电力电子技术

电力电子技术PowerElectronics电子教案自动化学院“电力电子技术”课程组编写绪论一、教学目的与要求让学生了解电力电子技术的基本概念、发展史及其应用领域二、授课主要内容1．电力电子技术概念2．电力电子技术发展史3．应用领域、举例三、重点、难点及对学生的要求1．重点：电力电子的基本概念机器应用2．难点：电力电子技术的概念3．要求：掌握电力电子技术的基本概念了解电力电子技术的发展史熟悉电力电子技术的应用领域四、辅助教学情况多媒体课件、板书相结合五、复习思考题1．什么是电力电子技术？2．电力变换的种类六、教材：《电力电子技术》，王兆安、黄俊主编机械工业出版社，2005年1月第4版七、参考教材1.《电力电子技术》，张友汉主编，北京：高等教育出版社，20022.《电力电子技术》，王云亮主编，北京：电子工业出版社，2004.83.《电力电子技术基础》，应建平[等]编著，北京：机械工业出版社，20034.《电力电子技术手册》，(美)MuhammadH.Rashid主编；陈建业等译，北京：机械工业出版社，20045.《电力电子技术释疑与习题解析》，葛延津主编，沈阳：东北大学出版社，20036.Powerelectronics:converters,applications,anddesignN.Mohan,T.M.Undeland,W.P.Robbins，高等教育出版社八、主要外语词汇：powerelectronics;informationelectronics;rectifier;chopper;inverter;UninterruptiblePowerSupply;High-voltagedctransmission;Flexibleactransmission(FACTS)1.什么是电力电子技术（Whatispowerelectronics）1.1电力电子与信息电子技术(powerelectronicsandinformationelectronics)电子技术信息电子技术电力电子技术模拟电子技术数字电子技术信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换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。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mW级。1.2两大分支电力电子器件制造技术：电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。变流技术（电力电子器件应用技术）：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；是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。1．3变流技术的种类电力——交流和直流两种：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力变换四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流输入输出直流交流交流直流整流直流斩波交流电力控制变频、变相逆变表1电力变化的种类1.4与相关学科的关系电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现；1974年，美国的W.Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受；电子学电力学控制理论电力电子学电路,器件连续,离散静止器,旋转1）与电子学（信息电子学）的关系①都分为器件和应用两大分支②器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术③应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同④信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态电力电子电路的器件一般只工作在开关状态⑤二者同根同源2）与电力学（电气工程）的关系电力电子技术广泛用于电气工程中：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、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支3）与控制理论（自动化技术）的关系控制理论广泛用于电力电子系统中电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口控制理论是这种接口的有力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1.5地位和未来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。20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展2.电力电子技术的应用一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。3．发展史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4.教材的内容简介和使用说明4.1教材的内容简介教材的内容可分为三大部分第一部分：电力电子器件（第1章-----全书的基础)第二部分：各种电力电子电路（第2~5章和第8章-----全书的主体)第三部分：PWM技术和软开关技术（第6、7两章）4.2教材的使用说明每章的最后有小结，对全章的要点和重点进行总结。教材正文后附有“教学实验”部分，精选了5个最基本的，也有较高实用价值的实验。书末附有“术语索引”。课时分配：课内教学学时为48~56学时（包含实验，每个实验2学时）。和其他课程的关系：第一章电力电子器件一、教学目的与要求通过本章的学习使学生掌握各种电力电子器件的特性和使用方法。二、授课内容1、电力电子器件的概念、特点和特性。2、各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的一些问题。三、重点、难点及学生的要求1、重点1）晶闸管，GTO,GTR,P-MOSFET等电力电子器件的工作原理，基本特性及主要参数。2）电力电子器件的驱动及保护2、难点各类电力电子器件的基本特性。3、要求电路/电子技术基础电力电子技术运动控制系统1)掌握电力电子器件的型号命名法医及其参数和特性曲线的使用方法。2)掌握各类电力电子器件驱动电路的特点。3)熟悉各类保护电路的作用及原理。4)了解电力电子器件的串并联使用方法四、主要外语词汇PowerElectronicDeviceThyristorInsulated-GateBipolarTransistor–IGBTPowerMOSFETGate-Turn-offThyristor-GTOPowerDiodeSemiconductorRectifier-SRRectifierDiodeGiantTransistor-GTR五、辅助教学情况：板书与多媒体课件相结合六复习思考题：1-1，1-2，1-3，1-91.1电力电子器件的概念和特征电力电子电路的基础——电力电子器件概念:电力电子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件主电路（mainpowercircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路广义上分为两类:电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件)半导体器件(采用的主要材料仍然是硅)1.1.1应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：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控制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。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在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，也往往是非常必要的。1.1.2电力电子器件的分类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。2)全控型器件: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。3)不可控器件:不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。1．2不可控器件—电力二极管。PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.2.1PN结与电力二极管的工作原理控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷PN结的正向导通状态电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态PN结的单向导电性。二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。-。+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+·+-+-+-+-+-空间电荷区P型区N型区内电场AKAKa)IKAPNJb)c)PN结的反向击穿有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。1.2.2电力二极管的基本特性1.静态特性主要指其伏安特性IOIFUTOUFU电力二极管的基本特性开通过程：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。b)UFPuiiFuFtfrt02Va)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示1.2.3电力二极管的主要参数1.正向平均电流IF(AV)额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电