概念
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简介
1．绿色照明工程要求人们不要局限于节能这一认识，要提高到节约能源、保护环境的高度，这样影响更广泛，更深远。绿色照明工程不只是个经济效益问题，更是一项着眼于资源利用和环境保护的重大课题。通过照明节电减少发电量，进而降低燃煤量（中国70%以上的发电量还是依赖燃煤获得），减少二氧化硫、氮氧化物等有害气体以及二氧化碳等温室气体的排放，有助于解决世界面临的环境与发展课题。
2．绿色照明工程要求的照明节能，已经不完全是传统意义的节能，这在中国“绿色照明工程实施方案”宗旨中已经有清楚的描述，即满足照明质量和视觉环境条件的更高要求。因此照明节能的实现不能靠降低照明标准，而是依靠充分运用现代科技手段对照明工程设计水平、方位以及照明器材效率的提高。
3．高效照明器材是照明节能的重要基础，但照明器材不只是光源，光源是首要因素，已经为人们认识，但不唯一的，灯具和电气附件（如镇流器）的效率，对于照明节能的影响是不可忽视的，这点往往不为人们所注意，比如一台带漫射罩的灯具，或一台带格栅的直管形荧光灯具，高效优质产品比低质产品的效率可以高出50%以至100%，足见其节能效果。实
未来绿色照明的主导产品--LED灯系列照片
未来绿色照明的主导产品--LED灯系列照片(19张)
施绿色照明要求起着决定作用；此外，运行维护管理也有不可忽视的作用。
4．实施绿色照明工程，不能简单地理解为提供高效节能照明器材。高效器材是重要的物质基础，但是还应有正确合理的照明工程设计。设计是统管全局的，对能否实施绿色照明要求起着决定作用；此外，运行维护管理也有不可忽视的作用。
5．高效光源是照明节能的首要因素，必须重视推广应用高效光源。但是有人把推广高效光源简单地理解为推广节能灯（而这里的节能灯是专指紧凑型荧光灯），这是很不全面的，很有害的，因为
装饰型节能灯
装饰型节能灯[2]
光源种类很多，有不少高效者应予推广。就能量转换效率而言，有和紧凑型荧光灯光效相当的（如直管荧光灯），有比其光效更高的（如高压纳灯，金属卤化物灯），这些高效光源各有其特点和优点，[2] 各有其适用场所，决非简单地用一类节能光源能代替的。根据应用场所条件不同，至少有三类高效光源应予推广使用。
6．高效照明工具光导照明系统，由采光罩、光导管和漫射器三部分组成。其照明原理是通过采光罩高效采集室外自然光线并导入系统内重新分配，经过特殊制作的光导管传输和强化后由系统底部的漫射器把自然光均匀高效的照射到场馆内部，从而打破了“照明完全依靠电力”的观念。
基础
优质光源具体体现在以下四点。
1．灯光源发出的光为全色光。所谓全色光，即光谱连续分布在人眼可见范围内，视觉不易疲劳。
2．灯光光谱成分中应没有紫外光和红外光。
因为长期过多接受紫外线，不仅容易引起角膜炎，还会对晶状体、视网膜、脉络膜等造成
绿色照明
绿色照明
伤害。红外线极易被水吸收，过多的红外线经过人眼晶状体聚集时即被大量吸收，久而久之‘晶状体会发生变性，导致白内障。
3．光的色温应贴近自然光。
色温是用温度表示光的颜色的一种量化指标，因为人们长期在自然光下生活，人眼对自然光适应性强，视觉效果好。试验证明：自然光条件下的视觉对比灵敏度高于人工光5%—20%以上。
4．灯光为无频闪光。
频闪光是发光时出现一定频率的亮暗交替变化。普通日光灯的供电频率为50赫兹，表示发光时每秒亮暗100次，属于低频率的频闪光，会使人眼的调节器官，如睫状肌、瞳孔括约肌等处于紧张的调节状态，导致视觉疲劳，从而加速青少年近视。如果发光时的供电频率提高到数百赫兹以上，或成直流供电，人眼即不会有频闪感觉，也不会造成视力伤害，这种光称为无频闪光。
必须同时具备以上四方面要求的光，才算是优质光源。市场上众多灯光源均存在不同程度的不足。如白炽灯，因红外光谱超过发光总光谱60%以上，全色光平衡不理想[2] ，色温较低，既造成电能的大量浪费，对人眼也不利。普通日光灯因紫外光成分较多，又居于低频率的频闪光，故光源质量不甚理想。市场上较多的电子整流的节能荧光灯，有一部分光源为无频闪光，又为全色光，色温也较接近自然光，不足之处是有紫外光。
宗旨
1．保护环境，包括减少照明器具生命周期内的污染物排放，采用洁净光源、自然光源和绿色材料，控制光污染；
2．节约能源，以紧凑型荧光灯替代白炽灯为例，可节电70%以上，高效电光源可使冷却灯具散发出热量的能耗明显减少。
