电力电子技术教案

概述一什么是电力电子技术（一）定义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。

电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。

电力电子技术突出对“电力”变换，它变换的功率可以大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或更小。

（二）学科的组成及其研究任务1 电力电子技术的组成电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制技术三个部分。

目前，电力电子技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的中和性技术学科。

2 电力电子技术的研究任务它的研究任务有三方面的内容：(1)电力电子器件的应用；(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。

二电力电子器件的发展二十世纪五十年代，第一个晶闸管诞生后，在其后近五十年里，以器件为核心的电力电子技术的发展可分为两个阶段：1957~1980年成为传统电力电子技术阶段；1980年至今称为现代电力电子技术阶段。

（一）传统电力电子器件晶闸管的出现，一方面由于他的功率变换能力的突破，另一方面实现了以晶闸管核心强电变换电路的控制，使电子技术步入了功率领域，在工业上引起一场技术革命。

晶闸管发展的特点是派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。

截至1980年，传统的电力电子器件就已由普通晶闸管衍生出了双向晶闸管(TRIAC)、快速晶闸管(FST)、逆导晶闸管(RCT)和不对称晶闸管等。

同时，各类晶闸管的电压、电流、电压变化率、电流变化率等参数定额均有很大提高，开关特性也有很大改善。

传统的电力电子器件已发展到相当成熟的地步，但在实际应用上存在着两个制约其继续发展的因素。

提示控制功能上的欠缺，它通过门极只能控制开通而不能控制关断，所以称之为半控制器件。

直流传动、机车牵引、电化电源在应用方面成为当时的三大支柱，这些以晶闸管为核心的变流电路几乎是用了半个世纪，至今也没有多大改进。

由于这些电路的功率因数低、网侧负载上的谐波严重，因此阻碍了他们的继续发展，为电力电子变流电路带来新的转机。

另一方面，晶闸管系列器件的价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，尤其在特大功率应用场合，其它器件尚且不易替代。

在我国，以晶闸管为核心的应用设备仍有许多在生产现场使用，晶闸管及其相关的知识仍是初学者的基础，因此在本书中占据了一定大的篇幅。

（二）现代电力电子器件二十世纪八十年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力集成器件，从而使电力电子技术有传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。

现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件，这类器件分为三大类：双极型、单极型和混合型。

1 双极型器件指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件。

这类器件的通态压降低、阻断电压高、电流容量大，适合于中大容量的变流装置。

常见的有门极关断（GTO）晶闸管、功率晶体管（GTR）、静电感应晶闸管（SITH）。

2 单极型器件指在器件内部只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件。

这类器件的典型产品有：电力场控晶体管（电力MOSFET）和静电感应晶体管(SIT)。

单极型器件由多数载流子导电，无少子存储效应，因而开关时间短，一般在几十纳秒以下，所以工作频率高。

3 混合型器件混合型器件或双极-MOS(BI-MOS)。

所谓混合型是指双极型器件与单极型器件的集成混合。

它是用GTR、GTO晶闸管以及SCR作为主导器件，用MOSFET为控制器件混合集成之后产生的器件。

这种器件既具有GTR、GTO晶闸管及SCR等双极型器件电流密度高、导通压降低的优点，又具有MOSEFT等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。

因此，这种新型混合器件已引起人们的高度重视。

目前已开发的混合型器件有：肖特基注入MOS 门极晶体管(SINFET)、绝缘门极双极晶体管(IGT或IGBT)、MOS门极晶体管(MGT)、MOS 晶闸管(MCT或MCTH)等。

从总体看现代电力电子器件的主要特点是：集成化、高频化、多功能全控化。

三电力电子技术的应用领域变换电路是以电力半导体器件为核心，通过不同电路和控制方法来实现对电能的转换和控制。

它的基本功能是使交流（AC）和直流（DC）电能互相转换，分为以下几种类型：可控整流器（AC—DC）：把交流电压变换成为固定或可调的直流电压，如应用于直流电动机的调压调速、电解、电镀设备等。

