电力电子新技术第1章绪论 共40页PPT资料
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电力电子技术基础 第1章 绪论
、电力变换的基本原理
4）AC/AC变换
下图也是用两个开关组成的简单变流电路，输入端接的是交流电us。
每个开关与一个二极管串联表示流过开关的电流方向 是单向的。这是因为在实际电路中这两个开关采用晶闸管， 晶闸管是单向导电的。
如果开关K1和K2都采取通断控制，则可以将 交流电变为交流电，即AC/AC变换。
控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置的性能满足各种需求; 电力电子技术可以看成弱电控制强电的接口，控制理论是实现该接口的
强有力纽带。
第1章 绪论
1.1电力电子技术的定义
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术， 是使用器件对电力进行变换和控制的技术。 这个器件指的是功率半导体器件，也称为电力电子器件。
用倒三角描述，如图所示。
电子学
电路、器 件
电力 电子技术
连续、离散
控制 理论
静止器、旋转电机
电力学
3
第1章 绪论 1.1电力电子技术的定义
电子技术
• 所用器件： 晶体管、场效应管、 集成电路、微处理器 、电感、电容。
• 完成功能： 信号产生、变换、存 储、发送、接收。
• 基础理论： 电路、磁路、电磁场
这四类变换器将在后继章节中详细论述，下面简单介绍电力变换的基本原理8 。
第1章 绪论 1.2电力变换的基本原理
上述的电力变换中使用的电力电子器件都是工作在开关状态。 电力电子器件为什么工作在开关状态？ 为了使器件的功率损耗(P=UI)最小： 器件开通时，通过的电流i很大，但器件上的电压u≈0 器件断开时，承受的电压u很高，但流过的电流i≈0
4
第1章 绪论
1.1电力电子技术的定义
电子学
电力学
电路、器 件
4）AC/AC变换
下图也是用两个开关组成的简单变流电路，输入端接的是交流电us。
每个开关与一个二极管串联表示流过开关的电流方向 是单向的。这是因为在实际电路中这两个开关采用晶闸管， 晶闸管是单向导电的。
如果开关K1和K2都采取通断控制，则可以将 交流电变为交流电，即AC/AC变换。
控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置的性能满足各种需求; 电力电子技术可以看成弱电控制强电的接口，控制理论是实现该接口的
强有力纽带。
第1章 绪论
1.1电力电子技术的定义
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术， 是使用器件对电力进行变换和控制的技术。 这个器件指的是功率半导体器件，也称为电力电子器件。
用倒三角描述，如图所示。
电子学
电路、器 件
电力 电子技术
连续、离散
控制 理论
静止器、旋转电机
电力学
3
第1章 绪论 1.1电力电子技术的定义
电子技术
• 所用器件： 晶体管、场效应管、 集成电路、微处理器 、电感、电容。
• 完成功能： 信号产生、变换、存 储、发送、接收。
• 基础理论： 电路、磁路、电磁场
这四类变换器将在后继章节中详细论述，下面简单介绍电力变换的基本原理8 。
第1章 绪论 1.2电力变换的基本原理
上述的电力变换中使用的电力电子器件都是工作在开关状态。 电力电子器件为什么工作在开关状态？ 为了使器件的功率损耗(P=UI)最小： 器件开通时，通过的电流i很大，但器件上的电压u≈0 器件断开时，承受的电压u很高，但流过的电流i≈0
4
第1章 绪论
1.1电力电子技术的定义
电子学
电力学
电路、器 件
电力电子-第1章
SCR:12kV/1kA和6500V/4000A GTR:1800V/800A/2kHz、1400v/600A/5kHz、 600V/3A/100kHz MOSFET:1kV/2A/2MHz和60V/200A/2MHz . IGBT:6500V/4500V/3300V/1700V/1200V/600V, 3300A8A;IR公司已设计出开关频率高达 150kHz的WARP系列 400～600V的IGBT
电力电子技术
授课教师：国海
绪论
1.1 电力电子学科的形成 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 1.3 电力电子技术的应用领域 课程学习要求
2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术
美国学者W. Newell认为电 力电子学是由电力学、电子 学和控制理论三个学科交叉 而形成的。
✓ 电子技术是研究电子器件，以及 利用电子器件来处理电子电路中 电信号的产生、变换、处理、存 储、发送和接收问题。
✓ 又称为信息电子技术或信息电子 学。
5
1.1 电力电子学科的形成（续3）
3.电力电子技术(Power Electronics)
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。
基本原理 图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
13
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1) 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
14
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2) 方案一: 电阻降压
电力电子技术
授课教师：国海
绪论
1.1 电力电子学科的形成 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 1.3 电力电子技术的应用领域 课程学习要求
2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术
美国学者W. Newell认为电 力电子学是由电力学、电子 学和控制理论三个学科交叉 而形成的。
✓ 电子技术是研究电子器件，以及 利用电子器件来处理电子电路中 电信号的产生、变换、处理、存 储、发送和接收问题。
✓ 又称为信息电子技术或信息电子 学。
5
1.1 电力电子学科的形成（续3）
3.电力电子技术(Power Electronics)
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。
基本原理 图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
13
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1) 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
14
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2) 方案一: 电阻降压
电力电子技术第一章
热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电 流定额，并应留有一定的裕量。
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降 时间与延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。
通或者 关断的控制。
❖电压驱动型
----仅通过在控制端和公共端之间施加一定的
电压信号就可实现导通或者关断的控制。
