电力电子技术 调查报告

------当前的格局

专业：电气工程及其自动化

班级：0703

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一． 电力电子技术的最新发展及应用情况

当今世界能源消耗增长十分迅速。目前，在所有能源中电力能源约占40%，而电力能源中有40%是经过电力电子设备的转换才到使用者手中。预计十年后，电力能源中的80%要经过电力电子设备的转换，电力电子技术在21世纪将起到更大作用。

电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。它包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分，是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。随着科学技术的发展，电力电子技术由于和现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关，已逐步发展成为一门多学科相互渗透的综合性技术学科。 电力电子技术作为一门高技术学科，由于其在节能、减小环境污染、改善工作条件等方面有着重要的作用，现在已广泛的应用于传统工业（例如：电力、机械、交通、化工、冶金、轻纺等）和高新技术产业（例如：航天、现代化通信等）。下面着重讨论电力电子技术在电力系统中的一些应用。

在高压直流输电（HVDC）方面的应用：

直流输电在技术方面有许多优点：

（1）不存在系统稳定问题，可实现电网的非同期互联；

（2）可以限制短路电流；

（3）没有电容充电电流；

（4）线路有功损耗小；

（5）输送相同功率时，线路造价低；

（6）调节速度快，运行可靠；

（7）适宜于海下输电。

随着大功率电子器件（如：可关断的晶闸管、MOS控制的晶闸管、绝缘门极双极性三极管等）开断能力不断提高，新的大功率电力电子器件的出现和投入应用，高压直流输电设备的性能必将进一步得以改善，设备结构得以简化，从而减少换流站的占地面积、降低工程造价。

在柔性交流输电系统（FACTS）中的应用：

20世纪80年代中期，美国电力科学研究院（EPRI）N.G.Hingorani博士首次提出柔性交流输电技术的概念。近年来柔性交流输电技术在世界上发展迅速，已被国内外一些权威的输电工作者预测确定为“未来输电系统新时代的三项支持技术（柔性输电技术、先进的控制中心技术和综合自动化技术）之一”。现代电力电子技术、控制理论和通讯技术的发展为FACTS 的发展提供了条件。采用IGBT等可关断器件组成的FACTS元件可以快速、平滑地调节系统参数，从而灵活、迅速地改变系统的潮流分布。

在电力谐波治理方面的应用：

有源滤波是治理日益严重的电力系统谐波的最理想方法之一。有源滤波器的概念最早是在20 世纪70年代初提出来的，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，从而实现实时补偿谐波电流的目的。随着中国电能质量治理工作的深入开展，使用以瞬时无功功率理论为理论基础的有源滤波器进行谐波治理将会有巨大的市场潜力。

在不间断电源（UPS）中的应用：

UPS紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，是计算机、通信系统以及要求提供不能中断场合所必须的一种高可靠、高性能的电源。现代UPS普遍采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,降低了电源的噪声,提高了效率和可靠性。

电力电子技术已迅速发展成为一门独立的技术、学科领域。它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。毫无疑问，它将成为新世纪的关键支撑技术之一。电力电子技术拥有许多微电子技术所具有的特征，比如发展迅速、渗透力强、生命力旺盛，并且能与其它学科相互融合和相互发展。电力电子技术也具有其自身的特色，如高电压、大容量及控制功率范围大，因此技术创新必须跨越高电压大功率这一关。当前电力电子技术的发展趋势是：高电压、大容量化、高频化，主电路及保护控制电路模块化、产品小型化、智能化和低成本化。而对于电力电子产品而言，用于电力系统的电能变换设备、服务于环保和人类健康的电源装置、适合信息社会需要的电源产品、小型电源模块与装置以及高效节能低污染的"绿色"电源产品将是21世纪的主流产品。可以预见，在未来现有的电力电子器件的性能会得到不断改进 ，新的器件和先进的技术会不断出现。