3．有益健康，提够舒适、愉悦、安全的高质量照明环境；
4．提高工作效率，这比节省电费更有价值；
5．营造体现现代文明的光文化。
理念
绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电
绿色照明的基础
绿色照明的基础
器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材，以及调光控制器和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。
1991年1月美国环保局（EPA）首先提出实施"绿色照明（Green Lights）"和推进"绿色照明工程（Green Lights Program）"的概念，很快得到联合国的支持和许多发达国家和发展中国家的重视，并积极采取相应的政策和技术措施，推进绿色照明工程的实施和发展。1993年11月中国国家经贸委开始启动中国绿色照明工程，并于1996年正式列入国家计划。[2]
从以上的理念认识到：
1．照明工程必须实施可持续发展战略，把节约放在首位，提高资源利用效率。因为绿色照明能节约电能，节约电能对保护环境具有重要意义。
2．绿色照明包含电光源、电器附件、灯具、配线器材，以及调光和控光器件等的合理采用。例如：
采用高效节能的电光源：
1）用卤钨灯取代普通照明白炽灯（节电50-60%）；
2）用自镇流单端荧光灯取代白炽灯（节电70-80%）；
3）用直管型荧光灯取代白炽灯和直管型荧光灯的升级换代（节电70-90%）；
4）大力推广高压钠灯和金属卤化物灯的应用；
5）低压钠灯的应用；
6）推广发光二极管-LED的应用。
采用高效节能照明灯具：
1）选用配光合理、反射效率高、耐久性好的反射式灯具；
2）选用与光源、电器附件协调配套的灯具。
采用高效节能的灯用电器附件：
用节能电感镇流器和电子镇流器取代传统的高能耗电感镇流器。
采用各种照明节能的控制设备或器件：
1）光传感器 2）热辐射传感器 3）超声传感器 4）时间程序控制 5）直接或遥控调光。
3．绿色照明旨在改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，因此设计人员必须很好领会绿色照明的要求和掌握国家有关照明设计规范使之满足要求。
理想境界
1．无汞：汞有毒，污染环境后患无穷；
2．节能：照明要节电运行，而且光源和灯具从原材料至成品的生产过程也应有利于节能；
3．节材：光源及其附件要节约耗用黑色金属、有色金属、稀有金属和非金属材料；
4．环保的制造工艺：排放无污染和绿色生产工艺，包括采用无毒、无溶剂树脂与密封材
料，提倡采用水溶性树脂；
5．无有害的射线：光源无紫外线成份等；[2]
6．长寿命：耐用性好；
7．对环境无电磁干扰：运行时无高次谐波分量泄漏；
8．对电网无伤害：电抗分量小，功率因数高，启动时浪涌小；
9．绿色废弃：失效后废弃物可回收，无环境污染后患。
2照明质量
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显色性
1．分类：按CIE标准和GB50034－92规定显色分类列于表1。
表1中适应场所举例，是按GB50034－92和GBJ133－90编写的。最新制定和公布的CIE标准——《室内工作场所的照明》（CIE S008/E－2001），很多场所的显色性要求都有提高，如办公室、控制室等都列入IB类。
2．应用：Ra值的高低，对于现代建筑场所建立良好的照明环境[2] 有很大意义，不仅是辨别识别对象颜色的需要，对视觉效果和视看舒适性也有很大影响。光源的显色指数高，被视对象和人物的形象会显得更真实、生动；反之，就会变得不好看，失去其本来的豪华和光泽。
当前，在照明工程设计中，对光源显色指数注重不够，降低了视觉效果，希望给予更大注意。设计中，应对每个场所、房间，确定其显色指数要求，即显色类别，按此标准来选择符合显色要求的光源。
光源色表
1．分类：按CIE和GB133－90、GB50034－92的规定，光源的色表按相关色温分为三类
2．应用：按场所的使用特点、照度水平和需要营造的气氛，选择适宜的光源色表类别，一般说，较低照度（150～200Lx以下）场所，需要一种温馨和亲切的情调，宜用暖色表；高照度
绿色照明的理念
绿色照明的理念
（750Lx以上）场所或热带地区、热加工车间等宜用冷色表；而大多数场所应选用中间色温为宜。[3]
