，除改革燈具。綠色照明計(jì)劃的內(nèi)容，除改革燈具(如用高壓如用高壓 鈉燈，高頻稀土節(jié)能熒光燈等鈉燈，高頻稀土節(jié)能熒光燈等)外，主要是推廣高頻逆變器式電外，主要是推廣高頻逆變器式電 子鎮(zhèn)流器子鎮(zhèn)流器(約約3000萬臺(tái)年萬臺(tái)年)。 綠色汽車綠色汽車 受到世人矚目的電動(dòng)汽車受到世人矚目的電動(dòng)汽車EV(Electrical Vehicle)的推廣應(yīng)的推廣應(yīng) 用，也是改善大氣環(huán)境的重要措施，其中充電裝置、電動(dòng)用，也是改善大氣環(huán)境的重要措施，其中充電裝置、電動(dòng) 機(jī)傳動(dòng)以及電子

36、控制電路的電源和開關(guān)等均大量使用電力機(jī)傳動(dòng)以及電子控制電路的電源和開關(guān)等均大量使用電力 電子技術(shù)；電子技術(shù)； 1997年年10月日本豐田公司研制成混合電動(dòng)汽車月日本豐田公司研制成混合電動(dòng)汽車(Hybrid EV)，廢氣排放減少，廢氣排放減少90，節(jié)能，節(jié)能50； 美國(guó)美國(guó)PNGV已提出研制綠色汽車的已提出研制綠色汽車的“新一代新一代EV計(jì)劃計(jì)劃”，加州，加州 要求無公害要求無公害(零排放零排放)汽車汽車ZEV所占比例逐年增加：所占比例逐年增加： 1998年年 為為2，2001年為年為5，2003年為年為10； 德國(guó)希望在德國(guó)希望在2000年前開始生產(chǎn)節(jié)省燃料的高效率年前開始生產(chǎn)節(jié)省燃料的高效率

37、EV，以中，以中 型車型車(Middle Size)例如雪佛萊為目標(biāo)，這種車的平均電負(fù)例如雪佛萊為目標(biāo)，這種車的平均電負(fù) 荷約荷約850W輛；輛； 我國(guó)已將我國(guó)已將EV的發(fā)展列入的發(fā)展列入“十五十五”和和“十一五十一五” 863計(jì)劃重大專計(jì)劃重大專 項(xiàng)，計(jì)劃建成經(jīng)濟(jì)實(shí)用型項(xiàng)，計(jì)劃建成經(jīng)濟(jì)實(shí)用型EV的生產(chǎn)基地和的生產(chǎn)基地和23個(gè)個(gè)EV運(yùn)行運(yùn)行 示范區(qū)，并研制出幾種新型示范區(qū)，并研制出幾種新型EV,趕上國(guó)際先進(jìn)水平。趕上國(guó)際先進(jìn)水平。 開發(fā)新能源開發(fā)新能源無污染綠色能無污染綠色能 源源 u綠色能源包括風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿?，利用這類能源發(fā)電，綠色能源包括風(fēng)能、太陽能、潮汐能、地?zé)崮艿?，利?/p>

38、這類能源發(fā)電， 可減少國(guó)家總發(fā)電量中火電的比重；可減少國(guó)家總發(fā)電量中火電的比重； u可再生可再生(renewable)的能源以及燃料電池，受到世界各國(guó)重視的原因的能源以及燃料電池，受到世界各國(guó)重視的原因 主要是：全球氣候變化和石油資源緊缺，不能滿足需求；主要是：全球氣候變化和石油資源緊缺，不能滿足需求； u全球風(fēng)力發(fā)電全球風(fēng)力發(fā)電(wind power)19951997年年3年的年增長(zhǎng)率依次為年的年增長(zhǎng)率依次為35 、24和和22，是發(fā)展速度最快的一種再生能源，到，是發(fā)展速度最快的一種再生能源，到1997年底，年底， 全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量全世界風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)容量7669MW，1998年全球風(fēng)力

