电力电子概述

教案编写：肖强晖廖无限

授课教师：

肖强晖电气工程系电气工程教研室

现代电力电子技术ModernPowerElectronics第一章绪论重点和难点

电力电子技术定义、它与其它学科的关系。电力电子变换的基本类型绪论1、课程性质

2、主要参考文献

3、预备知识4、课程的基本要求5、课程的计分方案6、作业1、课程性质

电气工程与自动化本科专业的必修课,同时也是电力电子专业研究生的专业课先修课程：《电机学》或《电机拖动》、《自动控制理论》、《电力系统分析》等后续课程：《现代交流调速系统》、《交流电机及其系统分析》、《电力电子专题讲座》等2、主要参考文献

陈坚.电力电子学.北京：高等教育出版社，2003赵良炳.现代电力电子技术基础.北京：清华大学出版社，2000李永东.交流电机数字控制系统.北京：机械工业出版社，2002黄济荣.电力牵引交流传动与控制.北京：机械工业出版社，1998《电力电子技术》，学术期刊《电工技术学报》，学术期刊《中国电机工程学报》，学术期刊3、预备知识

§3.1电力电子技术的定义§3.2电力电子技术和其它学科的关系§3.3电力电子技术和电子学的关系§3.4电力电子技术与电气工程的关系§3.5电力电子技术与控制理论的关系§3.6电力电子技术的发展地位和未来§3.7电力电子变换的类型§3.8电力电子技术的发展史§3.9电力电子技术的应用§3.1021世纪电力电子技术的前景

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3.1电力电子技术的定义电子技术包括：信息电子技术和电力电子技术。信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术。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1W以下。定义：

电力电子技术（powerelectronics）是应用于电力领域的电子技术，指使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。另解电力电子技术，就是使用电力半导体器件及电子技术对电气设备的电功率进行变换和控制的技术。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标，是一门综合电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多学科的交叉学科。电力电子技术主要用于电力变换，而信息电子技术主要用于信息处理。§3.2电力电子技术和其它学科的关系电力电子技术（PowerElectronics）实际上是一门交叉学科，该名称于60年代出现。1974年，美国的W.Newell用图1的倒三角形对电力电子技术进行了描述，被全世界普遍接受。§3.3电力电子技术和电子学的关系与电子学（信息电子学）的关系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、分析软件也基本相同；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一般只工作在开关状态（为避免功率损耗过大）。二者同根同源。电子学中的电子器件对应于电力电子器件电子学中的电子电路对应于电力电子电路

§3.4电力电子技术与电气工程的关系与电气工程（电力学）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、高性能交直流电源等）。国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支，属于电气工程一级学科下属的电力电子与电力传动二级学科。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支，其不断的技术进步给电气工程的现代化以巨大的推动力。§3.5电力电子技术与控制理论的关系与控制理论（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。§3.6电力电子技术的发展地位和未来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。

§3.7电力电子变换的类型进行电力变换的技术称为变流技术。通常电力变换装置有四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流等，或是它们的变换组合，例如：交直交变换装置等。其关系参见图2所示。图2常见的电力电子变换种类

§3.8电力电子技术的发展史（1）

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，其过程参见图3。

图3电力电子器件的发展史§3.8电力电子技术的发展史（2）1.半导体整流管的发展2.晶闸管及其派生器件的发展3.双极型晶体管（亦称功率晶体管，GrandTransistor—GTR）4.功率场效应管（MOSFET）的发展5.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的发展6.功率集成电路的发展

7.智能化电力电子功率模块IPM和PEBB1.半导体整流管的发展20世纪50年代初期，普通的半导体整流管（SR—SemiconductorRectifier）因其正向通态压降（1V左右）远比汞弧整流器（10～20V）小而开始取代汞弧整流器，由此大大提高了整流电路的效率。普通整流管通常应用于400Hz以下的不可控整流电路。随着在工艺上以缩短整流管的正反向恢复时间来降低整流管的开关损耗为目的的研究取得成功，人们开发出快恢复整流管和肖特基整流管应用于中频（10kHz以下）和高频（10kHz以上）整流的场合。20世纪80年代中后期，为了进一步减少低压高频开关电源中电力电子器件的损耗，同步整流管也应运而生。

2.晶闸管及其派生器件的发展1957年美国通用电气公司（GE）发明了普通（400Hz以下）的反向阻断型可控硅（SilliconControlledRectifier——SCR），以后称晶闸管（Thyristor）。经过60年代的工艺完善和应用开发，到了70年代，晶闸管已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。在这一期间及其以后的近30年时间里，世界各国相继开发出一系列晶闸管的派生器件，如图4所示。由晶闸管及其派生器件构成的各种电力电子系统在工业应用中主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，因而大大地提高了电能的利用率，同时也使工业噪声得到了一定程度的控制。但是因为晶闸管类器件中多数是换流器件，其工作频率又比较低，致使PWM脉冲宽度调制（Pulse-widthModulation）技术难以很好地实施。因此，通常由其构成的装置应用电路复杂，而且存在严重的“电力公害”问题。不对称晶闸管（ASCR）逆导晶闸管（RCT）双向晶闸管（TRIAC）光控晶闸管（LASCR）快速晶闸管高频晶闸管可关断晶闸管（GTO）集成门极控制晶闸管（IGCT）MOS栅控晶闸管（MCT）晶闸管的派生器件图4晶闸管的派生器件3.双极型晶体管（亦称功率晶体管，Grand