当前的主要问题是：有些设计没有规定光源的色温，由承包商随意选购，达不到最佳效果；另外，应用冷色温荧光灯管过多，有的甚至认为色温越高越亮的误解，造成和场所不相配，也影响光效的提高。
一些高等级的公共建筑，常常运用光色来调节或营造各种情调，创造多种不同的气氛，如热烈或宁静，紧张或轻快等。
3照明技术
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眩光小
凡是感到刺眼的光就是眩光，极易使眼睛发生调节痉挛，严重时可损伤视网膜，导致失明。优质的照明技术必须在灯具上装有消去直射和反射眩光的特殊技术措施，尽量将光源作漫射处理，同时使光能损失最小，成为人们常说的十分“柔和“的光进入人的视野。[2]
照度高
所谓照度，即发光体发出的光能在台面上反映出的高度。无眩光条件下的适当高照度，可使眼睛在观察物体时感到轻松。
照度均匀
自然光的照度分布最好，在人的视觉观察范围内，从中心至边缘，均匀度为100%，因而不仅视觉效果好，而且长时间观察不易疲劳。当人工光的照度分布均匀性达到60%以上时，对人眼适应性及视觉效果影响不大当其均匀性小于50%时，人眼的视觉效果和视觉疲劳会明显变差和加重。
观察功能
照明的目的在于观察，若给观察提供深层次的方便，如用特殊的技术，在台灯的合适位置上装一个优良的光学放大镜，既可使眼睛看东西轻松，又能观察肉眼看不请的东西。
绿色灯具呼之欲出。在信息时代，视觉的健康太重要了。要保护好眼睛，不仅应重视视觉卫生，也不能忽视用灯科学。眼疾的发生率呈不断上升趋势，如视力下降、近视眼、白内障等，还有“老花”眼、“青光”眼提前发生，除极少数是由于遗传因素的作用外，大多是视觉卫生与视觉光学等因素综合影呐的结果。
4中国策略
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1．使用紧凑型荧光灯替代白炽灯，可以节电约70%。
2．用细管三基色荧光灯替代普通粗管荧光灯，可以节电约15%。用T8、T5细
绿色照明的技术
绿色照明的技术
管荧光灯替代T12粗管荧光灯可以节电约10%、30%，投资成本一年之内可以回收。
3．用新型高效的高压钠灯、金属卤化物灯替代高压汞灯、卤钨灯。新型高效的高压钠灯适合于道路照明；金属卤化物适合于高层楼宇建筑、商场、展示厅。
4．半导体LED灯适用于交通信号指示灯、汽车尾灯、转向灯、广告牌、夜景照明等。电能消耗仅为白炽灯的1/10，节能灯的1/4，寿命是白炽灯的100倍。
5．用电子镇流器[1]、低耗能电感镇流器替代普通高耗能电感镇流器。
5发展展望
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全面理解
1．1 从保护环境的高度对待照明节能
1．2 节能是绿色照明主题，但不是唯一目标
1．3 绿色照明远不止就是推广应用节能灯
1．4 实施绿色照明还必须重视照明工程设计和运行维护管理
发展
2．1 光源的展望
光源是能量转换成光的器件，是实施绿色照明的核心。过去一个世纪，世界光源产品发展迅速，近二十年中国也在加速追赶世界潮流。预计未来一二十年，将会有更大的发展，从所了解的情况分析，主要发展趋势有以下几方面。
2．1．1 进一步提高光源的性能和技术参数
a、提高发光效率：预计气体放电灯光效将普遍超过100lm/w，HID灯将更高，白炽光源将通过多种技术革新进一步提高光效。
b、提高显色性能：多数光源的显色指数将超过80，荧光灯将普遍使用三基色荧光粉。
c、提高使用寿命：气体放电灯将超过10000h，将有多种更长寿命的新光源出现。
2．1．2 光源产品将有更好的环境保护效果和视觉效果
a、21世纪将更重视环境保护，将研究更多措施减少污染，如研制少汞和无汞
LED灯
LED灯
的放电灯，缩小荧光灯管管径和改进荧光粉涂覆工艺，以降低荧光粉用量。
b、进一步发展高频荧光灯和直流荧光灯，提高发光稳定性，消除频闪效应，降低电磁辐射，消除噪声，以改善环境效果和视觉效果[2] 。
2．1．3 光源进一步向紧凑和小型方向发展
研制管径更细的荧光灯和多种形式的紧凑型荧光灯，以降低制灯材料用量，特别是有害物质的耗量；同时，提高光源的光效，降低灯具尺寸，提高灯具效率。
2．1．4 广泛应用电子技术
电子技术飞速发展，已广泛应用于各个领域，在光源和配套电器制造中也开创了新路。今后还将发展更多的高频放电灯、直流荧光灯、高频感应灯、微波灯等寿命更长、显色性更好、光效更高的光源提供使用。
