第一章緒論第二章電力電子器件與應(yīng)用

電力電子器件概述電力二極管晶閘管及派生器件

門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTR

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管PowerMOSFET

絕緣柵雙極型晶體管IGBT

其他新型電力電子器件電力電子器件的保護(hù)電力電子器件的串并聯(lián)本課程主要內(nèi)容第三章交流-直流變換技術(shù)相控整流電路整流電路的諧波和功率因數(shù)大功率整流有源逆變第四章直流-直流變換技術(shù)非隔離型DC-DC變換電路隔離的DC-DC變換電路第五章直流-交流變換技術(shù)（逆變器）逆變電路概述電壓型逆變電路電流型逆變電路逆變電路的SPWM控制技術(shù)本課程主要內(nèi)容第六章交流-交流變換相控/斬波/整周波控制交流調(diào)壓電路交—交變頻電路矩陣變頻電路第七章軟開(kāi)關(guān)技術(shù)第八章電力電子裝置開(kāi)關(guān)電源不間斷電源靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置電力儲(chǔ)能系統(tǒng)電力電子器件的發(fā)熱與散熱電力電子技術(shù)在可再生能源中的應(yīng)第九章教學(xué)實(shí)驗(yàn)本課程主要內(nèi)容1.1電力電子技術(shù)的概念及特點(diǎn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.4本教材的內(nèi)容簡(jiǎn)介第一章緒論

電力電子技術(shù)：應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，它是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的一門(mén)學(xué)科。目前所用的電力電子器件采用半導(dǎo)體制成，故稱(chēng)電力半導(dǎo)體器件。

信息電子技術(shù)：主要用于信息處理

電力電子技術(shù)：主要用于電力變換。電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件為核心，伴隨變換技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。

電子技術(shù)信息電子技術(shù)模擬電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)

電力電子技術(shù)可以理解為功率強(qiáng)大，可供諸如電力系統(tǒng)那樣高電壓、大電流場(chǎng)合應(yīng)用的電子技術(shù)。考慮在大功率情況下，器件發(fā)熱、運(yùn)行效率的問(wèn)題。器件的運(yùn)行都采用開(kāi)關(guān)方式。這種開(kāi)關(guān)運(yùn)行方式就是電力電子器件運(yùn)行的特點(diǎn)。1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)

變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論。

電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理。1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)

電力——交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。

電力變換四大類(lèi)

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類(lèi)

進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱(chēng)為變流技術(shù)。逆變直流斬波直流(DC)交流電力控制變頻、變相整流交流(AC)交流(AC)直流(DC)

輸出輸入

變流技術(shù)

電力電子這一名詞是60年代出現(xiàn)的。電力電子學(xué)可以用圖1.1的倒三角來(lái)描述?？梢哉J(rèn)為電力電子學(xué)由電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三個(gè)學(xué)科交叉而形成的。這一觀點(diǎn)被全世界普遍接受。圖1.1描述電力電子技術(shù)的倒三角形1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系電力電子技術(shù)與電子學(xué)的關(guān)系

電子學(xué):電子器件+電子電路電力電子：電力電子器件+電力電子電路相同：從器件制造技術(shù)上講兩者同根同源，

電路的分析方法，不同：應(yīng)用目的不同，前者用于信息處理，后者用于電力變換。1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)電力電子學(xué)和電力學(xué)的關(guān)系

“電力學(xué)”就是“電工科學(xué)”或“電氣工程”。電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣工程中。因此，把電力電子技術(shù)歸于電氣工程學(xué)科，電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個(gè)分支。1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)電力電子學(xué)和控制理論的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)中，它使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能日益優(yōu)越和完善。

電力電子技術(shù)可以看作弱電控制強(qiáng)電的技術(shù)，是弱電和強(qiáng)電之間的接口。

控制理論則是實(shí)現(xiàn)這種接口的強(qiáng)有力的紐帶。1.1電力電子技術(shù)及特點(diǎn)電力電子技術(shù)的發(fā)展史如圖所示。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史電力電子技術(shù)的發(fā)展是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1876年：硒整流器

1904年：電子管，它能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線電，從而開(kāi)創(chuàng)了電子技術(shù)之先河。

1911年：水銀整流器，它把水銀封于管內(nèi)，利用對(duì)其蒸氣的點(diǎn)弧可對(duì)大電流進(jìn)行有效控制，其性能與晶閘管類(lèi)似。在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用時(shí)期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)。

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1953年：鍺功率二極管

1954年：硅二極管，普通的半導(dǎo)體整流器開(kāi)始使用。

1957年：晶閘管誕生，一方面由于其變換能力的突破，另一方面實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)以晶閘管為核心的強(qiáng)電變換電路的控制，使之很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，進(jìn)而使電力電子技術(shù)步入了功率領(lǐng)域。

變流裝置由旋轉(zhuǎn)方式變?yōu)殪o止方式，具有提高效率、縮小體積、減輕重量、延長(zhǎng)壽命、消除噪聲、便于維修等優(yōu)點(diǎn)。因此，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能，在工業(yè)上引起一場(chǎng)技術(shù)革命。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史

