电力电子技术__第一章节_绪论幻灯片

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1、1,电力电子技术 Power Electronics,2,希望大家遵守课堂纪律，有事书面请假，不要随意旷课。不定时点名，作为平时成绩的考评标准之一。 平时成绩占总成绩的30%，包括考勤和平时作业。 另外本课程有实验，实验成绩计入总成绩，占20%，期末考试占50%。 课堂请勿接打电话，以免影响他人学习。,3,第一章 绪 论,四、电力电子技术应用,三、电力电子技术的发展史,一、电力电子技术及特点,二、电力电子技术研究的内容,五、本教材内容简介,4,一、电力电子技术及特点,1.IEEE定义： 电力电子技术（Power Electronics）：有效地使用电力半导体器件，应用电路和设计理论以及分析开发

2、工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术，它包括电压、电流、频率和波形等方面的变换。,解释 电子技术包括： 信息电子技术 和 电力电子技术。 信息电子技术模拟电子技术和数字电子技术。 目前电力电子器件均用半导体制成，也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至1W以下。 电力电子技术主要用于电力变换而信息电子技术主要用于信息处理。,5,电力电子技术包括：电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。 其中电力电子器件是电力电子技术发展的基础和关键。,图1-1 电力电子变换系统框图,6,2. 电力电子技术和其它学科的关系 电力电子实际上是一门交叉学科。

3、Power Electronics名称60年代出现。 1974年，美国的W. Newell用图1-2的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。,图1-2 描述电力电子学的倒三角形,7,电力电子技术和电子学的关系（1）,电子学中的电子器件 对应于 电力电子器件 电子学中的电子电路 对应于 电力电子电路 电力电子器件制造技术和电子器件制造技术的理论基础是一样的。 大多数工艺也相同，现代电力电子器件制造大都使用集成电路制造工艺，采用微电子制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，二者同根同源。,8,电力电子技术和电子学的关系（2）,电力电子电路和电子电路 许多分析方法一致，仅应用目的不

4、同： 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路； 电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是电力电子电路； 器件的工作状态： 信息电子，既可处于放大状态，也可工作在开关状态； 电力电子，为避免功率损耗过大，总在开关状态 。,9,电力电子技术与电力学的关系,主要关系：电力电子技术广泛用于电力工程中。 电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动等电力系统和电气工程中。 电力电子技术是电气工程学科中目前最为活跃的分支。有人预言：电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。,10,电力电子技术与控制理论的

5、关系,控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求； 电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带； 控制理论和自动化技术密不可分，电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑。,11,3. 电力电子技术分支和特点：,分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支。 特点 电力电子技术的发展集中体现在电力电子器件的发展上； 这些器件一般均工作在开关状态，这是重要特征；,12,二、电力电子技术的发展概述,四个阶段 史前期（1957年以前）： 使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。 这段时间，各种整流、逆变、周波变

6、流的电路和理论已经成熟并广泛应用。 晶闸管时代（195770年代）： 全控型器件时代（70年代后期）： 复合器件时代（80年代中后期）：,即为电力电子器件的发展史。以1957年美通用电气公司第一只晶闸管的诞生为标志，标志电力电子器件和技术的诞生。,13,电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的,1904,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t(年),14,1、电力电子技术的史前期,晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在： 在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动

7、机的传动，甚至用于直流输电； 各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式；,15,2、晶闸管时代（1957年开始）,传统的电力电子时代 晶闸管 SCR(Silicon Controlled Rectifier)可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。 晶闸管因其电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动）、电力工业（直流输电）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管

8、及晶闸管变流技术的发展而确立的。 目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。,16,3、全控型器件时代（70年代后期）,GTO 可关断晶闸管 BJT(GTR) 电力双极型晶体管 Power-MOSFET 电力场效应管 这些器件可以通过门极（或栅极、基极）控制开通和关断。 和SCR电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路常使用脉冲宽度调制（PWM Pulse Width Modulation）方式进行控制。,17,4、复合型器件时代（80年代后期）,复合型器件：以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT Insulated-Gate Bipol

9、ar Transistor）为代表： IGBTMOSFETBJT 它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越。 与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。 功率集成电路：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向 。,18,器件实现了多功能化，不但具有开关功能，还增加了保护、检测、驱动等功能，有的器件还具有放大、调制、振荡及逻辑运算的功

