第4章电力电子技术.ppt

1、第4章 电力电子技术1、什么是电力电子技术、什么是电力电子技术l l 将电子技术和控制技术引入传统的电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（委员会命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。或称为电力电子技术。第一部分2、与其他学科之间的关系、与其他学科之间的关系电力学电力学电力学电力学l l电电电电子子子子学学学学l l电电电电力力

2、力力学学学学l l控制控制控制控制理论理论理论理论l l电力电电力电电力电电力电子技术子技术子技术子技术 与电子学的关系与电子学的关系都分为器件与应用都分为器件与应用器件的材料、制造工艺器件的材料、制造工艺应用的理论基础、应用的理论基础、分析方法、分析软件分析方法、分析软件信息电子技术中器件工作在放大状态或信息电子技术中器件工作在放大状态或开关状态开关状态.而电力电子技术中器件只工而电力电子技术中器件只工作在开关状态作在开关状态.电力电子学和电力学关系电力电子学和电力学关系电力电子学和电力学关系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电力电子技术广泛用于电气工程电力电子技术广泛用于电

3、气工程电力电子技术广泛用于电气工程与电力学的关系与电力学的关系电力电子技术电力电子技术高高压压直直流流输输电电静静止止无无功功补补偿偿交交直直流流电电力力传传动动电电解解电电镀镀电电加加热热电电力力机机车车牵牵引引电气工程电气工程分支分支高高性性能能交交直直流流电电源源与控制理论的关系与控制理论的关系控制理论控制理论电力电子技术电力电子技术弱电和强电接口弱电和强电接口弱电控制强电弱电控制强电基础基础元件元件支撑支撑技术技术实实现现广泛用于广泛用于电力电子装置电力电子装置是自动化的是自动化的3、学科的组成学科的组成电力电子技术电力电子技术电力电子器件电力电子器件制造技术制造技术变流技术变流技术变

4、流变流技术技术电力电子器件构成电力电子器件构成电力电子器件构成电力电子器件构成各种电力变换电路各种电力变换电路各种电力变换电路各种电力变换电路 对这些电路进行对这些电路进行对这些电路进行对这些电路进行控制的技术控制的技术控制的技术控制的技术变流技术变流技术（电力电子器件应（电力电子器件应用技术）用技术）电力电子技电力电子技术的核心术的核心电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础电力电子技术的基础直流直流电力电力交流交流交流变交流交流变交流直流变直流直流变直流直流变交流直流变交流交流变直流交流变直流电力变换电力变换4、研究任务、研究任务 (1)(1)电力电子器件的工作原理与应

5、用电力电子器件的工作原理与应用 (2)(2)电力电子电路的电能变换原理电力电子电路的电能变换原理 (3)(3)控控制制技技术术以以及及电电力力电电子子装装置置的的开开发发与应用。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电力电子技术的应用（1 1 1 1）一般工业）一般工业）一般工业）一般工业电化学工业中整流变压器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冶金工业中高频感应加热电源设备电化学整流电源设计电化学整流电源设计（2）交通运输电力电子技术在汽车电力电子技术在汽车42V直流总线下直流总线下DJ型交流电力传动机车型交流电力传动机车磁悬浮列车磁悬浮列车飞机飞机

6、部分国内外知名公司的变频器 西门子（西门子（Siemens）公司）公司施奈德公司施奈德公司 富士公司富士公司 安圣（华为电气）变频器系列安圣（华为电气）变频器系列ABB公司公司SVCSVCHVDCFACTS（3）电力系统程控交换机电子装置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直流变频空调的电路原理图 变频空调控制器变频空调控制器交流变频控制器的原理框图交流变频控制器的原理框图 (6)(6)其它其它大型计算机的UPS航天技术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

7、发展。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此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术电源技术电源技术电源技术。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，因此它也被称为是明电源等方面，因此它也被称为是节能技术节能技术节能技术节能技术。电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成

8、为未来科学技术的为未来科学技术的两大支柱两大支柱。计算机计算机 人脑人脑 电力电子技术电力电子技术 消化系统和循环系统消化系统和循环系统 电力电子运动控制电力电子运动控制 肌肉和四肢肌肉和四肢电力电子技术是电力电子技术是电能变换技术电能变换技术,是把是把粗电粗电变为变为精电精电的技术，的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，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。因此，电力电子技术将青春永驻。一门崭新的技术，一门崭新的技术，2121世纪仍将以迅猛的速度发展。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电力电子器件的发展l l

