电力电子技术基础-第1章 绪论

电力电子技术基础电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座电力电子技术基础（264页）周永勤、李然、于乐、赵鹏舒编著机械工业出版社2023年8月出版一流本科专业一流本科课程建设系列教材新形态教材电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座主要内容1

绪论1

电力电子器件2

直流斩波器345

逆变器

整流器6

交交变换器

7

软开关

电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座1

绪论1.什么是电力电子技术

2.电力变换的基本原理3.电力电子技术的发展历史4.电力电子技术的应用5.本课程内容介绍电力电子技术哈尔滨理工大学电气与电子工程学院电力电子技术课程讲座1

绪论11电力电子技术定义2电力变换的基本原理3电力电子技术的发展史4电力电子技术的应用5

本课程内容介绍61.1电力电子技术的定义电力电子技术（PowerElectronics），出现于20世纪60年代，又名电力电子学或功率电子学。第1章

绪论

1974年，美国学者W.E.Newell认为电力电子学是一门交叉于电气工程三大学科领域——电力学、电子学和控制理论之间的边缘学科。

用倒三角描述，如图所示。71.1电力电子技术的定义第1章

绪论电子技术所用器件：

晶体管、场效应管、集成电路、微处理器、电感、电容。完成功能：

信号产生、变换、存储、发送、接收。基础理论：

电路、磁路、电磁场电力技术所用设备：

电机、开关、变压器、

电感、电容、输电线。完成功能：

发电、输电、配电、用电。基础理论：

电路、磁路、电磁场电力电子技术所用器件：

晶体管、场效应管、集成电路、微处理器、电感、电容。完成功能：

发电、输电、配电、用电中的电能变换与控制。基础理论：

电路、磁路、电磁场

1.1电力电子技术的定义第1章

绪论从上面的比较可以看出：电力电子技术与电子技术密切相关：都分为器件及应用;有相同的理论基础;分析方法也一致。与电力技术也相关，是应用于电力领域的电子技术。而且上述功能的实现，都离不开控制，所以与控制理论也相关。控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置的性能满足各种需求;电力电子技术可以看成弱电控制强电的接口，控制理论是实现该接口的强有力纽带。91.1电力电子技术的定义第1章

绪论电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，是使用器件对电力进行变换和控制的技术。这个器件指的是功率半导体器件，也称为电力电子器件。

从工程的对象、内容和手段几方面理解电力电子技术：

对象：能量中的电能

内容：对电能形式的变换和控制

手段：利用电力电子器件（功率半导体器件）问题：为什么要对电能进行变换和控制？101.1电力电子技术的定义第1章

绪论电力系统的主体：固定频率50或60Hz的交流电作为主体。为什么采用三相交流电作为电力网的主体？使用电力时固定频率的交流电未必总是最佳选择：有利于大功率发电机的设计如变频空调，需要改变频率；如各种直流电源，将交流电变成直流电；直接驱动交流感应电动机（工业传动的主要形式）所以，需要电能形式之间的变换。111.1电力电子技术的定义第1章

绪论电力电子技术是以电力为处理对象的电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。交流电力直流交流变交流直流变直流直流变交流（逆流）交流变直流（整流）电力变换这四类变换器将在后继章节中详细论述，下面简单介绍电力变换的基本原理。121.2电力变换的基本原理第1章

绪论上述的电力变换中使用的电力电子器件都是工作在开关状态。电力电子器件为什么工作在开关状态？器件开通时，通过的电流i很大，但器件上的电压u≈0器件断开时，承受的电压u很高，但流过的电流i≈0

那么怎么由开关器件来实现电力变换呢？为了使器件的功率损耗(P=UI)最小：1）AC/DC变换2、电力变换的基本原理下图是用一个开关组成的最简单的变流电路，输入端接交流电us。在开关K闭合时，负载电阻R上有电流通过。us正半周，开K关闭合，电路中有正向电流通过；us负半周，开关断开，电路中就没有电流通过;从而，实现从交流电到直流电的变换，即AC/DC变换。如此重复，负载R上得到单一方向的电流，如图。2）DC/DC变换2、电力变换的基本原理下图也是用一个开关组成的最简单变流电路，但输入端接的是直流电us。如果开关K的导通和关断交替进行，则负载R上电压和电流的波形就是不连续的矩形波，如下图所示。

