現(xiàn)代電力電子器件

原理與應(yīng)用技術(shù)

李楠通信教研室第一章緒論

1、什么是電力電子技術(shù)2、電力電子器件的發(fā)展史3、電力電子技術(shù)的應(yīng)用信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)——使用電力半導體開關(guān)器件對電能進行高效率變換和控制的一門技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，又可稱為功率電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。粗電→精電1.1

電力電子與信息電子弱電強電變流技術(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其進行控制的技術(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)是半導體物理。1.2

兩大分支電力——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

AC/DC、DC/AC、DC/DC、AC/AC電力變換的種類進行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。逆變直流斬波DC變頻、變相整流ACACDC輸出輸入1.2

兩大分支變流技術(shù)1974年，美國的學者W.Newell用如圖的倒三角形對電力電子學進行了描述。電力電子器件電子學電力學控制理論連續(xù)、離散電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機描述電力電子學的倒三角形1.3與相關(guān)學科的關(guān)系實現(xiàn)電能變換粗電到精電是“弱電和強電的接口”電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強電”的技術(shù)

1957年，第一只晶閘管出現(xiàn)標志著電力電子技術(shù)的誕生。都分為器件和應(yīng)用兩大分支。器件的材料、工藝基本相同。信息電子電路的器件可工作在開關(guān)狀態(tài)，也可工作在放大狀態(tài)；電力電子電路的器件，為避免功率損耗過大,一般只工作在開關(guān)狀態(tài)。與電子學（信息電子學）的關(guān)系1.3與相關(guān)學科的關(guān)系電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程中高壓直流輸電靜止無功補償電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源電力電子技術(shù)是電氣工程學科中最為活躍的一個分支。與電力學（電氣工程）的關(guān)系1.3與相關(guān)學科的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)是弱電控制強電的技術(shù)，是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶。與控制理論（自動化技術(shù)）的關(guān)系1.3與相關(guān)學科的關(guān)系電力電子技術(shù)和運動控制一起，和計算機技術(shù)共同成為未來科學技術(shù)的兩大支柱。計算機人腦電力電子技術(shù)消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運動控制肌肉和四肢電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源。1.4

地位和未來電力電子技術(shù)：支撐科技全球電子市場電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為前提的。晶閘管問世，(“公元元年”)

IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生2、電力電子器件的發(fā)展史電力電子器件（powerelectronic

device）：用于處理電能的主電路中，實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：(1)電功率大

小至毫瓦級，大至兆瓦級,大多都遠大于處理信息的電子器件，即承受電壓和電流的能力大，是最重要的特征；(2)工作在開關(guān)狀態(tài)通態(tài)阻抗很小，接近于短路，管壓降接近于零，電流由外電路決定；斷態(tài)阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，兩端電壓由外電路決定；作電路分析時，為簡單起見往往用理想開關(guān)來代替。電力電子器件的概念和特征電力半導體器件使用特點

電力電子器件穩(wěn)態(tài)時工作在導通與截止兩種工作狀態(tài)。導通時，器件壓降很小，而截止時它的漏電流很小，器件近似于理想的開關(guān)但需要指出的是，電力半導體器件在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程時并不是瞬時完成的（所需時間稱開關(guān)時間），而是要經(jīng)過一個轉(zhuǎn)換過程（稱開關(guān)過程）簡單的BJT電路例如，圖1-1所示電路中，當工作在飽和導通狀態(tài)時管壓降，的管耗，截止的漏電流，即截止時的管耗。如果工作在線性放大狀態(tài)時，設(shè)，則的管耗。在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行(3)需要由信息電子電路來控制控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路電氣隔離控制電路：由應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成驅(qū)動電路：在主電路和控制電路之間，對控制電路的信號進行放大(4)散熱不致于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，而且在其工作時一般都要安裝散熱器。

電力電子器件工作時，會因功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫。器件溫度過高將縮短壽命，甚至燒毀，這是限制電力電子器件電流、電壓容量的主要原因。為此，必須考慮器件的冷卻問題。常用冷卻方式有自冷式、風冷式、液冷式(包括油冷式、水冷式)和蒸發(fā)冷卻式等。電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號所控制程度，分為三類：半控型器件絕緣柵雙極晶體管電力場效應(yīng)晶體管門極可關(guān)斷晶閘管不可控器件電力二極管通過控制信號既可控制其導通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管及其大部分派生器件全控型器件通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。從控制方式來分類

按照驅(qū)動電路加在器件控制端和公共端之間信號的性質(zhì)，從驅(qū)動方式分為兩類：

1)電流驅(qū)動型電力電子器件的分類2)電壓驅(qū)動型通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制

（又稱為場控器件，或場效應(yīng)器件）

按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分為三類：從導電機理分類

1)

單極型器件

2)

雙極型器件3)

復合型器件由一種載流子參與導電的器件由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件

電力電子器件的分類電力電子器件發(fā)展水平

整流管類，快速恢復二極管將有較大的發(fā)展在高壓直流輸電中，晶閘管（光控晶閘管）將有很好的發(fā)展機遇。在功率晶體管類中，以IGBT發(fā)展最為迅速

（1）大容量化。應(yīng)用先進的微電子制造工藝，使單個器件的電壓、電流容量大幅度的提高，滿足高電壓、大電流的使用需要。發(fā)展方向

（2）降低導通壓降。研制正向壓降比肖特基二極管更低的器件，以提高變流裝置的效率、節(jié)省電能。1、電力電子器件的發(fā)展。（4）功率集成化。充分應(yīng)用集成電路工藝和技術(shù)，將驅(qū)動、保護、檢測、自診斷等功能與電力電子器件集成于一塊芯片，將其做成功率集成電路（PIC），使功率與信息集成在一起，成為機電一體化的接口。電力電子技術(shù)的方向

（3）高頻化。頻率的提高不僅可提高系統(tǒng)的性能，而且還可大大減小裝置的體積與重量。

2、變流電路與控制電路的發(fā)展。傳統(tǒng)的電力電子技術(shù)以整流為主導、PID模擬控制為主。20世紀80年代以來，高頻全控器件出現(xiàn)，逆變、斬波電路應(yīng)用廣泛。而逆變、斬波電路都需要直流電源，因此，整流電路仍占重要地位。在逆變、斬波電路中，脈寬調(diào)制技術(shù)大量應(yīng)用，使變流裝置的功率因數(shù)