电力电子技术绪论

绪论电力电子技术

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February 14, 2000
绪论电力电子技术
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课程的教学基本要求
• 课堂讲授 • 作业 • 实验 • 考试
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本课程与其他课程的联系
• 本课程的先修课程为：电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学。
• 想更加深入了解电力电子器件的半导体物理原理的学生可选修电力电子器件。
–工业、能源、交通、国防、金融 –家用电器，等等
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学习、应用中应特别注意的问题
• 功率因数 • 谐波 • 效率 • 系统价格（成本）、性能、性能价格比 • 能量变换的基本观点
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绪论电力电子技术
考试方式与成绩评定
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参考书目
• 半导体变流技术（第三版）
–黄俊
机械工业出版社
• 电力电子技术
（第一版）
–周明宝
机械工业出版社
• 现代电力电子技术（第一版）
–张立
科学出版社
• 电力电子技术习题集（第一版）
–叶斌
中国铁道出版社
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3rew
• 重点：交－交变频电路（周波变流器）的原理及电路。
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绪论电力电子技术
第八章电力电子器件的门（栅）极控制电路
• 掌握晶闸管对触发电路的要求，了解单结晶体管及普通晶体管移相触发电路及GTO、IGBT、 MOSFET等器件对触发电路的要求。

电力电子技术第1讲绪论

变流电路的发展
整流器时代逆变器时代变频器时代
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控制技术的发展
电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。
与控制理论（自动化技术）的关系
控制理论广泛用于电力电子系统中电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口控制理论是这种接口的有力纽带电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术
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电力电子学的本质
根本目的：为了更好地使用电能（节能）根本手段：电力电子技术是使用功率半导体器件对电
成果、新进展
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(GTO)、电力场控晶体管(功率MOSFET)、静电感应晶体管 (SIT)、MOS控制晶闸管(MCT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT) 等第三代电力电子器件：高频化、标准模块化、集成化和智能化。功率集成电路(PIC)分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类
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电子装置电源：为信息电子装置提供动力
家用电器： “节能灯”、变频空调
其他： UPS、航天飞行器、新能源、发电装置
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应用1
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应用2
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应用3
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应用4
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应用5
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西安交通大学电力电子技术绪论 ppt

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1904
1930
1947
1957
1970
1980
1990 2000
t(年)
电子管问世水银（汞弧）整流器时代
晶闸管时代
IGBT及功率集成器件出现和发展时代
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第一个晶闸管为标志的。
1.2 电力电子技术的发展史
晶闸管时代
史前期（黎明期）晶闸管问世， (“公元元年”)
与控制理论（自动化技术）的关系

控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。
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1.2 电力电子技术的发展史
晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
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1.2 电力电子技术的发展史
史前期（黎明期）晶闸管问世， (“公元元年”) 全控型器件迅速发展时期
晶体管诞生
1904
1930
1947
1957
1970
1980
1990 2000
t(年)
把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。
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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）
史前期（黎明期）晶闸管问世， (“公元元年”) 全控型器件迅速发展时期
晶体管诞生
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由可使其关断。