9、 半导体整流管（半导体整流管（半导体整流管（半导体整流管（SRSRSRSR）l l 晶闸管（晶闸管（晶闸管（晶闸管（SCRSCRSCRSCR）及其派生器件及其派生器件及其派生器件及其派生器件 功率晶体管（功率晶体管（功率晶体管（功率晶体管（GTRGTR）功率场效应管（功率场效应管（功率场效应管（功率场效应管（MOSFETMOSFET）绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）功率集成电路（功率集成电路（功率集成电路（功率集成电路（PICPIC）和智能功率模块（和智能功率模块（和智能功率模块（和智能功率模块（IPMIPM）器件电力电子技术的

10、依赖于电力电子器件的发展电力电子技术的依赖于电力电子器件的发展电力电子技术的依赖于电力电子器件的发展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）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生器件理想开关理想开关一、基本模型：一、基本模型：二、基本特性：二、基本特性：（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电电力力电电子子器器件件的的开开关关状状态态由由外外电电路路（驱驱动动电路）来控制。电路）来控制。（3）

11、在在工工作作中中器器件件的的功功率率损损耗耗（通通态态、断断态态、开开关关损损耗耗）很很大大。为为保保证证不不至至因因损损耗耗散散发发的的热热量量导导致致器器件件温温度度过过高高而而损损坏坏，在在其其工工作作时时一般都要安装散热器。一般都要安装散热器。器件 电力二极管电力二极管器件电力二极管实物图器件AGKGKA晶闸管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晶晶晶闸闸闸闸管管管管是是是是大大大大功功功功率率率率器器器器件件件件,工工工工作作作作时时时时产产产产生生生生大大大大量量量量的的的的热热热热，因因因因此此此此必必必必须须须须安安安安装装装装散热器。散

12、热器。散热器。散热器。螺螺螺螺旋旋旋旋式式式式晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管紧紧紧紧栓栓栓栓在在在在铝铝铝铝制制制制散散散散热热热热器器器器上上上上,采采采采用用用用自自自自然然然然散散散散热热热热冷冷冷冷却却却却方方方方式式式式,如图如图如图如图1.3.2(a)1.3.2(a)所示。所示。所示。所示。平平平平板板板板式式式式晶晶晶晶闸闸闸闸管管管管由由由由两两两两个个个个彼彼彼彼此此此此绝绝绝绝缘缘缘缘的的的的散散散散热热热热器器器器紧紧紧紧夹夹夹夹在在在在中中中中间间间间,散散散散热热热热方方方方式式式式可可可可以以以以采采采采用用用用风风风风冷冷冷冷或或或或水水水水冷冷冷冷,以以以以获获获获得

13、得得得较较较较好好好好的的的的散散散散热热热热效效效效果果果果,如如如如图图图图1.3.2(b)1.3.2(b)、(c)(c)所所所所示。示。示。示。器件晶闸管的派生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10s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快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管器件双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管 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

14、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。器件逆导晶闸管逆导晶闸管逆导晶闸管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器件 光控晶闸管光控晶闸管光控晶闸管光控晶闸管（光触发晶闸管）（光触发晶闸管）（光触发晶闸管）（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

15、磁干扰的影响。器件常用的常用的常用的常用的典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块器件平板式平板式器件螺旋式螺旋式器件功能模块功能模块器件散热器散热器器件门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO电力晶体管电力晶体管GTRC电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOS绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTMOS控制晶闸管控制晶闸管MCT静电感应晶体管静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管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早期的电力场效应管采用水平结构早期的电力场效应管采用水平结构早期的电

16、力场效应管采用水平结构(PMOS)(PMOS)(PMOS)(PMOS)，器件的源极器件的源极器件的源极器件的源极S S S S、栅极栅极栅极栅极G G G G和漏极和漏极和漏极和漏极D D D D均被置于硅片的一侧均被置于硅片的一侧均被置于硅片的一侧均被置于硅片的一侧(与小功率与小功率与小功率与小功率MOSMOSMOSMOS管管管管相似相似相似相似)。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。等缺点。等缺点。等缺点。20202020世纪世纪世纪世纪70707070

17、的代中期将的代中期将的代中期将的代中期将LSICLSICLSICLSIC垂直导电结构应用到电力场效垂直导电结构应用到电力场效垂直导电结构应用到电力场效垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了应管的制作中，出现了应管的制作中，出现了应管的制作中，出现了VMOSVMOSVMOSVMOS结构。大幅度提高了器件的结构。大幅度提高了器件的结构。大幅度提高了器件的结构。大幅度提高了器件的电压阻断能力、载流能力和开关速度。电压阻断能力、载流能力和开关速度。电压阻断能力、载流能力和开关速度。电压阻断能力、载流能力和开关速度。20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代以来，采用二次扩散形成的年代

18、以来，采用二次扩散形成的年代以来，采用二次扩散形成的年代以来，采用二次扩散形成的P P P P形区和形区和形区和形区和N N N N+型型型型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度(1(1(1(12m)2m)2m)2m)，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为为为为VDMOSVDMOSVDMOSVDMOS。目前生产的目前生产的目前生产的目前生产的VDM

