第4章 电力电子技术

第4章电力电子技术1、什么是电力电子技术将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命名为电力电子学（PowerElectronics）或称为电力电子技术。第一部分2、与其他学科之间的关系电力学电子学电力学控制理论电力电子技术与电子学的关系都分为器件与应用器件的材料、制造工艺应用的理论基础、分析方法、分析软件信息电子技术中器件工作在放大状态或开关状态.而电力电子技术中器件只工作在开关状态.电力电子学和电力学关系电力电子技术广泛用于电气工程与电力学的关系电力电子技术高压直流输电静止无功补偿交直流电力传动电解电镀电加热电力机车牵引电气工程高性能交直流电源与控制理论的关系控制理论电力电子技术弱电和强电接口弱电控制强电基础元件支撑技术实现电力电子装置是自动化的3、学科的组成电力电子技术电力电子器件制造技术变流技术变流技术电力电子器件构成各种电力变换电路{对这些电路进行控制的技术变流技术（电力电子器件应用技术）——电力电子技术的核心电力电子器件制造技术—电力电子技术的基础直流电力交流交流变交流直流变直流直流变交流交流变直流电力变换4、研究任务(1)电力电子器件的工作原理与应用(2)电力电子电路的电能变换原理(3)控制技术以及电力电子装置的开发与应用。转转转轧钢机数控机床冶金工业电解铝5.电力电子技术的应用（1）一般工业电化学工业中整流变压器冶金工业中高频感应加热电源设备电化学整流电源设计（2）交通运输电力电子技术在汽车42V直流总线下DJ型交流电力传动机车磁悬浮列车飞机部分国内外知名公司的变频器西门子（Siemens）公司施奈德公司富士公司安圣（华为电气）变频器系列ABB公司SVCHVDCFACTS（3）电力系统程控交换机电子装置微型计算机（4）电子装置用电源5）家用电器直流变频空调的电路原理图变频空调控制器交流变频控制器的原理框图(6)其它大型计算机的UPS航天技术新型能源总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、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电源，因此可以说，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，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。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。6、地位和未来(1)电力电子器件的发展半导体整流管（SR）晶闸管（SCR）及其派生器件功率晶体管（GTR）功率场效应管（MOSFET）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率集成电路（PIC）和智能功率模块（IPM）器件电力电子技术的依赖于电力电子器件的发展晶闸管问世，(公元元年)IGBT出现功率集成器件晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代全控型器件迅速发展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生器件理想开关一、基本模型：二、基本特性：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。器件电力二极管器件电力二极管实物图器件AGKGKA晶闸管器件常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构器件晶闸管是大功率器件,工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上,采用自然散热冷却方式,如图1.3.2(a)所示。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间,散热方式可以采用风冷或水冷,以获得较好的散热效果,如图1.3.2(b)、(c)所示。器件晶闸管的派生器件常规快速晶闸管高频晶闸管与普通晶闸管相比快速晶闸管关断时间为数十微秒高频晶闸管关断时间为10μs左右电压和电流定额不易做高应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中开关时间以及du/dt、di/dt的耐量都有了明显的改善快速晶闸管器件双向晶闸管•是一对反并联结的普通晶闸管的集成。•有两个主电极T1和T2，一个门极G。•门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。•不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。a)b)IOUIG=0GT1T2器件逆导晶闸管是将晶闸管反并连一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流b)a)UOIKGAIG=0器件光控晶闸管（光触发晶闸管）•是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。•小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子。•大功率光控晶闸管带有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器的光缆。•光触发保证主电路与控制电路之间的绝缘，避免电磁干扰的影响。器件常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块器件平板式器件螺旋式器件功能模块器件散热器器件门极可关断晶闸管GTO电力晶体管GTRC电力场效应晶体管MOS绝缘栅双极晶体管IGBTMOS控制晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT器件返回早期的电力场效应管采用水平结构(PMOS)，器件的源极S、栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧(与小功率MOS管相似)。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。