电力电子技术绪论

1、电力电子技术电力电子技术-绪论绪论 Power Electronics南航南航电力电子电力电子课程组课程组 联系方式联系方式 刘福鑫刘福鑫: 南京航空航天大学航空电源重点实验室南京航空航天大学航空电源重点实验室 明故宫校区智能楼明故宫校区智能楼301室室 nTel: 84892053（office） nE-mail： n什么是电力电子技术什么是电力电子技术n电力电子技术的发展电力电子技术的发展n电力电子技术的应用电力电子技术的应用n学习方法介绍学习方法介绍n什么是电力电子技术什么是电力电子技术n电力电子技术的发展电力电子技术的发展n电力电子技术的应用电力电子技术的应用n学习方法介绍学习方法介绍

2、 IEEE PE分会：分会：有效地利用电力半导体器件，应用电路和设计理论有效地利用电力半导体器件，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制的一门技术基础：基础：电力半导体器件电力半导体器件手段：手段：电路分析和控制理论电路分析和控制理论对象：对象：电能的变换和控制电能的变换和控制什么是电力电子学什么是电力电子学电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现1974年，美国的W. Newell用图中的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力

3、电子技术模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与（信息）电子技术的关系与（信息）电子技术的关系p都分为都分为器件器件和和电路电路两大分支；两大分支； 电子技术：电子器件，电子电路电子技术：电子器件，电子电路 电力电子技术：电力电子器件，电力电子电路电力电子技术：电力电子器件，电力电子电路p器件器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术；的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术；p电路电路的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同；的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同； p电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态

4、；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一般只工作在开关状态。电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 二者同根同源二者同根同源信息处理信息处理应用功率半导体器件，对电能进行变换包括电压、电流、频率和波形等方面的变换，以达到使电能更好的符合各种用电设备的要求。即应用于电力领域的电子技术与（信息）电子技术的关系与（信息）电子技术的关系依靠电子器件实现电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接收。电力变换电力变换与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力技术的关系与电力技术的关系 从发电角度来说，利用电力电子技术从发电角度来说，利用电力电子技术高效产生

5、电能高效产生电能； 从用电角度来说，利用电力电子技术可以进行节能改造，从用电角度来说，利用电力电子技术可以进行节能改造，提高用电效率提高用电效率； 从输、配电角度来说，必须利用电力电子技术从输、配电角度来说，必须利用电力电子技术提高输配电质量提高输配电质量。与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（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。p根本目的根本目的：为了更好地使用电能（节能节能），并使电能更好地符合各种不同用电设备的要求，以实现“高效率用电和高

6、品质用电”的目标。 p根本手段根本手段：使用功率半导体器件功率半导体器件对电能进行变换p具体方法具体方法：包括电压、电流、频率和波形电压、电流、频率和波形等方面的变换。电力电子学的本质电力电子学的本质n什么是电力电子技术什么是电力电子技术n电力电子技术的发展电力电子技术的发展n电力电子技术的应用电力电子技术的应用n学习方法介绍学习方法介绍电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲若干阶段：若干阶段：不控，半控，电流全控，电压全控，功率集成电路。不控，半控，电流全控，电压全控，功率集成电路。 电力电子技术发展电力电子技术发展器件发展器件发展电

7、力电子器件的发展电子管可控硅大功率IGBT和MOSFET等高压、大电流、易控制、智能化器件奠立了电力电子技术在电力系统中应用的基础q可控性：半控（可控导通）全控（可控导通与关断）晶闸管(SCR)GTO, GTR, MOSFET, IGBT, MCTq主要种类： 晶闸管系列： SCR, GTO，MCT 功率管系列： GTR，MOSFET，IGBT对于器件对于器件A：理想器件：理想器件：开关瞬间完成，正向导通压降为零，关断漏电流为零开关瞬间完成，正向导通压降为零，关断漏电流为零 实际器件：总体而言，实际器件：总体而言，开关速度和导通压降存在矛盾开关速度和导通压降存在矛盾B:以开关方式工作的电力半导