二． 电力电子器件的发展水平及参考价格

电力电子技术包括功率半导体器件与IC技术、功率变换技术及控制技术等几个方面，其中电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙头”。从19xx年美国通用电气（GE）公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始，电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。 到了70年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世， 广泛应用于各种变流装置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及应用得到了飞速发展。

由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了GTR、GTO、功率MOSET等自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如IGBT、MCT、HVIC等就是这种发展的产物。

普通晶闸管及其派生器件

晶闸管诞生后，其结构的改进和工艺的改革，为新器件的不断出现提供了条件。 19xx年，双向晶闸管在GE公司开发成功，应用于调光和马达控制；19xx年，小功率光触发晶闸管出现，为其后出现的光耦合器打下了基础； 60年代后期，大功率逆变晶闸管问世，成为当时逆变电路的基本元件； 19xx年，逆导晶闸管和非对称晶闸管研制完成。

普通晶闸管广泛应用于交直流调速、调光、调温等低频（400Hz以下）领域，运用由它所构成的电路对电网进行控制和变换是一种简便而经济的办法。不过，这种装置的运行会产生波形畸变和降低功率因数、影响电网的质量。目前水平为12kV/1kA和6500V/4000A。

双向晶闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵敏度低、关断时间较长，其水平已超过2000V/500A。

光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管触发导通的器件，它具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电（HVDC）、静止无功功率补偿（SVC）等领域。其研制水平大约为8000V/3600A。

逆变晶闸管因具有较短的关断时间（10～15s）而主要用于中频感应加热。在逆变电路中，它已让位于GTR、GTO、IGBT等新器件。目前，其最大容量介于2500V/1600A/1kHz和800V/50A/20kHz的范围之内。

非对称晶闸管是一种正、反向电压耐量不对称的晶闸管。而逆导晶闸管不过是非对称晶闸管的一种特例，是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。与普通晶闸管相比，它具有关断时间短、正向压降小、额定结温高、高温特性好等优点，主要用于逆变器和整流器中。目前，国内有厂家生产3000V/900A的非对称晶闸管。

全控型电力电子器件

门极可关断晶闸管（GTO）

19xx年，美国第一次试制成功了500V/10A的GTO。在此后的近10年内，GTO的容量一直停留在较小水平，只在汽车点火装置和电视机行扫描电路中进行试用。自70年代中期开始，GTO的研制取得突破，相继出世了1300V/600A、2500V/1000A、4500V/2400A的产品，目前已达9kV/25kA/800Hz及6Hz/6kA/1kHz的水平。GTO有对称、非对称和逆导三种类型。与对称GTO相比，非对称GTO通态压降小、抗浪涌电流能力强、易于提高耐压能力（3000Ｖ以上）。逆导型GTO是在同一芯片上将GTO与整流二极管反并联制成的集成器件，不能承受反向电压，主要用于中等容量的牵引驱动中。

在当前各种自关断器件中，GTO容量最大、工作频率最低（1～2kHz）。GTO是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流； GTO通态压降大、dV/dT及di/dt耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，GTO虽然在低于2000V的某些领域内已被GTR和IGRT等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势； 今后，它也必将在高压领域占有一席之地。

大功率晶体管（GTR）

GTR是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生于本世纪70年代，其额定值已达1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、

电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和UPS内，GTR正逐步被功率MOSFET和IGBT所代替。

功率MOSFET

功率MOSFET是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小； 仅由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达100kHz以上，为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率MOSFET的缺点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水平大概是1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz。

