電力電子的發(fā)展

1、1.1 什么是電力電子技術什么是電力電子技術1.2 電力電子的特性電力電子的特性1.3 電力電子發(fā)展史電力電子發(fā)展史電力電電力電子技術子技術 由根據(jù)電力電子器件的特性，采由根據(jù)電力電子器件的特性，采用一種有效的靜態(tài)的變換、控制用一種有效的靜態(tài)的變換、控制方法，把一種輸入變換為所需要方法，把一種輸入變換為所需要的另一種輸出形式的另一種輸出形式 。下 頁返回下 頁上 頁返 回目的目的方法方法電氣和電子元件，線性以及非線性電電氣和電子元件，線性以及非線性電路控制理論的應用，成熟的設計技巧路控制理論的應用，成熟的設計技巧的使用；使用先進的分析工具的使用；使用先進的分析工具 。 控制功率從電源流向負載，

2、實現(xiàn)高控制功率從電源流向負載，實現(xiàn)高效、高可靠性、高實用性的控制并效、高可靠性、高實用性的控制并使用體積小、質(zhì)量輕、損耗低的器使用體積小、質(zhì)量輕、損耗低的器件。件。 下 頁上 頁返 回l高實用性高實用性不使用像發(fā)熱電子管以及不使用像發(fā)熱電子管以及電解電容器等等這些時限電解電容器等等這些時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維護避免使用需要周期性維護或替換的旋轉(zhuǎn)器件或替換的旋轉(zhuǎn)器件 。下 頁上 頁返 回電力電子設備的主要目的電力電子設備的主要目的處理電氣功率處理電氣功率控制交流或直流電源與一個或控制交流或直流電源與一個或者多個需要此交流或直流電源者多個需要此交流或直流

3、電源的負載之間的功率的傳輸。的負載之間的功率的傳輸。 功能功能由接在變換器終端的電阻組由接在變換器終端的電阻組成的一個或多個負載的需要成的一個或多個負載的需要來決定來決定 。 l功率傳輸功率傳輸下 頁上 頁返 回交直流電流變換器交直流電流變換器功率調(diào)節(jié)器功率調(diào)節(jié)器下 頁上 頁返 回四大類電力電子功率變換設備四大類電力電子功率變換設備1. AC-AC變換器變換器調(diào)節(jié)阻抗是電阻、電容或電感。調(diào)節(jié)阻抗是電阻、電容或電感。這種變換這種變換器常用做交流功率控制器。器常用做交流功率控制器。 電源和負載之間的時間間隔是電源和負載之間的時間間隔是thigh ，則其呈現(xiàn)高阻抗則其呈現(xiàn)高阻抗 電源時間間隔是電源時

4、間間隔是tlow，則呈現(xiàn)低阻抗，則呈現(xiàn)低阻抗 可變阻抗可變阻抗R,C或或L交流負載交流負載交流電源交流電源下 頁上 頁返 回2. AC-DC變換器變換器l整流整流 交流通過特性不對稱的非線性電交流通過特性不對稱的非線性電阻變換為直流。阻變換為直流。 整流過程可控整流過程可控 非線性電阻非線性電阻直流負載直流負載交流電源交流電源ui下 頁上 頁返 回3. DC-AC變換器變換器l反向整流反向整流 用功率調(diào)節(jié)裝置，使直流電源用功率調(diào)節(jié)裝置，使直流電源得到負載為交流形式的功率。得到負載為交流形式的功率。 無源（有源）無源（有源）阻抗阻抗交流負載交流負載直流電源直流電源+ +- - 電源和負載之間能量

5、的流動由功率調(diào)節(jié)裝置控制電源和負載之間能量的流動由功率調(diào)節(jié)裝置控制 下 頁上 頁返 回有源電阻的值在直流操作點（有源電阻的值在直流操作點（U1，I1）和（）和（U2，I1）之間變化，電壓之間變化，電壓U2 U1時，電流時，電流I2 UIN或者或者IOUT IIN 。 該變換器輸出端平均電壓該變換器輸出端平均電壓必須必須比輸入端平均電壓比輸入端平均電壓高，或輸出端平均電流比輸入端平均電流高。高，或輸出端平均電流比輸入端平均電流高。 + +- -UINUOUTRLIINIOUT+ + + + - - - - 下 頁上 頁返 回(min)acOUTOUTINPUII如果如果UOUT UIN(min)

