电力电子技术课程综述

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HefeiUniversity

合肥学院0孑信息与电气工%

电力电子技术课程综述

系别：电子信息及电气工程系

专业：自动化

班级：

姓名：

学号：

4 11

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摘要： 绪论

1.1 电力电子技术简介： ..

1.2 电力电子技术的应用： 1.3 电力电子技术的重要作用： 1.4电力电子技术的发展 .. 本课程简介 ............. 总结 目录

2.1 电力电子器件： ...........

2.1.1 根据开关器件是否可

控分类

2.1.2 根据门极 ）驱动信号的不同

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.

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2.1.3 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为单极型器件、双极型器

件和复合型器件。 (7)

2.2 DC-DC 变换器

2.2.1 主要内容：

2.2.2 直流 -直流变换器的控制

2.3 DC-AC 变换器（无源逆变电路） 2.

3.1 电压型变换器 .... 2.3.2 电流型变换器

2.3.3 脉宽调制 （PWM ） 变换器

2.4 AC-DC 变换器（整流和有源逆变电路）

2.4.1 简介 ................. 2.4.2 工作原理 2.5 AC-AC 变换器 2.5.1 简介 2.5.2 分类 2.6 软开关变换器 2.6.1 分类 . 2.6.2 重点

参考文献

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摘要： 电力电子技术是在电子、电力与控制技术上发展起来的一门新兴交

叉学科，被国际电工委员会(IEC )命名为电力电子学(Power Electronics ) 或称为电力电子技术。近 20 年来，电力电子技术已渗透到国民经济各领域，

并取得了迅速的发展。作为电气工程及其自动化、工业自动化或相关专业的 一门重要基础课，电力电子技术课程讲述了电力电子器件、电力电子电路及 变流技术的基本理论、基本概念和基本分析方法，为后续专业课程的学习和 电力电子技术的研究与应用打下良好的基础。

Power electronic technology is in Electronics, electric Power and control

technology

electrotechnical commission (IEC) named Power Electronics (Power Electronics) or called Power electronic technology. Nearly 20 years, power electronic technology has penetrated into every field of national economy, and have achieved rapid development. As electrical engineering and automation, industrial automation or related professional one important courses, power electronic technology course about power electronics device, power electronic circuits, the basic theory of converter technology, the basic concept and basic analysis for subsequent specialized course of study and power electronic technology research and application lay a good foundation.

Keywords: Power electronic technology control technology automation power electronics device

关键词： 电力电子技术 控制技术 自动化 电力电子器件

Abstract:

developed on an emerging interdisciplinary, is the international

绪论

电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，就是使用电力 电子器件（如晶闸管， GTO IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术。电力 电子技术所变换的“电力”功率可大到数百 MW 甚至GW 也可以小到数 W 甚 至1W 以下，和以信息处理为主的信息电子技术不同电力电子技术主要用于 电力变换。电力电子技术分为电力电子器件制造技术和交流技术（整流，逆 变，斩波，变频，变相等）两个分支。现已成为现代电气

工程与自动化专

业不可缺少的一门专业基础课， 在培养该专业人才中占有重要地位。

1.1电力电子技术简介：

电力电子学（Power Electronics ）这一名称是 在上世纪60年代出现的。1974年，美国的 W.Newell 用一个倒三角形（如图）

对电力电子学进行了描述，认为它是由电力学、 电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。 这一观点

被全世界普遍接受。“电力电子学”和“电力电子技 术”是分别从学术和工程技术 2个不同的角度来称 呼的。

一般认为，电力电子技术的诞生是以 1957年美国通用电气公司研制出

的第一个晶闸管为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶 闸管变流技术的发展而确立的。此前就已经有用于电力变换的电子技术，所 以晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前或黎明时期。 70年代后期 以门极可关断晶闸管（GTO ，电力双极型晶体管（BJT ），电力场效应管

（Power-MOSFET 为代表的全控型器件全速发展（全控型器件的特点是通过 对门极既栅极或基极的控制既可以使其开通又可以使其关断），使电力电子 技术的面貌焕然一新进入了新的发展阶段。 80年代后期，以绝缘栅极双极型

晶体管（IGBT 可看作MOSFE 和BJT 的复合）为代表的复合型器件集驱动功 率小，开关速度快，通态压降小，在流能力大于一身，性能优越使之成为现 代电力电子技术的主导器件。为了使电力电子装置的结构紧凑，体积减小， 常常把若干个电力电子器件及必要的辅助器件做成模块的形式，后来又把驱 动，控制，保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（ 目前PIC 的功率都还较小但这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

1.2电力电子技术的应用：

一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输：

电气化铁道、电动汽车、航空、航海

PIC ）。

电力系统： 高压直流输电、 柔性交流输电、 无功补偿

为信息电子装置提供动力 节能灯”、变频空调

、 航天飞行器、 新能源、 发电装置

1.3 电力电子技术的重要作用：

(1) 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达 到合理、高

效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，在节电方面，针对风 机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化 工、电解等 14个方面的调查， 潜在节电总量相当于 1990年全国发电量的 16%， 所以推广应用电力 电子 技 术是节 能的一项战略 措施，一般 节能效果可达 10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。

(2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。据发达国家预测，今 后将有 95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机 电设备中，有 95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制 强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产 业采用微电子技术创造了条件， 成为发挥计算机作用的保证和基础。

(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传 统，向高频

化方向发展。 实现最佳工作效率， 将使机电设备的体积减小几倍、 几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有 全新的功能和用途。

