《電力電子技術》課件第1章

第一章緒論第二章電力電子器件與應用

電力電子器件概述電力二極管晶閘管及派生器件

門極可關斷晶閘管GTO電力晶體管GTR

電力場效應晶體管PowerMOSFET

絕緣柵雙極型晶體管IGBT

其他新型電力電子器件電力電子器件的保護電力電子器件的串并聯(lián)本課程主要內容第三章交流-直流變換技術相控整流電路整流電路的諧波和功率因數(shù)大功率整流有源逆變第四章直流-直流變換技術非隔離型DC-DC變換電路隔離的DC-DC變換電路第五章直流-交流變換技術（逆變器）逆變電路概述電壓型逆變電路電流型逆變電路逆變電路的SPWM控制技術本課程主要內容第六章交流-交流變換相控/斬波/整周波控制交流調壓電路交—交變頻電路矩陣變頻電路第七章軟開關技術第八章電力電子裝置開關電源不間斷電源靜止無功補償裝置電力儲能系統(tǒng)電力電子器件的發(fā)熱與散熱電力電子技術在可再生能源中的應第九章教學實驗本課程主要內容1.1電力電子技術的概念及特點1.2電力電子技術的發(fā)展歷史1.3電力電子技術的應用1.4本教材的內容簡介第一章緒論

電力電子技術：應用于電力領域的電子技術，它是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的一門學科。目前所用的電力電子器件采用半導體制成，故稱電力半導體器件。

信息電子技術：主要用于信息處理

電力電子技術：主要用于電力變換。電力電子技術的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨變換技術和控制技術的發(fā)展而發(fā)展的。

電子技術信息電子技術模擬電子技術數(shù)字電子技術電力電子技術1.1電力電子技術及特點

電力電子技術可以理解為功率強大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣高電壓、大電流場合應用的電子技術?？紤]在大功率情況下，器件發(fā)熱、運行效率的問題。器件的運行都采用開關方式。這種開關運行方式就是電力電子器件運行的特點。1.1電力電子技術及特點1.1電力電子技術及特點

變流技術（電力電子器件應用技術）用電力電子器件構成電力變換電路和對其進行控制的技術，以及構成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術。電力電子技術的核心，理論基礎是電路理論。

電力電子器件制造技術電力電子技術的基礎，理論基礎是半導體物理。1.1電力電子技術及特點

電力——交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。

電力變換四大類

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類

進行電力變換的技術稱為變流技術。逆變直流斬波直流(DC)交流電力控制變頻、變相整流交流(AC)交流(AC)直流(DC)

輸出輸入

變流技術

電力電子這一名詞是60年代出現(xiàn)的。電力電子學可以用圖1.1的倒三角來描述?？梢哉J為電力電子學由電力學、電子學和控制理論三個學科交叉而形成的。這一觀點被全世界普遍接受。圖1.1描述電力電子技術的倒三角形1.1電力電子技術及特點與相關學科的關系電力電子技術與電子學的關系

電子學:電子器件+電子電路電力電子：電力電子器件+電力電子電路相同：從器件制造技術上講兩者同根同源，

電路的分析方法，不同：應用目的不同，前者用于信息處理，后者用于電力變換。1.1電力電子技術及特點電力電子學和電力學的關系

“電力學”就是“電工科學”或“電氣工程”。電力電子技術廣泛應用于電氣工程中。因此，把電力電子技術歸于電氣工程學科，電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。1.1電力電子技術及特點電力電子學和控制理論的關系控制理論廣泛用于電力電子技術中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能日益優(yōu)越和完善。

電力電子技術可以看作弱電控制強電的技術，是弱電和強電之間的接口。

控制理論則是實現(xiàn)這種接口的強有力的紐帶。1.1電力電子技術及特點電力電子技術的發(fā)展史如圖所示。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史電力電子技術的發(fā)展是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1876年：硒整流器

1904年：電子管，它能在真空中對電子流進行控制，并應用于通信和無線電，從而開創(chuàng)了電子技術之先河。

1911年：水銀整流器，它把水銀封于管內，利用對其蒸氣的點弧可對大電流進行有效控制，其性能與晶閘管類似。在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并廣泛應用時期。它廣泛用于電化學工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機的傳動。

1.2電力電子技術的發(fā)展歷史1953年：鍺功率二極管

1954年：硅二極管，普通的半導體整流器開始使用。

1957年：晶閘管誕生，一方面由于其變換能力的突破，另一方面實現(xiàn)了弱電對以晶閘管為核心的強電變換電路的控制，使之很快取代了水銀整流器和旋轉變流機組，進而使電力電子技術步入了功率領域。

變流裝置由旋轉方式變?yōu)殪o止方式，具有提高效率、縮小體積、減輕重量、延長壽命、消除噪聲、便于維修等優(yōu)點。因此，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，在工業(yè)上引起一場技術革命。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史