19、OSVDMOSVDMOSVDMOS中绝大多数是中绝大多数是中绝大多数是中绝大多数是N N N N沟道增强型，这是由于沟道增强型，这是由于沟道增强型，这是由于沟道增强型，这是由于P P P P沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是沟道器件在相同硅片面积下，其通态电阻是N N N N型器件的型器件的型器件的型器件的2 2 2 23 3 3 3倍。因此今后若无特别说明，均指倍。因此今后若无特别说明，均指倍。因此今后若无特别说明，均指倍。因此今后若无特别说明，均指N N N N沟道增强型器沟道增强型器沟道增强型器沟道增强型器件

20、件。件。件。l结构发展知识背景结构发展知识背景器件单相半波整流电路单相半波整流电路单相桥式整流电路单相桥式整流电路器件AC/DC三相半波整流电路三相半波整流电路b)c)d)e)f)u2uaubuca a=0Ow wt1w wt2w wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1w wtw wtw wtw wtw wtRidabcTudVT2VT1VT3器件AC/DC三相桥式整流电路三相桥式整流电路器件AC/DC双反星型整流电路双反星型整流电路upud1,ud2OO60 360 t1ttuaubucucuaubub器件AC/DC多重化整流电路多重化整流电路器件AC/DC三相桥式整流电路三相

21、桥式整流电路同步环节同步环节锯齿波的形成锯齿波的形成移相环移相环节节脉冲形脉冲形成与放成与放大大强触发强触发双窄脉冲形成双窄脉冲形成器件AC/DC完整的三相全控桥触发电路完整的三相全控桥触发电路+15VU UA AU UB BU UC C放大环节放大环节g1g2g3g4g5g6直流偏压直流偏压控制电压控制电压器件AC/DC单相触发三相触发器件AC/DCtOtOtOtOtOq qb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN

22、uUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62Ud3三相电压型逆变电路三相电压型逆变电路器件DC/AC三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6UVWNT1A1T2B1A21C1B21A22C21B22C22uUNuU2uU1UdIII三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路器件DC/AC降压斩波电路降压斩波电路+_升压斩波电路升压斩波电路升降压斩波电路升降压斩波电路器件DC/DCCUKCUK斩波电路斩波电路SEPICSEPIC斩波电路斩波电路ZETAZETA斩

23、波电路斩波电路ERVDa)CVL1L2uo+器件DC/DC单相交流调压电路单相交流调压电路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路器件AC/AC三相交流调压电路三相交流调压电路器件AC/ACPuoZNuo0输出电压 ap=0平均输出电压t单相交流变频电路单相交流变频电路矩阵式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t

24、OtOtOf(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OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutPWM控制原理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Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OutOutPWM控制原理计算法和调治法计算法和调治法异步调制和同步调制异步调制和同步调制规则采样法规则采样法PWMPWM逆变电路的谐波分析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提

25、高直流电压利用率和减少开关次数PWMPWM逆变电路多重化逆变电路多重化PWM控制原理电力电子装置电力电子装置l l开关电源开关电源l l有源功率因数校正有源功率因数校正 l l不间断电源（不间断电源（UPS）l l静止无功补偿装置静止无功补偿装置l l变频调速装置变频调速装置装置一、开关电源一、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。直流稳压电源。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。通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。简称开关电源简称开关电源(Switching Power Supply)(Switch

26、ing Power Supply)，指起电压指起电压调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。调整功能的器件始终以开关方式工作的一种直流稳压电源。1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：2 2、开关稳压电源：、开关稳压电源：装置1 1、线性稳压电源：、线性稳压电源：优点：优良的纹波及动态响应特性；优点：优良的纹波及动态响应特性；缺点：（缺点：（1 1）输入采用）输入采用50Hz50Hz工频变压器，体积庞大；工频变压器，体积庞大；（2 2）电压调整器件工作在线性放大区内）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大损耗大,效率效率低；低；（3 3）过载能力差。过载能力差。图图7.1.1 线性稳

27、压电源方框图线性稳压电源方框图 装置 开关电源优点：开关电源优点：开关电源优点：开关电源优点：（1）功耗小、效率高。功耗小、效率高。（2）体积小、重量轻。体积小、重量轻。（3）稳压范围宽。稳压范围宽。（4）电路形式灵活多样。电路形式灵活多样。开关电源缺点：开关电源缺点：开关电源缺点：开关电源缺点：主要是存在开关噪声干扰。主要是存在开关噪声干扰。2 2、开关电源：、开关电源：装置开关电源的应用开关电源的应用开关电源的应用开关电源的应用图图7.1.4 直流操作电源电路原理图直流操作电源电路原理图 主电路采用半桥变换电主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为路，额定输出直流电压为220V，输出电流为输出电流为10A。装置返回