发光二极管(LED)获得突破性进展，使这种由电能转换成光的半导体器件进入照明领域成为可能。LED以其长寿命(将达100000h)、良好显色性(Ra达75~85)、无频闪、激励响应时间短(纳秒级)、耐震动、耐气候、使用安全等诸多优点，而获得广泛应用。红色、黄色LED亮度提高，特别是氮化镓等第三代半导体材料制造技术的突破，研制出蓝色、绿色LED，从而就解决了白色光。由于它丰富多样的颜色光，方便选色和变色的优势，特别适合应用于交通信号、航标、广告、庭园及建筑物景观照明等需要多种颜色的场所。预计未来一二十年，LED将进一步提高光效，降低成本，有可能成为一种新型照明光源，将引起照明领域的巨大变革，对绿色照明实施产生重大影响。
2．1．5 利用太阳能
太阳能是最清洁而又取之不尽的能源，新世纪将按绿色照明的要求，作出积极的研究和推广应用，包括更小尺寸、更高效率的太阳能电池和相关的高效光源，将在环保要求高、取得电能不便等场所优先应用。
2．2 灯具及其它电器附件的发展
2．2．1 灯具对照明节能和照明质量关系也很大，却往往不为人们所重视。按照绿色照明的要求，灯具应从以下几方面发展。
a、灯具应随光源的发展而研制新的品种，适应新光源的需要。
b、对视觉条件要求较高的场所，如体育场馆、工业厂房、办公室、教室等，需要灯具
绿色照明LED灯驱动电路
绿色照明LED灯驱动电路
效率高、配光适应的灯具，要求品种多、系列全、防护等级适应各种场所的产品。北京申办2008年奥运会成功，将新建和改建三十多个当今世界一流的体育场、馆和一大批其它公共建筑，按照“绿色奥运”的要求，需要大批效率高、质量优的灯具，必将推动灯具产品的前进。
意义
3．1 照明设计队伍现状
设计是实施绿色照明的关键因素，整体方案都在设计中确定。在建筑设计单位，照明设计和电气设计属同一专业，其专业技术人员从学校就是学建筑电气、供配电、电力系统、自动化等专业，几乎没有学照明专业的人才，都是在工作中学习和培养的。不少人对供配电、自动化很熟练，而对照明研究不深，使部分照明设计达不到预期目标。特别是一些装饰公司承担照明设计，专业人员更显缺乏。这是全面实施绿色照明的一个缺陷。有待逐步改善。[2]
6发展概况
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“绿色照明”是九十年代初国际上对采用节约电能、保护环境照明系统的形象性说法。现阶段，照明的质量和水平已成为衡量社会现代化程度的一个重要标志。 我国电力工业发展速度很快，但是电力供应不足和用电效率低的状况依然比较严峻。据中国国际照明网统计，中国照明用电已占全国电力消费总量的12%以上，并以平均每年15%的速度递增。以2007年国内城市道路照明为例，如果我国城市道路照明光源的1/3更换为高效节能的照明产品，其节约的用电量相当于一个三峡工程的发电量。因此，绿色照明的“绿”主要体现在能够大幅度节约照明用电，减少环境污染，促进以提高照明质量、节能降耗、保护环境为目的的照明电器新型产业的发展。
7实施转变
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我国按照实现经济增长方式转变的要求?按照实现“九五“计划经济发展目标对能源供应的要求?按照实现全国第四次环保大会提出的2000年环保目标的要求?节能工作在实现我国国民经济和社会发展和2010年远景目标纲要中负有艰巨而光荣的任务。这期间节能工作的一个重点就是实施”中国绿色照明工程“。 实施“中国绿色照明工程“利国利民 效益显著 “中国照明绿色工程“计划在”九五“期间?在全国推广紧凑型荧光灯?电子节能灯?3亿支以及其他高效照明器具?形成终端节电220亿千瓦时的年节电能力?削减电网峰荷720万千瓦?相当于少建980万千瓦装机容量的电站。可节约电力建设资金490-630亿元?扣除节电投入?可获得300-400亿元净效益。
8未来趋势
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“中国绿色照明工程“的宗旨是节约能源[3] ?保护环境?提高照明质量。到2000年底?实现年照明节电220亿千瓦时?可节省相应的电厂燃煤?减少二氧化硫、氮氧化物、粉尘、灰渣、二氧化碳的排放。 由此可见?推广“绿色照明“是保护环境的明智之举?是有益健康?造福子孙的事业。绿色照明?功在当代。利在千秋?人类只有一个地球?让”绿色照明“走进千家万户?