电子行业电力电子技术-绪论

电子行业电力电子技术-绪论一、引言随着科技的不断进步和社会的不断发展，电子行业的地位日益重要。

而在电子行业中，电力电子技术起着至关重要的作用。

电力电子技术是指将电能进行变换、控制和调节，使其达到特定的要求和应用的一种技术。

电力电子技术广泛应用于能源转换、电力传输、电力控制、驱动及工业自动化等领域，对于提高能源利用率、降低能源消耗和环境保护具有重要意义。

二、电力电子技术的定义和发展历程2.1 定义电力电子技术是指应用电子器件和电子技术对电能进行变换、控制和调节的一种技术。

它通过改变电能的电压、频率和波形，实现电能的转换和使用。

电力电子技术是电力系统和电子技术的结合，它在电力传输、能量利用、电力控制和驱动系统等方面发挥重要作用。

2.2 发展历程电力电子技术起源于20世纪初，经过了多年的发展和演变。

最早的电力电子装置是静态电动机起动器，它通过电子管和晶体管等器件实现起动电机的功能。

随着电子器件的不断发展和技术的进步，电力电子技术开始应用于交流电力系统的变频调速、可变电压调节等方面。

在20世纪60年代至80年代，随着功率半导体器件的出现，如可控硅、晶闸管和场效应管等，电力电子技术取得了重大突破。

电力电子技术在调速控制、无功补偿、静止无功发生器和电压变换器等方面得到广泛应用。

21世纪以来，电力电子技术在可再生能源、电动汽车和智能电网等领域的应用得到了进一步推广和发展。

新型功率半导体器件的出现，如IGBT 和SiC器件，使得电力电子技术的性能和效率得到了大幅提升。

三、电力电子技术的应用领域电力电子技术广泛应用于以下领域： ### 3.1 交流调速控制交流调速控制是电力电子技术最早应用的领域之一。

通过电力电子器件对交流电源的频率、电压和相位进行控制，实现交流电机的调速控制。

交流调速控制在工业生产中被广泛应用，例如电动机、泵、风机等设备的调速控制。

3.2 电力传输和配电电力电子技术在电力传输和配电领域的应用越来越重要。

发展历史1904年，电子管出现，从而开创了电子技术之先河；1948年，晶体管发明，引发了电子技术的一场革命，真空电子管被晶体管所替代。

20世纪60年代以后，随着IC（集成电路）、LSI（大规模集成电路）等新器件的陆续开发，电子技术在处理小信号的通信、信息、测量、控制等领域取得了显著发展，信息电子技术的鼎盛时代从此开始，并延续至今日。

1957年，美国通用电气公司研制出第一个晶闸管（Thyristor）或Silicon Controlled Rectifier（SCR，可控硅），晶闸管因电气性能和控制性能优越，其应用范围迅速扩大。

随着电力半导体器件在大容量方面的发展，控制电力半导体器件的新技术也不断出现，电子技术逐渐向功率控制扩展，从而形成了电力电子学。

处理大功率的技术是采用什么器件呢？在真空电子管出现后不久，就发明了能够通过大电流的气体放电管（闸流管）。

20世纪30年代，采用闸流管进行电动机控制研究实用化。

在30年代到50年代，可处理数百千瓦以上功率的大容量水银整流器发展迅速并进入大量应用的时期，它广泛用于电化学工业、电气化铁路、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。

一般认为，电力电子学的诞生是以晶闸管的发明为标志。

20世纪60年代以后，以晶闸管为代表的各类高电压、大电流电力半导体开关器件相继研制成功并得到广泛应用，电力电子技术迅猛发展。

最近十几年，以微电子技术精细加工为基础的高频、高压、大电流、全控型电力半导体开关器件的研制工作发展迅速，电压电流额定值更高、性能更优良、开关速度更快的新器件有望得到广泛应用。

当前，电力电子技术所涉及的功率等级从几微瓦至几十亿瓦，而工作频率范围则从直流至几百万赫兹。

电力电子技术是弱电控制强电的技术信息控制—以弱电形式出现电网—提供生产机械的能源、以强电形式出现生产机械—负载电力电子技术—根据信息控制，执行对电网能量变换，使生产机械按信息控制要求工作。

或者说，电力电子技术通过电力电子器件进行电力变换和电力控制，向用户提供适合其负载的最佳电压和电流电力电子技术的发展趋势1.向容量更大和更小的两个方向发展2.向集成化方向发展高可靠性、高自动化、高性能、标准化的要求。

第1章电力电子绪论

R1
Vs Io
12V
R2 Vo
Rs Io R1
Vs
12V
Vo
+- Vs
R2 RL
(a)
(b)
(c)
等效电路如图（b）所示，输出特性
Vo
显然这个电源在没有电流输出时，其 3.3V
输出电压为3.3V；有电流输出时，其
输出电压为
IO为输出电流或负B 载电流。
o
i
1-1分压器、电压跟随器及输出特性
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。
v
(a) 切换电阻方式直流电源
t
直流电压 M 直流电动机控制
改善乘坐舒适感（连续调速）节能（降低电阻损耗）
(b) 斩波电路方式 (c) 逆变电路方式
直流电源
半导体开关（斩波电路）
v
t
直流电压
M
直流电动机
控制
免维护（无电刷）小而轻（高速运转）
直流电源
频率变换电路（逆变电路）
图1.1 电车的调速方式
基本分类
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：
1、双极型电力电子器件：是指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,这类器件具有通态压降低、阻断电压高、电流容量大等优点,适用于中大容量的变流装置和电动机的驱动控制。
这类器件有巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。
1.1.6 电力电子器件的种类
一般特征（与信息处理器件比较）表现在以下几个方面：

第一章电力电子技术绪论

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。
前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，
甚至达到20~30ns。
电力二极管的主要类型
3. 肖特基二极管（以金属和半导体接触形成的）
肖特基二极管的弱点
反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。
2、正向压降UF—指电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降
3、反向重复峰值电压URRM—指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压
I IF
O UTO UF U 电力二极管的伏安特性
电力二极管的主要参数
I
4、最高工作结温TJM—在PN结不受损坏的前提下，二极管所
能承受的最高平均温度。一般在125-175℃范围内。
1.3.3 晶闸管的主要参数
IA 正向导通
2）电流定额
- URSMURRM UA
IH
IG2 IG1 IG=0
O
UDRUMDSMUbo +UA
雪崩击穿
通态平均电流 IT(AV）
——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定-IA结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定
1930
1947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
水银整流器时代
晶闸管时代
IGBT及功率
集成器件出现和发展时代
电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。
3 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
IF O UTO UF U