20世纪70的代中期将LSIC垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了VMOS结构。大幅度提高了器件的电压阻断能力、载流能力和开关速度。20世纪80年代以来，采用二次扩散形成的P形区和N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度(1～2μm)，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为VDMOS。目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是N型器件的2～3倍。因此今后若无特别说明，均指N沟道增强型器件。结构发展知识背景器件TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00单相半波整流电路a)TabRLOb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR单相桥式整流电路器件AC/DC三相半波整流电路b)c)d)e)f)u2uaubuc=0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1tttttRidabcTudVT2VT1VT3器件AC/DC三相桥式整流电路bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1ud1ud2=30iaOtOtOtOtuduabuacuaubuct1uabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuabuacubcubaucaucbuabuacuVT1器件AC/DC双反星型整流电路upud1,ud2OO60°360°t1ttuaubucuc'ua'ub'ub'器件AC/DC多重化整流电路C▲LRBA1*▲▲**0°滞后30°3iAc1b1a11c2b2a2iab2ua2b2ua1b1ia1idudⅠⅡⅠⅡ0a)b)c)d)ia1Id180°360°ia2iab2'iAIdiab2tttt000Id2333Id33IdId323(1+)Id323(1+)Id33Id13器件AC/DC三相桥式整流电路同步环节锯齿波的形成移相环节脉冲形成与放大强触发双窄脉冲形成器件AC/DCusa1234567111091413128161512345671110914131281615KJ004KJ004-15V+15V12345671110914131281615KJ004RP6RP3(1~6脚为6路单脉冲输入)12345671110914131281615KJ041(15~10脚为6路双脉冲输出)至VT1usbuscupucoR19R13R20R14R21R15R9R3R6R18R8R2R5R17R7R1R4R16R10R11R12C7C4C1C8C5C2C9C6C3RP4RP1RP5RP2至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6完整的三相全控桥触发电路+15VUAUBUC放大环节g1g2g3g4g5g6直流偏压控制电压器件AC/DC单相触发三相触发器件AC/DCtOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio单相全桥逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3三相电压型逆变电路器件DC/AC三相电流型逆变电路M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6UVWNT1A1T2B1A21C1B21A22C21B22C22uUNuU2uU1UdIII三相电压型二重逆变电路器件DC/AC降压斩波电路EV+-MRLVDioEMuoiGEVRLVDCioi1iGuo+VDotb)ERLa)CVoti1i2uLuoILi1i2tontoffILIL+_升压斩波电路升降压斩波电路器件DC/DCCUK斩波电路SEPIC斩波电路ZETA斩波电路ERVDa)CVL1L2uo+VDa)Vi1L1C1uC1i2L2C2uo++RVDEVi1C1L1uoC2L2+器件DC/DC单相交流调压电路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOtRL图4-7u1i1uoV1V2VD1VD2V3V4VD4VD3斩控式交流调压电路器件AC/ACn负载acn'负载abca)b)负载abcc)负载bd)图4-9abcuaubuciaUa0'nuaubucianuaubucianuaubuciaVT1VT3VT4VT5VT6VT2三相交流调压电路器件AC/ACPuoZNuo0输出电压p=0平均输出电压2p2pωt输入输出a)b)图4-28abcuvwS11S12S13S21S22S23S31S32S33Sij单相交流变频电路矩阵式变频电路器件AC/AC返回采样控制理论中一个重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)PWM控制原理i(t)u(t)i(t)t0a)b)图6-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理”PWM控制原理OuωtSPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtPWM控制原理Ouωt若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。SPWM波Ouωt如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuωtOuωtPWM控制原理计算法和调治法异步调制和同步调制规则采样法PWM逆变电路的谐波分析提高直流电压利用率和减少开关次数PWM逆变电路多重化PWM控制原理电力电子装置开关电源有源功率因数校正不间断电源（UPS）静止无功补偿装置变频调速装置装置一、开关电源指起电压调整功能的器件始终工作在线性放大区的直流稳压电源。稳压电源：通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。简称