39、發(fā)電容量又增年全球風(fēng)力發(fā)電容量又增 加了加了1400MW； u90年代全世界光伏電池年代全世界光伏電池PV(Photo Voltaic cell)模塊產(chǎn)量年增長(zhǎng)模塊產(chǎn)量年增長(zhǎng)20 (1990年產(chǎn)量為年產(chǎn)量為30MW，到，到1997年產(chǎn)量增長(zhǎng)為年產(chǎn)量增長(zhǎng)為100MW, 其中美國(guó)占其中美國(guó)占40 )，全世界，全世界PV發(fā)電總?cè)萘堪l(fā)電總?cè)萘?997年為年為600MW，1998年估計(jì)可能達(dá)到年估計(jì)可能達(dá)到 750MW； u德國(guó)德國(guó)PV模塊產(chǎn)量將達(dá)到模塊產(chǎn)量將達(dá)到50MW/年；年； u日本聯(lián)合太陽能公司日本聯(lián)合太陽能公司PV模塊模塊1998年產(chǎn)量為年產(chǎn)量為5MW，計(jì)劃達(dá)到，計(jì)劃達(dá)到25MW/年；年； u

40、英國(guó)殼牌石油公司為開發(fā)英國(guó)殼牌石油公司為開發(fā)PV模塊，以獲取太陽能，投資模塊，以獲取太陽能，投資5億美元億美元/年，年， 計(jì)劃計(jì)劃50年內(nèi)達(dá)到下述目標(biāo)：石油和再生能源產(chǎn)量各占年內(nèi)達(dá)到下述目標(biāo)：石油和再生能源產(chǎn)量各占50(1EEE Spectrum，1999 Jan)； u要使這些新能源產(chǎn)生的電能實(shí)用化，離不開各種電力電子設(shè)備要使這些新能源產(chǎn)生的電能實(shí)用化，離不開各種電力電子設(shè)備逆變逆變 器、充電器、起動(dòng)器、穩(wěn)壓器等。器、充電器、起動(dòng)器、穩(wěn)壓器等。 儲(chǔ)儲(chǔ) 能能 電網(wǎng)的交流電是無法儲(chǔ)存的；電網(wǎng)的交流電是無法儲(chǔ)存的； 晝夜用電量不同，如果把夜間的發(fā)電能力用足，儲(chǔ)存到次日白天來用，全社會(huì)晝夜用電量不同

41、，如果把夜間的發(fā)電能力用足，儲(chǔ)存到次日白天來用，全社會(huì) 可少建可少建30304040的電廠，這是極大的節(jié)約；的電廠，這是極大的節(jié)約； 目前主要儲(chǔ)能方式是建立抽水蓄能電站，水電廠白天發(fā)電，晚上發(fā)電機(jī)作為電目前主要儲(chǔ)能方式是建立抽水蓄能電站，水電廠白天發(fā)電，晚上發(fā)電機(jī)作為電 動(dòng)機(jī)把水抽回水庫，以供次日白天再發(fā)電，但總體效率是不高的；動(dòng)機(jī)把水抽回水庫，以供次日白天再發(fā)電，但總體效率是不高的； 在電廠地下室設(shè)置大電容器與多臺(tái)蓄電池來儲(chǔ)備夜晚多發(fā)的電能，這些嘗試都在電廠地下室設(shè)置大電容器與多臺(tái)蓄電池來儲(chǔ)備夜晚多發(fā)的電能，這些嘗試都 在實(shí)踐之中；在實(shí)踐之中； 把電網(wǎng)交流電變成直流電儲(chǔ)存和把直流電逆變成交流

42、電使用離不開電力電子；把電網(wǎng)交流電變成直流電儲(chǔ)存和把直流電逆變成交流電使用離不開電力電子； 國(guó)際上廣泛重視的超導(dǎo)電磁鐵線圈儲(chǔ)能國(guó)際上廣泛重視的超導(dǎo)電磁鐵線圈儲(chǔ)能(SMES)(SMES)，是效率最高的儲(chǔ)能措施，但必，是效率最高的儲(chǔ)能措施，但必 須依靠大功率電力電子技術(shù)來完成儲(chǔ)能和用電；須依靠大功率電力電子技術(shù)來完成儲(chǔ)能和用電； 電力電子技術(shù)又是破壞電網(wǎng)品質(zhì)和電磁環(huán)境的污染源，開關(guān)、移相、諧波、電電力電子技術(shù)又是破壞電網(wǎng)品質(zhì)和電磁環(huán)境的污染源，開關(guān)、移相、諧波、電 磁干擾磁干擾(EMI)(EMI)等，影響其他電子、電工設(shè)備的正常運(yùn)行；利用電力電子技術(shù)，提等，影響其他電子、電工設(shè)備的正常運(yùn)行；利用電

