电力电子技术绪论.

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1、电力电子技术-绪论 Power Electronics 南航 电力电子 课程组 联系方式 刘福鑫: 南京航空航天大学航空电源重点实验室 明故宫校区智能楼301室 nTel: 84892053（office） nE-mail： liufuxin n什么是电力电子技术 n电力电子技术的发展 n电力电子技术的应用 n学习方法介绍 n什么是电力电子技术 n电力电子技术的发展 n电力电子技术的应用 n学习方法介绍 电力电子技术的定义电力电子技术的定义 IEEE PE分会： 有效地利用电力半导体器件，应用电路和设计理论 以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控 制的一门技术 基础：电力半导体器件 手段

2、：电路分析和控制理论 对象：电能的变换和控制 什么是电力电子学 电力电子学 (Power Electronics)名称60年代 出现 1974年，美国的W. Newell用图中的倒三角形 对电力电子学进行了描述 ，被全世界普遍接受 电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术 模拟电子技术 电子技术 信息电子技术电力电子技术 数字电子技术 与电子学（信息电子学）的关系 与（信息）电子技术的关系 p都分为器件和电路两大分支； 电子技术：电子器件，电子电路 电力电子技术：电力电子器件，电力电子电路 p器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术； p电路的理论基础、分析方法、分析软件也

3、基本相同； p电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态； 电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 二者同根同源 信息处理 电力电子技术电力电子技术应用功率半 导体器件，对电能进行变换 包括电压、电流、频率和波形 等方面的变换，以达到使电能 更好的符合各种用电设备的要 求。即应用于电力领域的电子 技术 与（信息）电子技术的关系 信息电子技术信息电子技术依靠电子器 件实现电信号的产生、变换、 处理、存储、发送和接收。 电力变换 电力电子技术电力电子技术 应用于电力领域的电子技术应用于电力领域的电子技术 pp处理功率：大到数百处理功率：大到数百MWMW甚至甚至GWGW， 小到数小到数WW

4、甚至甚至mWmW级。级。 与电力学（电气工程）的关系 与电力技术的关系 从发电角度来说，利用电力电子技术高效产生电能； 从用电角度来说，利用电力电子技术可以进行节能改造，提高用电效率； 从输、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高输配电质量。 与控制理论（自动化技术）的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中； 电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强 电的接口，控制理论是这种接口的有力纽带； 电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑 技术。 p根本目的：为了更好地使用电能（节能），并使电能更 好地符合各种不同用电设备的要求，以实现“高效率用 电和高品质用电”的目标。 p根本手段：使用功率

5、半导体器件对电能进行变换 p具体方法：包括电压、电流、频率和波形等方面的变换 。 电力电子学的本质 n什么是电力电子技术 n电力电子技术的发展 n电力电子技术的应用 n学习方法介绍 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲 若干阶段：不控，半控，电流全控，电压全控，功率集成电路。 电力电子技术发展 器件发展 电力电子器件的发展 电子管 可控硅 大功率IGBT和MOSFET等 高压、大电流、易控制、智能化器件 奠立了电力电子技术在电力系统中应用的基础 q可控性： 半控（可控导通）全控（可控导通与关断） 晶闸管(SCR)GTO, GTR, MOSFET, IGBT, MCT q主要种类：

6、晶闸管系列： SCR, GTO，MCT 功率管系列： GTR，MOSFET，IGBT 对于器件 A：理想器件：开关瞬间完成，正向导通压降为零，关断漏电流为零 实际器件：总体而言，开关速度和导通压降存在矛盾 B:以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础和核心。 电力半导体器件的发展 晶闸管（ SCR ）：开关频率低，直流输电等大功率领域， 10000V、6000A 大功率晶体管（GTR）：开关频率较低，低饱和压降，几百千 瓦以下， 1000A/1200V 功率MOSFET：开关频率高，可上MHz，高压器件通态压降 大，中小功率低压场合 IGBT：开关频率较高，一般低于50kHZ，6

7、00V6.5kV, 13500A，10MW级，将取代GTR、GTO 智能化功率器件：power IC、IPM等，智能化 电力半导体器件的发展 汞弧器件到目前的硅半导体器件 器件的体积：减小了3 到4 个数量级； 大功率时的开关时间：从毫秒级降到了微秒级，低功率时 甚至达到了纳秒级； 工作频率：从50Hz 增加到兆赫级； 变流器的功率水平：从微伏安提高到几百兆伏安； 封装与制造技术：从单片微电子芯片制造技术直至用到高电压技术 开关速度，功率不断提高。 电力半导体器件的发展 电力电子技术的两大分支 电力电子器件制造技术 u电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理 变流技术（电力电子器件应用技术）

8、u用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。 u电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是 直流 电力变换四大类 电能变换技术介绍 充分应用器件的性能，实现各种具有优良性能的变换电路： 软开关、新应用 电力电子装置类型 n电力电子装置分类（P3） q可控整流器 把交流电压变换成固定或可调的直流 电压；（AC DC） q逆变器 把直流电变换成频率固定或可调的交流电 ； （DC AC） q交流调压器 把固定或变化的交流电压变换成可调 或固定的交流电压；（AC AC） q斩

