电力电子技术(含绪论)-第1章电力电子器件

2020/1/191电力电子技术POWERELECTRONICS扬州职业大学电气与汽车工程学院**Tel：****Email:***22020/1/19绪论第1章晶闸管第2章可控整流电路第3章有源逆变电路第4章晶闸管触发电路第5章全控器件第6章无源逆变电路第7章交流变换电路第8章直流变换电路第9章软开关技术2020/1/193《电力电子技术》扬州职业大学**绪论32020/1/19123电力电子技术的定义电力电子技术的发展电力电子技术的应用2020/1/194《电力电子技术》扬州职业大学**2020/1/1941.电力电子技术的定义•电力电子技术是在电子、电力与控制技术基础上发展起来的一门新兴交叉学科,被国际电工委员会(IEC)命名为电力电子学(PowerElectronics)或称为电力电子技术•1955年美国通用电器公司(GeneralElectronicCompany)发明第一个大功率5A硅整流二极管(SiliconRectifier)，仅在两年后的1957年,GE公司又发明了全世界第一个晶闸管(Thyristor),俗称“可控硅”•大功率硅整流二极管以及晶闸管的发明标志着现代意义上电力电子技术的诞生52020/1/19图1.1电力电子技术的Newell定义1974年,第四届国际电力电子会议上美国学者W.Newell首次提出了电力电子技术的定义,并用图1.1所示的“倒三角”图形表示即：电力电子技术是由电子学、电力学及控制学组成的边缘学科62020/1/19随着电力电子技术的发展，电力电子技术发展初期的W.Newell定义已得到很多学者的认同美国电气和电子工程师协会(IEEE)的电力电子学会则将电力电子技术定义为：电力电子技术是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工具,实现对电能的有效变换和控制的技术,包括电压、电流、频率和波形等方面的变换72020/1/19图1.2电力电子技术的新定义1980年，为了使电力电子技术定义更加具体化，美国著名学者B.K.Bose教授对W.Newell的定义进行了拓展,提出了图1.2所示电力电子技术的新定义：82020/1/19◆可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。☞电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，前者则更一般些。☞电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。92020/1/19使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术（PowerElectronics)的定义从工程的对象和内容及手段几方面理解电力电子技术对象：能量中的电能内容：对电能的变换和控制手段：利用电力电子器件（半导体器件）102020/1/19电力（电能）变换的目的和作用电力系统的主体：固定频率50或60Hz的交流电作为主体。为什么采用三相交流电作为电力网的主体？使用电力时固定频率的交流电未必总是最佳选择：有利于大功率电能远距离传输直接驱动交流感应电动机（工业传动的主要形式）需要改变频率，如变频空调将交流电变成直流电，如微机电源电能变换举例：电车控制、利用自然能发电112020/1/19例1.1：电车（地铁等）用设置在车底下的变流装置控制来自架空线的直流电流，对电动机进行调速。(a)切换电阻方式直流电源M直流电动机直流电压控制tv(b)斩波电路方式直流电源M直流电动机直流电压控制tv（斩波电路）半导体开关(c)逆变电路方式直流电源M异步电动机交流频率控制tv频率变换电路（逆变电路）图1.1电车的调速方式122020/1/19风车交流发电机整流电路蓄电池频率变换电路负载工频电源图1.3风能发电能量流程太阳光太阳电池电压调节电路蓄电池频率变换电路负载工频电源图1.2太阳能发电能量流程例1.2：自然能发电（太阳能和风能）在采用自然能发电时，必须控制变化的发电功率。132020/1/19电能变换的种类直流交流交流直流输出输入开关型变换器电能输入电能输出控制输入电能变换的含义：在输入与输出之间，将电压、电流、频率（含直流）、相位、相数中的一项以上加以改变。电力变换四大类型问题：如何实现电能变换？逆变直流斩波交流电力控制变频、调功整流142020/1/19实际上，就其内容而言，电力电子技术主要完成各种电能形式的变换，以电能输入-输出形式的变换来分，主要包括以下四种基本变换：交流-直流（AC-DC）变换：一般称为整流，完成交流-直流变换的电力电子装置称为整流器（Rectifier）直流-交流（DC-AC）变换:一般称为逆变，这是与整流相反的变换形式，完成直流-交流变换的电力电子装置称为逆变器（Inverter）交流-交流（AC-AC）变换:主要有交流调压和交-交变频两种基本形式直流-直流（DC-DC）变换:主要完成直流电压幅值和极性的变换与调节，主要包括升压、降压和升-降压变换等152020/1/19变换类型1：AC-DC利用S1～S4的导通与关断的组合，可由交流形成直流。同时，控制开关导通的时间，可控制直流电压大小。电路结构负载电压波形S1S2S3S4负载ottS1S4S2S3S1S4162020/1/19变换类型2：DC-AC利用S1～S4的导通与关断的组合，将负载电压值控制在正负范围。同时，可控制负载上交流电压的频率。