电力电子技术1-4

电力电子技术(基础)PowerElectronics第一章：绪论1.什么是电力电子技术（电力电子学）2.电力电子技术的发展史3.电力电子技术应用4.课程简介和要求说明1.什么是电力电子技术1.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3与其他学科的关系1.4地位和未来1.5电能的基本变换形式1.1电力电子与信息电子电力电子技术——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。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。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。变流技术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（AC/DC）、直流变交流（DC/AC）、直流变直流（DC/DC）、交流变交流（AC/AC）表1电力变换的种类输出输入直流交流交流整流交流电力控制变频、变相直流直流斩波逆变进行电力变换的技术称为变流技术1.3与相关学科的关系电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散图1描述电力电子学的倒三角形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；与电子学（信息电子学）的关系都分为器件和应用两大分支器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同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二者同根同源与电力学（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1.4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1.5电能的基本变换形式•AC～DC整流•DC～DC斩波•DC～AC逆变•AC～AC交流调压•AC～AC交交变频1整流器3直流斩波器2逆变器4交流斩波器5直接变频器直流负载交流负载DCDCACAC交流电源直流电源ACDCDCAC恒定直流电压或可控直流电压恒频恒压交流电或变频变压交流电图2.2　电力变换类型第一章：绪论1.什么是电力电子技术（电力电子学）2.电力电子技术的发展史3.电力电子技术应用4.课程简介和要求说明2.电力电子技术的发展史史前期（黎明期）晶闸管问世，(公元元年)全控型器件迅速发展电子管问世水银（汞弧）整流器时代晶闸管时代IGBT出现功率集成器件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19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史（续）•现代电力电子技术与传统电力电子技术相比较，有如下特点：高频化（减小体积、重量、静音）模块化（器件、控制单元、系统）全控型（IGBT为主）控制技术数字化（DSP）绿色化（节能、减少污染）未来电力电子技术的发展方向（研究领域）•电力半导体器件的发展方向：大功率、高频、高效和智能模块化•电力电子成套装置的研究领域：直流电源的普遍开关化提高电源的稳定性和可靠性开关电源的电磁干扰抑制，实现电网绿色化提高变频电源的性能，扩大其容量和应用领域储能领域电力电子成套装置第一章：绪论1.什么是电力电子技术（电力电子学）2.电力电子技术的发展史3.电力电子技术应用4.课程简介和要求说明第一章：绪论1.什么是电力电子技术（电力电子学）2.电力电子技术的发展史3.电力电子技术应用4.课程简介和要求说明课程教学内容•第一章绪论（1学时）•第二章电力电子器件（7学时）•第三章相控整流电路（8学时）•第四章直流斩波电路（4学时）•第五章逆变电路（6学时）•第六章PWM控制技术（6学时）主要任务培养学生：•了解电力电子技术的发展动向和应用领域。•了解与熟悉常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数。•理解和掌握基本的电力电子电路的工作原理、电路结构、波形的原理、电气性能、分析方法和参数计算，并能进行初步的设计。•对电力电子电路具有一定的实验和调试能力。本课程与其他课程的联系•本课程的先修课程为：电路分析、模拟电子技术、数字电子技术。•想更加深入了解电力电子器件的半导体物理原理的学生可选修电力电子器件。•本课程为学习电传动控制基础、变频调速、电力电子装置及控制、高频电力电子技术等课程奠定了基础。电力电子技术应用实例1、在电力牵引及传动控制方面的应用主变流器辅助变流器空调电源照明电力电子技术应用实例（续）•交流传动电力机车主电路脉冲变流+无源逆变（GTO器件）AC4000电力电子技术应用实例（续）•交流传动内燃机车主电路三相全波整流+无源逆变（IGBT器件）东风4DJ电力电子技术应用实例（续）•电力机车空调电源单相整流+升压斩波+无源逆变（IGBT器件）电力电子技术应用实例（续）•地铁动车辅助电源无源逆变（IGBT器件）——广州地铁1号线电力电子技术应用实例（续）3、家用电器：调光灯具、高频荧光灯具；通风取暖设备；微波炉；空调；电冰箱；洗衣机等。电力电子技术应用实例（续）4、常规电源不停电电源；开关电源；微机及仪器仪表电源；航空电源；通信电源等。