有源逆变器（DC—AC）:把直流电压变换成为频率固定或可调的交流电压如应用于灯光控制、温度控制等。

无源逆变器（AC—DC—AC）：把固定或变化频率的交流电变换成频率可调的或恒定的交流电，如应用于变频电源、UPS、变频调术等设备。

直流斩波器（DC—DC）：把固定或变化的直流电压变换成为固定或可调的直流电压，如应用于电气机车、城市电车牵引等设备。

无触点电力静态开关：接通或切断交流或直流电流通路。

用于取代接触器、继电器。

控制技术是改进变流电路的性能和效率所不可缺少的关键技术之一。

对于晶闸管而言，其控制方法是调整器件的导通角，即控制触发脉冲预祝电路之间的相移角，称之为相控技术。

由全控型器件组成的变流电路中，多采用脉宽调制（PWM）技术，由于PWM技术可以有效的抑制谐波，动态响应速度快，是变流电路的性能大大提高。

无论是控制技术还是PWM技术，都在应用中不断的完善、改进，并涌现出许多专用集成触发（驱动）电路，给实际应用电路带来了简便、工作稳定和体积小等特点。

与此同时，变流电路的控制技术正朝着数字化的方向发展。

由电力半导体器件构成的变流电路，伴随着电力半导体的优点而呈现许多优势。

如体积小、重量轻、耐磨损、无噪声及维修方便；功率增益高、控制灵活；控制动态性能好、应快（毫秒激级或微秒级）、动态时间短；效率高、节省能源。

电力电子技术的应用范围十分广泛。

在交通运输、电力系统、通讯系统、计算机系统、新能源系统及在照明、空调等家电领域都发挥其重要作用，到处都能感受到电力电子技术的存在和其巨大魅力。

电力电子装置提供给的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频电源，所以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。

四本课程的教学要求和学习方法《电力电子技术》是主干课程之一。

电力电子技术是高等学校自动化、电气工程及其自动化等相关专业的主干课程之一。

学习本课程时，要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论要联系实际，尽量做到器件、电路、系统（包括控制技术）应用三者结合。

在学习方法上要特别注意电路的波形与相位分析，抓住电力电子器件在电路中导通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况，同时要注意培养读图与分析、器件参数选择、电路参数计算与测量、调整以及故障分析等方面的实践能力。

通过本课程的学习应达到以下要求：1 掌握晶闸管、电力MOSFET、IGBT等电力电子器件的结构、工作原理、特性和使用方法；2 掌握整流电路、直流变换电路、逆变电路、交流变换电路的结构、工作原理、控制和波形分析方法；3 掌握PWM技术的工作原理和控制特性，了解软开关技术的基本原理；4 掌握基本电力电子装置的实验和调试方法；5 了解电力电子技术的应用范围和发展动向。

电力电子器件、变换电路、控制技术都在不断发展与不断更新，所涉及的知识面广、内容丰富多彩。

在本课程的学习中还应注意与电工基础、电子技术基础、电机与拖动基础等知识的联系；在讲授和学习中注重概念、重视实验、识图等应用能力的培养。

第1章电力电子器件1.1 电力电子器件的基本模型定义：电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。

1.1.1 基本模型与特性-一、基本模型：电力电子器件可以抽象成下图1.1.1所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。

它只工作在“通态”和“断态”两种情况：通态时其电阻为零，断态时其电阻无穷大。

图1.1.1 电力电子器件的理想开关模型二、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。

（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。

为保证器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。

1.1.2 电力电子器件的分类一、按器件的开关控制特性可以分为以下三类①不可控器件：如：电力二极管（Power Diode）；②半控型器件：如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。

③全控型器件：如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolar Transistor）等。

二、电力电子器件按控制信号的性质不同又可分为两种：①电流控制型器件：如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；②电压控制半导体器件：如：代表性器件为MOSFET和IGBT。

1.2 电力二极管1.2.1 电力二极管及其工作原理一、电力二极管：1、电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器，简称SR。

属不可控电力电子器件，是20世纪最早获得应用的电力电子器件。

2、在中、高频整流和逆变以及低压高频整流的场合发挥着积极的作用,具有不可替代的地位。

二、PN结与电力二极管工作原理：基本结构和工作原理与二极管一样。

以半导体PN结为基础。

由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。

图1.2.1电力二极管的外形、结构和电气图形符号a）外形b）结构c）电气符号从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。

U），正向电流才开始明显增1、当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压TO加，处于稳定导通状态。

U即为其正向电压降。

2、与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压F图1.2.2 电力二极管的伏安特性曲线1.2.2电力二极管的开关特性及主要类型一、电力二极管的开关特性1 定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。

开通特性：电力二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。

关断特性：电力二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。

图1.2.3 电力二极管开过程中电压、电流波形t= t- t（1.2.1）延迟时间：d10t= t- t（1.2.2）电流下降时间：f21t= t+ t（1.2.3）反向恢复时间：rr d f二、电力二极管的主要类型：（1）普通二极管：普通二极管又称整流管，多用于开关频率在１kHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。