(4) 电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合 一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重 大改革。有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为 对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边 缘。

1.4 电力电子技术的发展

从 20 世纪 50 年代中到 70 年代末，以大功率硅二极管、 双极型功率晶体 管和晶闸管应用为基础(尤其是晶闸管)的电力电子技术发展比较成熟。 70 年代末以来，两个方面的发展对电力电子技术引起了巨大的冲击。其一为微 机的发展对电力电子装置的控制系统、 故障检测、 信息处理等起了重大作用 , 今后还将继续发展 ; 其二为微电子技术、光纤技术等渗透到电力电子器件中， 开发出更多的新一代电力电子器件。 其中除普通晶闸管向更大容量 (6500 伏、 3500安)发展外，门极可关断晶闸管(GTO)电压已达4500伏，电流已达2500? 3000 安；双极型晶体管也向着更大容量发展， 80 年代中后期其工业产品最 高电压达 1400 伏，最大电流达 400 安, 工作频率比晶闸管高得多 , 采用达林

电子装置电源： 家用电器： 其他： UPS

顿结构时电流增益可达75?200。随着光纤技术的发展，美国和日本于

1981?1982年间相继研制成光控晶闸管并用于直流输电系统。这种光控管与

电触发的晶闸管相比，简化了触发电路，提高了绝缘水平和抗干扰能力，可使变流设备向小型、轻量方向发展，既降低了造价，又提高运行的可靠性。同时，场控电力电子器件也得到发展，如功率场效应晶体管(power MOSFET) 和功率静电感应晶体管(SIT) 已达千伏级和数十至数百安级的电压、电流等级，中小容量的工作频率可达兆赫级。由场控和双极型合成的新一代电力电子器件，如绝缘栅双极型晶体管(IGT或IGBT)和MOS控制晶闸管(MCT 也正在兴起, 容量也已相当大。这些新器件均具有门极关断能力，且工作频率可以大大提高，使电力电子电路更加简单，使电力电子装置的体积、重量、效率、性能等各方面指标不断提高，它将使电力电子技术发展到一个更新的阶段。与此同时，电力电子器件、电力电子电路和电力电子装置的计算机模拟和仿真技术也在不断发展。

本课程简介

本书在介绍电力电子技术基本理论和基本概念的同时，重视对研究对象问题提出、方案对比、分析思路等研究能力的训练和培养，并尝试研究型思维的启发与训练。在内容安排上，本书针对本科生的教学特点，力图避免新技术、新理论的简单罗列。

本书共分为7章，包括：绪论、电力电子器件及应用、DC-DC变换器、DC-AC 变换器(无源逆变电路)、AC-DC变换器(整流和有源逆变电路)、AC-AC变换器、软开关转换器。每章后都附有本章小结和思考题，便于教师教学和学生自学。

2.1 电力电子器件：常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外特性、主要参数、开关特性、安全工作区。这些器件的驱动电路和缓冲电路。

2.1.1 根据开关器件是否可控分类

(1)不可控器件二极管VD是不可控器件。

(2)半控器件普通晶闸管SCF是半控器件。

(3)全控器件GTO、BJT、功率MOSFETIGBT等。

2.1.2 根据门极)驱动信号的不同

(1) 电流控制器件驱动功率大，驱动电路复杂，工作频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。

(2) 电压控制器件 驱动功率小，驱动电路简单可靠，工作频率高。该类器件有 功率 MOSEE 、T I G BT 。

2.1.3 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可分为

2.2 DC-DC 变换器

2.2.1 主要内容：

降压变换器、升压变换器、降压 - 升压变换器的拓扑结构、工作原理、在电 流连续和断续模式下的各物理量之间的函数关系；全桥式直流 - 直流变换器在单 极性和双极性控制方式时的工作原理；影响直流 - 直流变换器输出电压纹波的因 素；几种不同变换器的开关利用率。

本次讨论了几种主要型式的直流 -直流变换器的拓扑结构。 除了全桥式直流 - 直流 变换器以外,其他变换器只能在电压 - 电流相平面的单象限运行,即功率只能单 方向传递。而全桥式直流 -直流变换器可以在四个象限运行。

直流-直流变换器也称为斩波器,通过对电力电子器件的通断控制,将直流 电压断续地加到负载上,通过改变占空比改变输出电压平均值。 直流- 直流变换器主要有如下几种基本型式： (1)

(2) (3) 全桥式直流 - 直流变换器 (Full Bridge Converter)

2.2.2 直流 -直流变换器的控制

基本的直流 - 直流变换器和它的输出波形

开关管导通时，输出电压等于输入电压 Ud;开关管断开时，输出电压等于0。输 出电压波形如上图所示，输出电压的平均值 Uo 为

式中 Ts —开关周期

单极型器件、 双极型器件和复合型器件。

(1) 单极型器件 功率 MOSFET 。

二极管、 SCR 、 GTO 、BJT 。

IGBT ,是电力电子器件发展方向。 双极型器件 复合型器件 电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的器件

和功率MOSFET 工作频率从高往低的器件是功率 MOSFETGBT BJT 、GTOffi SCR (2) (3) 是 SCR 、GTO 、IGBT 、BJT

降压直流 - 直流变换器 (Buck Converter)

升压直流 - 直流变换器 (Boost Converter) 降压 - 升压复合

型直流 - 直流变换器 (Buck- Boost Converter)