43、力電子技術(shù)，提 供各種有源功率因數(shù)校正和有源濾波裝置、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置等，在電網(wǎng)環(huán)境供各種有源功率因數(shù)校正和有源濾波裝置、動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置等，在電網(wǎng)環(huán)境 和電磁環(huán)境保護(hù)方面和電磁環(huán)境保護(hù)方面( (如改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、防止電網(wǎng)諧波污染、防止電磁場(chǎng)對(duì)如改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量、防止電網(wǎng)諧波污染、防止電磁場(chǎng)對(duì) 環(huán)境污染等環(huán)境污染等) )起了相當(dāng)大的作用。起了相當(dāng)大的作用。 電力電子器件與電力電子電路的關(guān)系電力電子器件與電力電子電路的關(guān)系 電力電子器件是電力電子裝置的基礎(chǔ)；電力電子器件是電力電子裝置的基礎(chǔ)； 為了對(duì)電力進(jìn)行變換和控制，要采用各種電力電為了對(duì)電力進(jìn)行變換和控制，要采用各種電力電 子裝置；子裝置；

44、 電力電子變流電路是各種裝置的主體，其中電力電力電子變流電路是各種裝置的主體，其中電力 電子器件則是千變?nèi)f化的電力電子電路的中心；電子器件則是千變?nèi)f化的電力電子電路的中心； 一代器件牽動(dòng)著一代整機(jī)；一代器件牽動(dòng)著一代整機(jī)； 器件的更新必然帶動(dòng)電路和裝置的發(fā)展。器件的更新必然帶動(dòng)電路和裝置的發(fā)展。 電力電子技術(shù)發(fā)展兩階段電力電子技術(shù)發(fā)展兩階段 19561956年第一個(gè)普通晶閘管（年第一個(gè)普通晶閘管（SCRSCRSilicon Silicon Controlled RectifierControlled Rectifier）的發(fā)明標(biāo)志著電力電子）的發(fā)明標(biāo)志著電力電子 技術(shù)誕生；技術(shù)誕生； 1957

45、1957年年19801980年為年為傳統(tǒng)電力電子技術(shù)傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段，電階段，電 力電子器件以半控型的晶閘管為主，變流電路以力電子器件以半控型的晶閘管為主，變流電路以 相控電路為主，控制電路以模擬電路為主；相控電路為主，控制電路以模擬電路為主； 19801980年至今為年至今為現(xiàn)代電力電子技術(shù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)階段，目前全控階段，目前全控 型電力電子器件正大量使用，脈寬調(diào)制（型電力電子器件正大量使用，脈寬調(diào)制（PWMPWM Pulse Width ModulationPulse Width Modulation）的變流電路已普及，）的變流電路已普及， 數(shù)字控制已代替模擬控制。數(shù)字控制已代替模

46、擬控制。 傳統(tǒng)電力電子技術(shù)傳統(tǒng)電力電子技術(shù)以晶閘管為核心，以晶閘管為核心， 采用相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)變流電路采用相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)變流電路 1947年第一支晶體管誕生，產(chǎn)生半導(dǎo)體固態(tài)電子年第一支晶體管誕生，產(chǎn)生半導(dǎo)體固態(tài)電子 學(xué)。學(xué)。 1956年第一支晶閘管問世，產(chǎn)生電力電子技術(shù)。年第一支晶閘管問世，產(chǎn)生電力電子技術(shù)。 1971年第一臺(tái)微處理器問世，電子技術(shù)發(fā)生第一年第一臺(tái)微處理器問世，電子技術(shù)發(fā)生第一 次革次革 命。命。 以晶閘管為核心形成電力處理的電力電子技術(shù)。以晶閘管為核心形成電力處理的電力電子技術(shù)。 快速晶閘管快速晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管(RCT) 雙向晶閘管雙向晶閘管(TRIAC) 不對(duì)稱晶閘

47、管不對(duì)稱晶閘管(ASCR) v晶閘管家族晶閘管家族 傳統(tǒng)電力電子技術(shù)傳統(tǒng)電力電子技術(shù)以晶閘管為核心，以晶閘管為核心， 采用相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)變流電路采用相控技術(shù)實(shí)現(xiàn)變流電路 晶閘管及其組成變流電路的缺點(diǎn)：晶閘管及其組成變流電路的缺點(diǎn)： 控制功能欠缺，屬半控型器件；控制功能欠缺，屬半控型器件； 采用強(qiáng)迫換流電路使整機(jī)體積增大，重量增加，效采用強(qiáng)迫換流電路使整機(jī)體積增大，重量增加，效 率降低；率降低； 工作頻率難以提高（工作頻率難以提高（ 400HZ），限制其應(yīng)用范圍。），限制其應(yīng)用范圍。 功率因數(shù)低，網(wǎng)側(cè)及負(fù)載上諧波嚴(yán)重，因此阻礙功率因數(shù)低，網(wǎng)側(cè)及負(fù)載上諧波嚴(yán)重，因此阻礙 了它的繼續(xù)發(fā)展；了它的繼續(xù)發(fā)