在以后的20年內(nèi)，晶閘管特性不斷提高，晶閘管形成了從低電壓小電流到高電壓大電流的系列產(chǎn)品。同時(shí)研制出一系列晶閘管的派生器件，如快速晶閘管FST、逆導(dǎo)晶閘管RCT、雙向晶閘管TRIAC、光控晶閘管LTT等器件。推動(dòng)了各種電力變換器在冶金、電化學(xué)、電力工業(yè)、交通、礦山等行業(yè)中的應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，形成了以晶閘管為核心的電力電子技術(shù)發(fā)展的第一階段，即傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史20世紀(jì)70年代后期：門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO

電力雙極型晶體管GTR

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管PowerMOSFET

……

優(yōu)點(diǎn)：全控型器件，可自關(guān)斷，開(kāi)關(guān)速度高，可以用于開(kāi)關(guān)頻率較高的電路。

第二代：自關(guān)斷全控型器件1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史80年代：絕緣柵雙極型晶體管IGBT為代表的第三代復(fù)合型場(chǎng)控半導(dǎo)體器件，另外還有靜電感應(yīng)式晶體管SIT，靜電感應(yīng)式晶閘管SITH，MOS晶閘管MCT等。這些器件有很高的開(kāi)關(guān)頻率，為幾十到幾百千赫茲，有更高的耐壓，電流容量大，可以構(gòu)成大功率、高頻的電力電子電路。80年代后期：電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢(shì)是模塊化、集成化、按照電力電子電路的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將多個(gè)相同的電力半導(dǎo)體器件或不同的電力半導(dǎo)體器件封裝在一個(gè)模塊中，這樣可以縮小器件體積、降低成本、提高可靠性。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史當(dāng)今：第四代電力電子器件---集成功率半導(dǎo)體器件PIC。它將電力電子器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路及保護(hù)電路集成在一塊芯片上，開(kāi)辟了電力電子器件智能化的方向，應(yīng)用前景廣闊。目前經(jīng)常使用的智能化功率模塊IPM，除了集成功率器件和驅(qū)動(dòng)電路以外，還集成了過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將監(jiān)測(cè)信號(hào)傳送至CPU，以保證IPM自身不受損害。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史

現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主要特點(diǎn)是：1．全控化自關(guān)斷器件實(shí)現(xiàn)了全控化，取消了傳統(tǒng)復(fù)雜換相電路，使電路大大簡(jiǎn)化。2．集成化所有的全控型器件都是由許多單元器件并聯(lián)在一起，集成在一個(gè)基片上。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史3．高頻化器件集成化，提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10KHz以下，IGBT工作在幾十KHz以上，功率MOSFET可達(dá)數(shù)百KHz以上。4．高效率化高效率體現(xiàn)在器件和變換技術(shù)兩個(gè)方面。電力電子器件的導(dǎo)通壓降不斷減少，降低了導(dǎo)通損耗。器件開(kāi)關(guān)的上升和下降過(guò)程加快，也降低了開(kāi)關(guān)損耗。變換器中采用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)使得運(yùn)行效率得到進(jìn)一步提高。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史5．變換器小型化器件的高頻化、多單元集成化，控制電路的高度集成化和微型化，使得主電路的體積、濾波電路和控制器的體積大大減小。6．電源變換綠色化電力電子技術(shù)中廣泛采用PWM、SPWM、消除特定次諧波和多重化技術(shù)，使得變換器的諧波大為降低，同時(shí)也使變換器的功率因數(shù)得到提高，進(jìn)而使得變換電源綠色化。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史7．改善和提高供電網(wǎng)的供電質(zhì)量

靜止無(wú)功發(fā)生器SVG，有源電力濾波器等新型電力電子裝置，具有優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償?shù)男阅?，因此大大提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。8．電力電子器件的容量和性能的優(yōu)化近年來(lái)，碳化硅SiC、金剛石等新材料用于電力電子器件，特別是金剛石器件與硅器件相比，功率可提高到106數(shù)量級(jí)，頻率提高50倍，導(dǎo)通壓降降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，最高結(jié)溫可達(dá)600℃。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用

電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍十分廣泛，國(guó)防軍事、工業(yè)、能源、交通運(yùn)輸、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)等乃至家用電器。1．一般工業(yè)軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用冶金工業(yè)電解鋁1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用2．交通運(yùn)輸1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用3．電力系統(tǒng)靜止無(wú)功發(fā)生器SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用4．電源大型計(jì)算機(jī)的UPS高頻逆變整流流焊機(jī)

1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用4．電源程控交換機(jī)電子裝置微型計(jì)算機(jī)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用5．照明電子鎮(zhèn)流器1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用6．新能源開(kāi)發(fā)和利用?新能源、可再生能源發(fā)電比如風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電，需要用電力電子技術(shù)來(lái)緩沖能量和改善電能質(zhì)量。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，更離不開(kāi)電力電子技術(shù)。?核聚變反應(yīng)堆在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源，這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電