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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
2、正向压降UF
指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压（又称管压降）。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
3、反向重复峰值电压URRM
指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电 压）。此电压通常为击穿电压的2/3。使用中通常按照 电路中电力二极管可能承受的反向峰值电压的两倍来选 定此项参数。
图1-3 电力二极管的伏安特性
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降 时间与延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。
通或者 关断的控制。
❖电压驱动型
----仅通过在控制端和公共端之间施加一定的
电压信号就可实现导通或者关断的控制。
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电力电子技术第一章
1.2 不可控器件—电力二极管
➢1.2.1 电力二极管的工作原理 ➢1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
一、电力二极管的伏安特性 二、电力二极管的开关特性 三、电力二极管的主要参数
Diode）常用于开关频率在1KHz以下的整流电路 中，其反向恢复时间在5μs以上，额定电流可 达数千安培，额定电压达数千伏以上。
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电力电子技术第一章
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
②快恢复二极管
第1讲绪论电力电子课件
西门子系列变频器
420型经济系列
430系列风机水泵专用 440型通用型变频器
1.3 电力电子技术的应用
3) 电力系统
电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户 最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电 力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。毫不夸张 地说，离开电力电子技术，电力系统的现代化是不可想象的。
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。
1.3 电力电子技术的发展史
电力电子器件的发展对电力电子技术 的发的发展史为纲的。
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电力电子技术的发展史
电力电子技术和电子学的关系
电力电子电路和电子电路 许多分析方法一致，仅应用目的不同 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电
路 电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源
部分都是电力电子电路
器件的工作状态 • 信息电子 既可放大，也可开关 • 电力电子 为避免功率损耗过大，总在开关状态 ——电力电
直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受 电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电也是 依靠电力电子装置才得以实现的。柔性交流输电是应用大功率、高性能的 电力电子元件制成可控的有功或无功电源以及电网的一次设备等，以实现 对输电系统的电压、阻抗、相位角、功率、潮流等的灵活控制，将原基本 不可控的电网变得可以全面控制。从而大大提高电力系统的高度灵活性和 安全稳定性，使得现有输电线路的输送能力大大提高。典型电力电子装置 有静止无功补偿器（SVC）、静止无功发生器（ASVG）、综合潮流控制器 （ UPFC ） 和 可 控 串 联 电 容 补 偿 器 （ TCSC ） 等
电力电子新技术培训课程(ppt 40页)
BUCK电路
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续8)
✓ AC/DC基本整流电路
工作方式 相控、斩波 分析方法 傅立叶分解 、积分 考虑问题 开关时刻、 滤波
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续9)
✓ DC/AC基本逆变电路
工作方式 方波、PWM波 分析方法 傅立叶分解 考虑问题 开关时刻、 滤波
☞电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电
子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。
另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。
✓ 电力变换按电压(电流)的 大小、波形及频率变换划 分为四类基本变换及相应 的四种电力变换电路或电 力变换器。
✓ 这四类基本变换可以组合 成许多复合型电力变换器
2.交流机组实现电力变换
传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 基本原理 缺点
2.交流机组实现电力变换(续1)
传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率 的交流电？
☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制 （PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控 制方式，简称斩控方式。
☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表 的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综 合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT） 和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。
1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续8)
✓ AC/DC基本整流电路
工作方式 相控、斩波 分析方法 傅立叶分解 、积分 考虑问题 开关时刻、 滤波
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续9)
✓ DC/AC基本逆变电路
工作方式 方波、PWM波 分析方法 傅立叶分解 考虑问题 开关时刻、 滤波
☞电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电
子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。
另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。
✓ 电力变换按电压(电流)的 大小、波形及频率变换划 分为四类基本变换及相应 的四种电力变换电路或电 力变换器。
