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1、第4章 电力电子技术,1、什么是电力电子技术,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，被国际电工委员会命名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技术。,第一部分,2、与其他学科之间的关系,电力学,电子学,电力学,控制理论,电力电子技术,电路、器件,静止器、旋转电机,连续、离散,与电子学的关系,都分为器件与应用,器件的材料、制造工艺,应用的理论基础、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开关状态.而电力电子技术中器件只工作在开关状态.,电力电子学和电力学关系 电力电
2、子技术广泛用于电气工程,与电力学的关系,电力电子技术,高 压 直 流 输 电,静 止 无 功 补 偿,交 直 流 电 力 传 动,电 解,电 镀,电 加 热,电 力 机 车 牵 引,高性能交直流电源,与控制理论的关系,控制理论,电力电子技术,弱电和强电接口,弱电控制强电,基础元件,支撑技术,实 现,广泛用于,电力电子装置是自动化的,3、学科的组成,变流 技术,电力电子器件构成各种电力变换电路,对这些电路进行控制的技术,变流技术（电力电子器件应用技术）电力电子技术的核心,电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础,直流,电力,交流,交流变交流,直流变直流,直流变交流,交流变直流,电力变换,4、研究
3、任务,(1)电力电子器件的工作原理与应用 (2)电力电子电路的电能变换原理 (3)控制技术以及电力电子装置的开发与应用。,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,（1）一般工业,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,电化学整流电源设计,（2）交通运输,电力电子技术在汽车42V直流总线下,DJ型交流电力传动机车,磁悬浮列车,飞机,部分国内外知名公司的变频器,西门子（Siemens）公司,施奈德公司,富士公司,安圣（华为电气）变频器系列,ABB公司,SVC,HVDC,FACTS,（3）电力系统,程控交换机,电子装置,微型计算机,（4）电子装置用电源
4、,5）家用电器,直流变频空调的电路原理图,变频空调控制器,交流变频控制器的原理框图,(6)其它,大型计算机的UPS,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，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。 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 为未来科学技术的两大支柱。 计算机 人脑 电力电子技术 消化系统和循环系统 电力电子运动控制 肌肉和四肢 电力
5、电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术， 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。 一门崭新的技术，21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,半导体整流管（SR） 晶闸管（SCR）及其派生器件 功率晶体管（GTR） 功率场效应管（MOSFET） 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 功率集成电路（PIC）和智能功率模块（IPM）,器件,电力电子技术的依赖于电力电子器件的发展,器件,理想开关,一、基本模型：,二、基本特性： （1）电力电子器件一般都工作在开关状态。 （2）电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。
6、 （3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。,器件,电力二极管,器件,电力二极管实物图,器件,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,晶闸管是大功率器件, 工作时产生大量的热，因此必须安装散热器。 螺旋式晶闸管紧栓在铝制散热器上, 采用自然散热冷却方式, 如图1.3.2(a)所示。 平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间, 散热方式可以采用风冷或水冷, 以获得较好的散热效果,如图1.3.2 (b)、(c)所示。,器件,晶闸管的派生器件,常规快速
7、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,器件,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,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
8、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，避免电磁干扰的影响。,器件,常用的典型全控型器件,电力MOSFET,IGBT单管及模块,器件,平板式,器件,螺旋式,器件,功能模块,器件,散热器,器件,门极可关断晶闸管GTO,电力晶体管GTRC,电力场效应晶体管MOS,绝缘栅双极晶体管IGBT,MOS控制晶闸管MCT,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SI
9、TH,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(PMOS)，器件的源极S、栅极G和漏极D均被置于硅片的一侧(与小功率MOS管相似)。存在通态电阻大、频率特性差和硅片利用率低等缺点。 20世纪70的代中期将LSIC垂直导电结构应用到电力场效应管的制作中，出现了VMOS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。 20世纪80年代以来，采用二次扩散形成的P形区和N+型区在硅片表面的结深之差来形成极短沟道长度(12m)，研制成了垂直导电的双扩散场控晶体管，简称为VDMOS。 目前生产的VDMOS中绝大多数是N沟道增强型，这是由于P沟道器件在相同硅片面积下，
10、其通态电阻是N型器件的23倍。因此今后若无特别说明，均指N沟道增强型器件。,结构发展知识背景,器件,单相半波整流电路,单相桥式整流电路,器件 AC/DC,三相半波整流电路,器件 AC/DC,三相桥式整流电路,器件 AC/DC,双反星型整流电路,器件 AC/DC,多重化整流电路,器件 AC/DC,三相桥式整流电路,同步环节,锯齿波的形成,移相环节,脉冲形成与放大,强触发,双窄脉冲形成,器件 AC/DC,完整的三相全控桥触发电路,+15V,UA,UB,UC,放大环节,g1,g2,g3,g4,g5,g6,直流偏压,控制电压,器件 AC/DC,单相触发,三相触发,器件 AC/DC,单相全桥逆变电路,三
11、相电压型逆变电路,器件 DC/AC,三相电流型逆变电路,三相电压型二重逆变电路,器件 DC/AC,降压斩波电路,+,+,_,升压斩波电路,升降压斩波电路,器件 DC/DC,CUK斩波电路,SEPIC斩波电路,ZETA斩波电路,+,器件 DC/DC,单相交流调压电路,斩控式交流调压电路,器件 AC/AC,三相交流调压电路,器件 AC/AC,单相交流变频电路,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,PWM控 制原理,a),b),图6-2 冲量相
12、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,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,PWM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,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,PWM控 制原理,计算法和调治法 异步调制和同步调制 规则采样法 PWM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 PWM逆变电路多重化,PWM控 制原理,电力电子装置,开关电源 有源功率因数校正 不间断电源（UPS） 静止无功补偿装置 变频调速装置,装置,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直流稳压电
13、源。,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(Switching Power Supply)，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。,1、线性稳压电源：,2、开关稳压电源：,装置,1、线性稳压电源：,优点：优良的纹波及动态响应特性；,缺点：（1）输入采用50Hz工频变压器，体积庞大； （2）电压调整器件工作在线性放大区内,损耗大,效率低； （3） 过载能力差。,图7.1.1 线性稳压电源方框图,装置,开关电源优点：,（1）功耗小、效率高。,（2）体积小、重量轻。,（3）稳压范围宽。,（4）电路形式灵活多样。,开关电源缺点：,主要是存在开关噪声干扰。,2、开关电源：,装置,开关电源的应用,图7.1.4 直流操作电源电路原理图,主电路采用半桥变换电路，额定输出直流电压为220V，输出电流为10A。,装置,返回,