9、波器 把固定或变化的直流电压变换成可调或恒 定的直流电压； （DC DC） n什么是电力电子技术 n电力电子技术的发展 n电力电子技术的应用 n学习方法介绍 3. 电力电子技术的应用 一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力 家用电器： “节能灯”、变频空调 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置 应用领域十分广泛，几乎无所不在 功率范围从数百MW乃至GW，直到W甚至mW数量级 电动汽车（EV）和混合动力电动汽车 （HV）在节能和减少环境污染方面起

10、 到举足轻重的作用。 电动汽车是电力电子与电力传动技术的主 要应用场合之一，也是目前电力电子与电 力传动技术研究的一个重要方向。 绿色照明工程：发展节能光源，节能电器 和节能灯具，实施节能照明。 电力电子技术在这个领域的应用，对缓解 能源压力和环境保护有积极作用。 如荧光灯的效率大概比普通的白炽灯高2 3 倍，采用电子整流器来驱动荧光灯可以 再提高20的效率。 最近发展起来的固态照明技术：高流明发 光二极管（HBLED），广泛应用于交通信 号灯。 其应用需要PFC电源。 n电力电子在新能源发电技术方面的应用 风力发电、光伏发电、燃料电池 n用户电力电子技术 电力电子在新能源中的应用 电力电子与

11、关键科技 n能源：能源的产生、传输、变换等环节 n环保：储能同题、能量转换问题、能量输配的问 题、避免污染的装置等都与电力电子有很大关系 n信息与通信：这是过去10年中发展最快的产业， 通信电源、手机电源、充电器、计算机电源等 n生命科学：很多医学工程上都用到电力电子，如 人工心脏关键部分就有一个开关电源 n工业生产；生产自动化主要靠电力电子来工作 n交通：在航天、航空、地铁、电动汽车等方面 现代电力电子应用 n电力电子对能源和环保起着非常重要的作用 n目前所有的能源中电力方面的能源约占40%，约 40%是经过电力电子的设备转换。其中55%以上 是用在马达和马达控制，20%是用在照明 n如果采

12、用好的电力电子技术，至少可节省约l3 的能源，相当于840个发电厂发出的电能 现代电力电子应用 n现在发达国家电能的75%要经过电力电子变换或 控制后使用，预计21世纪将达到95%以上 n目前我国经过变换使用的电能仅占30%，远远达 不到应用电力电子技术才能实现的效果 n到2010年末，我国发电装机总容量将达到8.52亿 千瓦，到2010年我国将有2.6亿千瓦电能需要电力 电子变换或控制，电力电子技术在国内发展的潜 力十分巨大 电力电子技术的小结 电力电子技术的应用范围十分广泛 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水 泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面， 电力电

13、子技术的节能效果十分显著 在能源危机越来越突出、人类正在寻求新能源的过程中，电 力电子技术的重要性日益突出 推广电力电子技术，具有广泛的现实意义和深远的社会与经 济效益 现代电力电子技术发展 n目前没能大量采用最新电力电子技术的主要原因 是成本问题，把成本降低，让使用普遍， 将来对 节约能源、环保都会有很大贡献 n现在我们用的很多东西都不是用最好的电力电子 的方法来设计的：如洗衣机、烘干机、微渡炉、 空调等（定频到变频） n未来电力电子最大的挑战是把电力电子设备做成 普遍化、大众化，将电力电子器件设计标准化 n什么是电力电子技术 n电力电子技术的发展 n电力电子技术的应用 n学习方法介绍 教材

14、介绍 n电力电子技术 丁道宏主编 ,修订版, 航空工业出版社 ,1999年 参考教材 n电力电子技术 王兆安 ,黄俊主编,第四版, 机械工业出版社 ,2001年 参考教材 n现代电力电子技术基础 赵良炳主编 清华大学出版社 ,1996年 电力电子学科包含的内容 主要包括： 功率半导体器件、电路拓扑、控制 系统仿真、EMI、热设计、封装技术、 无源元件等等 学习方法 n 注意多门专业课程的相互联系 n 以器件、电路、应用为主线，加强基础知识 的学习 n理论联系实践，注重实验练习 n掌握学科前沿发展动向，反映本学科和相邻学 科的新成果、新进展 课程内容简介 n 晶闸管 (4h) n 可控整流电路 (14h) n 有源逆变 (4h) n 功率晶体管和二极管 (4h) n 晶体管功率电路 (16h) n 功率晶体管的缓冲电路 (6h) n 驱动电路 (4h) n 功率变换器中的磁性元件设计 (4h) -56学时，3.5学分 教学要求 n自已能学有所成： 按时上课，认真听讲，认真完成课外作业 n不影响他人学习： 不迟到、不早退、不在课堂讲话 成绩构成 n平时成绩 20% （作业） n考试成绩 80% 答疑安排 n答疑时间：周四晚18:30-2