版权信息
作 者：中国照明学会，北京照明学会 组编
出 版 社：中国电力出版社
出版时间：2008-10-1
版 次：1页 数：126字 数：170000印刷时间：2008-10-1开 本：16开纸 张：胶版纸印 次：1I S B N：9787508375762包 装：平装
本书围绕“绿色照明”这个主题，采用一问一答的方式，着力普及照明知识，宣传节约能源、保护环境、健康生活和以人为本创造舒适的光环境的科学理念。全书共分7篇，包括基础篇、光源篇、灯具篇、节能篇、环保篇、健康篇和应用篇。
图书信息
书名：绿色照明工程技术规程
编号：DBJ 01-607-2001
主编部门：中国航空工业规划设计研究院
批准部门：北京市规划委员会
实施日期：2001年12月17日
相关文件
关于发布《绿色照明工程技术规程 》的通知。市规发【2001】258号。
目次
1 总则
2 术语和符号
3 照明方式
4 照明质量
5 照明光源选择
6 灯具选择
7 镇流器的选择
8 照明配电
9 天然光的利用
10 常用场所照明单位面积功率指标[4]
注：依照《中华人民共和国标准化法》、国家技术监督局发布的《地方标准管理办法》及原建设部颁布的《工程建设地方标准化工作管理规定》，北京市规划委员会对现行的北京市城乡规划地方标准开展了清理复审工作。经审核，《绿色照明工程技术规程 》等8项北京市城乡规划地方标准停止使用。
以上来自百对百科，网站链接：http://baike.baidu.com/link?url=rIWI9MUPgNTkh-OJfac1KOGibJodeVIA0jG132Zx3HpwOwBo2-h3426FGODTu6oB3Xz2-iUNeQe_4PBG60f8Pq
如果你从首都国际机场即将降落的飞机上向下俯视，一条大河穿城而过，城镇、绿地、工业区、繁华闹市渐次分布。如今的顺义以“平原新城”的姿态着力发展新能源智能 汽车 、第三代半导体、航空航天等“高精尖”产业，成为首都产业发展的新极点。
顺义创新产业集群示范区已初具规模
第三代半导体企业集聚
中关村顺义园里，三栋现代感十足的大楼拔地而起，楼体外“国联万众”四个大字格外显眼。这就是国联万众“第三代半导体材料及应用联合创新基地”，将用于建设第三代半导体工艺平台、封装平台、检测平台、 科技 服务平台，基地预计未来实现产值规模可达到百亿级别。
走进第三代半导体材料及应用联合创新基地，三栋楼呈半围合之势，中心绿地生机勃勃，园区里处处充满现代气息。北京国联万众半导体 科技 有限公司主要从事第三代半导体芯片、器件制造和第三代半导体 科技 服务工作。公司研发生产的碳化硅电力电子二极管产品已投入市场，拥有几十家稳定的客户，MOSFET已开发出样品，开始为比亚迪等公司提供样品试用，成为国内领先的碳化硅电力电子芯片供应商。国联万众是国家双创示范基地“双创”支撑平台、国家级众创空间、中关村国家自主创新示范区硬 科技 孵化平台，已吸引半导体设备制造企业埃特曼(北京)半导体技术有限公司、深紫外外延企业北京中博芯半导体 科技 有限公司、第三代半导体检测企业北京国基科航第三代半导体检测技术有限公司、集成电路设计企业河北新华北集成电路有限公司(分公司)等10余家第三代半导体相关企业入驻或即将入驻园区。
顺义区聚焦发展器件(芯片)，细分领域包括650V以上车规级电力电子器件及5G基站通讯射频器件和适度发展模组、关键装备、衬底、外延、封测5个环节，打造以IDM模式为主、代工模式为辅的第三代半导体产业集聚区。
作为第三代半导体产业的衬底，清华大学微电子所清碳 科技 金刚石半导体材料产业化基地项目落地顺义；迪希埃、特思迪等装备制造企业落户；芯片与器件有北大中博芯、国联万众等多个项目支撑……顺义区第三代半导体产业园区已吸引第三代半导体企业20余家，累计总投资额40.6亿元。其中器件(芯片)环节聚集了国内头部企业。此外，顺义拥有理想 汽车 、奔驰新能源等应用企业，市场牵引明显。
突破航空航天产业“天花板”
5月19日，国家航天局发布“天问一号”任务探测器着陆过程两器分离和着陆后火星车拍摄的影像。图像中，着陆平台和“祝融号”火星车驶离坡道，太阳翼、天线等机构展开正常到位，标志着我国“天问一号”任务火星探测器成功着陆。这些机构的成功展开需要一个重要部件加持——“谐波减速器”，此次任务共有7套谐波减速器出自顺义企业中技克美之手，分别装配在探测器的坡道、桅杆及定向天线驱动等机构中。
北京航空产业园逐步成型，注册企业30余家。目前形成以中航发研究院为引领的基础研究和技术自主创新中心；以中航复材、中航青云等实体企业为代表的军民机复合材料、航空装备、民用航空产品的生产供应商，基本构建起航空为本、市场导向、创新驱动的格局。顺义航天产业园正规划打造卫星应用及智能装备产业基地、信息技术产业基地和卫星姿态轨道控制系统核心技术产业基地三大基地。
智能网联 汽车 日臻完善
顺义区规划了200平方公里智能网联 汽车 创新生态示范区，筹建1200亩自动驾驶封闭测试场，首期300亩已投入使用。开放145公里公开测试道路，建设全国首个智能网联 汽车 特色小镇，镇域内布局了高级别车联网系统。美团无人配送、滴滴自动驾驶、图森未来等一批涉及“车、路、云、网、图”体系的重点企业集聚发展。
北京顺创智能网联 科技 发展有限公司总经理刘斌介绍道：“顺义是继国家智能 汽车 与智慧交通(京冀)示范区海淀基地、亦庄基地之后第三个自动驾驶车辆封闭测试场。测试场搭建了智能网联 汽车 模拟仿真测试平台，集静态场景编辑、动态场景还原、传感器仿真、车辆动力学仿真、关键场景提取、人工智能对抗样本生成等功能于一体，可针对不同企业的需求实施定制化整体解决方案。”测试场通过打造“封闭场地+模拟仿真”的双赛道模式，实现仿真环境与封闭场地的映射标定，建立自动驾驶能力评估体系。
顺义区在感知、决策、控制等环节持续推进智能网联 汽车 技术创新，着力测试环境及验证能力建设。区内企业正元地理信息、天地图、中科星图等专注于高精度地图开发，罗克维尔斯、星河亮点、图森未来、未来城运等专注于智能网联产品开发，触达无界、桔电出行、沃芽 科技 等提供智能网联车辆运营服务,顺义区智能网联产业链条日臻完善。(许金星)
电力电子技术发展现代电力电子技术的发展方向,是从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整 电子产品流器件,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。