8、体器件是现代电力电子技术的基础和核心。以开关方式工作的电力半导体器件是现代电力电子技术的基础和核心。 电力半导体器件的发展电力半导体器件的发展晶闸管（晶闸管（ SCR ）：）：开关频率低，直流输电等大功率领域，开关频率低，直流输电等大功率领域， 10000V、6000A大功率晶体管（大功率晶体管（GTR）：）：开关频率较低，低饱和压降，几百千开关频率较低，低饱和压降，几百千 瓦以下，瓦以下， 1000A/1200V功率功率MOSFET：开关频率高，可上开关频率高，可上MHz，高压器件通态压降，高压器件通态压降 大，中小功率低压场合大，中小功率低压场合IGBT：开关频率较高，一般低于：开关频率较

9、高，一般低于50kHZ，600V6.5kV, 13500A，10MW级，将取代级，将取代GTR、GTO智能化功率器件：智能化功率器件：power IC、IPM等，等，智能化智能化电力半导体器件的发展电力半导体器件的发展汞弧器件到目前的硅半导体器件汞弧器件到目前的硅半导体器件器件的器件的体积体积：减小了：减小了3 到到4 个数量级；个数量级；大功率时的大功率时的开关时间开关时间：从：从毫秒毫秒级降到了级降到了微秒微秒级，低功率时级，低功率时 甚至达到了甚至达到了纳秒纳秒级；级；工作频率工作频率：从：从50Hz 增加到增加到兆赫兆赫级；级；变流器的功率水平变流器的功率水平：从：从微伏安微伏安提高到

10、提高到几百兆伏安几百兆伏安；封装与制造技术封装与制造技术：从：从单片微电子芯片制造技术单片微电子芯片制造技术直至用到直至用到高电压技术高电压技术开关速度，功率不断提高。开关速度，功率不断提高。电力半导体器件的发展电力半导体器件的发展电力电子技术的两大分支电力电子技术的两大分支电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术u电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）u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。u电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力交流和直流两种 从公用电网直接得

11、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 电能变换技术介绍电能变换技术介绍充分应用器件的性能，实现各种具有优良性能的变换电路： 软开关、新应用电力电子装置类型电力电子装置类型n电力电子装置分类（P3）q可控整流器 把交流电压变换成固定或可调的直流电压；（AC DC）q逆变器 把直流电变换成频率固定或可调的交流电； （DC AC）q交流调压器 把固定或变化的交流电压变换成可调或固定的交流电压；（AC AC）q斩波器 把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压； （DC DC）n什么是电力电子技术什么是电力电子技术n电力电子技术的发展电力电子技术的发展n电力电子技术的应用电力电

12、子技术的应用n学习方法介绍学习方法介绍3. 电力电子技术的应用一般工业：一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：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：电子装置电源： 为信息电子装置提供动力家用电器：家用电器： “节能灯”、变频空调其他：其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置应用领域十分广泛，几乎无所不在功率范围从数百MW乃至GW，直到W甚至mW数量级 电动汽车电动汽车（EVEV）和）和混合动力电动汽车混合动力电动汽车（HVHV）在）在节能和减少环境污染节能和减少环境污染方面起方面起到举足轻重的作

13、用。到举足轻重的作用。 电动汽车是电力电子与电力传动技术的电动汽车是电力电子与电力传动技术的主要应用场合之一，也是目前电力电子主要应用场合之一，也是目前电力电子与电力传动技术研究的一个重要方向。与电力传动技术研究的一个重要方向。 绿色照明工程：发展节能光源，节能电器绿色照明工程：发展节能光源，节能电器和节能灯具，实施节能照明。和节能灯具，实施节能照明。 电力电子技术在这个领域的应用，对电力电子技术在这个领域的应用，对缓解缓解能源压力和环境保护能源压力和环境保护有积极作用。有积极作用。 如荧光灯的效率大概比普通的白炽灯高如荧光灯的效率大概比普通的白炽灯高2 23 3 倍，采用倍，采用电子整流器电

14、子整流器来驱动荧光灯可以来驱动荧光灯可以再提高再提高2020的效率。的效率。 最近发展起来的最近发展起来的固态照明技术固态照明技术：高流明发：高流明发光二极管（光二极管（HBLEDHBLED），广泛应用于交通信），广泛应用于交通信号灯。号灯。 其应用需要其应用需要PFCPFC电源。电源。n电力电子在新能源发电技术方面的应用风力发电、光伏发电、燃料电池n用户电力电子技术电力电子在新能源中的应用电力电子与关键科技电力电子与关键科技n能源：能源的产生、传输、变换等环节能源：能源的产生、传输、变换等环节n环保：储能同题、能量转换问题、能量输配的问环保：储能同题、能量转换问题、能量输配的问题、避免污染的

