1、電力電子技術(shù) Power Electronics,第一章 電力電子技術(shù)的發(fā)展,1.1 電力電子技術(shù)的含義,1.2 電力電子設(shè)備的特性,1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,1.4 電力電子技術(shù)的發(fā)展方向和前景,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電力電子技術(shù),根據(jù)電力電子器件的特性，采用一種有效的靜態(tài)變換和控制方法，將一種電能形式轉(zhuǎn)換為另一種電能形式的技術(shù)。,電氣和電子器件的有效使用 線性與非線性電路的理論分析 控制理論的應(yīng)用 成熟設(shè)計(jì)方法的使用,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,1.1 電力電子技術(shù)的含義,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電力電子技術(shù)的正確應(yīng)用,使用先進(jìn)的分析工具，研究其控制系統(tǒng)的性能

2、,指避免使用需要周期性維護(hù)或替換的旋轉(zhuǎn)器件。,高可靠性,不使用質(zhì)量不高、性能不穩(wěn)定，時(shí)限很短的器件。,高實(shí)用性,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),返回,電力電子類似于微電子學(xué)技術(shù)，都是基于硅材料應(yīng)用科學(xué)的一個(gè)分支，采用硅分子滲透技術(shù)。,電能量,交流電,直流電,電磁輻射,脈沖,激光束,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電力電子技術(shù)市場(chǎng)取決于它的成本、可靠性，以及電力應(yīng)用中新技術(shù)有效性。 電力電子成本的核心是功率器件的特性，特別是它的導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、和開關(guān)速度。 “電力電子集成”是電力電子技術(shù)發(fā)展的新階段。 電力電子技術(shù)代表了新型電能控制發(fā)展的基本趨勢(shì)和革命性的概念。,信息電子

3、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)。,電力電子技術(shù)使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。 電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級(jí)。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,補(bǔ)充：王兆安教材,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。, 電力電子技術(shù)的兩大分支,電力電子器件

4、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。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電力電子學(xué) (Power Electronics)名稱60年代 出現(xiàn)。 1974年，美國(guó)的W. Newell用圖1的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。,電力,電子學(xué),電子學(xué),電力學(xué),控制,理論,連續(xù)、離散,電路、器件,靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī),圖1 描述電力電子學(xué)的倒三角形, 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,都分為器件和應(yīng)用兩大分支。 器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術(shù)。 應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件也基本相同。 信息電子電路的器件可工

5、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一般只工作在開關(guān)狀態(tài)。 二者同根同源。,與電子學(xué)（信息電子學(xué)）的關(guān)系, 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,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(bǔ)償 電力機(jī)車牽引 交直流電力傳動(dòng) 電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源 國(guó)內(nèi)外均把電力電子技術(shù)歸為電氣工程的一個(gè)分支。 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。,與電力學(xué)（電氣工程）的關(guān)系, 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,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(qiáng)電的技術(shù)， 是弱電和強(qiáng)電

6、的接口； 控制理論是這種接口的有力紐帶。 電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和 重要支撐技術(shù)。,與控制理論（自動(dòng)化技術(shù)）的關(guān)系, 與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.2 電力電子設(shè)備的特性,電力電子設(shè)備,電力電子控制器 靜止功率變換器 功率調(diào)節(jié)器,目的,處理電氣意義上的功率,功能,控制交流或直流電源與一個(gè)或者多個(gè)需要此交流或直流電源的負(fù)載之間的功率的傳輸。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,交直流電流變換器,功率調(diào)節(jié)器,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,功率傳輸由接在變換器終端的電阻組成的一個(gè)或多個(gè)負(fù)載的需要決定。,下 頁(yè),上

7、 頁(yè),返 回,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,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。,表1 電力變換的種類,進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為 變流技術(shù)。,變流技術(shù),電力變換四大類 交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.AC /DC變換,把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓。,四大類電力電子功率變換設(shè)備,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,AC /DC變換,整流,把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓的裝置。,整流器,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,2.DC /AC變換,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,把直流電變換成頻率、電壓固定或可調(diào)的交流電 。,DC /A

8、C變換,逆變,有源逆變,無源逆變,交流輸出接電網(wǎng),交流輸出接負(fù)載,無源逆變裝置的輸出,恒頻電源 不間斷供電電源 變頻電源,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,用于各種變頻電源、中頻感應(yīng)加熱和交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速等場(chǎng)合。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,3.AC /AC變換,把固定或變化的交流頻率、電壓變換成可調(diào)或固定的交流頻率、電壓 。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,AC /AC變換,AC /AC變換電路,變頻器,周波變換器,用于交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4.DC /DC變換,把固定或變化的直流電壓變換成可調(diào)或恒定的直流電壓 。,DC /DC變