在以后的20年內，晶閘管特性不斷提高，晶閘管形成了從低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品。同時研制出一系列晶閘管的派生器件，如快速晶閘管FST、逆導晶閘管RCT、雙向晶閘管TRIAC、光控晶閘管LTT等器件。推動了各種電力變換器在冶金、電化學、電力工業(yè)、交通、礦山等行業(yè)中的應用，促進了工業(yè)技術的進步，形成了以晶閘管為核心的電力電子技術發(fā)展的第一階段，即傳統(tǒng)電力電子技術階段。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史20世紀70年代后期：門極可關斷晶閘管GTO

電力雙極型晶體管GTR

電力場效應晶體管PowerMOSFET

……

優(yōu)點：全控型器件，可自關斷，開關速度高，可以用于開關頻率較高的電路。

第二代：自關斷全控型器件1.2電力電子技術的發(fā)展歷史80年代：絕緣柵雙極型晶體管IGBT為代表的第三代復合型場控半導體器件，另外還有靜電感應式晶體管SIT，靜電感應式晶閘管SITH，MOS晶閘管MCT等。這些器件有很高的開關頻率，為幾十到幾百千赫茲，有更高的耐壓，電流容量大，可以構成大功率、高頻的電力電子電路。80年代后期：電力半導體器件的發(fā)展趨勢是模塊化、集成化、按照電力電子電路的各種拓撲結構，將多個相同的電力半導體器件或不同的電力半導體器件封裝在一個模塊中，這樣可以縮小器件體積、降低成本、提高可靠性。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史當今：第四代電力電子器件---集成功率半導體器件PIC。它將電力電子器件與驅動電路、控制電路及保護電路集成在一塊芯片上，開辟了電力電子器件智能化的方向，應用前景廣闊。目前經(jīng)常使用的智能化功率模塊IPM，除了集成功率器件和驅動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障檢測電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身不受損害。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史

現(xiàn)代電力電子技術的主要特點是：1．全控化自關斷器件實現(xiàn)了全控化，取消了傳統(tǒng)復雜換相電路，使電路大大簡化。2．集成化所有的全控型器件都是由許多單元器件并聯(lián)在一起，集成在一個基片上。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史3．高頻化器件集成化，提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10KHz以下，IGBT工作在幾十KHz以上，功率MOSFET可達數(shù)百KHz以上。4．高效率化高效率體現(xiàn)在器件和變換技術兩個方面。電力電子器件的導通壓降不斷減少，降低了導通損耗。器件開關的上升和下降過程加快，也降低了開關損耗。變換器中采用的軟開關技術使得運行效率得到進一步提高。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史5．變換器小型化器件的高頻化、多單元集成化，控制電路的高度集成化和微型化，使得主電路的體積、濾波電路和控制器的體積大大減小。6．電源變換綠色化電力電子技術中廣泛采用PWM、SPWM、消除特定次諧波和多重化技術，使得變換器的諧波大為降低，同時也使變換器的功率因數(shù)得到提高，進而使得變換電源綠色化。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史7．改善和提高供電網(wǎng)的供電質量

靜止無功發(fā)生器SVG，有源電力濾波器等新型電力電子裝置，具有優(yōu)越的無功功率和諧波補償?shù)男阅?，因此大大提高了電網(wǎng)的供電質量。8．電力電子器件的容量和性能的優(yōu)化近年來，碳化硅SiC、金剛石等新材料用于電力電子器件，特別是金剛石器件與硅器件相比，功率可提高到106數(shù)量級，頻率提高50倍，導通壓降降低一個數(shù)量級，最高結溫可達600℃。1.2電力電子技術的發(fā)展歷史1.3電力電子技術的應用

電力電子技術應用范圍十分廣泛，國防軍事、工業(yè)、能源、交通運輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等乃至家用電器。1．一般工業(yè)軋鋼機數(shù)控機床1.3電力電子技術的應用冶金工業(yè)電解鋁1.3電力電子技術的應用2．交通運輸1.3電力電子技術的應用3．電力系統(tǒng)靜止無功發(fā)生器SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS1.3電力電子技術的應用4．電源大型計算機的UPS高頻逆變整流流焊機

1.3電力電子技術的應用4．電源程控交換機電子裝置微型計算機1.3電力電子技術的應用5．照明電子鎮(zhèn)流器1.3電力電子技術的應用6．新能源開發(fā)和利用?新能源、可再生能源發(fā)電比如風力發(fā)電、太陽能發(fā)電，需要用電力電子技術來緩沖能量和改善電能質量。當需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時，更離不開電力電子技術。?核聚變反應堆在產(chǎn)生強大磁場和注入能量時，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W實驗或某些特殊場合，常常需要一些特種電