电路结构负载电压波形S1S2S3S4负载DCtS1S4S2S3S1S4S2S3S1S4172020/1/19变换类型3：AC-AC控制S1,S2开关导通的时间，可控制交流电压大小。电路结构负载电压波形负载S1S2tS1S2S1182020/1/19变换类型4：DC-DC利用S的导通和关断，控制负载上的直流电压。电路结构负载电压波形负载StDCS通S断S通S断S通平均电压将电能任意地、高效率地变换和控制，应采用开关型变换器。192020/1/19电能变换电路中理想开关应满足的条件：（1）开关处于关断状态时能承受高的端电压，并且漏泄电流为零（2）开关处于导通状态时能流过大电流，而且这时的端电压为零（3）导通、关断切换时所需开关时间为零（4）长期反复地开关也不损坏（寿命长）开关损耗为零电能变换电路中开关的选择：机械开关：很好满足条件（1）和（2），但不满足（3）和（4）半导体开关：较好满足（3）和（4），基本满足（1）和（2）202020/1/19t导通关断tS导通关断i0offi0ont0offttsv0onvt导通关断tS导通关断i0offiSI0ont0offttsvSE0onv理想开关半导体开关结论：使用功率半导体器件，即电力电子器件，作为电力变换电路中开关。212020/1/19变流技术（电力电子器件应用技术）是电力电子技术的核心。包括：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。电力电子器件制造技术是电力电子技术的基础。本课程的重点是变流技术。（1）研究内容包括两大分支：电力电子技术的特点222020/1/19电子技术信息电子技术电力电子技术应用于信息处理领域应用于电力变换领域模拟电子技术数字电子技术电力电子器件制造技术变流技术电路控制装置电力电子技术是应用在电力变换领域的电子技术。与电子技术的关系232020/1/19各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。上图用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。2020/1/1924《电力电子技术》扬州职业大学**2020/1/19242.电力电子技术的发展1、1904年出现了电子管。2、1947年美国贝尔实验室发明晶体管，引发了电子技术的一场革命。3、1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管。4、70年代出现电力晶体管、电力场效应管。5、80年代后期开始：绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表。6、90年代主要有：功率模块：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。252020/1/19〔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、周波变流的电路和理论已经成熟并广泛应用。晶闸管时代（1957～70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）：262020/1/19■电力电子技术的发展史◆一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。电力电子技术的发展史272020/1/19◆晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。☞1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。☞20世纪30年代到50年代，水银整流器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机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，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。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。282020/1/19◆晶闸管时代☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。292020/1/19◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC）☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。302020/1/19☞把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。312020/1/19电力电子学发展过程中的重要事件如下（最具代表性）:1803年整流器的发明1925年逆变器换流原理1965年用于高压直流输电应用的晶闸管1979年功率场效应管采用微处理器实现矢量控制的晶体管逆变器1987年双向PWMRECTIFER-INVERTER1993年模糊逻辑级神经元网络在电力电子学及电力传动上的应用2000年用3电平IGCT逆变器实现的45MVA动态电压补偿器DVR2020/1/1932《电力电子技术》扬州职业大学**2020/1/19323.电力电子技术的应用•交通运输电气机车电动汽车电瓶车缆车电梯电子装置用电源新能源电视机电冰箱计算机不间断电