9、換,直流斬波,把交流電壓變換成固定或可調(diào)的直流電壓的變換器 。,斬波器,脈寬調(diào)制變換器,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,主要用于直流電壓變換、開關(guān)電源、電車、地鐵、礦車等電氣機(jī)車上所用的直流電動(dòng)機(jī)的牽引傳動(dòng)以及計(jì)算機(jī)、通信和各類儀器儀表的電源等。,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.3 電力電子技術(shù)的發(fā)展史,電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，與全球能源、環(huán)境等問題息息相關(guān)。能源消費(fèi)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)繁榮程度的標(biāo)準(zhǔn)。能源消耗帶來的環(huán)境污染和安全問題已成為社會(huì)的主要問題。 利用電力電子技術(shù)可以有效地節(jié)約能源。節(jié)約能源不僅帶來經(jīng)濟(jì)效益，也為減少環(huán)境污染帶來了利益。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,第一章電力電子

10、技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,內(nèi)燃機(jī),感應(yīng)電動(dòng)機(jī),直流電機(jī),第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,晶體管,晶閘管,集成電路,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,功率放大器,磁放大器,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,電力電子技術(shù)史前期,水銀整流器,閘流管,金屬封裝水銀整流器,電子管,硒整流器,電真空器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,晶體管引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命。 最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管，普通半導(dǎo)體整流器開始使用。 晶閘管使電力電子技術(shù)進(jìn)入了功率領(lǐng)域： 1）電

11、力變換能力有了大幅度的突破； 2）實(shí)現(xiàn)了弱點(diǎn)對(duì)強(qiáng)電變換電路的控制； 3）變流裝置由旋轉(zhuǎn)方式變?yōu)殪o止方式，效率提高、體積縮小、壽命延長(zhǎng)、噪聲消除、維護(hù)方便。,傳統(tǒng)電力電子技術(shù)階段第一代電力電子器件,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,半導(dǎo)體器件的發(fā)展,變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),PWM技術(shù),分析及仿真方法,控制和估算技術(shù),計(jì)算機(jī),數(shù)字信號(hào)處理,集成芯片,硬件和軟件控制,電力電子的發(fā)展,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,逆導(dǎo)晶閘管（RCT）,快速晶閘管（FST）,雙向晶閘管（TRIAC）,雙向晶閘管（TRIAC）,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,晶閘管派生器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,

12、必須用強(qiáng)迫換相電路關(guān)斷它，使得電路復(fù)雜、體積增大、重量增加、效率較低及可靠性下降； 器件的開關(guān)頻率難以提高，限制了它的應(yīng)用范圍； 相位運(yùn)行方式使電網(wǎng)及負(fù)載上產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波，不但電路功率因數(shù)降低，而且對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生“公害”。,晶閘管,通過對(duì)門極控制可使其導(dǎo)通，但不能使其關(guān)斷。, 晶閘管的特點(diǎn)和不足之處,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,門極可關(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（Power MOSFET）,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,自關(guān)斷全控型器件,第二代 自關(guān)斷全控型電力電子器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,自關(guān)斷全控型器件,通過對(duì)門極（基極、柵極）的控制

13、既可以使其開通，又可以使其關(guān)斷。,自關(guān)斷全控型器件的開關(guān)速度普遍高于晶閘管，可以用于開關(guān)頻率很高的電路。,第二代 自關(guān)斷全控型電力電子器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,大型達(dá)林頓雙極結(jié)型晶體管(BJT) 給電力電子學(xué)帶來很大發(fā)展。,電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）,代替了BJT,IGBT是半導(dǎo)體器件的發(fā)展史上是重要的里程碑。是第三代復(fù)合型場(chǎng)控半導(dǎo)體器件的代表。,第三代 復(fù)合型場(chǎng)控半導(dǎo)體電力電子器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,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）,開關(guān)頻率高 耐壓性高 電流容

