第1章 电力电子技术

2020/1/211电力电子技术PowerElectronics四川大学电气信息学院TheSchoolofElectricandElectronicInformationSichuanUniversity赵莉华ZhaoLihuaEmail:[e-mail]2020/1/212Introduction2020/1/213Definition应用半导体器件对电能进行变换和控制的技术。Powerelectronicsistheelectronicsappliedtoconversionandcontrolofelectricpowerusingsemiconductordevice.whatispowerelectronics？2020/1/214•通过半导体器件把“粗电”加工成“精电”的技术；•弱电控制强电的技术，弱电和强电之间的接口；•电力电子技术所变换的“电力”范围：1瓦以下或数瓦到数百MW，甚至GW。whatispowerelectronics？2020/1/215RelationwithinformationelectronicsPowerelectronicsandinformationelectronics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2020/1/216Powerelectronicsandinformationelectronics信息电子技术——信息处理(toprocessinformation)电力电子技术——电力变换(toprocesselectricpower)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。电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件（powersemiconductordevice)。Relationwithinformationelectronics2020/1/217电力电子技术组成component电力电子元器件(device)：基础。电力电子变流技术：又叫变流电路或电力电conversion子应用技术，主体，包括用电力电子器件构成各种电力变换电路。控制技术：实现变流功能的弱电控制手段。controlwhatispowerelectronics？2020/1/218TwotypesofelectricpowerDC(directcurrent)AC(alternatingcurrent)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。进行电力变换的技术称为变流技术。Changeablepropertiesintwotypesofelectricpowerconversion。DC----magnitudeAC----frequency,magnitude,numberofphases变流技术conversion2020/1/219电力变换器的种类交流AC直流DC直流DC整流ACtoDCconverter(Rectifier)直流斩波DCtoDCconverter(Chopper)交流AC交流电力控制ACtoACconverterFixedfrequency:ACcontrollerVariablefrequency:Cycloconverterorfrequencyconverter逆变DCtoACconverter(Inverter)Classificationofpowerconverters输入input输出output2020/1/2110交流变直流AC-DC-----整流(Rectifier)直流电机驱动，可调直流电源，高压直流输电。直流变交流DC-AC-----逆变（Inverter）宇航电源，不停电电源，调频交流电机驱动，感应加热电源。交流变交流AC-AC调光器，交流电机驱动，电压调节器，VAR调节器，固态继电器。直流变直流DC-DC---斩波(Chopper)电动车，高性能可调电源，直流电机驱动。Classificationofpowerconverters2020/1/2111电力电子学：同电力电子技术含义一样，分别从学术和工程技术两个角度称呼。1974年，美国的W.Newell用下图的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。电力电子技术电子技术器件，电路连续，离散控制理论电力学静止器旋转电机描述电力电子技术的倒三角形Electronics:Devices,CircuitsPower:Static&rotatingpowerequipmentControl:Continuous,DiscretePowerEletronicsistheinterfacebetweenelectronicsandpower。2020/1/2112使用大功率电子器件对电能进行变换和控制。F—频率A—幅值m—相数变换器1F1A1m2F2A2m电力电子技术的研究范畴2020/1/2113RelationwithmultipledisciplinesPowerElectronicsSystems&ControltheoryCircuittheorySignalprocessingSimulation&ComputingElectronicsSolidstatephysicsElectromagneticsPowerSystemsEletricMachinesPowerelectronicsiscurrentlythemostactivedisciplineinelectricpowerengineering.2020/1/2114二者都有器件制造和电路部分；器件制造的基础都是半导体物理和微电子技术，工艺接近；理论基础均为电路理论；电子装置用于信号处理，其中功率放大环节和功率输出也可看作电力电子装置；在电力电子技术中器件工作在开关状态，信息电子技术中器件既可工作于放大状态也可工作于开关状态；电子技术对信息进行处理和变换，电力电子技术变换电力，处理能量。