电力电子技术(第4版)第1讲 绪论

电力电子技术
绪论
目前计算机电源占其设备的一半空间，使用开关电 源将使其小型化，研究表明，开关电源的工作频率从 20kHz 提 高到 1MHz,则电源中的 DC/DC 变换器的体积将缩小为原来的 1/7。 （5）汽车电子化： 高级汽车电动机控制系统 （6）家用电器： 调光灯、高频荧光灯、通风取暖设备、微波炉以及众多电动 机驱动设备都离不开电力电子技术。
Rs R1 Io R1 Vs Vo + Vs RL Vo
12V
R2
Vs
Io
12V
R2
(a)
(b)
(c)
图 0-2 分压电路图
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R2 R1 R 2 3 .3 12

，若 R1=1kΩ，可以算出 R2=379Ω，运用电工学
中所学的知识，可得到所设计的电源等效内阻为：
RS R1 R 2 R1 R 2 275
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不控型：不能用控制信号来控制开通和关断的功率半导 体器件，如电力二极管； 半控型：能用控制信号控制器导通，但不能控制其关断 的功率半导体器件，如晶闸管（SCR）及其派生器件（GTO 除外） ； 全控型：能用控制信号控制器导通和关断的功率半导体 器件 GTR， GTO， （静电感应晶闸管）， SITH IGBT， MOSFET， SIT（静电感应晶体管） ，MCT，IPM（集成功率模块） ，PIC （功率集成电路）等。
IGCT 3500A/6000V
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图 0-5 电流电压等级示意图
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电力电子技术课程教学大纲
课程编号： 学时：40 学分：2.5 开课学期：5 英文名称 ：POWER ELECTRONICS TECHNOLOGY 课程性质：专业指选课 开课专业：自动化 一、课程目的和任务 通过学习各种电力电子器件及电力电子电路的特性和使用方法，使学生了解电 力电子学科的发展动向，掌握各类变流装置的基本原理、控制方法、设计计算方法、 参数选择等，使学生具有较强的独立进行实验操作的技能，具有分析解决实验中各 类问题的能力。为电力电子建模与仿真、电力拖动自动控制系统、交流调速技术等 课程的学习打好基础。 二、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求） 1、熟悉和掌握晶闸管、GTR、GTO、电力 MOSFET、IGBT 等电力电子器件的 结构、原理、特性和使用方法； 2、熟悉和掌握各种基本整流电路的工作原理、输出波形，掌握不同性质负载对 电路工作特性的影响，并能对上述电路进行初步的设计计算； 3、熟悉和掌握直流斩波电路、逆变电路、交流—交流电力变换电路的结构特点、 工作原理、波形分析和控制方法； 4、掌握 PWM 技术的工作原理和控制特性； 5、掌握基本变流装置的调试实验和调试方法；
连续、离散
机
控制 理论
图 0-1 电力电子学图示
（模拟电子技术、数字电子技术又被称为信息电子技术）
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电力电子技术的定义：国际电气与电子工程师协会（IEEE）对 电力电子技术的定义为“有效地使用电力半导体器件，应用电路 和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控 制的一门技术， 它包括电压、 电流和频率、 波形等方面的变换。 ” 国内定义：以电力为处理对象的电子技术。具体地说，电力电 子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。 电力电子的出现，在强电和弱电两大领域之间构筑了桥梁，为 生产过程的自动化和信息化奠定了强有力的基础。
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第五章 交流—交流电力变换电路 (3 学时) 重点掌握单相相控式交流调压电路，掌握三相相控式交流调压电路，掌握交流 调功电路， 掌握单相输出交—交变频电路，了解三相输出交—交变频电路， 第六章 逆变电路 (4 学时) 掌握换流方式，重点掌握电压型逆变电路，掌握电流型逆变电路，了解多重逆 变电路和多电平逆变电路。 第七章 脉宽调制（PWM）技术 (3 学时) 重点掌握 PWM 控制的基本原理，掌握 PWM 逆变电路的控制方式，了解 PWM 逆变电路的谐波分析，了解跟踪型 PWM 控制技术，了解 PWM 整流电路及其控制方法。 实验一：单相半波可控整流电路实验； （2 学时） 实验二：单相桥式半控整流电路实验； （2 学时） 实验三：三相半波可控整流电路实验； （2 学时） 实验四：三相桥式全控整流电路实验。 （2 学时） 四、教学方法及手段 为适应新的课程内容体系，主动采用新方法、新手段进行教学，采用多媒体辅助教 学。积极使用 CAI 课件，开展电化教学成为主要手段，积极准备利用校园教学网络 开展对学生课外辅导。提高教学的互动性，方便了学生的学习和问题的及时解决。 提倡并探索多种形式的教学方式、考试方式，强调期末考试 电力电子技术的发展史
电力电子器件发展历史： （1）传统电力电子技术（1956～1980） 1956 年美国贝尔公司 发明了 PNPN 可触发晶体 管， 1957 年通用电器 （GE） 进行了商业化开发，并命 名为晶体闸流管，简称为晶闸管（thyristor）或可控硅（silicon controlled rectifier—SCR） 。