整流器时代
大功率的工业用电由工频(50Hz)交流发电机提供,但是大约20%的电能是以直流形式消费的,其中最典型的是电解(有色金属和化工原料需要直流电解)、牵引(电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等)和直流传动(轧钢、造纸等)三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电,因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了-股各地大办硅整流器厂的热潮,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物。
逆变器时代
七十年代出现了世界范围的能源危机,交流电机变频调速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键技术是将直流电逆变为0~100Hz的交流电。在七十年代到八十年代,随着变频调速装置的普及,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管(GTR)和门极可关断晶闸管(GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变,但工作频率较低,仅局限在中低频范围内。
变频器时代
进入八十年代,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合,出现了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的问世,导致了中小功率电源向高频化发展,而后绝缘门极双极晶体管(IGBT)的出现,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。MOSFET和IGBT的相继问世,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率,使其性能更加完善可靠,而且使现代电子技术不断向高频化发展,为用电设备的高效节材节能,实现小型轻量化,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础。
编辑本段
现代电力电子的应用领域
计算机高效率绿色电源
高速发展的计算机技术带领人类进入了信息社会,同时也促进了电源技术的迅速发展。八十年代,计算机全面采用了开关电源,率先完成计算机电源换代。接着开关电源技术相继进人了电子、电器设备领域。
计算机技术的发展,提出绿色电脑和绿色电源。绿色电脑泛指对环境无害的个人电脑和相关产品，绿色电源系指与绿色电脑相关的高效省电电源,根据美国环境保护署l992年6月17日“能源之星"计划规定,桌上型个人电脑或相关的外围设备,在睡眠状态下的耗电量若小于30瓦,就符合绿色电脑的要求，提高电源效率是降低电源消耗的根本途径。就目前效率为75%的200瓦开关电源而言,电源自身要消耗50瓦的能源。
通信用高频开关电源
通信业的迅速发展极大的推动了通信电源的发展。高频小型化的开关电源及其技术已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中,通常将整流器称为一次电源,而将直流-直流(DC/DC)变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网变换成标称值为48V的直流电源。目前在程控交换机用的一次电源中,传统的相控式稳压电源己被高频开关电源取代,高频开关电源(也称为开关型整流器SMR)通过MOSFET或IGBT的高频工作,开关频率一般控制在50-100kHz范围内,实现高效率和小型化。近几年,开关整流器的功率容量不断扩大,单机容量己从48V/12.5A、48V/20A扩大到48V/200A、48V/400A。
因通信设备中所用集成电路的种类繁多,其电源电压也各不相同,在通信供电系统中采用高功率密度的高频DC-DC隔离电源模块,从中间母线电压(一般为48V直流)变换成所需的各种直流电压,这样可大大减小损耗、方便维护,且安装、增加非常方便。一般都可直接装在标准控制板上,对二次电源的要求是高功率密度。因通信容量的不断增加,通信电源容量也将不断增加。
直流-直流(DC/DC)变换器
DC/DC变换器将一个固定的直流电压变换为可变的直流电压,这种技术被广泛应用于无轨电车、地铁列车、电动车的无级变速和控制,同时使上述控制获得加速平稳、快速响应的性能,并同时收到节约电能的效果。用直流斩波器代替变阻器可节约电能(20~30)%。直流斩波器不仅能起调压的作用(开关电源), 同时还能起到有效地抑制电网侧谐波电流噪声的作用。
通信电源的二次电源DC/DC变换器已商品化,模块采用高频PWM技术,开关频率在500kHz左右,功率密度为5W~20W/in3。随着大规模集成电路的发展,要求电源模块实现小型化,因此就要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构,目前已有一些公司研制生产了采用零电流开关和零电压开关技术的二次电源模块,功率密度有较大幅度的提高。
不间断电源(UPS)
不间断电源(UPS)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。交流市电输入经整流器变成直流,一部分能量给蓄电池组充电,另一部分能量经逆变器变成交流,经转换开关送到负载。为了在逆变器故障时仍能向负载提供能量,另一路备用电源通过电源转换开关来实现。
现代UPS普遍了采用脉宽调制技术和功率M0SFET、IGBT等现代电力电子器件,电源的噪声得以降低,而效率和可靠性得以提高。微处理器软硬件技术的引入,可以实现对UPS的智能化管理,进行远程维护和远程诊断。
目前在线式UPS的最大容量已可作到600kVA。超小型UPS发展也很迅速,已经有0.5kVA、lVA、2kVA、3kVA等多种规格的产品。
变频器电源
变频器电源主要用于交流电机的变频调速,其在电气传动系统中占据的地位日趋重要,已获得巨大的节能效果。变频器电源主电路均采用交流-直流-交流方案。工频电源通过整流器变成固定的直流电压,然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器, 将直流电压逆变成电压、频率可变的交流输出,电源输出波形近似于正弦波,用于驱动交流异步电动机实现无级调速。