✓ 这四类基本变换可以组合 成许多复合型电力变换器
2.交流机组实现电力变换
传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 基本原理 缺点
2.交流机组实现电力变换(续1)
传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率 的交流电？
☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制 （PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控 制方式，简称斩控方式。
☞在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表 的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综 合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT） 和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。
1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
电力电子第1章
1) 正向伏安特性
晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳
极与阴极间施加一定的正向阳极电压，器 件也仍处于正向阻断状态，只有很小的正 向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时， 只要在门极注入适当的电流(一般为毫安 级)，器件也会立即进入正向导通状态 。
1.2.1 晶闸管的阳极伏安特性
1.4 双向晶闸管
双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图
1.4 双向晶闸管
双向晶闸管（TRIAC）内部结构可看 做两只普通晶闸管反向并联，引出的 三个端子为主极T1，T2和门极G。它 具有正、反向对称的伏安特性，主要 参数有断态重复峰值电压和额定通态 电流，因双向晶闸管正
、反向都能触发导通，所以额定通态 电流为有效值。
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的反向峰值电压。
通态（峰值）电压UT
——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压。
1.3.2 晶闸管的电流参数
通态平均电流 IT(AV）
通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对 应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或 稍多一点。
1.5.2 功率晶体管的特性
集电极最大耗散功率PcM
最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接 表示了最高工作温度 。
1.6 功率场效应晶体管
第1章 晶闸管概述
晶闸管是由多种器件组成的家族，而 被广泛使用的普通晶闸管则是这个家 族中的一员，俗称可控硅整流器 （SCR，Silicon Controlled Rectifier），简称可控硅，其规范 术语是反向阻断三端晶闸管。
晶闸管在门极开路(IG=0)的情况下，在阳
极与阴极间施加一定的正向阳极电压，器 件也仍处于正向阻断状态，只有很小的正 向漏电流流过。 外加的阳极正向电压在其转折电压以下时， 只要在门极注入适当的电流(一般为毫安 级)，器件也会立即进入正向导通状态 。
1.2.1 晶闸管的阳极伏安特性
1.4 双向晶闸管
双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性图
1.4 双向晶闸管
双向晶闸管（TRIAC）内部结构可看 做两只普通晶闸管反向并联，引出的 三个端子为主极T1，T2和门极G。它 具有正、反向对称的伏安特性，主要 参数有断态重复峰值电压和额定通态 电流，因双向晶闸管正
、反向都能触发导通，所以额定通态 电流为有效值。
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件 上的反向峰值电压。
通态（峰值）电压UT
——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压。
1.3.2 晶闸管的电流参数
通态平均电流 IT(AV）
通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对 应的Ic 。 实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或 稍多一点。
1.5.2 功率晶体管的特性
集电极最大耗散功率PcM
最高工作温度下允许的耗散功率。 产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接 表示了最高工作温度 。
1.6 功率场效应晶体管
第1章 晶闸管概述
晶闸管是由多种器件组成的家族，而 被广泛使用的普通晶闸管则是这个家 族中的一员，俗称可控硅整流器 （SCR，Silicon Controlled Rectifier），简称可控硅，其规范 术语是反向阻断三端晶闸管。
电力电子技术绪论(ppt 50页)
2 电力电子技术的发展
电力电子技术的两大分支：
电力电子器件制造技术：是电力电子技术的基础，
电 也是电力电子技术发展的动力，其理论基础是半导
力 电
体物理。
子 电力电子器件应用技术（也称变流技术）：
技
是用电力电子器件构成的电力变换电路和
术 对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电
力电子系统的技术。
电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。
能够完成电能变换和控制的电路称为电力电子电路。 2）电力电子电路的基本形式：有四种 ①直流变换电路：将直流电能转换为另一固定电压或
可调电压的直流电能的电路。也称开关型DC/DC变 换电路或称直流斩波器。 ②逆变电路：将直流电能变换为交流电能的电路。
也称为DC/AC变换电路。
它是电力电子技术的核心，其理论基础是电路理 论。
（1）电力电子器件的发展：其发展过程也就是电力电子技 术的发展过程。 1904年：电子管问世；之后出现了汞弧整流器。 汞弧整流器：把水银封于真空管内，利用对其蒸气的点弧 可对大电流进行控制，其性能和晶闸管很相似。 30年代～50年代：是汞弧整流器发展迅速并大量应用的时 期。 1947年：美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电 子技术的一场革命。 1956年：美国研制出了最先用于电力领域的半导体器件— —硅整流二极管（SR）。它广泛用于电化学工业、电气铁 道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流 输电。 1957年：美国通用电气公司发明了晶闸管（SCR），（即 普通反向阻断型可控硅）。它标志着电力电子技术的诞生。 但在此之前，用于电力变换的电子技术就已经存在了， 把晶闸管出现前的时期称为史前期或黎明期。
多年来，为了提高电力电子装置的功率密度以减小体积，把 多个大功率器件组成的各种单元与驱动、保护电路集成一体， 构成了功率集成电路（PIC）。
电力电子技术第一章
–由若干功率开关器件与快速二极管组合而成