14、量大,可以構(gòu)成大功率、高頻的電力電子電路。,IGBT開關(guān)頻率比BJT高很多，在正向偏置安全工作區(qū)內(nèi)可以不需要緩沖器。 IGBT模塊（IPM）應(yīng)用在內(nèi)置門極驅(qū)動(dòng)器。 具有溝槽柵技術(shù)的IGBT模塊比二極管的導(dǎo)通壓降稍高，具有較快的開關(guān)速度。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,MCT開關(guān)頻率比IGBT模塊低許多，應(yīng)用到軟開關(guān)變流器中時(shí)，不受RBSOA的限制。 集成門極換流晶閘管（IGCT）對(duì)普通GTO的結(jié)構(gòu)、門極驅(qū)動(dòng)、封裝、集成的反并聯(lián)二極管做出重大改進(jìn)，并且改變了關(guān)斷過程，極大地改善GTO的性能。 IGCT比GTO導(dǎo)通壓降低，開關(guān)速度快，帶有旁路二極管的單片集成電路，不用緩沖器操作

15、，容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。,第三代 復(fù)合型場(chǎng)控半導(dǎo)體電力電子器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,IGBT和IGCT改進(jìn)了變換電路的設(shè)計(jì)，在三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中廣泛采用。 PWM可控VCS（電壓源型變換器）降低線路中的諧波含量，提高功率因數(shù)。 以IGCT或IGBT做為開關(guān)器件的PWM型VSC，正在迅速取代普通GTO做為開關(guān)器件的VSC和電流源型變換器（CSC）。,第三代 復(fù)合型場(chǎng)控半導(dǎo)體電力電子器件,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,雙向控制晶閘管（bidirectional control thyristorBCT）極大地保留了大功率變換器的鉗位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)。 帶

16、有集成過電壓保護(hù)的光控晶閘管（Light triggered thyristor）極大地簡(jiǎn)化了門極控制，提高了晶閘管應(yīng)用在大功率、高電壓中的可靠性。,晶閘管的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,在高壓、高溫、高頻以及低導(dǎo)通壓降場(chǎng)合應(yīng)用,功率范圍大,擊穿場(chǎng)強(qiáng)高,導(dǎo)熱性高,飽和電子漂移速率高,對(duì)化學(xué)反應(yīng)或高氣壓呈高惰性,輻射電阻高,碳化硅,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體材料的改進(jìn),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開關(guān)損耗，結(jié)溫上升到600時(shí)也能運(yùn)行。 肖特基和結(jié)勢(shì)壘肖特基（JBS）二極管，阻斷電壓達(dá)到2000V。PIN二極管達(dá)到5kV。 碳化硅二極管可以大大減少二極管的關(guān)斷損耗和開通

17、損耗。 碳化硅晶片的密度是大功率器件的限制因素，利用碳化硅反向二極管對(duì)IGBT模塊的改進(jìn)，是一個(gè)重要研究課題。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體材料的改進(jìn),下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,全控化,集成化,高頻化,高效率化,變換器小型化,電源變換綠色化,改善和提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量,電力電子器件的容量和性能的優(yōu)化,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.4電力電子技術(shù)的發(fā)展方向和前景,新材料的研究和應(yīng)用，擴(kuò)大了器件的頻率、功率等級(jí)、使用溫度范圍，減少器件的體積和降低價(jià)格。 改進(jìn)器件和封裝形式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，以獲得更高的集成化和可靠性。 使用無需吸收電路而且關(guān)斷延時(shí)小的

18、集成門極換流晶閘管（IGCT），使得在大功率應(yīng)用場(chǎng)合的器件越來越容易。 多電平逆變器在大功率逆變器中的應(yīng)用。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,體積小、重量輕、損耗小的變流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制邏輯芯片的無速度傳感器控制的傳動(dòng)系統(tǒng)。 采用專家系統(tǒng)獲得優(yōu)化的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)容錯(cuò)控制。 自主學(xué)習(xí)與自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制器在傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。 改善動(dòng)力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，柔性交流輸電技術(shù)將得到越來越廣泛的運(yùn)用。,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,一般工業(yè)： 交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè) 交通運(yùn)輸： 電氣化鐵道、電動(dòng)汽車、航空、航海 電力系

19、統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償 電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動(dòng)力 家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調(diào) 其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,軋鋼機(jī),數(shù)控機(jī)床,冶金工業(yè),電解鋁,1）一般工業(yè),1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,2）交通運(yùn)輸,1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,3）電力系統(tǒng),SVC,高壓直流裝置HVDC,柔性交流輸電FACTS,1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,4）電子裝置用電源

20、,程控交換機(jī),電子裝置,微型計(jì)算機(jī),1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,5）家用電器,1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,第一章電力電子技術(shù)的發(fā)展,下 頁(yè),上 頁(yè),返 回,6）其他,大型計(jì)算機(jī)的UPS,航天技術(shù),新型能源,1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用,總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。 電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。 電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。,1.5 電力電子技術(shù)的應(yīng)用