复合型电力电子器件

绝缘门极双极型晶体管（IGBT）

IGBT是由美国GE公司和RCA公司于19xx年首先研制的，当时容量仅500V/20A，且存在一些技术问题。经过几年改进，IGBT于19xx年开始正式生产并逐渐系列化。至90年代初，IGBT已开发完成第二代产品。目前，第三代智能IGBT已经出现，科学家们正着手研究第四代沟槽栅结构的IGBT。IGBT可视为双极型大功率晶体管与功率场效应晶体管的复合。通过施加正向门极电压形成沟道、提供晶体管基极电流使IGBT导通； 反之，若提供反向门极电压则可消除沟道、使IGBT因流过反向门极电流而关断。IGBT集GTR通态压降小、载流密度大、耐压高和功率MOSFET驱动功率小、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好的优点于一身，因此备受人们青睐。它的研制成功为提高电力电子装置的性能，特别是为逆变器的小型化、高效化、低噪化提供了有利条件。

比较而言，IGBT的开关速度低于功率MOSFET，却明显高于GTR；IGBT的通态压降同GTR相近，但比功率MOSFET低得多；IGBT的电流、电压等级与GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已达4500V/1000A。由于IGBT具有上述特点，在中等功率容量（600V以上）的UPS、开关电源及交流电机控制用PWM逆变器中，IGBT已逐步替代GTR成为核心元件。另外，IR公司已设计出开关频率高达150kHz的WARP系列400～600VIGBT，其开关特性与功率MOSFET接近，而导通损耗却比功率MOSFET低得多。该系列IGBT有望在高频150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低开关损耗。

IGBT的发展方向是提高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。

MOS控制晶闸管（MCT）

MCT最早由美国GE公司研制，是由MOSFET与晶闸管复合而成的新型器件。每个MCT器件由成千上万的MCT元组成，而每个元又是由一个PNPN晶闸管、一个控制MCT导通的MOSFET和一个控制MCT关断的MOSFET组成。MCT工作于超掣住状态，是一个真正的PNPN器件，这正是其通态电阻远低于其它场效应器件的最主要原因。MCT既具备功率MOSFET输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特性，又兼有晶闸管高电压、大电流、低压降的优点。其芯片连续电流密度在各种器件中最高，通态压降不过是IGBT或GTR的1/3，而开关速度则超过GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面积通断，故MCT具有很强的导通di/dt

和阻断dV/dt能力，其值高达2000A/ s 和2000V/ s。其工作结温亦高达150～200℃。

已研制出阻断电压达4000V的MCT，75A/1000VMCT已应用于串联谐振变换器。 随着性能价格比的不断优化，MCT将逐渐走入应用领域并有可能取代高压GTO，与IGBT的竞争亦将在中功率领域展开。

功率集成电路（PIC）

PIC是电力电子器件技术与微电子技术相结合的产物，是机电一体化的关键接口元件。将功率器件及其驱动电路、保护电路、接口电路等外围电路集成在一个或几个芯片上，就制成了PIC。一般认为，PIC的额定功率应大于1W。功率集成电路还可以分为高压功率集成电路（HVIC）、智能功率集成电路（SPIC）和智能功率模块（IPM）。

HVIC是多个高压器件与低压模拟器件或逻辑电路在单片上的集成，由于它的功率器件是横向的、电流容量较小，而控制电路的电流密度较大，故常用于小型电机驱动、平板显示驱动及长途电话通信电路等高电压、小电流场合。已有110V/13A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分别用于上述装置。

SPIC是由一个或几个纵型结构的功率器件与控制和保护电路集成而成，电流容量大而耐压能力差，适合作为电机驱动、汽车功率开关及调压器等。

IPM除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障监测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身在任何情况下不受损坏。当前，IPM中的功率器件一般由IGBT充当。由于IPM体积小、可靠性高、使用方便，故深受用户喜爱。IPM主要用于交流电机控制、家用电器等。已有400V/55kW/20kHzIPM面市。