48、展； 由晶閘管及其變流電路組成的傳統(tǒng)電力電子技術(shù)由晶閘管及其變流電路組成的傳統(tǒng)電力電子技術(shù) 經(jīng)過幾十年的發(fā)展已處于停滯階段；經(jīng)過幾十年的發(fā)展已處于停滯階段； 現(xiàn)代電力電子器件及其變流電路正取代傳統(tǒng)電力現(xiàn)代電力電子器件及其變流電路正取代傳統(tǒng)電力 電子技術(shù)。電子技術(shù)。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)現(xiàn)代電力電子技術(shù) 70年代后期，可關(guān)斷晶閘管年代后期，可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體、電力晶體 管管(GTR)及其模塊相繼實(shí)用化。在中大容量的及其模塊相繼實(shí)用化。在中大容量的 變流裝置中，傳統(tǒng)的晶閘管變流裝置中，傳統(tǒng)的晶閘管(SCR)逐漸被這些逐漸被這些 新型器件取代；新型器件取代； 80年代以來，微電子技術(shù)與電力

49、電子技術(shù)在各年代以來，微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各 自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生了新一代高頻化、自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合而產(chǎn)生了新一代高頻化、 全控型的功率集成器件，從而使電力電子技術(shù)全控型的功率集成器件，從而使電力電子技術(shù) 由傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)跨入現(xiàn)代電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)跨入現(xiàn)代電力電子技術(shù) 的新時(shí)代。的新時(shí)代。 電力電子新型器件電力電子新型器件 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管(GTO) 電力晶體管電力晶體管(GTR) 功率場(chǎng)效應(yīng)管（功率功率場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFET） 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT或或IGT） 靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（SIT） 靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感

50、應(yīng)晶閘管（SITH） MOSFET柵控晶閘管（柵控晶閘管（MCT） 集成化門極換流晶閘管（集成化門極換流晶閘管（IGCT） 電力電子技術(shù)最新成就電力電子技術(shù)最新成就 高頻化全控型電力電子器件在壽命周期曲線上正處于引入期或成長(zhǎng)期，發(fā)展前高頻化全控型電力電子器件在壽命周期曲線上正處于引入期或成長(zhǎng)期，發(fā)展前 景十分樂觀；景十分樂觀； 新一代器件的問世引起電力電子變流電路及其控制系統(tǒng)的深刻變革；新一代器件的問世引起電力電子變流電路及其控制系統(tǒng)的深刻變革； 脈寬調(diào)制（脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)；）技術(shù)； 準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)（準(zhǔn)諧振軟開關(guān)技術(shù)（ZVC/ZCS-PWM、 ZVT/ZCT-PWM）。）。 電力電子技

51、術(shù)由傳統(tǒng)的整流時(shí)代進(jìn)入今天的逆變時(shí)代（電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)的整流時(shí)代進(jìn)入今天的逆變時(shí)代（DC/AC）；）； 與新型電路相適應(yīng)的新一代交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置（與新型電路相適應(yīng)的新一代交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置（VVVF）、不間斷電源）、不間斷電源 （UPS）、逆變式焊機(jī)（）、逆變式焊機(jī)（IWM）、開關(guān)電源（）、開關(guān)電源（SPS）、新型電力補(bǔ)償器（）、新型電力補(bǔ)償器（SVC、 APF、STATCOM、UPFC、FACTS等）、應(yīng)用自關(guān)斷器件的高壓直流輸電裝等）、應(yīng)用自關(guān)斷器件的高壓直流輸電裝 置（置（HVDC）、磁懸浮運(yùn)載工具、超導(dǎo)磁鐵儲(chǔ)能、自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車（）、磁懸浮運(yùn)載工具、超導(dǎo)磁鐵儲(chǔ)能、自動(dòng)駕駛電

