電力電子的發(fā)展

1、1.1 什么是電力電子技術(shù)什么是電力電子技術(shù)1.2 電力電子的特性電力電子的特性1.3 電力電子發(fā)展史電力電子發(fā)展史電力電電力電子技術(shù)子技術(shù) 由根據(jù)電力電子器件的特性，采由根據(jù)電力電子器件的特性，采用一種有效的靜態(tài)的變換、控制用一種有效的靜態(tài)的變換、控制方法，把一種輸入變換為所需要方法，把一種輸入變換為所需要的另一種輸出形式的另一種輸出形式 。下 頁(yè)返回下 頁(yè)上 頁(yè)返 回目的目的方法方法電氣和電子元件，線性以及非線性電電氣和電子元件，線性以及非線性電路控制理論的應(yīng)用，成熟的設(shè)計(jì)技巧路控制理論的應(yīng)用，成熟的設(shè)計(jì)技巧的使用；使用先進(jìn)的分析工具的使用；使用先進(jìn)的分析工具 。 控制功率從電源流向負(fù)載，

2、實(shí)現(xiàn)高控制功率從電源流向負(fù)載，實(shí)現(xiàn)高效、高可靠性、高實(shí)用性的控制并效、高可靠性、高實(shí)用性的控制并使用體積小、質(zhì)量輕、損耗低的器使用體積小、質(zhì)量輕、損耗低的器件。件。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回l高實(shí)用性高實(shí)用性不使用像發(fā)熱電子管以及不使用像發(fā)熱電子管以及電解電容器等等這些時(shí)限電解電容器等等這些時(shí)限很短的器件很短的器件 。l高可靠性高可靠性 避免使用需要周期性維護(hù)避免使用需要周期性維護(hù)或替換的旋轉(zhuǎn)器件或替換的旋轉(zhuǎn)器件 。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回電力電子設(shè)備的主要目的電力電子設(shè)備的主要目的處理電氣功率處理電氣功率控制交流或直流電源與一個(gè)或控制交流或直流電源與一個(gè)或者多個(gè)需要此交流或直流電源者多個(gè)需要此交流或直流

3、電源的負(fù)載之間的功率的傳輸。的負(fù)載之間的功率的傳輸。 功能功能由接在變換器終端的電阻組由接在變換器終端的電阻組成的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載的需要成的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載的需要來(lái)決定來(lái)決定 。 l功率傳輸功率傳輸下 頁(yè)上 頁(yè)返 回交直流電流變換器交直流電流變換器功率調(diào)節(jié)器功率調(diào)節(jié)器下 頁(yè)上 頁(yè)返 回四大類電力電子功率變換設(shè)備四大類電力電子功率變換設(shè)備1. AC-AC變換器變換器調(diào)節(jié)阻抗是電阻、電容或電感。調(diào)節(jié)阻抗是電阻、電容或電感。這種變換這種變換器常用做交流功率控制器。器常用做交流功率控制器。 電源和負(fù)載之間的時(shí)間間隔是電源和負(fù)載之間的時(shí)間間隔是thigh ，則其呈現(xiàn)高阻抗則其呈現(xiàn)高阻抗 電源時(shí)間間隔是電源時(shí)

4、間間隔是tlow，則呈現(xiàn)低阻抗，則呈現(xiàn)低阻抗 可變阻抗可變阻抗R,C或或L交流負(fù)載交流負(fù)載交流電源交流電源下 頁(yè)上 頁(yè)返 回2. AC-DC變換器變換器l整流整流 交流通過(guò)特性不對(duì)稱的非線性電交流通過(guò)特性不對(duì)稱的非線性電阻變換為直流。阻變換為直流。 整流過(guò)程可控整流過(guò)程可控 非線性電阻非線性電阻直流負(fù)載直流負(fù)載交流電源交流電源ui下 頁(yè)上 頁(yè)返 回3. DC-AC變換器變換器l反向整流反向整流 用功率調(diào)節(jié)裝置，使直流電源用功率調(diào)節(jié)裝置，使直流電源得到負(fù)載為交流形式的功率。得到負(fù)載為交流形式的功率。 無(wú)源（有源）無(wú)源（有源）阻抗阻抗交流負(fù)載交流負(fù)載直流電源直流電源+ +- - 電源和負(fù)載之間能量

5、的流動(dòng)由功率調(diào)節(jié)裝置控制電源和負(fù)載之間能量的流動(dòng)由功率調(diào)節(jié)裝置控制 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回有源電阻的值在直流操作點(diǎn)（有源電阻的值在直流操作點(diǎn)（U1，I1）和（）和（U2，I1）之間變化，電壓之間變化，電壓U2 U1時(shí)，電流時(shí)，電流I2 UIN或者或者IOUT IIN 。 該變換器輸出端平均電壓該變換器輸出端平均電壓必須必須比輸入端平均電壓比輸入端平均電壓高，或輸出端平均電流比輸入端平均電流高。高，或輸出端平均電流比輸入端平均電流高。 + +- -UINUOUTRLIINIOUT+ + + + - - - - 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回(min)acOUTOUTINPUII如果如果UOUT UIN(min)

