【正文】 緒 論 1. 什么是電力電子技術(shù) 2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 3. 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 4. 本課程的主要內(nèi)容 1. 什么是電力電子技術(shù) 概念 兩大分支 與其他學(xué)科的關(guān)系 概念 數(shù)字電子 技術(shù) 模擬電子 技術(shù) 電力電子 技術(shù) 信息電子 技術(shù) 電子技術(shù) 信息電子技術(shù)：信息處理 電力電子技術(shù)：電力變換 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，也就是使用電力電子器件，應(yīng)用電路理論、控制理論對電能進(jìn)行變換、控制的技術(shù)。包括電壓、電流、頻率、波形等方面的變換、控制。 直流 電力 交流 交流變交流 直流變直流（斬波） 直流變交流（逆變） 交流變直流（整流） 電力變換 兩大分支 電力電子技術(shù) 電力電子器件 制造技術(shù) 變流技術(shù) 變流 技術(shù) 電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路 { 對這些電路進(jìn)行控制的技術(shù) 變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)） —— 電力電子技術(shù)的核心 電力電子器件制造技術(shù) — 電力電子技術(shù)的基礎(chǔ) 相互支持、相互促進(jìn) 與其他學(xué)科的關(guān)系 電子學(xué) 電力學(xué) 控制理論 電力電子技術(shù) 圖 01描述電力電子學(xué)的倒三角形 邊緣學(xué)科 與電子學(xué)的關(guān)系 器件、電路 電力電 子器件制造技術(shù) 電子器件 制造技術(shù) 理論基礎(chǔ)、材料、制造工藝 分析方法、分析軟件 電子電路 電力電子 電路 電力電子電路 —— 電力變換 電子電路 —— 信息處理 信息電子電路器件 開關(guān)狀態(tài) 放大狀態(tài) 電力電子電路器件 開關(guān)狀態(tài) 功率損耗 電力電子技術(shù)廣泛用于電力工程 與電力學(xué)的關(guān)系 電力電子技術(shù) 高 壓 直 流 輸 電 靜 止 無 功 補(bǔ) 償 交 直 流 電 力 傳 動 電 解 電 鍍 電 加 熱 電 力 機(jī) 車 牽 引 電力工程 高性能交直流電源 與控制理論的關(guān)系 控制理論 電力電子技術(shù) 弱電和強(qiáng)電接口 弱電控制強(qiáng)電 實 現(xiàn) 紐 帶 2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 電力電子 器件的發(fā)展 電力變換 電路的發(fā)展 控制 技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì) 70年代 低壓小電流、高壓大電流晶閘管系列化 派生型晶閘管：雙向、逆倒、光控 半控型器件 1958 工業(yè)用晶閘管問世、電力電子技術(shù)誕生 80年代后期 以 IGBT為代表的復(fù)合型器件異軍突起 MOSFET與 GTR復(fù)合 驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快；通態(tài)壓降小、載流能力大；主導(dǎo)器件 電力電子器件的發(fā)展 20世紀(jì) 70年代后期 全控型器件迅速發(fā)展 GTO、 GTR、 MOSFET 可通可斷、開關(guān)速度高于晶閘管 全控型器件 全控復(fù)合型器件 功率集成模塊 把若干個電力電子器件及必要的輔助元件、電路模塊化，便于應(yīng)用。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧。盡管功率較小，重要發(fā)展方向。 20世紀(jì) 70年代以前，整流電路占有主導(dǎo)地位； 20世紀(jì) 80年代以后，逆變電路的應(yīng)用日益廣泛，但整流電路仍然占有重要地位。 原因？ 整流電路、逆變電路應(yīng)用最為廣泛。 常用：晶閘管相控整流電路，消耗無功功率、產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)。治理：補(bǔ)償無功功率、抑制諧波。有源電力濾波器 電力變換電路的發(fā)展 高功率因數(shù)整流電路，采用自關(guān)斷器件、 PWM控制。功率因數(shù)可以達(dá)到 1，基本不消耗無功功率、不產(chǎn)生諧波。 軟開關(guān)電路。降低電力電子器件的開關(guān)損耗、抑制電磁干擾。利用諧振原理，使電力電子器件在零電壓或零電流的條件下開通、關(guān)斷，理論上可將開關(guān)損耗降至零并抑制電磁干擾。 電力變換電路的發(fā)展 新型電力變換電路：諧振型逆變電路 性能更佳 晶閘管電路 相位控制方式；全控型器件 PWM控制方式；就異步電動機(jī)而言，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制；就控制理論而言，自適應(yīng)控制、模糊控制。 控制技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì) 80年代后期 高性能單片微機(jī)、數(shù)字信號處理器應(yīng)用于電力電子電路控制。模擬、數(shù)字控制 —— 微機(jī)控制 （ 1）一般工業(yè) 冶金工業(yè)中高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)備 （ 2） 交通運輸 DJ型交流電力傳動機(jī)車 磁懸浮列車 國內(nèi)外知名變頻器 西門子（ Siemens）公司 施奈德公司 富士公司 安圣（華為電氣）變頻器系列 ABB公司 （ 3）電力系統(tǒng) 晶閘管變流裝置 無功補(bǔ)償裝置 （ 4）電子裝置用電源 開關(guān)、 UPS電源 電子裝置用電源 （ 5）家用電器 交流變頻控制器的原理框圖 變頻空調(diào)控制器 直流變頻空調(diào)的電路原理圖 (6)其它 不間斷電源 YJ32雙繞組雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 水泵變頻、風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能 教材的內(nèi)容可分為三大部分 第一部分：電力電子器件 （第 1章 全書的基礎(chǔ) ) 第二部分：電力電子電路 （第 2~4章 全書的主體 ) 第三部分： PWM控制技術(shù) （第 5章） 第四部分：電力電子應(yīng)用（拓展） （第 6~9兩章） 第 1章 電力電子器件 電力電子器件概述 電力二極管 晶閘管 及其派生器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 功率場效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極性晶體管 其他新型電力電子器件 本章小結(jié) 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的基本類型 電力電子器件的 模塊化與集成化 電力電子器件的 應(yīng)用領(lǐng)域 電力電子器件的概念和特征 主電路（ Power Circuit） 在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路。 