自19xx年美国试制出第一个PIC以来，PIC技术获得了快速发展；今后，PIC必将朝着高压化、智能化的方向更快发展并进入普遍实用阶段。

电力电子器件的应用已深入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创新。 微电子学中的超大规模集成电路技术将在电力电子器件的制作中得到更广泛的应用； 具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新一代高结温、高频率、高动态参数的器件。从结构看，器件将复合型、模块化； 从性能看，发展方向将是提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数和多功能化； 从应用看，MPS电力整流管、MOSFET、IGBT、MCT是最有发展前景的器件。今后研制工作的重点将是进一步改善MPS的软反向恢复特性，提高IGBT和MCT的开关频率和额定容量，研制智能MOSFET和IGBT模块，发展功率集成电路以及其它功率器件。GTO将继续在超高压、大功率领域发挥作用； 功率MOSFET在高频、低压、小功率领域具有竟争优势； 超高压（8000V以上）、大电流普通晶闸管在高压直流输电和静止无功功率补偿装置中的作用将会得到延续，而低压普通晶闸管和GTR则将逐步被功率MOSFET（600V以下）和IGBT（600V以上）所代替； MCT最具发展前途。可以预见，电力电子器件的发展将会日新月异，电力电子器件的未来将充满生机。

三． 本专业最近的有价值的就业招聘信息

电装电气工程师

北京现代汽车有限公司

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东芝电梯（中国）有限公司

公司规模：1000人以上

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职位性质：全职 发布日期：2009-10-30 工作经验：不限

学历要求：本科以上 招聘人数：1人 语言能力：不限

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电梯控制中心的电气开发相关的测试工作。

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上海日立家用电器有限公司

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职位性质：全职 发布日期：2009-10-30 工作经验：不限

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适用人员：应届毕业生或有相关经验者都可

工作内容：从事空调机电气品部分的结构、电气控制电路设计

要求学历：大学本科

要求专业：电子自动控制专业/电子技术

要求经验：应届生或具备制造行业电气品设计经验

要求技能：具备Solid Works/UG/Solid Edge绘图能力者优先；具备印刷电路板设计能力者优先

要求外语：CET-4及以上；具备日语会话能力者优先

要求年龄：35岁以下

其他要求：具有岗位敬业精神，能吃苦耐劳，工作认真负责

工作地点：浦东金桥

联系方式：

E-mail：hr@hitachi.cn

四． 本专业的考研方向和院校，用人单位对所聘用人才的评价及期望

电气工程及其自动化专业的考研方向：

1.电机与电器；

2.电力系统及其自动化；

3.电力电子与电力传动；

4.高电压与绝缘技术；

5.电工理论与新技术。

说明：部分高校可能还有自设的方向。

全国电气工程及其自动化专业学校排名：

1.清华大学

2.西安交通大学

3.华中科技大学

4.浙江大学

5.重庆大学

6.天津大学

7.哈尔滨工业大学

8.上海交通大学

9.华北电力大学

10.东南大学

11.西南交通大学

12.沈阳工业大学

13.中国矿业大学

14.华南理工大学

15.南京航空航天大学

16.北京交通大学

17.武汉大学

18.哈尔滨理工大学

19.四川大学

20.河海大学

21.哈尔滨工程大学

22.郑州大学

23.广西大学

24.陕西科技大学

用人单位对所聘用人才的评价：

1． 吃苦耐劳是敬业精神的首选；

2． 动手能力较强；

3． 业务能力较强，专业基础扎实；

4． 集体观念强，有较好的人际关系和团队精神

5． 创业精神，

6． 心理素质良好，人际关系和谐。

用人单位对所聘用人才的期望：

目前，职场求职者素质正在不断提高。据统计，具有大专及以上学历的求职人者占求职人数的50％，成为求职队伍中的主力军。用人单位对人才的期望有所提高，懂技术、会管理、善沟通的复合型人才正成为用人单位吸纳的重点。此外，较强的英语水平、计算机技能等级等职业资格、驾驶证等成为应届理科毕业生进入优质企业的重要条件。

五． 与电力电子技术有关的方面，研究课题

西安电力电子技术研究所：新型节能大功率电源及特高压大功率阀片产业化项目研究课题 电科院电力电子技术研究：电铁供电关键技术研究课题