6、acOUTOUTINPIUUDCDC變換過(guò)程中，交流輸入電源作為中間過(guò)變換過(guò)程中，交流輸入電源作為中間過(guò)程可能完全被轉(zhuǎn)換為交流電源。程可能完全被轉(zhuǎn)換為交流電源。 DCDC變換過(guò)程必須由交流電源作為中間過(guò)程。變換過(guò)程必須由交流電源作為中間過(guò)程。如果如果 IOUT IIN，最小交流功率為：，最小交流功率為：下 頁(yè)上 頁(yè)返 回電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，與全球能源、環(huán)境等問(wèn)電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，與全球能源、環(huán)境等問(wèn)題息息相關(guān)。能源消費(fèi)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮程度題息息相關(guān)。能源消費(fèi)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮程度的標(biāo)準(zhǔn)。的標(biāo)準(zhǔn)。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回下 頁(yè)上 頁(yè)返 回下 頁(yè)上 頁(yè)返 回下 頁(yè)上 頁(yè)返 回磁放大器磁放大器 可作

7、為可飽和電抗器及飽和電抗器可作為可飽和電抗器及飽和電抗器+ +- -RLNCRCNLNCNLiLiCUCUACRCRL+ +- -NCNLNCNLiLiCUCUAC 串聯(lián)連接磁放大器串聯(lián)連接磁放大器并聯(lián)連接磁放大器并聯(lián)連接磁放大器輸出輸出繞組繞組控制控制 繞組繞組 不包含發(fā)熱裝置、電阻絲和旋轉(zhuǎn)元件。不包含發(fā)熱裝置、電阻絲和旋轉(zhuǎn)元件。 磁放大電路是一種高效的電力電子電路。磁放大電路是一種高效的電力電子電路。 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回真空電子管真空電子管 下 頁(yè)上 頁(yè)返 回真空電子管與磁放大器的區(qū)別真空電子管與磁放大器的區(qū)別真空電子管電源是直流電壓，真空電子管電源是直流電壓，電源是交電源是交流電壓。流電

8、壓。 真空電子管在大部分低功率設(shè)備的應(yīng)用上由于其真空電子管在大部分低功率設(shè)備的應(yīng)用上由于其顯著的性能，得到了迅速發(fā)展。顯著的性能，得到了迅速發(fā)展。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回l充氣閘流管充氣閘流管 l汞弧引燃管汞弧引燃管當(dāng)使能信號(hào)施加在第三個(gè)電極上時(shí)，氣體開(kāi)始放電，當(dāng)使能信號(hào)施加在第三個(gè)電極上時(shí)，氣體開(kāi)始放電，有單向電流和一個(gè)相對(duì)較低的電壓流過(guò)。有單向電流和一個(gè)相對(duì)較低的電壓流過(guò)。閘流管的柵極防止陽(yáng)極與陰極之間產(chǎn)生電弧，直到閘流管的柵極防止陽(yáng)極與陰極之間產(chǎn)生電弧，直到經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的循環(huán)時(shí)間。經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)定的循環(huán)時(shí)間。有一個(gè)電流脈沖流過(guò)第三個(gè)電極（點(diǎn)火器），在有一個(gè)電流脈沖流過(guò)第三個(gè)電極（點(diǎn)火器），在每次導(dǎo)

9、通開(kāi)始時(shí)，點(diǎn)燃液體汞中的陰極點(diǎn)。每次導(dǎo)通開(kāi)始時(shí)，點(diǎn)燃液體汞中的陰極點(diǎn)。相同點(diǎn)下 頁(yè)上 頁(yè)返 回電機(jī)放大器電機(jī)放大器 是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的有效組是電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的有效組合，外面沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸。合，外面沒(méi)有旋轉(zhuǎn)軸。l自飽和磁放大器自飽和磁放大器改變整流器前向?qū)ê头聪蚰K之間阻抗改變整流器前向?qū)ê头聪蚰K之間阻抗的狀態(tài)，調(diào)整了非線性變換對(duì)鐵心的影響的狀態(tài)，調(diào)整了非線性變換對(duì)鐵心的影響，用簡(jiǎn)單的電路配置實(shí)現(xiàn)高功率增益。，用簡(jiǎn)單的電路配置實(shí)現(xiàn)高功率增益。采用鎳鐵磁心材料和鎳鐵導(dǎo)磁合金，使干式氧化采用鎳鐵磁心材料和鎳鐵導(dǎo)磁合金，使干式氧化銅和硒整流器得到了發(fā)展和改進(jìn)。銅和硒整流器得到了發(fā)展和改進(jìn)。下 頁(yè)上