RelationwithElectronics2020/1/2115•控制理论广泛应用于电力装置和系统中；•电力电子技术是弱电控制强电的技术，控制理论是弱电控制强电的纽带；•电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。电力电子广泛应用于电气工程。RelationwithControltheoryRelationwithPower2020/1/2116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。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。地位和未来PositionandFuture2020/1/2117Electricpowerisusedinalmosteverypartandeverywhereofmodernhumansociety.Electricpoweristhemajorformofenergysourceusedinmodernhumansociety.Theobjectiveofpowerelectronicsisrightonhowtouseelectricpower,andhowtouseiteffectivelyandefficiently,andhowtoimprovethequalityandutilizationofelectricpower.Powerelectronicsandinformationelectronicsmaketwopolesofmoderntechnologyandhumansociety:informationelectronicsisthebrain,andpowerelectronicsisthemuscle.Positionandsignificanceinthehumansociety2020/1/2118器件、变流拓扑、控制技术是电力电子技术的三大支柱。晶闸管的出现导致了电力电子技术的诞生（1957年，美国通用公司）。全控型大功率器件是现代电力电子技术的基础（20世纪70年代后期）。电力电子技术的发展史－器件的发展史2020/1/2119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。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史－器件的发展史2020/1/2120近年来，通态电阻低且散热性好的碳化硅器件，迅速发展。其绝缘击穿场强为硅的5.3倍，高达3.2MV/cm,导热率是硅的3.3倍。碳化硅器件的漂移电阻几乎就等于器件的全部电阻，因而碳化硅器件的发热量极低。新材料SiC的采用器件的发展2020/1/2121由SiC制成的肖特基二极管及MOS场效应晶体管，与相同耐压的硅器件相比，漂移电阻区厚度薄一个数量级，杂质浓度为硅的2个数量级，碳化硅器件单位面积的阻抗仅为硅器件的1/100。用SiC制成的IGBT等功率器件，已可采用少子注入等工艺，使通态阻抗减为硅器件的1/10，加上SiC器件发热量小，因而导热性能极优。可在600℃的高温下正常工作。可利用体积微小的器件控制很大的电流。可以说，碳化硅器件为减少功率器件体积和降低电路损耗作出了重要贡献。器件的发展新材料SiC的采用2020/1/2122德国Infineon公司等已在市场上出售碳化硅肖特基势垒二极管，但价格还相对很高。世界不少大型半导体公司纷纷开发降低碳化硅器件沟道电阻并且降低整个器件功耗的技术。低功耗的碳化硅器件已从实验室进入实用器件生产阶段。目前碳化硅圆片价格还较高，缺陷也多。通过不断研究开发，预计碳化硅器件将主宰功率器件的市场。器件的发展新材料SiC的采用2020/1/2123耐压更高，导通电阻更低，开关速度更快的器件，现已商品化的有：•工作频率100MHZ，耐压300V，功率300W的MOSFET；•工作频率50KHZ，1200A/3500V的IGBT；•2200A/4500V和1800A/5500V的IGCT。器件的发展2020/1/21240100020003000400050006000MOSFETIGBTIGCT电流A电压V频率100MHz50KHz几KHz器件的发展情况示意图2020/1/2125•电子科大陈星弼院士发明的新结构耐压层功率器件，突破传统理论实现已获美国专利5.2耐VRn33.1耐VRn器件的发展－国内动态2020/1/2126•陈星弼院士另一已申请专利的高低压兼容技术可实现在同一芯片上同时集成高压的功率器件和低压的控制电路。器件的发展2020/1/2127以变换器的发展史为纲：整流器---逆变器---变频器。•整流器时代---20世纪60，70年代。工业用电是交流发电机提供，20%电能以直流形式消耗，如电解，牵引(电气机车，电传动内燃机，地铁机车，城市无轨电车等），直流传动（轧钢、造纸等）。大功率硅整流器把交流电转变为直流电，在上世纪6、70年代有很广泛的应用。电力电子技术的发展史History2020/1/2128以变换器的发展史为纲：整流器---逆变器---变频器。•逆变器时代---20世纪70，80年代。能源危机，交流电机变频调速节能，关键技术直-交变换；高压直流输电，静止式无功功率动态补偿等不仅可以实现整流，还可实现逆变，但工作频率主要在低频，GTO,GTR。电力电子技术的发展史History2020/1/2129以变换器的发展史为纲：整流器---逆变器---变频器。•变频器时代---80年代高频化,IGBT,POWERMOSFET；硬件结构模