国际上400kVA以下的变频器电源系列产品已经问世。八十年代初期,日本东芝公司最先将交流变频调速技术应用于空调器中。至1997年,其占有率已达到日本家用空调的70%以上。变频空调具有舒适、节能等优点。国内于90年代初期开始研究变频空调,96年引进生产线生产变频空调器,逐渐形成变频空调开发生产热点。预计到2000年左右将形成高潮。变频空调除了变频电源外,还要求有适合于变频调速的压缩机电机。优化控制策略,精选功能组件,是空调变频电源研制的进一步发展方向。
高频逆变式整流焊机电源
高频逆变式整流焊机电源是一种高性能、高效、省材的新型焊机电源,代表了当今焊机电源的发展方向。由于IGBT大容量模块的商用化,这种电源更有着广阔的应用前景。
电子元器件逆变焊机电源大都采用交流-直流-交流-直流(AC-DC-AC-DC)变换的方法。50Hz交流电经全桥整流变成直流,IGBT组成的PWM高频变换部分将直流电逆变成20kHz的高频矩形波,经高频变压器耦合, 整流滤波后成为稳定的直流,供电弧使用。
由于焊机电源的工作条件恶劣,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题,也是用户最关心的问题。采用微处理器做为脉冲宽度调制(PWM)的相关控制器,通过对多参数、多信息的提取与分析,达到预知系统各种工作状态的目的,进而提前对系统做出调整和处理,解决了目前大功率IGBT逆变电源可靠性。
国外逆变焊机已可做到额定焊接电流300A,负载持续率60%,全载电压60~75V,电流调节范围5~300A,重量29kg。
大功率开关型高压直流电源
大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用X光机和CT机等大型设备。电压高达50~l59kV,电流达到0.5A以上,功率可达100kW。
自从70年代开始,日本的一些公司开始采用逆变技术,将市电整流后逆变为3kHz左右的中频,然后升压。进入80年代,高频开关电源技术迅速发展。德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件,将电源的开关频率提高到20kHz以上。并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源,取消了高压变压器油箱,使变压器系统的体积进一步减小。
国内对静电除尘高压直流电源进行了研制,市电经整流变为直流,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压,然后由高频变压器升压,最后整流为直流高压。在电阻负载条件下,输出直流电压达到55kV,电流达到15mA,工作频率为25.6kHz。
电力有源滤波器
传统的交流-直流(AC-DC)变换器在投运时,将向电网注入大量的谐波电流,引起谐波损耗和干扰,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象,即所谓“电力公害”,例如,不可控整流加电容滤波时,网侧三次谐波含量可达(70~80)%,网侧功率因数仅有0.5~0.6。
电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置,能克服传统LC滤波器的不足,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。滤波器由桥式开关功率变换器和具体控制电路构成。与传统开关电源的区别是:(l)不仅反馈输出电压,还反馈输入平均电流
(2)电流环基准信号为电压环误差信号与全波整流电压取样信号之乘积。
分布式开关电源供电系统
分布式电源供电系统采用小功率模块和大规模控制集成电路作基本部件,利用最新理论和技术成果,组成积木式、智能化的大功率供电电源,从而使强电与弱电紧密结合,降低大功率元器件、大功率装置(集中式)的研制压力,提高生产效率。
八十年代初期,对分布式高频开关电源系统的研究基本集中在变换器并联技术的研究上。八十年代中后期,随着高频功率变换技术的迅述发展，各种变换器拓扑结构相继出现,结合大规模集成电路和功率元器件技术,使中小功率装置的集成成为可能,从而迅速地推动了分布式高频开关电源系统研究的展开。自八十年代后期开始,这一方向已成为国际电力电子学界的研究热点,论文数量逐年增加，应用领域不断扩大。
分布供电方式具有节能、可靠、高效、经济和维护方便等优点。已被大型计算机、通信设备、航空航天、工业控制等系统逐渐采纳,也是超高速型集成电路的低电压电源(3.3V)的最为理想的供电方式。在大功率场合,如电镀、电解电源、电力机车牵引电源、中频感应加热电源、电动机驱动电源等领域也有广阔的应用前景。
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高频开关电源的发展趋势
在电力电子技术的应用及各种电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。对于大型电解电镀电源,传统的电路非常庞大而笨重,如果采用高顿开关电源技术,其体积和重量都会大幅度下降,而且可极大提高电源利用效率、节省材料、降低成本。在电动汽车和变频传动中,更是离不开开关电源技术，通过开关电源改变用电频率,从而达到近于理想的负载匹配和驱动控制。高频开关电源技术,更是各种大功率开关电源(逆变焊机、通讯电源、高频加热电源、激光器电源、电力 *** 作电源等)的核心技术。
高频化
理论分析和实践经验表明,电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz,提高400倍的话,用电设备的体积重量大体下降至工频设计的5~l0%。无论是逆变式整流焊机,还是通讯电源用的开关式整流器,都是基于这一原理。同样,传统“整流行业”的电镀、电解、电加工、充电、浮充电、电力合闸用等各种直流电源也可以根据这一原理进行改造, 成为“开关变换类电源”,其主要材料可以节约90%或更高,还可节电30%或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高,促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化,带来显著节能、节水、节约材料的经济效益,更可体现技术含量的价值。
