电力电子的发展

1、1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术1.2 电力电子的特性电力电子的特性1.3 电力电子发展史电力电子发展史电力电电力电子技术子技术 由根据电力电子器件的特性，采由根据电力电子器件的特性，采用一种有效的静态的变换、控制用一种有效的静态的变换、控制方法，把一种输入变换为所需要方法，把一种输入变换为所需要的另一种输出形式的另一种输出形式 。下 页返回下 页上 页返 回目的目的方法方法电气和电子元件，线性以及非线性电电气和电子元件，线性以及非线性电路控制理论的应用，成熟的设计技巧路控制理论的应用，成熟的设计技巧的使用；使用先进的分析工具的使用；使用先进的分析工具 。 控制功率从电源流向负载，

2、实现高控制功率从电源流向负载，实现高效、高可靠性、高实用性的控制并效、高可靠性、高实用性的控制并使用体积小、质量轻、损耗低的器使用体积小、质量轻、损耗低的器件。件。 下 页上 页返 回l高实用性高实用性不使用像发热电子管以及不使用像发热电子管以及电解电容器等等这些时限电解电容器等等这些时限很短的器件很短的器件 。l高可靠性高可靠性 避免使用需要周期性维护避免使用需要周期性维护或替换的旋转器件或替换的旋转器件 。下 页上 页返 回电力电子设备的主要目的电力电子设备的主要目的处理电气功率处理电气功率控制交流或直流电源与一个或控制交流或直流电源与一个或者多个需要此交流或直流电源者多个需要此交流或直流

3、电源的负载之间的功率的传输。的负载之间的功率的传输。 功能功能由接在变换器终端的电阻组由接在变换器终端的电阻组成的一个或多个负载的需要成的一个或多个负载的需要来决定来决定 。 l功率传输功率传输下 页上 页返 回交直流电流变换器交直流电流变换器功率调节器功率调节器下 页上 页返 回四大类电力电子功率变换设备四大类电力电子功率变换设备1. AC-AC变换器变换器调节阻抗是电阻、电容或电感。调节阻抗是电阻、电容或电感。这种变换这种变换器常用做交流功率控制器。器常用做交流功率控制器。 电源和负载之间的时间间隔是电源和负载之间的时间间隔是thigh ，则其呈现高阻抗则其呈现高阻抗 电源时间间隔是电源时

4、间间隔是tlow，则呈现低阻抗，则呈现低阻抗 可变阻抗可变阻抗R,C或或L交流负载交流负载交流电源交流电源下 页上 页返 回2. AC-DC变换器变换器l整流整流 交流通过特性不对称的非线性电交流通过特性不对称的非线性电阻变换为直流。阻变换为直流。 整流过程可控整流过程可控 非线性电阻非线性电阻直流负载直流负载交流电源交流电源ui下 页上 页返 回3. DC-AC变换器变换器l反向整流反向整流 用功率调节装置，使直流电源用功率调节装置，使直流电源得到负载为交流形式的功率。得到负载为交流形式的功率。 无源（有源）无源（有源）阻抗阻抗交流负载交流负载直流电源直流电源+ +- - 电源和负载之间能量

5、的流动由功率调节装置控制电源和负载之间能量的流动由功率调节装置控制 下 页上 页返 回有源电阻的值在直流操作点（有源电阻的值在直流操作点（U1，I1）和（）和（U2，I1）之间变化，电压之间变化，电压U2 U1时，电流时，电流I2 UIN或者或者IOUT IIN 。 该变换器输出端平均电压该变换器输出端平均电压必须必须比输入端平均电压比输入端平均电压高，或输出端平均电流比输入端平均电流高。高，或输出端平均电流比输入端平均电流高。 + +- -UINUOUTRLIINIOUT+ + + + - - - - 下 页上 页返 回(min)acOUTOUTINPUII如果如果UOUT UIN(min)

6、acOUTOUTINPIUUDCDC变换过程中，交流输入电源作为中间过变换过程中，交流输入电源作为中间过程可能完全被转换为交流电源。程可能完全被转换为交流电源。 DCDC变换过程必须由交流电源作为中间过程。变换过程必须由交流电源作为中间过程。如果如果 IOUT IIN，最小交流功率为：，最小交流功率为：下 页上 页返 回电力电子技术迅速发展，与全球能源、环境等问电力电子技术迅速发展，与全球能源、环境等问题息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度题息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标准。的标准。下 页上 页返 回下 页上 页返 回下 页上 页返 回下 页上 页返 回磁放大器磁放大器 可作

7、为可饱和电抗器及饱和电抗器可作为可饱和电抗器及饱和电抗器+ +- -RLNCRCNLNCNLiLiCUCUACRCRL+ +- -NCNLNCNLiLiCUCUAC 串联连接磁放大器串联连接磁放大器并联连接磁放大器并联连接磁放大器输出输出绕组绕组控制控制 绕组绕组 不包含发热装置、电阻丝和旋转元件。不包含发热装置、电阻丝和旋转元件。 磁放大电路是一种高效的电力电子电路。磁放大电路是一种高效的电力电子电路。 下 页上 页返 回真空电子管真空电子管 下 页上 页返 回真空电子管与磁放大器的区别真空电子管与磁放大器的区别真空电子管电源是直流电压，真空电子管电源是直流电压，电源是交电源是交流电压。流电