52、動(dòng)汽車（EV）、）、 綠色電光源、智能家電等電力電子裝置相繼出現(xiàn)；綠色電光源、智能家電等電力電子裝置相繼出現(xiàn)； 新一代電力電子裝置在機(jī)電一體化的載體上開始進(jìn)入各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子新一代電力電子裝置在機(jī)電一體化的載體上開始進(jìn)入各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子 設(shè)備已成為世界范圍內(nèi)的一項(xiàng)重要產(chǎn)品；設(shè)備已成為世界范圍內(nèi)的一項(xiàng)重要產(chǎn)品； 電力電子工業(yè)是二十世紀(jì)八十年代以來世界范圍內(nèi)發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。電力電子工業(yè)是二十世紀(jì)八十年代以來世界范圍內(nèi)發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一。 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特征現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特征 集成化集成化 傳統(tǒng)的電力電子器件基于分立的方式不同，幾乎所傳統(tǒng)的電力電子器件基于分立的方式不

53、同，幾乎所 有的全控型器件都是由許多子元胞器件并聯(lián)而成；有的全控型器件都是由許多子元胞器件并聯(lián)而成； 高頻化高頻化 從高壓大電流的從高壓大電流的GTO到高頻率多功能的到高頻率多功能的SIT，其工，其工 作頻率已從數(shù)千赫到兆赫，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)進(jìn)入高作頻率已從數(shù)千赫到兆赫，這標(biāo)志著電力電子技術(shù)進(jìn)入高 頻化時(shí)代；頻化時(shí)代； 全控化全控化 電力電子器件實(shí)現(xiàn)全控化，即自關(guān)斷化，是現(xiàn)代電電力電子器件實(shí)現(xiàn)全控化，即自關(guān)斷化，是現(xiàn)代電 力電子器件在功能上的重大突破，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)與力電子器件在功能上的重大突破，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)與 傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的分水嶺。無論是雙極型器件的傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的分水嶺

54、。無論是雙極型器件的GTO、 GTR、SITH或單極型器件的功率或單極型器件的功率MOSFET、SIT以及混合以及混合 型器件型器件IGBT、MCT、IGCT等，都實(shí)現(xiàn)了全控化，從而避等，都實(shí)現(xiàn)了全控化，從而避 免了傳統(tǒng)電力電子器件關(guān)斷所需要的強(qiáng)迫換流電路；免了傳統(tǒng)電力電子器件關(guān)斷所需要的強(qiáng)迫換流電路； 多功能化多功能化 控制電路弱電化，控制技術(shù)數(shù)字化。隨著集成工控制電路弱電化，控制技術(shù)數(shù)字化。隨著集成工 藝的提高和突破，電力電子器件的功能擴(kuò)大，品種增多，藝的提高和突破，電力電子器件的功能擴(kuò)大，品種增多， 不但具有開關(guān)功能，還增加了保護(hù)、檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)等功能，不但具有開關(guān)功能，還增加了保護(hù)、檢測(cè)、

55、驅(qū)動(dòng)等功能， 有的器件還具有放大、調(diào)制、振蕩及邏輯運(yùn)算的功能，使有的器件還具有放大、調(diào)制、振蕩及邏輯運(yùn)算的功能，使 用范圍拓寬，線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。用范圍拓寬，線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。 第三個(gè)電力電子器件發(fā)展平臺(tái)第三個(gè)電力電子器件發(fā)展平臺(tái) IGBT 1010年前剛登上世界技術(shù)舞臺(tái)的年前剛登上世界技術(shù)舞臺(tái)的IGBTIGBT，盡管綜合性能很好，盡管綜合性能很好， 許多人仍難以相信它在大功率領(lǐng)域中的生命力；許多人仍難以相信它在大功率領(lǐng)域中的生命力； 減小通態(tài)壓降，提高工作頻率，二者最佳折衷，是減小通態(tài)壓降，提高工作頻率，二者最佳折衷，是IGBTIGBT向向 高頻大功率化挺進(jìn)的基本追求；高頻大功率化挺進(jìn)的基本追求；

56、溝槽形結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是第四代溝槽形結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是第四代IGBTIGBT的基本特征；的基本特征； 這種準(zhǔn)三維組成工藝是大規(guī)模集成電路兩維集成的深化，它挖掉了位這種準(zhǔn)三維組成工藝是大規(guī)模集成電路兩維集成的深化，它挖掉了位 于柵極下方、夾在于柵極下方、夾在P P型基區(qū)中間的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管型基區(qū)中間的結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)(JFET)的電阻，使元的電阻，使元 胞尺寸減小到胞尺寸減小到2020，提高硅片利用率，減小通態(tài)壓降，為改善其頻率，提高硅片利用率，減小通態(tài)壓降，為改善其頻率 特性創(chuàng)造了新的可能特性創(chuàng)造了新的可能 。 采用做在單晶片上的非穿通采用做在單晶片上的非穿通(NPT)(NPT)結(jié)構(gòu)取代做在外延片上