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（2）现代电力电子技术（1980～） ●以全控型（IGBT）为核心； ●特点：全控型，器件品种多、可靠性高，控制数字化、 集成化，高频化(GTO：1-2kHz，GTR：<5kHz，有的可达数百 kHz，SIT：10MHz)，多功能（除开关功能外，还增加驱动保护 功能） ，智能化； • 缺点：容量低。
等效电路如图（b）所示， 输出特性显然这个电源在 没有电流输出时，其输出 电压为 3.3V；有电流输出时， 其输出电压为 u o
uo
3.3V
0
图 0-3 分压器输出特性
12mA
io
3 .3 2 7 5 io ， io 为输出电流或负载电流。
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可以看出，随着电流增加输出电压线性下降，当输出电流 为 12mA 时，所设计的电源输出电压为零。也就是说，这个电 源对负载变化没有调节能力。 理想电压源输出电压不会随输出电流增大而下降，也就是 说输出电压对负载变化应该具有 100%的调节性能， 从电路角度 看，即电源等效内阻为零。 图 0-2（C）电压跟随器电路，显然其输出电压较分压器稳 定的多，电路中除了电阻损耗外，另附加了晶体管损耗。在大 功率应用中，大量的能量损耗在晶体管上，这些热量必须通过 散热器散掉，其效率也很低。
件
1974 年，美国学者 W.Newell 提出：电力 电子学是由电子学（器件、电路） 电力 、 学（静止变换器、旋转电机） 、控制理论 （连续、离散）三个学科交叉形成的。 现已与模拟电子学、数字电子学并列成 为三大电子学。如图 0-1 所示。
静
电子学
电力学
旋 、 电 转
止 器
电 路 、 器
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国内情况： ●1960 年我国研究成功硅整流管（Silicon Rectifying Tube/Rectifier Diode） ●1962 年我国研究成功晶闸管（Thyristor） ●上世纪 70 年代出现电力晶体管 （Giant Transistor－GTR） 、 电力场效应管（Metallic Oxide Semiconductor Field Effect Transistor－MOSFET）
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6 了解电力电子学科的发展动向。 三、教学内容与学时分配 第一章 绪论（1 学时） 掌握电力电子技术的基本概念、学科地位、基本内容和发展历史，电能变换技 术在国民经济中的作用及其发展前景，电力电子器件特点及其技术应用，了解本课 程在专业中的地位、任务及教学基本要求。 第二章 电力电子器件 (7 学时) 掌握各种电力二极管, 重点掌握半控型器件：晶闸管（SCR）工作原理、特性、 主要参数；掌握典型全控型器件：GTO、电力 MOSFET、IGBT；了解 IGCT、MCT、 SIT、 STIH 等其他电力电子器件； 掌握包括 SCR、 GTO、 电力 MOSFET、 GTR、 IGBT 等电力电子器件的驱动电路， 掌握电力电子器件的保护；掌握电力电子器件的串并 联。 第三章 整流电路 (12 学时) 重点掌握单相可控整流电路，三相可控整流电路，掌握变压器漏抗对整流电路 的影响，了解整流电路的谐波和功率因数， 掌握整流电路的有源逆变工作状态，了 解晶闸管直流电动机系统，掌握相位控制电路的驱动控制。 第四章 直流斩波电路 (2 学时) 重点掌握降压斩波电路，升压斩波电路，掌握升降压斩波电路，掌握复合斩波 电路及多相多重斩波电路。
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输出功率 P 设 u in
输出
u o io , P输 入 u in io ,效率
Po Pin

u o io u in i o

uo u in
15V
， uo
3 .3
则效率

uo u in

3 .3 15
22%
通过上述分析，可以看出变换器设计必须考虑两个方面问 题： 1.输出参数（电压）的稳定问题； 2.变换效率问题；效率很低的变换电路几乎没有应用价值。
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绪
论
0.1 电力电子技术的概念 0.2 电力电子技术的发展史 0.3 电力电子技术的主要内容 0.4 电力电子技术的应用与未来
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0.1
电力电子技术的概念
电力电子学，(Power Electronics)，出现于 20 世纪 60 年代。 又名：功率电子学、电源处理(Power Management)
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70 年代后期，功率场效应管（POWER MOSFET）开始进 入实用阶段，这标志着电力半导体器件进入高频化阶段。 以晶闸管为核心 特点：半控型，移相技术，分立元件； 缺点： ●器件品种少、可靠性差、控制模拟化，半控型需要强迫 关断电路，整机体积大、份量重、效率低； ●移相技术功率因数低，对电网产生谐波污染； ●分立结构工作频率低，应用范围受限制