现代电力电子学

研究生学位课程《现代电力电子学》的学习提纲与要求一．本课程的目的与意义目前电力电子技术已成为国家经济领域中不可缺少的基础技术和重要手段，大至兆瓦级的高电压大电流的电气工程直流输电，小至家用的各种电器，无不渗透电力电子技术。国际上公认电力电子技术的诞生是以1957年第一个晶闸管问世为标志的。电力电子这一名称迟至60年代才出现1974年，美国W.E.Newell用右图的倒三角形对电力电子学进行了描述。认为电力电子学是电力学，电子学和控制理论三个学科交叉结合形成的一门新型学科，随着科学技术的发展电力电子技术又与控制理论、材料科学、图一描述电力电子学的倒三角电机工程、微电子技术、计算机技术等许多领域密切相关。目前，电力电子技术逐步发展成为一门多学科相互渗透的中和性学科。可以将电力电子技术定义为：以电力为对象，利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科，若认为微电子技术的信息处理技术，那么电力电子技术就是电力处理技术。电力电子学除涵括技术和应用外，还有电力电子技术和相关学科的理论问题。目前，许多高新技术均与电网的电流、电压、频率和相位等基本参数的转换与控制相关。现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理。特别是能够实现大功率电能的频率变换，为多项新技术的发展提供了有力的支持。因此，现代电力电子技术不仅本身是一项高新技术，而且是其它高新技术的发展基础，电力电子技术可应用到各工业、电力、交通、冶金、化工、电信、国防、家电等各个领域，电力静止转旋件器电路电子电力电子连续离散控制1尤其与微电子、计算机技术、现代控制理论相结合，其应用面越广，自动化水平，快速性和可靠性发展越来越快，技术水平越来越高，为现代生产和现代生活带来了深远的影响。简而言之，电力电子技术应包含电力电子器件，电力电子电路，电力电子装置及其系统三方面的内容，这三者有着密不可分的关系，随着器件的不断发展，电路和装置乃至系统，更容易发展。更加现代化。现代电力电子技术有如下特点：1）集成化，2）高频化，3）全控化，4）电路弱电化，5）控制技术数字化，6）多功能化。在本科学习阶段已对传统的电力电子技术有了基础性的学习，为了更好地掌握电力电子技术。并能灵活应用，本门课程的目的就要进一步加强基础，拓宽知识面，提高分析和解决问题的能力，更加系统、深入、全面地掌握电力电子技术的发展和应用。为其它学科的学习和今后的工作、开发、研究打造坚实的基础。二、电力电子技术的学科地位倒三角的电力电子学描述已被世界普遍接受，“电力电子学”和“电力电子技术”是分别从学术和技术两个不同的角度来称呼的，电力电子学包括理论和学科的内容。在电力电子技术属于电工学科还是属于电子学科这个问题上，我国学术界和教育界有不尽相同看法。1980年我国成立了中国电力电子学会，当时曾为“PowerElectronics”译为”功率电子学还是“电力电子学”而争论不休，后来定名为“电力电子学”。1981年中国电工技术学会成立后,电力电子学会成为电工技术学会所属的一个专业委员会，这意味着把电力电子技术隶属于电工学科。1997年修订研究生专业目录时，为了拓宽专业面将电力电子技术和电力传动自动化合并为“电力电子与电力传动”专业，同时也把电工学科更名为电气工程学科。如前所述，电力电子技术是由电力学、电子学和控制理论交叉而成，这三者成为电力电子技术的三根支柱。控制理论在电力电子装置及系统中有着广泛应用，这与控制理论在其它领域中应用并无本质差别。电力电子装置广泛地应用于电力系统和电气工程中，这就是电力学和电力电子技术的主要关系。在我国“电力学”这个术语已不太称呼，而是用“电工学科”或“电气工程”制造技术，另一个应用电力电子器件组2成电路装置及系统的技术。前者是电力电子技术的基础，后者是核心，是具体的应用。电力电子电路与电子电路的许多分析方法是一致的，共同基础是电路理论，只是应用有所不同，电力电子技术用于功率变换，电子技术用于休息处理，电力电子技术除应用与电气工程外还广泛用于电子装置中，例如电源、功率放大、输出等都可以看成是电力电子电路，因此也可以把电力电子技术看成是电子技术后的一个分支。电子技术可分为信息电子技术和电力电子技术两大分支，信息电子技术包含模拟电子技术和数字电子技术两部分，因此，电子技术是由模拟电子、数字电子、电力电子三个分支组成。电力电子技术是弱电与强电之间的结合，是弱电控制强电的技术。是一门实用性很强的学科直接在工业、交通、能源、信息、军事、管理、家庭等各个领域广泛应用。三、电力电子技术的发展与应用现状及前景（一）电力电子技术的发展历史电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展为基础的。电力电子技术的发展史，如图二所示。一般认为，电力电子技术的开始是以1957年第一个晶闸管的诞生为标志的。但在晶闸管出现之前，电力电子技术就已经用于电力变换了。因此，晶闸管出现前的时期称为电力电子技术的史前期。图二电力电子技术的发展史晶闸管问世，(“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31876年出现了硒整流器。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，从而开创了电子技术之先河。1911年出现了金属封装水银整流器，它把水银封于管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制，其性能与晶闸管类似。20世纪30~50年代，是水银整流器发展迅速并广泛应用时期。它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。20世纪50年代初，1953年出现了锗功率二极管；1954年出现了硅二极管，普通的半导体整流器开始使用；1957年诞生了晶闸管，一方面由于其变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组，进而使电力电子技术步入了功率领域。变流装置由旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此，其优越的电气性能和控制性能，在工业上引起一场技术革命。在以后的20年内，随着晶闸管特性不断提高，晶闸管已经形成了从低电压、小电流到高电压、大电流的系列产品。