电力电子学 绪论1

功率电子学PowerElectronics肖岚84892790，智能楼[e-mail]•上课时间：周一上午:10:10~12:00周三上午:8:00~12:00•PDF:[e-mail],20082008‡课程的重要性™电力电子技术：基础™功率电子学：理论分析™电源技术与应用：具体应用™变换器原理：专题™器件及应用Introduction‡教学参考书1）电力电子学—电力电子变换和控制技术：陈坚（华中）2）功率电子学，丁道宏（南航）3)FundamentalsofPowerElectronics,RobertW.EricksonDraganMaksimovic,UniversityofColorado4）电力电子学－变换器、应用和设计，（美）Mohan影印版（第3版）5）电力电子技术，王兆安（西交大）6）电力电子技术，丁道宏（南航）IntroductionJournalsandConferencesIEEETransactionsonIndustryApplicationsIEEETransactionsonPowerElectronicsPowerElectronicsSpecialistsConference(IEEEPESC)AppliedPowerElectronicsConference(IEEEAPEC)ConferenceofIndustrialElectronicsSociety(IEEEIECON)IEEEIndustryApplicationsSocietyAnnualMeeting(IEEEIAS)InternationalConferenceonElectricalMachinesandSystems(IEEEICEMS)InternationalPowerElectronicsandMotionControlConference‡教学参考书(IEEEIPEMC)Introduction•中国电机工程学报(*)•电工技术学报(*)•南京航空航天大学学报•电力电子技术•电源技术应用•电源世界•电源技术学报•全国电源年会IntroductionJournalsandConferences‡教学参考书‡课程的考核方法„不能旷课和迟到，迟到一次扣二分，旷课一次扣五分。„平时成绩、大作业占30%。不允许相互抄袭，相同者一起扣分。鼓励有个人见解。„期末考试占70%。Introduction‡内容安排：54学时™绪论™第一部分：功率场控器件™第二部分：网侧变流技术AC/DC；AC/AC™第三部分：DC/AC™第四部分：DC/DC™第五部分：高频电能变换技术（软开关功率变换技术）Introduction一、电力电子学二、电力电子器件三、电力电子电路四、控制技术五、电力电子系统六、电力电子技术的应用七、我国电力电子学的研究现状小结绪论•课程性质、内容•发展：器件、电路（功率拓扑、控制技术）•系统、应用一、电力电子学1定义2起源和发展3特点二、电力电子器件三、电力电子电路四、控制技术五、电力电子系统六、电力电子技术的应用七、我国电力电子学的研究现状小结绪论一、电力电子学1、定义•IEEEPE学会定义：InternationalElectricalElectronicEngineerSociety基础：有效地利用电力半导体器件、手段：应用电路和设计理论以及分析开发工具对象：实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。电力电子学包含下面三方面的内容1）电力电子学器件（基础）2）电力电子电路及装置（主体）zDC-DCzAC-DCzAC-ACzDC-AC3）电力电子电路的控制系统电能的高效能变换：电压、频率、电流、波形、相数„电力电子学是一门介于电气工程三大主要领域——电力、电子和控制之间的交叉学科。•电气工程：„电力技术（P）：应用电磁学的基本原理，处理发、输、配电及电力应用的技术•电气工程：介于电气工程三大主要领域—电力、电子和控制之间的交叉学科。„电子技术（E）：利用电子器件来处理电子电路中信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收„控制技术（C）：模拟，数字，自控理论电力装置它是一门应用于电力技术领域中的电子学2、起源和发展20年代：电力技术不涉及电子器件和电子技术原：发电机＋电动机现：发电机＋整流器＋逆变器＋电动机70年代：高速、全控型开关器件50年代：可控硅整流器SCR-SiliconControlledRectifier晶闸管(晶体闸流管）Thyristor30、40年代：电机组、汞弧整流器1）低导通压降、优良阻断能力及快速开关的电力半导体器件；2）性能大为改善的磁性、绝缘材料、储能元件；3）新型电力拓扑结构及控制方法；4）微机、超大规模集成电路技术的发展；5）应用领域日益广泛，国民经济效益显著。今天的电力电子技术具有全新面貌？超级电容铅蓄电池充放电速度快30s～15min5小时充放电循环次数106次（容量降20％）600次比功率W/kg103～104500节能利用电机制动能量回收效果差污染无,材料CH2SO43、特点电子技术：信息的检出、传送和处理、变换信息的准确性电力电子技术:功率的处理效率（能源损失、能源危机）例：白炽灯带电感式镇流器的荧光灯带电子镇流器的荧光灯突出优点：节能一、电力电子学二、电力电子器件三、电力电子电路四、控制技术五、电力电子系统六、电力电子技术的应用七、我国电力电子学的研究现状小结绪论4、举例二、电力电子器件1、电力半导体器件的发展2、参数3、分类双极型器件单极型器件(1)Thefirstgeneration:Diode,thyristor不控、半控(1957年)1、电力半导体器件的发展(2)Thesecondgeneration:全控GTO--Gateturn-offThyristorBJT--BipolarJunctionTransistor,orGTRMOSFET--PowerMetalOxideSemiconductorIGBT--InsulatedgatebipolartransistorMCT--Mos.controlledthyristor1975年：全控型器件GTO，GTR，MOSFET80年代：MOSFET（100KHZ），IGBT（10KHZ），MCT90年代：MOSFET（1MHZ），IGBT（100KHZ，1MVA），GTO（106MVA）(2)Thesecondgeneration:全控GTO--Gateturn-offBJT--BipolarJunctionTransistor,orGTRMOSFET--PowerMetalOxideSemiconductorIGBT--InsulatedgatebipolartransistorMCT--Mos.controlledthyristor1、电力半导体器件的发展(2)Thesecondgeneration:全控GTO--Gateturn-offBJT--BipolarJunctionTransistor,orGTRMOSFET--PowerMetalOxideSemiconductorIGBT--InsulatedgatebipolartransistorMCT--Mos.controlledthyristor基于功率集成技术：元胞并联高压大电流器件技术和微电子技术（制造工艺）相结合的结果（3）智能化功率器件HVIC：高压集成电路TopswitchSPIC：智能功率集成电路IPM(90年代)特点：降低体积和重量提高可靠性结构紧凑，减小线路电感，降低对缓冲、保护的要求发展难点：绝缘、温升散热器件发展情况若干阶段：不控，半控，电流全控，电压全控，功率集成。开关速度，功率不断提高。4、举例二、电力电子器件1、电力半导体器件的发展2、参数3、分类双极型器件单极型器件2、参数1）断态临界阻断电压2）通态临界导通电流3）导通压降和漏电流4）开关时间5）断态临界电压上升率6）通态临界电流上升率稳态参数瞬态参数4、举例二、电力电子器件1、电力半导体器件的发展2、参数3、分类双极型器件单极型器件3、分类1）控制性能：不控、半控、全控2）控制信号：场控，流控3）内部导电机理：双极型，单极型，混合型(1)PN(1)PN结整流器结整流器4、举例双极型PN混双单＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋·············多数载流子（多子）:自由电子少数载流子（少子）:空穴带正电的离子：磷原子本身失去电子而成为正离子。自由电子数远大于空穴数™N型半导体™P型半导体在硅（或锗）本征半导体中掺入微量三价元素硼，使空穴浓度大大增加的半导体－－－－－－－－－－－－多数载流子（多子）:空穴少数载流子（少子）:自由电子带负电的离子＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋··········－－－－－－－－－－－－PN·内电场方向空间电荷区扩散：交界面出现电子和空穴的浓度差,电子和空穴都要向浓度低的地方运动、复合。空间电荷区：使交界面附近只留下不能移动的正负电荷区域，也称耗尽层。正负电荷相互作用，形成一个电场，方向N区指向P区,由于这个电场不是外加电压形成的，故称为内电场。漂移：内电场作用下，多子扩散受阻，N区的少子空穴返回P区，P区少子电子返回N区，漂移与扩散运动方向相反，当扩散和漂移作用相互抵消时，便达到动态平衡。™不加电•削弱空间电荷区，形成电流•PN结处导通状态，导通时呈低阻•进入对方形成少数载流子外加电场与内电场方向相反，P区大量空穴一方面进入空间电荷区与负离子中和，另一方面越过交界面进入N区，同样N区大量电子也进入空间电荷区与正离子中和，有的也越过交界面进入P区，空间电荷区变窄，电阻率下降，多子形成较大正向电流。·电子在距耗净层一定长度后一面扩散，一面和空穴复合后消失．所以在扩散长度内存储一定的少子。正向电流越大，存储电荷越多．关断对应少子的存储时间．™外加正向电压反向电压：PN结处于截止状态，截止时呈高阻外、内电场方向一致，空间电荷区变宽，多子几乎无法通过PN结，只有少子在电场作用下作漂移运动通过PN结，构成很小的反向电流。Aμ这就是PN结的单向导电特性™外加反向电压·0IUUBR硅管的死区电压为0.7V，锗管约为0.3V，当正向电压超过死区电压后，内电场被大大削弱，正向电流增长很快，二极管处于正向导通状态。UI二极管加反向电压时，反向电流小，并且当反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关，故称为反向饱和电流当反向电压超过某一值时，反向电流会急剧增加，此时二极管失去单向导电性，这种现象称为击穿。二极管击穿后，一般不能恢复原来的性能，便失效了，与此对应的反向电压称为反向击穿电压。0IUUBR™pn结高频等效电路pn结正偏：R小，C大pn结反偏：R大，C小功率二极管开通时间很短，一般可以忽略不计，但二极管的关断过程较复杂，对电路的影响不能忽视。0tt1DSRDUURi=−™反向恢复时间t1tt2DDSRDRidtdiLUU−+−=t2tt3t3tt4DDSRDRidtdiLUU++−=电流反向，电压下降DDSRDSRdiUULRidtU=−−+−电流反向下降，电压超过电源电压t４tSRDUU−=RMISRUSMU24tttrr−=2334ttttSF−−=trr小，SF大反向恢复时间trr软化系数SF普通二极管：２～10μs快恢复二极管：几十～几百ns超快软恢复二极管：几～几十ns反向恢复时间trr的影响举例BUCK变换器(1)PN(1)PN结整流器结整流器UncontrolledRatings:6000V,6000APN混双单双极型器件：两种载流子参与导电，通态压降小。少子的存储时间，工作频率低★(2)(2)ThyristorThyristorControlledturn-on&uncontrolledturn-offP1N1P2N2A(anode)K(cathode)G(gate)J1J2J3ThyristorPN混双单SCR图1－1螺栓形