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
• 单片集成式模块
–功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片
• 智能功率模块
–将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
第1章 电力电子器件
1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管
-1-
电力工程系
1.1 电力电子器件概述
1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
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图1-7 风场
总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。
1.4 本教材的内容简介
■本教材的内容
1.5 开关型电力电子变换的基本原 理及控制方法
1.电力变换的类型
2.交流机组实现电力变换
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理
1.电力变换的类型
电源可分为两类：
直流电（D.C） ，频率f=0 交流电（A.C） ，频率f0
科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学
科内各二级学科的关系。
1.1 什么是电力电子技术
☞电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电
子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。
vo(t)d
tDV D
D 开关占空比 Ts 开关周期
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续6)
方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 串联LC, 滤出谐波, 滤波器的截止频率<<开关频率
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续7)
方案三:串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗 增加控制回路
☞电力电子技术还大量用于冶金工 业中的高频或中频感应加热电源、 淬火电源及直流电弧炉电源等场 合。
图1-4 AB变频器
1.3 电力电子技术的应用
◆交通运输 ☞电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流
机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波 器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电 子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的 各种辅助电源也都离不开电力电子技术。 ☞电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控 制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽 车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动 并控制。 ☞飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。
电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。 ◆其它 ☞航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离
不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 ☞抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动
和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大 的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。
1.3 电力电子技术的应用
1.2 电力电子技术的发展史
◆晶闸管时代 ☞晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取
代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速 扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸 管变流技术的发展而确立的。 ☞晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断 的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要 是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠 电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到 了很大的局限。
器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论） 是一样的，其大多数工艺也是相同的。
电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也 是一致的。 ☞电力电子技术和电力学
电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电 子学和电力学的主要关系。
1.1 什么是电力电子技术
各种电力电子装置广泛 应用于高压直流输电、静止
☞随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子 电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技 术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗 降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。
1.3 电力电子技术的应用
■电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通 信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、 空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。
1.3 电力电子技术的应用
◆电力系统 ☞据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上
的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 ☞直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送