電力電子器件（ Power Electronic Device) 直接用于處理電能的主電路中，以開關(guān)方式實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 電力電子器件是功率半導(dǎo)體器件。 1）電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的 參數(shù)。其處理電功率的能力一般遠(yuǎn)大于處理信息的電 子器件。 2）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損 耗、提高效率，一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 3）電力電子器件在實際應(yīng)用中往往由信息電子電路來控 制。信息電子電路是電力電子器件的驅(qū)動電路。 4）電力電子器件盡管工作在開關(guān)狀態(tài)，但是自身的功率 損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為了保證不至于因 損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器 件封裝上考慮散熱設(shè)計，而且在其工作時一般都還需 要設(shè)計安裝散熱器。 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的基本類型 電力電子器件的模塊化與集成化 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域 電力電子器件的基本類型 半控型器件 全控型器件 通過控制信號可控制 其導(dǎo)通而 不 能 控制其關(guān)斷 ｛ 晶閘管 及其派生器件 關(guān) 斷 主 電 路 電 流 電 壓 通過控制信號即可控制 其導(dǎo)通又 能 控制其關(guān)斷 ｛ 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 自關(guān)斷器件 門極可關(guān)斷晶閘管 處理兆瓦級 大功率電能 不能 用 控制信號控制 其通斷， 不需要 驅(qū)動電路 電力二極管 不控型器件 主 電 路 ｛ 通 斷 電 流 電 壓 只有兩個端子 2. 按照驅(qū)動電路加在 電力電子 器件上驅(qū)動信號的性質(zhì) 電流驅(qū)動型 電壓驅(qū)動型 通 斷 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件 復(fù)合型器件 單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 電力電子器件的模塊化與集成化 電力電子器件 最初是單管結(jié)構(gòu)、分立器件 電力電子設(shè)備 電力電子器件及其散熱器、驅(qū)動、保護(hù)等電路 結(jié)構(gòu)松散、體積大、可靠性差、成本高 電力電子器件的模塊化與集成化 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、成本低 功率模塊 由若干功率開關(guān)器件與快速二極管組合而成 單片集成式模塊 功率器件、驅(qū)動、保護(hù)等電路集成于一個硅片 智能功率模塊 將具有驅(qū)動、自保護(hù)、自診斷功能的集成芯片 再度與電力電子器件集成 表 11 電力電子器件 類 型 名稱 中文名稱 英文名稱 分立 器件 不可控器件 電力二極管 Power Diode 半控型器件 晶閘管 (可控硅 ) Thyristor (SCR) 全 控 型 器 件 電流控制器件 電力晶體管 (雙極型晶體管 ) GTR (BJT) 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO 電壓控制器件 電力場效應(yīng)晶體管 Power MOSFET 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 場控晶閘管 MCT 靜電感應(yīng)晶體管 SIT 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH 集成模塊 功率模塊 Power Module 單片集成模塊 System on a Chip 智能功率模塊 IPM 以上各種類型器件的特點為： 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域 電力電子器件 應(yīng)用廣泛 電力電子器件允許的開關(guān)頻率與允許功率范圍及主要應(yīng)用領(lǐng)域 1 0 1 0 0 1 k 1 0 k 1 0 0 k 1 M1 0 01 k1 0 k1 0 0 k1 M1 0 M1 0 0 Mf / H zP / V A1 0 MGTO（機(jī)車、地鐵、SVG等）SCR（高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償?shù)雀邏侯I(lǐng)域）GTR（UPS、空調(diào)、冰箱等）I G B T （ 電 機(jī) 調(diào) 速 、 逆 變 器 、變 頻 器 等 中 等 功 率 范 圍 ）M O S F E T （ 開 關(guān) 電 源 、日 用 電 器 、 汽 車 電 子 等 ） 電力二極管 結(jié)構(gòu)和原理簡單工作可靠 現(xiàn)在仍大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備 電力二極管 （半導(dǎo)體整流管） 20世紀(jì) 50年代初獲得應(yīng)用 應(yīng)用 快恢復(fù)二極管 肖特基二極管 斬波、逆變 高頻低壓儀表、 開關(guān)電源 PN結(jié)的工作原理 電力二極管在本質(zhì)上是一個 PN節(jié)，只是加上電極引線、管殼封裝。 PN節(jié)的工作原理已經(jīng)在模擬電子技術(shù)課程中涉及，不再展開討論。 AKAKa )IKAP NJb )c )圖 12 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣 圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕撼惺苷螂妷簩?dǎo)通，承受反向電壓截止 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) PN結(jié)在正向電流很大時壓降仍然很低，維持在 1V左右，所以正向偏臵的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻狀態(tài) 。 PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) 微弱的反向電流 。 PN結(jié)反向擊穿 施加 PN結(jié)反 向電壓過大 反向電流 急劇增大 破壞 PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) 電力二極管 PN結(jié)的工作原理 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 電力二極管的主要參數(shù) 電力二極管的主要類型 AKAKa )IKAP NJb )c ) 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 UII FU FU TO0I FtrrtfI RPU RPt0 t1t2d i /d tRd i /d tFU RttiFU FP2Vt fr0U F(a) (b ) (c)圖 14 電力二極