模块化
模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块,含有一单元、两单元、六单元直至七元,包括开关器件和与之反并联的续流二极管,实质上都属于“标准”功率模块(SPM)。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),不但缩小了整机的体积,更方便了整机的设计制造。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的电应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件之间不再有传统的引线连接,这样的模块经过严格、合理的热、电、机械方面的设计,达到优化完美的境地。它类似于微电子中的用户专用集成电路(ASIC)。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片,再把整个模块固定在相应的散热器上,就构成一台新型的开关电源装置。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低,提高系统的可靠性。另外,大功率的开关电源,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑,一般采用多个独立的模块单元并联工作,采用均流技术,所有模块共同分担负载电流,一旦其中某个模块失效,其它模块再平均分担负载电流。这样,不但提高了功率容量, 在有限的器件容量的情况下满足了大电流输出的要求, 而且通过增加相对整个系统来说功率很小的冗余电源模块,极大的提高系统可靠性,即使万一出现单模块故障,也不会影响系统的正常工作,而且为修复提供充分的时间。
数字化
在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六、七十年代,电力电子技术完全是建立在模拟电路基础上的。但是,现在数字式信号、数字电路显得越来越重要,数字信号处理技术日趋完善成熟,显示出越来越多的优点:便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰(提高抗干扰能力)、便于软件包调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入。所以,在八、九十年代,对于各类电路和系统的设计来说,模拟技术还是有用的,特别是:诸如印制版的布图、电磁兼容(EMC)问题以及功率因数修正(PFC)等问题的解决,离不开模拟技术的知识,但是对于智能化的开关电源,需要用计算机控制时,数字化技术就离不开了。
绿色化
电源系统的绿色化有两层含义:首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约,而发电是造成环境污染的重要原因,所以节电就可以减少对环境的污染其次这些电源不能(或少)对电网产生污染,国际电工委员会(IEC)对此制定了一系列标准,如IEC555、IEC917、IECl000等。事实上,许多功率电子节电设备,往往会变成对电网的污染源:向电网注入严重的高次谐波电流,使总功率因数下降,使电网电压耦合许多毛刺尖峰,甚至出现缺角和畸变。20世纪末,各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生,有了多种修正功率因数的方法。这些为2l世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现,现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下,由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性,使器件性能对开关电源性能的影响减至最小,新型的电源电路拓扑和新型的控制技术,可使功率开关工作在零电压或零电流状态,从而可大大的提高工作频率,提高开关电源工作效率,设计出性能优良的开关电源。
总而言之,电力电子及开关电源技术因应用需求不断向前发展,新技术的出现又会使许多应用产品更新换代,还会开拓更多更新的应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等的实现,将标志着这些技术的成熟,实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着通信行业的发展,以开关电源技术为核心的通信用开关电源,仅国内有20多亿人民币的市场需求,吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋,因此,同样具有几十亿产值需求的电力 *** 作电源系统的国内市场正在启动,并将很快发展起来。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。
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半导体器件基础
半导体概述
半导体系指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如电脑、移动电话或是数位录放音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。
半导体二极管
双极型晶体管
场效应管
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电路发展
放大电路
单极三极管放大电路的基本接法
单极MOS管放大电路的基本接法
极间耦合放大和多极放大电路
集成运算放大电路
差动放大电路
电流源电路
复合管结构
输出极电路
功率放大电路
运算电路
比例运算电路
加减运算电路
积分运算电路和微分运算电路
对数运算电路和指数运算电路
乘除运算电路
滤波电路
低通滤波电路
高通滤波电路
带通滤波电路
带阻滤波电路
全通滤波电路
信号发生和变换电路
正弦波发生电路
非正弦波发生电路
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