Transistor—GTR)1948年美国贝尔实验室发明了晶体管，经过20多年的努力，用于电力变换的晶体管才进入到工业应用领域。到20世纪80、90年代，晶体管已被广泛应用于100kW等级功率的电路中。功率晶体管的工作频率比晶闸管高，可达到10～20kHz。这样，PWM技术在晶体管变换电路中得到了广泛的应用，促成了“20kHz革命”，使得直流线性电源迅速被20kHz开关电源所取代。在20世纪80年代和90年代初，晶体管曾被广泛地应用于中小功率电机变频调速（目前已被MOSFET或IGBT所取代）、不间断电源（UPS）（已被IGBT管所替代）等等工业领域。但是，因为功率晶体管存在着二次击穿、不易并联以及开关频率偏低等问题，它的应用范围受到了限制。不过，功率晶体管的抗干扰性能却明显高于目前广泛应用的MOSFET管和IGBT管。4功率场效应管（MOSFET）的发展20世纪70年代后期，功率场效应管（PowerMOSFET）开始进入实用阶段；进入80年代人们又在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件（VDMOS）。它具有工作频率高、开关损耗小、安全工作区宽、输入阻抗高、易并联等优点，是一种场控自关断器件。目前广泛应用于DC/DC模块电源、高频开关电源、计算机电源、航空电源、小功率UPS以及小功率（单相）变频器等领域。作为IGBT孪生兄弟的功率场效应管，充分发挥自己的特点向三个方向进一步发展：①更高频率推向吉赫兹；②低电压产品的超低导通电阻；③在兆赫兹水平突破并达到1200V的电压上限。这样可满足不同应用市场的需要，取得了令人瞩目的新成就。

5绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的发展20年前电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。目前被认为最具有发展前途的是1983年美国GE公司发明的绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor——IGBT），它已形成了一个新的第二代器件发展平台。IGBT实现了器件高压、大电流参数同其动态参数之间合理的折中，因而兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，目前IGBT容量可达4500V/1200A，3300V/1500A。近10年来，第四代IGBT（采用非穿通（NPT）结构——即NPT-IGBT）得到了迅速的发展，NPT-IGBT器件具有导通压降的正温度系数，解决了器件并联自动均流的难题。“串并联”封装在一个管壳里的结构是IGBT走向高压、大电流及大功率化的必由之路。10年前人们预测的IGBT会取代功率晶体管（GTR）现在早已成为事实；IGBT正成为高电压、大电流应用领域中GTO和IGCT的潜在竞争者，却是当年未曾预料的。另一方面，美国IR公司开发了WAPP系列，美国APT公司开发了GT系列“霹雳（Thunderbolt）型”IGBT。目前已有600V/100A以下的此类IGBT商品，其硬开关工作频率已高达150kHz，而软开关工作频率可达300kHz，且IGBT的电流密度是相同电压等级的功率MOSFET管的2.5倍。这种IGBT器件比MOSFET管小，成本低，所以正在成为高频开关电源中广泛使用的MOSFET管强有力的竞争者。另外，逆导型IGBT和双向型IGBT也正在研制中。

总之，10年前IGBT出现在世界技术舞台的时候，尽管它表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，IGBT器件显示了巨大的发展，形成了一个新的器件应用发展平台。6功率集成电路的发展制造具有各种不同功能的功率集成电路的最大优势是减少引线，提高可靠性，其经济效益也明显增加。10年来，具有功率控制能力、含有功率器件的智能功率集成电路（SmartPowerIC）和高电压功率集成电路（HVIC）都已形成各种实用系列，但是功率都不是很大。它们实际上是一种微型化的功率变换装置，应用起来可靠而方便。7智能化电力电子功率模块IPM和PEBB20世纪80年代发展起来的智能功率模块（IntelligentPowerModule——IPM），将具有驱动、自保护、自诊断功能的IC与电力电子器件集成在一个模块中，并可用于10～100kW功率等级的电力电子系统中。进入90年代，大功率IPM已成为电力电子技术领域的一个研究重点。由于分布式电源系统（DPS）的发展，美国海军研究所提出了集成电力电子模块（PEBB）开发计划来设计舰艇的DPS。由于不同的元器件、电路、集成片的封装或相互连接产生的寄生参数已成为影响电力电子系统性能的关键问题，所以采用IPM可以减少设计工作量，使生产自动化，提高系统品质、可靠性和可维护性，设计周期短，成本低。目前，三相六管封装的IPM模块容量可达到1200V/600A，单相桥臂两管封装的IPM容量可达到1200V/2400A。§3.9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：

电气化铁路、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”，变频空调等其他：

UPS、航天飞行器、新能源、发电装置等§3.9电力电子技术的应用(1)轧钢机

电解铝、铜等金属的装置

数控机床

冶金工业

一般工业：§3.10电力电子技术的应用(