15、装置等都与电力电子有很大关系题、避免污染的装置等都与电力电子有很大关系n信息与通信：这是过去信息与通信：这是过去10年中发展最快的产业，年中发展最快的产业，通信电源、手机电源、充电器、计算机电源等通信电源、手机电源、充电器、计算机电源等n生命科学：很多医学工程上都用到电力电子，如生命科学：很多医学工程上都用到电力电子，如人工心脏关键部分就有一个开关电源人工心脏关键部分就有一个开关电源n工业生产；生产自动化主要靠电力电子来工作工业生产；生产自动化主要靠电力电子来工作n交通：在航天、航空、地铁、电动汽车等方面交通：在航天、航空、地铁、电动汽车等方面现代电力电子应用现代电力电子应用n电力电子对电力电

16、子对能源和环保能源和环保起着非常重要的作用起着非常重要的作用n目前所有的能源中电力方面的能源约占目前所有的能源中电力方面的能源约占40%，约，约40%是经过电力电子的设备转换。其中是经过电力电子的设备转换。其中55%以上以上是用在马达和马达控制，是用在马达和马达控制，20%是用在照明是用在照明n如果采用好的电力电子技术，至少可节省约如果采用好的电力电子技术，至少可节省约l3的能源，相当于的能源，相当于840个发电厂发出的电能个发电厂发出的电能现代电力电子应用现代电力电子应用n现在发达国家电能的现在发达国家电能的75%要经过电力电子变换或要经过电力电子变换或控制后使用，预计控制后使用，预计21世

17、纪将达到世纪将达到95%以上以上n目前我国经过变换使用的电能仅占目前我国经过变换使用的电能仅占30%，远远达，远远达不到应用电力电子技术才能实现的效果不到应用电力电子技术才能实现的效果n到到2010年末，我国发电装机总容量将达到年末，我国发电装机总容量将达到8.52亿亿千瓦，到千瓦，到2010年我国将有年我国将有2.6亿千瓦电能需要电力亿千瓦电能需要电力电子变换或控制，电力电子技术在国内发展的潜电子变换或控制，电力电子技术在国内发展的潜力十分巨大力十分巨大 电力电子技术的小结电力电子技术的小结电力电子技术的应用范围十分广泛电力电子技术的应用范围十分广泛电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大

18、型风机、水电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著电力电子技术的节能效果十分显著在能源危机越来越突出、人类正在寻求新能源的过程中，电在能源危机越来越突出、人类正在寻求新能源的过程中，电力电子技术的重要性日益突出力电子技术的重要性日益突出推广电力电子技术，具有广泛的现实意义和深远的社会与经推广电力电子技术，具有广泛的现实意义和深远的社会与经济效益济效益现代电力电子技术发展现代电力电子技术发展n目前没能大量采用最新电力电子技术的主要原因目前没能大量采

19、用最新电力电子技术的主要原因是是成本问题成本问题，把成本降低，让使用普遍，把成本降低，让使用普遍， 将来对将来对节约能源、环保都会有很大贡献节约能源、环保都会有很大贡献n现在我们用的很多东西都不是用最好的电力电子现在我们用的很多东西都不是用最好的电力电子的方法来设计的：如洗衣机、烘干机、微渡炉、的方法来设计的：如洗衣机、烘干机、微渡炉、空调等（定频到变频）空调等（定频到变频）n未来电力电子最大的挑战是把电力电子设备做成未来电力电子最大的挑战是把电力电子设备做成普遍化、大众化，将电力电子器件设计标准化普遍化、大众化，将电力电子器件设计标准化n什么是电力电子技术什么是电力电子技术n电力电子技术的发展电力电子技术的发展n电力电子技术的应用电力电子技术的应用n学习方法介绍学习方法介绍教材介绍教材介绍n电力电子技术电力电子技术丁道宏主编 ,修订版, 航空工业出版社 ,1999年参考教材参考教材n电力电子技术电力电子技术王兆安 ,黄俊主编,第四版, 机械工业出版社 ,2001年 参考教材参考教材n现代电力电子技术基础现代电力电子技术基础赵良炳主编 清华大学出版社 ,1996年 电力电子学科包含的内容主要包括：主要包括：功率半导