同时研制出一系列晶闸管的派生器件，如快速晶闸管（FST）、逆导晶闸管（RCT）、双向晶闸管（TRIAC）、光控晶闸管（LTT）等器件，大大地推动各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通及矿山等行业中的应用，促进了工业技术的进步，形成了以晶闸管为核心的第一代电力电子器件，也称为传统电力电子技术阶段。晶闸管通过对门极的控制可以使其导通，而不能使其关断，因此属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式。即使在电流、电压这2个方面，晶闸管系列器件仍然有一定的发展余地，但因下述原因阻碍了它们的继续发展：①由于它是半控器件，要想关断它必须用强迫换相电路，结果使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低以及可靠性下降；②由于器件的开关频率难以提高，一般低于400Hz，大大限制了它的应用范围；③由于相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对电网产生“公害”。随着工业生产的发展，迫切要求新的器件和变流技术出现，以便改进或取代传统的电力电子技术。20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）为代表的第二代自关断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）的控制既可以使其开通，又可以使其关断。另外，这些器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关频率较高的电路。4全控器件优越的特性使其逐渐取代了变流装置中的晶闸管，把电力电子技术推进到一个新的发展阶段。和晶闸管电路的相位控制方式想对应，采用全控型器件的电路主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。PWM控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的地位。它使电路的控制性能大大改善，使以前难以实现的功能得以实现，对电力电子技术的发展产生了深远的影响。20世纪80年代，出现了以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）为代表的第三队复合型场控半导体器件，另外还有静电感应式晶体管（SIT）、静电感应式晶闸管（SITH）、MOS晶闸管（MCT）等。这些器件不仅有很高的开关频率，一般为几十到几百千赫兹，而且有更高的耐压性，电流容量大，可以构成大功率、高频的电力电子电路。20世纪80年代后期，电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化，按照电力电子电路的各种拓扑结构，将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个模块中，这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。现在已经出现了第四代电力电子器件——集成功率半导体器件（PIC），它将电力电子器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，开辟了电力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。目前经常使用的智能化功率模块（IPM），除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流和过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身不受损害。（二）现代电力电子技术的主要特点①全控化全控化是由半控型普通晶闸管发展到各类自关断器件，是电力电子器件在功能上的重大突破。自关断器件实现了全控化，取消了传统电力电子器件的复杂换相电路，使电路大大简化。②集成化集成化与传统电力电子器件的分立方式完全不同，所有的全控型器件都是由许多单元器件并联在一起，集成在一个基片上。③高频化高频化是指随着器件集成化的实现，同时也提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10kHz频率以下，IGBT工作在几十千赫兹以上，功率MOSFET可达数百千5赫兹以上。④高效率化高效率化体现在器件和变换技术这2个方面，由于电力电子器件的导通压降不断减少，降低了导通损耗；器件开关的上升和下降过程加快，也降低了开关损耗；器件处于合理的运行状态，提高了运行效率；变换器中采用的软开关技术，使得运行效率得到进一步提高。⑤变换器小型化变换器小型化是指随着器件的高频化，控制电路的高度集成化和微型化，使得滤波电路和控制器的体积大大减小。电力电子器件的多单元集成化，减少了主电路的体积。控制器和功率半导体器件等，采用微型化的表面贴技术使得变换器的体积得到了进一步减少，功率为10kV·A，体积只有信用卡那样大。⑥电源变换绿色化电力电子技术中广泛采用PWM脉宽调制技术、SPWM正弦波脉宽调制和消除特定次谐波技术，采用多重化技术，使得变换器的谐波大为降低，同时也使变换器的功率因数得到提高，进而使得变换电源绿色化。⑦改善和提高供电网的供电质量近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器等新型电力电子装置，具有优越的无功功率和谐波补偿的性能，因此大大提高了电网的供电质量。表1电力电子器件现有发展水平器件名称国外研制水平国内研制水平普通整流管8kV/5kA(f=400Hz)6kV/3.5kA普通晶闸管(SCR)12kV/1kA,8kV/6kA5.5kV/3kA快速晶闸管2.5kV/1.6kA(Tq=8～50μs)2kV/1.5kA(Tq=30μs)光控晶闸管(LASCR)6kV/6kA,8kV/4kA4.5kV/2kA可关断晶闸管(GTO)9kV/2.5kA,6kV/6kA(f=1kHz)4.5kV/2.5kA集成门极换流晶闸管(IGCT)6kV/1.6kA无静电感应晶闸管(SITH)4kV/2.5kA(f=100kHz)1kV/150A电力晶体管(GTR)模块：1.8kV/1kA(f=2kHz)模块：1.2kV/400A功率MOSFET60A/200V(2MHz),500V/50A(100MHz)1kV/35A绝缘栅双极晶体管IGBT单管：4.5kV/1kA模块：3.5kV/1.2kA单管：1kV/50A6(UF=1.5～2.2V,f=50kHz)模块：1.2kV/200A电