电力电子技术应用实例（续）5、其它方面的应用•专用电源：如电化学电源、微弧氧化电源、蓄电池充电放电、电子模拟负载、电解水电源、交流电子稳压电源、脉冲功率电源等；•新型能源的利用：如光电池，风力发电等；•节能：如利用变频器调节电动机转速•电动汽车和混合动力电动汽车EV/HEV•本学科的特点（总结）：强电、弱电、控制相结合跨学科或边缘学科实践性强功率范围大，从几瓦到数百兆瓦以上发展迅速、与现代新技术紧密结合广阔的应用前景2019/8/41-31第二章电力电子器件的原理与特性2019/8/41-32要求及重点•要求：了解电力电子器件的发展、分类与应用；理解和掌握功率二极管、SCR、GTO、MOSFET和IGBT等常用器件的工作原理、电气特性和主要参数。•重点：各种电力电子器件原理、性能上的不同点，各自应用的场合。2019/8/41-33本章内容2.1电力电子器件的发展、分类与应用2.2电力（功率）二极管2.3晶闸管（SCR）2.4可关断晶闸管（GTO）2.6电力场效应晶体管（电力MOSFET）2.7绝缘栅双极晶体管（IGBT）2.8其它新型场控器件2019/8/41-342.1电力电子器件的发展、分类与应用1、电力电子器件的概念电力电子器件的是指可直接用于处理电能的主电路，实现电能变换或控制的电子器件，通常专指电力半导体器件。和普通半导体器件一样，目前电力半导体器件所用的主要材料仍然是——硅。2019/8/41-352、电力电子器件的特征（与普通半导体器件相比）功率远大于信息电子器件，从mW~MW。电压和电流等级是其最重要的参数；工作在开关状态（相当于普通晶体管的饱和与截止状态），因而动态特性（开关特性）也是很重要的参数，有时甚至是最重要的参数；需要用驱动电路驱动；需要装散热器散热；2019/8/41-363、主要损耗通态损耗：导通时器件上有一定的通态压降。断态损耗：阻断时器件上有微小的断态漏电流流过。开关损耗开通损耗：在器件开通的转换过程中产生的损耗；关断损耗：在器件关断的转换过程中产生的损耗。•对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一。•通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因。•器件开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。2019/8/41-374、电力电子器件的发展概况第一代电力电子器件无关断能力的SCR（1957年美国GE公司发明）第二代电力电子器件有关断能力的GTO、GTR等第三代电力电子器件性能优异的复合型器件如（IGBT）和智能器件IPM(IntelligentPowerModule)等2019/8/41-385、分类按其开关控制性能分类：不控型器件：无控制极，器件的导通与关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏置导通、反偏置关断，如电力二极管(D)半控型器件：控制极（门极）只能控制管子导通而不能控制管子关断，器件的关断完全由其在主电路中承受的电压和电流决定，如晶闸管(SCR)及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）全控型器件：通过控制极（门极或基极或柵极）是否施加驱动信号既能控制管子导通又能控制管子关断，如GTO、GTR、IGBT、MOSFET及其它新型场控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等2019/8/41-39按器件内部载流子参与导电的种类分类：单极型器件：只有一种载流子参与导电，如MOSFET、SIT等双极型器件：有两种载流子参与导电，如二极管、晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。复合型器件：由MOSFET与晶体管、晶闸管复合而成，如IGBT、IPM、MCT等。2019/8/41-40按门极驱动信号的种类（电流、电压）分类：电流控制型器件如晶闸管、GTO、GTR、IGCT、SITH等电压控制型器件如MOSFET、IGBT、IPM、SIT、MCT等——电压控制型器件的驱动功率要远小于电流控制型器件，驱动电路也简单，而且工作频率高。2019/8/41-416、应用场合决定应用场合的基本因素：输出容量和工作频率SCRGTOGTRIGBT电力MOSEFTMOSEFT2019/8/41-42常用器件性能比较DSCRGTOIGBTMOSFET驱动信号无电流电流电压电压驱动功率—大大中小通态压降小小小中大开关速度慢/快慢较慢中快通过电流能力大大较大中小2019/8/41-43本章内容2.2电力（功率）二极管2019/8/41-442.2电力（功率）二极管一、工作原理（基本与普通二极管相同）PN结：正向导通反向截止二、外形AKAKa)IKAPNJb)c)2019/8/41-45•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。结电容影响PN结的工作频率。•电导调制效应：当PN结上流过的正向电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，即电导率大大增加。2019/8/41-46•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。2019