电力电子器件 第一章 绪论.ppt

现代电力电子器件原理与应用技术,曹世超Tel13663196991Emailcaomai614邢台职业技术学院电气系,参考书目,李序葆、赵永健.电力电子器件及其应用.华伟、周文定.现代电力电子器件及其应用.王兆安、黄俊.电力电子技术（第4版）.周克宁.电力电子技术.莫正康.半导体变流技术.,第一章绪论,1、什么是电力电子技术2、电力电子器件的发展史3、电力电子技术的应用4、课程的学习目标,1.1电力电子与信息电子1.2两大分支1.3与其他学科的关系1.4地位和未来,1、什么是电力电子技术,信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。,,电力电子技术使用电力半导体开关器件对电能进行高效率变换和控制的一门技术，即应用于电力领域的电子技术，又可称为功率电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。粗电→精电,1.1电力电子与信息电子,弱电,强电,变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和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。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。,电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。,1.2两大分支,电力交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。,电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流,表1电力变换的种类,进行电力变换的技术称为变流技术。,1.2两大分支,变流技术,电力电子学PowerElectronics名称60年代出现。1974年，美国的学者W.Newell用如图的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。,描述电力电子学的倒三角形,1.3与相关学科的关系,实现电能变换的“物质”手段。是电力电子学（技术）发展的根本推动力。控制弱控制强电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术控制理论是实现“弱电和强电的接口”的强有力纽带,都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件，为避免功率损耗过大,一般只工作在开关状态。二者同根同源。,与电子学（信息电子学）的关系,1.3与相关学科的关系,电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。,与电力学（电气工程）的关系,1.3与相关学科的关系,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。,与控制理论（自动化技术）的关系,1.3与相关学科的关系,电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱。计算机人脑电力电子技术消化系统和循环系统电力电子＋运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，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。,,,,1.4地位和未来,电力电子技术支撑科技,全球电子市场,历史是人类社会的一面镜子分析过去、现在有助于把握未来科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在，有助于把握未来,2、电力电子技术的发展史,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。,,,1904,,,,,,,,,1930,1947,1957,1970,1980,1990,2000,t年,,2、电力电子器件的发展史,电力电子器件的概念和特征,电子技术的基础,电力电子器件,电力电子电路的基础,电子器件晶体管和集成电路,,,概念Concept主电路（mainpowercircuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件（powerelectronicdevice）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件,电力电子器件的概念和特征,1.1.1,,,同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征,1电功率大小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件，即承受电压和电流的能力大，是最重要的特征；2工作在开关状态导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定；作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替。,电力电子器件的概念和特征,电力半导体器件使用特点,电力半导体器件稳态时通常工作在饱和导通与截止两种工作状态。饱和导通时，器件压降很小，而截止时它的漏电流小得可以忽略，这样在饱和导通与截止两种工作状态下的损耗都很小，器件近似于理想的开关但需要指出的是，电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成的（所需时间称开关时间），而是要经过一个转换过程（称开关过程）,,,简单的BJT电路,例如，图1-1所示电路中，当工作在饱和导通状态时管压降，，的管耗，截止的漏电流，即截止时的管耗。如果工作在线性放大状态时，设，则的管耗。,在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行,3需要由信息电子电路来控制,电气隔离,控制电路由应用电力电子器件的系统组成,驱动电路在主电路和控制电路之间，对控制电路的信号进行放大,4散热为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，而且在其工作时一般都要安装散热器。,电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式包括油冷式、水冷式和蒸发冷却式等。,电力电子器件的分类,按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为三类,半控型器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistorIGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristorGTO）,不可控器件,电力二极管（PowerDiode）只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。,通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。,晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定,全控型器件,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。