10、頁(yè)返 回汞弧汞弧的單的單向性向性汞弧汞弧整流器整流器steel-tank整流器整流器汞氣整流器汞氣整流器（閘流管）（閘流管）柵極可控柵極可控下 頁(yè)上 頁(yè)返 回半導(dǎo)體器半導(dǎo)體器件的發(fā)展件的發(fā)展變換器拓變換器拓樸結(jié)構(gòu)樸結(jié)構(gòu)PWMPWM技術(shù)技術(shù)分析及仿分析及仿真方法真方法控制和估控制和估算技術(shù)算技術(shù)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)處理處理集成芯片集成芯片硬件和軟硬件和軟件控制件控制電力電子電力電子進(jìn)步進(jìn)步下 頁(yè)上 頁(yè)返 回晶閘管（可硅晶閘管（可硅控整流器）控整流器）可控硅、門(mén)極可關(guān)可控硅、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（斷晶閘管（GTO）雙極功率晶雙極功率晶體管（體管（BPT雙極結(jié)型晶雙極結(jié)型晶體管（體管（BJT）電

11、力場(chǎng)效應(yīng)電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體管（MOSFET）絕緣柵雙極晶絕緣柵雙極晶體管（體管（IGBT）靜態(tài)感應(yīng)晶體靜態(tài)感應(yīng)晶體管（管（SIT）MOS控制晶控制晶閘管（閘管（MCT）集成門(mén)極換集成門(mén)極換流晶閘管流晶閘管（IGCT）現(xiàn)代固態(tài)現(xiàn)代固態(tài)電力電子電力電子學(xué)學(xué)下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 在低頻應(yīng)用當(dāng)中，在低頻應(yīng)用當(dāng)中，晶閘管晶閘管仍然是處理高功率所不可仍然是處理高功率所不可缺少的器件。缺少的器件。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回 IGBT開(kāi)關(guān)頻率比開(kāi)關(guān)頻率比BJT高很多，在正向偏置安全工高很多，在正向偏置安全工作區(qū)內(nèi)可以不需要緩沖器。作區(qū)內(nèi)可以不需要緩沖器。 IGBT模塊（模塊（IPM）應(yīng)）應(yīng)用在內(nèi)置門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。具有溝槽

12、柵技術(shù)的現(xiàn)代（第用在內(nèi)置門(mén)極驅(qū)動(dòng)器。具有溝槽柵技術(shù)的現(xiàn)代（第四代）四代）IGBT模塊比二極管的導(dǎo)通壓降稍高，具有較模塊比二極管的導(dǎo)通壓降稍高，具有較快的開(kāi)關(guān)速度?？斓拈_(kāi)關(guān)速度。 MCT開(kāi)關(guān)頻率比開(kāi)關(guān)頻率比IGBT模塊低許多，應(yīng)用到軟開(kāi)模塊低許多，應(yīng)用到軟開(kāi)關(guān)變流器中時(shí)，不受關(guān)變流器中時(shí)，不受RBSOA的限制。的限制。下 頁(yè)上 頁(yè)返 回IGCT比比GTO的導(dǎo)通壓降低，有較快的開(kāi)關(guān)速度，的導(dǎo)通壓降低，有較快的開(kāi)關(guān)速度，帶有旁路二極管的單片集成電路，不用緩沖器操作，帶有旁路二極管的單片集成電路，不用緩沖器操作，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。有擎住結(jié)構(gòu)，其中載流有擎住結(jié)構(gòu)，其中載流子從陽(yáng)極和陰極

13、注入。子從陽(yáng)極和陰極注入。相控晶閘管相控晶閘管快速晶閘管快速晶閘管GTOIGCT 普通晶閘管不能自行關(guān)斷普通晶閘管不能自行關(guān)斷下 頁(yè)上 頁(yè)返 回帶有集成過(guò)電壓保護(hù)，簡(jiǎn)化了門(mén)極控制，提高帶有集成過(guò)電壓保護(hù)，簡(jiǎn)化了門(mén)極控制，提高了晶閘管應(yīng)用在大功率、高電壓中的可靠性。了晶閘管應(yīng)用在大功率、高電壓中的可靠性。雙向控制晶閘管雙向控制晶閘管在一個(gè)晶片上的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管組成，兩在一個(gè)晶片上的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管組成，兩個(gè)門(mén)極相互獨(dú)立。保留了大功率變換器的鉗個(gè)門(mén)極相互獨(dú)立。保留了大功率變換器的鉗位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)。位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)。光控晶閘管光控晶閘管下 頁(yè)上 頁(yè)返 回在高壓、高溫、高頻以及低導(dǎo)通壓降場(chǎng)合應(yīng)用在高壓、高溫、高頻以及低導(dǎo)通壓降場(chǎng)合應(yīng)用功率范圍大功率范圍大擊穿場(chǎng)強(qiáng)高擊穿場(chǎng)強(qiáng)高導(dǎo)熱性高導(dǎo)熱性高飽和電子漂移速率高飽和電子漂移速率高對(duì)化學(xué)反應(yīng)或高對(duì)化學(xué)反應(yīng)或高氣壓呈高惰性氣壓呈高惰性輻射電阻高輻射電阻高 碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗，結(jié)溫上升碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開(kāi)關(guān)損耗，結(jié)溫上升到到600時(shí)也能運(yùn)行。時(shí)也能運(yùn)行。 肖特基和結(jié)勢(shì)壘肖特基（肖特基