电气工程导论_范瑜_发展简介

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1、电力电子器件发展简史　　各种产品设备对电源的不同要求，催生了电力电子技术；电力电子器件的不断涌现，又发展了电力电子技术。早在1900年，美国纽约地铁为了从交流电网中获取直流电源给地铁列车供电，就开始采用机械整流器的方法。由于机械整流器是旋转的，且整流用的电接触部分是相对运动的，因而存在高损耗、大维修量等诸多问题，促使人们研究其他更好的技术来实现电源的变换，特别是以1948年发明晶体管为代表的半导体技术。　　1957年美国通用电气公司(GeneralElectric,GE)发明了可控硅(SiliconControlled

2、Rectifier,SCR)，后被国际电工学会正式命名为晶闸管(Thyristor)。可控硅于1960年正式供应市场。由于可控硅是PNPN结构，具有更低的导通压降，又是可控的器件，因此它的发明被称为电子学的第二次革命。从现代角度来理解电力电子技术的内涵，晶闸管可以说是第一种电力电子半导体器件，它开启了电力电子技术的新纪元。　　1981年，IGBT诞生了。由于其驱动损耗小、通态压降低、开通和关断时不必采取额外的措施来限制电流电压变化率，因此IGBT自投放市场以来，比起先前的各种可关断器件，更受到使用者的青睐。通过不断改进

3、结构和工艺，现在容量已经达到6500V/2400A。混合型器件不断得到开发，1987年开发出了静电感应晶体管(StaticInductionTransistor,SIT)和静电感应晶闸管(StaticInductionThyristor,SITH)，1988年开发出MOS控制晶闸管(MosControlledThyristor,MCT)，1991以后年开发出不同的发射极开关的晶闸管(EmitterSwitchedThysistor,EST)，1996年开发出集成门极换向晶闸管(IntegratedGateCommuta

4、tedThyristor,IGCT)，1998年开发出注入增强门极晶体管(InjectionEnhancementGateTransistor,IEGT)，等等。　　1990年，把IGBT半导体电子开关的驱动电路、过流保护电路、过热保护电路、短路保护电路等集成起来，与电子开关一起封装在一个模块中的“智能化”器件开发成功，称为智能功率模块(IntelligentPowerModule,IPM)。这是一种全新的器件理念。在这种理念引导下，此后各种各样的集成电力电子模块(IntegratedPowerElectronicsM

5、odule,IPEM)，如电力电子搭积木（PEBB）组件、灵巧(SMART)器件、专用功率集成(ASPIC)器件等得到进一步开发。　　随着技术的发展，电力电子器件在不断进步。在控制方面，从单门控制器件(SingleGateDevice)向双门控制器件(DoubleGateDevice)变化，如双沟道（TrenchDouble）IGBT；在材料方面，从硅(Silicon)材料向碳化硅(4H-SiC)材料变化，甚至今后可能采用金刚石材料，如碳化硅功率二极管；在PN结方面，从一维结器件(One-dimensionaljunc

6、tiondevice)向三维超结器件(Three-dimensionalsuperjunctiondevice)变化，如酷(Cool)MOS器件。西门子公司开发的耐压为600V的CoolMOS，其通态电阻只有普通功率MOS管的五分之一。2001年戴姆勒-克莱斯勒(DaimlerChryslerResearchandTechnology)用1700V的碳化硅二极管替代IGBT模块中的硅反并二极管后，所构成逆变器的开通损耗只有原来的三分之一，关断损耗只有原来的五分之一。到2001年，全碳化硅器件已经开发出19kV的二极管，

7、1.8kV的双极晶体管，3.1kV/3A的GTO，也开发出了功率MOS管和IGBT模块。电力系统发展简史　　电力工业的建立至今已有一个多世纪的历史。今天，电与人们的生产、生活、科学技术研究和社会文明建设息息相关，对现代社会的各个方面已产生直接或间接的巨大作用和影响，已成为现代文明社会的重要物质基础。　　1799年物理学家伏特发明第一个化学电池，人们开始获得连续的电流。随后，安培、欧姆、亨利、法拉第、爱迪生、西门子、楞次、基尔霍夫、麦克斯韦、赫兹、特斯拉、威斯汀豪斯等一大批电气工程界的伟大先驱们创造了一系列理论与实践成果

8、，为电力工业的诞生开辟了现实的途径。　　1831年，法拉第发现电磁感应原理，并制成最早的发电机——法拉第盘（Fraday’sDisk），奠定了发电机的理论基础。　　1866年，西门子发明了自励磁发电机，并预见：电力技术很有发展前途，它将会开创一个新纪元（几乎同时，王尔德（Wilde）等人也发明了自励磁发电机，但西门子拥有优先权）。