10、能，使强电与弱电达到了完美的结合，应用电路结构大为简化，电力电子应用范围进一步拓宽。 功率集成电路又分为高压集成电路HVIC和智能功率集成电路SPIC，而IPM则是IGBT的智能化模块。目前PIC和IPM器件的发展非常迅速。,19,5、电力电子技术的前景,电力电子器件发展的目标是：大容量、高频率、易驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化。 新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术。 电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。,20,三、电力电子技术研究的内容,包括三个方面： 电力电子器件 变流电路 控制电路,21,1、电力电子开关器件,一般特征（与信

11、息处理器件比较）表现在以下几个方面： 1)电力电子器件所能处理电功率的大小。 2)电力电子器件一般工作于开关状态。 3)电力电子器件需要由信息电子电路控制。 4)由于耗散功率大，在器件封装时需考虑散热设计及工作时外部需安装散热器。,22,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：,1）半可控器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT） 电力场效应晶体管（PowerMOSFET） 门极可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管GTR,3）不控型器件,电力二极管（Power Diode）常见的有大功率二极管、快速恢复二极管及肖特基二极管。

12、 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电 流决定的。,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,2）全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。,电力电子器件的分类,23,基本分类,按电力电子器件的驱动性质可以将器件分为电压型和电流型器件。 1、电流型器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通，因而一般情况下需要较大的驱动功率，这类器件有SCR、GTR、GTO等。 2、电压型器件的导通只需要有足够的电压

13、和很小的驱动电流，因而电压型器件只需很小的驱动功率，这类器件有IGBT、MOSFET、MCT等。,24,基本分类,按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类： 1、双极型电力电子器件：是指器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件,这类器件具有通态压降低、阻断电压高、电流容量大等优点,适用于中大容量的变流装置和电动机的驱动控制。 这类器件有巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。,25,基本分类,2、单极型电力电子器件：是指器件内只有多数载流子参与导电过程的半导体器件,这类器件具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽、

14、电流负温度系数良好的电流自动调节能力等优点,适用于中小功率、开关频率高的变流装置和电动机的驱动控制,。 这类器件包括有功率场效应晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)等。,26,基本分类,3、混合型电力电子器件：是由双极型和单极型两种器件混合集成。 利用耐高压、电流容量大的双极型器件(如SCR、GTR、GTO)作为输出级; 利用输入阻抗高、频率响应快的单极型器件(如MOSFET)作为输入级。 从而具备双极和单极器件的优点。这类器件有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS晶体管(MCT)、功率集成电路(PIC)等,其中功率集成电路PIC分为高压集成电路(HVIC)和智能功率集成电路(SP

15、IC)。,27,2、电力电子应用系统组成,电力电子应用系统或变流电路：以电力半导体器件为核心，通过不同的电路拓扑和控制方式来实现对电能的转换和控制，。 由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。,图1-3 电力电子应用系统或变流电路,28,控制电路通过检测电路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。 主电路和控制电路连接的路径上，一般需要进行电气隔离，通过其它手段如光、磁等来传递信号。 主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行。,29,电力电子电路有四种换流方式,1、电源换流。

16、由电源电压极性改变向导通元件提供反向封锁电压使其关断。这种换流方式只适用于交流电源供电，以不控或半控开关器件组成的变流电路，如整流器等。 2、负载换流。由负载电压或电流极性改变向导通元件施加反向封锁电压使其关断。它用于直流供电、负载可振荡的直流交流变换电路。 3、强迫换流。由外部电路向导通元件强行提供反向封锁电压或从导通元件控制极施加关断信号迫使其关断。这种方式常见于晶闸管直流直流变换电路和所有斩控式变换电路。 4、无换相方式。负载电流因方向改变过零使原来导通元件自行关断。这种方式见于晶闸管交流电压控制器。,30,3、电力电子功率变换的基本类型,常见的电力变换种类,31,（1）ACDC变换,定义：把交流电压变换成固定或可调的直流电压，即为ACDC变换。 传统的ACDC变换是利用晶闸管和相控技术，依靠电网电压换流实现的。其主要特点是控制简单，运行可靠，适宜超大功率应用。存在的问题是产生低次谐波，对电网是滞后功率因数的负载，这种非线性负载的迅速增多对电网产生了严重影