8、压。 真空电子管在大部分低功率设备的应用上由于其真空电子管在大部分低功率设备的应用上由于其显著的性能，得到了迅速发展。显著的性能，得到了迅速发展。下 页上 页返 回l充气闸流管充气闸流管 l汞弧引燃管汞弧引燃管当使能信号施加在第三个电极上时，气体开始放电，当使能信号施加在第三个电极上时，气体开始放电，有单向电流和一个相对较低的电压流过。有单向电流和一个相对较低的电压流过。闸流管的栅极防止阳极与阴极之间产生电弧，直到闸流管的栅极防止阳极与阴极之间产生电弧，直到经过预先设定的循环时间。经过预先设定的循环时间。有一个电流脉冲流过第三个电极（点火器），在有一个电流脉冲流过第三个电极（点火器），在每次导

9、通开始时，点燃液体汞中的阴极点。每次导通开始时，点燃液体汞中的阴极点。相同点下 页上 页返 回电机放大器电机放大器 是电动机和发电机的有效组是电动机和发电机的有效组合，外面没有旋转轴。合，外面没有旋转轴。l自饱和磁放大器自饱和磁放大器改变整流器前向导通和反向模块之间阻抗改变整流器前向导通和反向模块之间阻抗的状态，调整了非线性变换对铁心的影响的状态，调整了非线性变换对铁心的影响，用简单的电路配置实现高功率增益。，用简单的电路配置实现高功率增益。采用镍铁磁心材料和镍铁导磁合金，使干式氧化采用镍铁磁心材料和镍铁导磁合金，使干式氧化铜和硒整流器得到了发展和改进。铜和硒整流器得到了发展和改进。下 页上

10、页返 回汞弧汞弧的单的单向性向性汞弧汞弧整流器整流器steel-tank整流器整流器汞气整流器汞气整流器（闸流管）（闸流管）栅极可控栅极可控下 页上 页返 回半导体器半导体器件的发展件的发展变换器拓变换器拓朴结构朴结构PWMPWM技术技术分析及仿分析及仿真方法真方法控制和估控制和估算技术算技术计算机计算机数字信号数字信号处理处理集成芯片集成芯片硬件和软硬件和软件控制件控制电力电子电力电子进步进步下 页上 页返 回晶闸管（可硅晶闸管（可硅控整流器）控整流器）可控硅、门极可关可控硅、门极可关断晶闸管（断晶闸管（GTO）双极功率晶双极功率晶体管（体管（BPT双极结型晶双极结型晶体管（体管（BJT）电

11、力场效应电力场效应晶体管晶体管（MOSFET）绝缘栅双极晶绝缘栅双极晶体管（体管（IGBT）静态感应晶体静态感应晶体管（管（SIT）MOS控制晶控制晶闸管（闸管（MCT）集成门极换集成门极换流晶闸管流晶闸管（IGCT）现代固态现代固态电力电子电力电子学学下 页上 页返 回 在低频应用当中，在低频应用当中，晶闸管晶闸管仍然是处理高功率所不可仍然是处理高功率所不可缺少的器件。缺少的器件。下 页上 页返 回 IGBT开关频率比开关频率比BJT高很多，在正向偏置安全工高很多，在正向偏置安全工作区内可以不需要缓冲器。作区内可以不需要缓冲器。 IGBT模块（模块（IPM）应）应用在内置门极驱动器。具有沟槽

12、栅技术的现代（第用在内置门极驱动器。具有沟槽栅技术的现代（第四代）四代）IGBT模块比二极管的导通压降稍高，具有较模块比二极管的导通压降稍高，具有较快的开关速度。快的开关速度。 MCT开关频率比开关频率比IGBT模块低许多，应用到软开模块低许多，应用到软开关变流器中时，不受关变流器中时，不受RBSOA的限制。的限制。下 页上 页返 回IGCT比比GTO的导通压降低，有较快的开关速度，的导通压降低，有较快的开关速度，带有旁路二极管的单片集成电路，不用缓冲器操作，带有旁路二极管的单片集成电路，不用缓冲器操作，容易实现连续运行。容易实现连续运行。有擎住结构，其中载流有擎住结构，其中载流子从阳极和阴极

13、注入。子从阳极和阴极注入。相控晶闸管相控晶闸管快速晶闸管快速晶闸管GTOIGCT 普通晶闸管不能自行关断普通晶闸管不能自行关断下 页上 页返 回带有集成过电压保护，简化了门极控制，提高带有集成过电压保护，简化了门极控制，提高了晶闸管应用在大功率、高电压中的可靠性。了晶闸管应用在大功率、高电压中的可靠性。双向控制晶闸管双向控制晶闸管在一个晶片上的两个反并联晶闸管组成，两在一个晶片上的两个反并联晶闸管组成，两个门极相互独立。保留了大功率变换器的钳个门极相互独立。保留了大功率变换器的钳位、内部结构和技术。位、内部结构和技术。光控晶闸管光控晶闸管下 页上 页返 回在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用功率范围大功率范围大击穿场强高击穿场强高导热性高导热性高饱和电子漂移速率高饱和电子漂移速率高对化学反应或高对化学反应或高气压呈高惰性气压呈高惰性辐射电阻高辐射电阻高 碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升到到600时也能运行。时也能运行。 肖特基和结势垒肖特基（肖特基