电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置， 而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发 展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置 才得以实现的。 ☞晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、 静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电 力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。 在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停 电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改 善供电质量。 ☞在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源， 给蓄电池充电等都需要电力电子装置。
☞新能源、可再生能源发电比如风力 发电、太阳能发电，需要用电力电 子技术来缓冲能量和改善电能质量。 当需要和电力系统联网 时，更离不 开电力电子技术。
☞核聚变反应堆在产生强大磁场和注 入能量时，需要大容量的脉冲电源， 这种电源就是电力电子装置。科学 实验或某些特殊场合，常常需要一 些特种电源，这也是电力电子技术 的用武之地。
◆一般工业 ☞工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力
电子装置进行调速的。 ☞一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来
也采用了变频装置，以达到节能的目的。
1.3 电力电子技术的应用
☞有些并不特别要求调速的电机为 了避免起动时的电流冲击而采用 了软起动装置，这种软起动装置 也是电力电子装置。
☞电化学工业大量使用直流电源， 电解铝、电解食盐水等都需要大 容量整流电源。电镀装置也需要 整流电源。
方案一: 电阻降压
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续3)
方案二: 串联晶体管
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续4)
方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续5)
方案三: 串联单刀双掷开关,理想开关,无损耗
VD0
1 Ts
Ts 0
基本原理 缺点
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理
如何用电力电子开关器件实现电能的变换？ 基本原理
图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续1)
如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续2)
3.利用开关器件实现电力变换的基本 原理(续10)
AC/AC直接变频、变压电路
工作方式 周期控制
分析方法 等效法 考虑问题 开关时刻
1.4 开关型电力电子变换器的基本特性
开关型电力电子变换器的核心部分是一组开关电路 输出、输入端附加、滤波器，可以改善输出电压和输入电
流波形 通常采用开关周期平均值（状态空间平均法）和傅立叶级
无功补偿、电力机车牵引、
交直流电力传动、电解、励
磁、电加热、高性能交直流
电源等之中，因此，无论是
国内国外，通常都把电力电
图1-2 电气工程的双三角形描述
子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传
动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电
气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学
另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。
1.2 电力电子技术的发展史
■电力电子技术的发展史
图1-3 电力电子技术的发展史
◆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第一个晶闸管为标志的。
1.2 电力电子技术的发展史
1.2 电力电子技术的发展史
◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC）
☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型 晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为 代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过 对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。
☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制 （PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制 方式，简称斩控方式。
数分析其工作特性 电力电子变换电路中的电压、电流周期性时间函数
电力变换按电压(电流)的 大小、波形及频率变换划 分为四类基本变换及相应 的四种电力变换电路或电 力变换器。
这四类基本变换可以组合 成许多复合型电力变换器
2.交流机组实现电力变换
传统电力技术如何将交流电变为直流电？ 基本原理 缺点
2.交流机组实现电力变换(续1)
传统电力技术如何将一种频率的交流电变为另一种频率 的交流电？
1.3 电力电子技术的应用
图1-5 中国南方电网公司安顺换流站
图1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）
1.3 电力电子技术的应用
◆电子装置用电源
☞各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电 源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电 源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控 型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作 电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频 开关电源。
☞在大型计算机等场合，常常需要不间断电源 （Uninterruptible Power Supply__ UPS）供电， 不间断电源实际就是典型的电力电子装置。
1.3 电力电子技术的应用
◆家用电器 ☞电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，
正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 ☞空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、
电力电子新技术
第1章 绪论
1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介
1.1 什么是电力电子技术
■电力电子技术的概念 ◆可以认为，所谓电力电子技术就是应