57、結(jié)構(gòu)取代做在外延片上 的穿通的穿通(PT)(PT)結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)是IGBTIGBT大功率化的關(guān)鍵改進(jìn)措施，大功率化的關(guān)鍵改進(jìn)措施，NPTNPT芯芯 片具有正電阻溫度系數(shù)，解決了多芯片并聯(lián)自動(dòng)均流的難片具有正電阻溫度系數(shù)，解決了多芯片并聯(lián)自動(dòng)均流的難 題；題； 第三個(gè)電力電子器件發(fā)展平臺(tái)第三個(gè)電力電子器件發(fā)展平臺(tái) IGBT “單串多并單串多并”封裝在一個(gè)管殼里的結(jié)構(gòu)是封裝在一個(gè)管殼里的結(jié)構(gòu)是IGBTIGBT走向大功率化走向大功率化 的必由之路；的必由之路； 日本東公司生產(chǎn)的日本東公司生產(chǎn)的2500V2500V1000A1000A平板壓接式平板壓接式IGBTIGBT，即由，即由2424 個(gè)個(gè)2500V

58、2500V80A IGBT80A IGBT芯片并聯(lián)而成芯片并聯(lián)而成, , 還有還有1616個(gè)個(gè)2500V2500Vl00Al00A 續(xù)流用超快恢復(fù)二極管芯片與之反并聯(lián)，在日本新干線高續(xù)流用超快恢復(fù)二極管芯片與之反并聯(lián)，在日本新干線高 速列車上成功地經(jīng)受了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的考驗(yàn)；速列車上成功地經(jīng)受了長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的考驗(yàn)； 類似的類似的4500V IGBT4500V IGBT已在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來；已在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來； 1010年前人們預(yù)測(cè)年前人們預(yù)測(cè)IGBTIGBT會(huì)取代電力晶體管會(huì)取代電力晶體管(GTR)(GTR)，現(xiàn)早已成為，現(xiàn)早已成為 事實(shí)；事實(shí)； IGBTIGBT成為在高電壓、大功率應(yīng)用領(lǐng)域中成為在高

59、電壓、大功率應(yīng)用領(lǐng)域中GTOGTO的潛在競(jìng)爭(zhēng)者，的潛在競(jìng)爭(zhēng)者， 卻是當(dāng)年未曾預(yù)料的；美國(guó)卻是當(dāng)年未曾預(yù)料的；美國(guó)IRIR公司開發(fā)了公司開發(fā)了WARPWARP系列、美國(guó)系列、美國(guó) APTAPT公司開發(fā)了公司開發(fā)了GTGT系列系列“霹雷霹雷(Thunderbolt)(Thunderbolt)型型”IGBTIGBT。 MOSFETMOSFET柵控晶閘管柵控晶閘管MCTMCT MOSFETMOSFET柵控晶閘管柵控晶閘管(MCT)10(MCT)10年前曾被預(yù)言為新世年前曾被預(yù)言為新世 紀(jì)電力電子器件的主力；紀(jì)電力電子器件的主力； 結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜，合格率偏低，成本太高，沒能結(jié)構(gòu)、工藝復(fù)雜，合格率偏低，成

60、本太高，沒能 達(dá)到當(dāng)年期望的達(dá)到當(dāng)年期望的4500V4500V2000A2000A水平；水平； 日本、歐洲日本、歐洲( (尤里卡計(jì)劃尤里卡計(jì)劃) )公司先后放棄公司先后放棄MCTMCT開發(fā)開發(fā) 計(jì)劃；計(jì)劃； 發(fā)明發(fā)明MCTMCT并堅(jiān)持并堅(jiān)持1818年研制、中試的美國(guó)哈里斯公年研制、中試的美國(guó)哈里斯公 司也宣布停止對(duì)司也宣布停止對(duì)MCTMCT進(jìn)一步投資；進(jìn)一步投資； MCTMCT的疲軟激發(fā)起一系列高電壓、大電流器件的的疲軟激發(fā)起一系列高電壓、大電流器件的 競(jìng)爭(zhēng)。競(jìng)爭(zhēng)。 高電壓、大電流器件高電壓、大電流器件SCR/GTOSCR/GTO 美國(guó)美國(guó)Silicon PowerSilicon Power公