,不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。,从控制方式来分类,按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，从驱动方式分为两类,1电流驱动型,电力电子器件的分类,2电压驱动型,通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制,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（又称为场控器件，或场效应器件）,,,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从导电机理分类,1单极型器件,2双极型器件,3复合型器件,由一种载流子参与导电的器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,,,,电力电子器件的分类,电力电子器件发展水平,在整流管类中，快速恢复二极管将有较大的发展在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速,1、电力电子器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的动力，电力电子技术的每一次飞跃都是以新器件的出现为契机。电力电子器件的发展方向主要体现在以下几个方面（1）大容量化。应用先进的微电子制造工艺，使单个器件的电压、电流容量大幅度的提高，以满足高电压、大电流的使用需要。,发展方向,（2）高频化。采用新型半导体材料、新工艺，在一定的开关损耗下，尽可能提高器件的开关速度，使电力电子装置运行在更高频率。频率的提高不仅可以提高系统的性能、改善波形，而且还可以大大减小装置的体积与重量。理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率是平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20KHz，提高400倍的话，用电设备的体积大体下降至工频设计的5--10。传统的整流行业的电镀、电解、电力合闸等各种直流电源根据这一原理进行改造，成为“开关变换类电源”，材料可以节约90或更高，节电30或更多。,电力电子技术的方向,（3）易驱动。由电流驱动发展为电压驱动，大力发展MOS结构的复合器件，如IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、MCT（MOS场控晶闸管）等。由于驱动功率小，可以研制专用集成驱动模块，甚至可以把驱动电路与器件集成在一个芯片中。（4）降低导通压降。研制正向压降比肖特基二极管更低的器件，以提高变流装置的效率、节省电能。（5）功率集成化。充分应用集成电路工艺和技术，将驱动、保护、检测、自诊断等功能与电力电子器件集成于一块芯片，将其做成功率集成电路（PIC），实现集成电路功率化、功率器件集成化，使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口，并逐步向智能化、标准化方向发展。,电力电子技术的方向,（6）模块化。采用陶瓷或塑封化、表面贴装化和桥式电路结构等制造新工艺，新结构，将几多个器件组合、封装在一起，以缩小模块体积、减小连线。如将几个IGBT器件与续流二极管以及保护电路、检测电路、驱动电路等组成桥式模块，称为智能器件模块，简写IPM。模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的干扰降到最低，提高了系统的可靠性。,电力电子技术的方向,（7）绿色化。电源系统的绿色化有两层含义首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，发电可以造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能对电网产生污染，国际电工委员会对此制定了一系列的标准。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源，向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多的毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种修正功率因数的方法。这些为21世纪批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。,电力电子技术的方向,2、变流电路与控制电路的发展。传统的电力电子技术以整流为主导，以移相触发（相控）、PID模拟控制为主。20世纪80年代以来，随着高频全控器件的出现，逆变、斩波电路应用日益广泛。由于逆变、斩波电路都需要直流电源，因此，整流电路仍占重要的地位。在逆变、斩波电路中，由于脉宽调制技术的大量应用，使得变流装置的功率因数提高、谐波减少、动态响应加快、特别是以微处理器为核心的数字控制代替了模拟控制，并应用坐标变换的矢量控制，使电力电子技术日臻完善。,电力电子技术的方向,新的控制技术的使用，以减小电力电子器件的开关损耗，如软开关技术通过谐振电路使得器件在零电压（ZVS）或零电流（ZCS）的状态下进行开关，它可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率。这样，电力电子应用系统向着高效、节能、小型化和智能化的方向发展。,电力电子技术的方向,国际知名电力电子器件制造商,TexasInstrument（德州仪器，简写TI）InternationalRectifier（国际整流器,简写IR）Fairchild（仙童公司）HarrisSemiconductorTelecomNationalSemiconductor,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、航海电力系统高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿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,3、电力电子技术的应用,轧钢机,数控机床,冶金工业,电解铝,1）一般工业,2）交通运输,3）电力系统,SVC,高压直流装置HVDC,柔性交流输电FACTS,4）电子装置用电源,程控交换机,电子装置,微型计算机,5）家用电器,6）其他,大型计算机的UPS,航天技术,新型能源,风力发电,,交流发电机,整流电路,蓄电池,频率变换电路,负载,工频电源,,,,,,,风车,机器人控制,总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。当前，电子电子作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加的成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以这样说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵中的变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。,本课程是一门横跨电力、电子、自动控制三门课程的交叉边缘学科，是利用大功率半导体器件对电能进行变换与控制的专业课程。,4、课程的学习目标,本课程的目标是使学生充分理解电力电子器件对电能进行变换和控制的基本理论与概念，要求学生熟悉1）各种电力电子器件的工作原理、基本特性；（重点）2）器件的驱动和保护；3）简单的电力电子电路分析。（难点）,