这种以通断方式调节直流电能的过程称为直流斩波或直流脉宽调制(PWM)。如果在一个周期T中，改变开关的通断时间比，则矩形波的宽度就会变，在负载上的电压和电流平均值也会变化；从而，实现直流电的调控，即DC/DC变换。3）DC/AC变换2、电力变换的基本原理

下图是两个开关K1、K2组成的简单变流电路，输入端接两个电压相同的直流电us。当在K1导通(K2关断)时，电阻R上得到正电压；当K2导通(K1关断)时，电阻R上得到负电压;将直流变换为交流的过程称为逆变，即DC/AC变换。如此循环，电阻上便得到正负交替的交流电，如下图。

如果开关K1和K2都采取通断控制，则可以将直流电变为交流电。4）AC/AC变换2、电力变换的基本原理下图也是用两个开关组成的简单变流电路，输入端接的是交流电us。us正半波，K1不断地进行通断控制（K2关断）；us负半波，K2不断地进行通断控制（K1关断）;改变通断时间比，可以调节输出交流电压，称交流调压。则负载电阻上得到不连续的正弦波，如下图。

如果开关K1和K2都采取通断控制，则可以将交流电变为交流电，即AC/AC变换。

每个开关与一个二极管串联表示流过开关的电流方向是单向的。这是因为在实际电路中这两个开关采用晶闸管，晶闸管是单向导电的。1.2电力变换的基本原理第1章

绪论开关的电阻为0，没有开关压降；开关的动作是无条件限制的;上述讨论中的开关是理想化的：由以上简单变流电路可以看出，开关变流就是通过开关选择，截取输人直流电或交流电的片段，重新组合为新的直流电或交流电输出。开关通断瞬时完成，没有开关过程;实际应用的变流电路较理想电路要复杂；开关的控制模式也直接影响着变流电路的性能。实际的开关不是理想开关：181.3电力电子技术的发展史第1章

绪论电力电子技术诞生的标志是1957年美国通用公司研制出的第一个晶闸管。电力电子技术是伴随着电力电子器件的出现和发展而发展的。191.3电力电子技术的发展史第1章

绪论史前期1904年电子管问世，开启了电子技术用于电力领域的先河；20世纪30～50年代，是水银整流器时代；1947年晶体管诞生，引发了电子学的第一次革命，产生了半导体固态电子学这一新兴学科。发展史1957年晶闸管问世，引发电子学的第二次革命，形成了功率电子学，进入了晶闸管时代；20世纪70～90年代，全控器型件迅速发展，进入了逆变器时代；20世纪80年代以来，产生了新一代高频化、全控型的功率集成器件，跨入了现代电力电子技术时代；2000年代以来，新材料器件迅速发展。1.3电力电子技术的发展史第1章

绪论

几点说明：一直以来，电力电子器件都是由硅材料制作出来的。随着硅材料和硅工艺的日趋完善，硅器件的特性已经接近硅材料所能达到的理论极限；而电力电子技术的发展却不断对电力电子器件的性能提出了更高的要求，促进了宽禁带器件的发展；电力电子技术的发展还与控制技术的发展紧密相关。

因此，伴随着微电子技术、控制技术和电力电子器件制造技术的发展，极大地促进电力电子技术的发展和应用。第1章

绪论1.4电力电子技术的应用第1章

绪论不同类型功率器件适用领域

从图中可以看出：晶闸管的功率和频率范围是1GW*100Hz；IGBT的功率和频率范围是10MW*100kHz；MOSFET的功率和频率范围10kW*10MHz；SiC的功率和频率范围是500kW*10MHz；GaN的功率和频率范围是1kW*100MHz。1.4电力电子技术的应用第1章

绪论电力电子技术在电气工程中的应用。1.4电力电子技术的应用第1章

绪论电力电子技术在社会生产和生活中的应用电力电子技术的经济意义第1章

绪论节能

风机、水泵的调速、照明（取代普通镇流器）；省材设备体积、重量减小，使铜、铁的使用量减少；环保节能、省材是环保的具体表现；提高产品