6、acOUTOUTINPIUUDCDC變換過程中，交流輸入電源作為中間過變換過程中，交流輸入電源作為中間過程可能完全被轉(zhuǎn)換為交流電源。程可能完全被轉(zhuǎn)換為交流電源。 DCDC變換過程必須由交流電源作為中間過程。變換過程必須由交流電源作為中間過程。如果如果 IOUT IIN，最小交流功率為：，最小交流功率為：下 頁上 頁返 回電力電子技術迅速發(fā)展，與全球能源、環(huán)境等問電力電子技術迅速發(fā)展，與全球能源、環(huán)境等問題息息相關。能源消費是一個國家經(jīng)濟繁榮程度題息息相關。能源消費是一個國家經(jīng)濟繁榮程度的標準。的標準。下 頁上 頁返 回下 頁上 頁返 回下 頁上 頁返 回下 頁上 頁返 回磁放大器磁放大器 可作

7、為可飽和電抗器及飽和電抗器可作為可飽和電抗器及飽和電抗器+ +- -RLNCRCNLNCNLiLiCUCUACRCRL+ +- -NCNLNCNLiLiCUCUAC 串聯(lián)連接磁放大器串聯(lián)連接磁放大器并聯(lián)連接磁放大器并聯(lián)連接磁放大器輸出輸出繞組繞組控制控制 繞組繞組 不包含發(fā)熱裝置、電阻絲和旋轉(zhuǎn)元件。不包含發(fā)熱裝置、電阻絲和旋轉(zhuǎn)元件。 磁放大電路是一種高效的電力電子電路。磁放大電路是一種高效的電力電子電路。 下 頁上 頁返 回真空電子管真空電子管 下 頁上 頁返 回真空電子管與磁放大器的區(qū)別真空電子管與磁放大器的區(qū)別真空電子管電源是直流電壓，真空電子管電源是直流電壓，電源是交電源是交流電壓。流電

8、壓。 真空電子管在大部分低功率設備的應用上由于其真空電子管在大部分低功率設備的應用上由于其顯著的性能，得到了迅速發(fā)展。顯著的性能，得到了迅速發(fā)展。下 頁上 頁返 回l充氣閘流管充氣閘流管 l汞弧引燃管汞弧引燃管當使能信號施加在第三個電極上時，氣體開始放電，當使能信號施加在第三個電極上時，氣體開始放電，有單向電流和一個相對較低的電壓流過。有單向電流和一個相對較低的電壓流過。閘流管的柵極防止陽極與陰極之間產(chǎn)生電弧，直到閘流管的柵極防止陽極與陰極之間產(chǎn)生電弧，直到經(jīng)過預先設定的循環(huán)時間。經(jīng)過預先設定的循環(huán)時間。有一個電流脈沖流過第三個電極（點火器），在有一個電流脈沖流過第三個電極（點火器），在每次導

9、通開始時，點燃液體汞中的陰極點。每次導通開始時，點燃液體汞中的陰極點。相同點下 頁上 頁返 回電機放大器電機放大器 是電動機和發(fā)電機的有效組是電動機和發(fā)電機的有效組合，外面沒有旋轉(zhuǎn)軸。合，外面沒有旋轉(zhuǎn)軸。l自飽和磁放大器自飽和磁放大器改變整流器前向?qū)ê头聪蚰K之間阻抗改變整流器前向?qū)ê头聪蚰K之間阻抗的狀態(tài)，調(diào)整了非線性變換對鐵心的影響的狀態(tài)，調(diào)整了非線性變換對鐵心的影響，用簡單的電路配置實現(xiàn)高功率增益。，用簡單的電路配置實現(xiàn)高功率增益。采用鎳鐵磁心材料和鎳鐵導磁合金，使干式氧化采用鎳鐵磁心材料和鎳鐵導磁合金，使干式氧化銅和硒整流器得到了發(fā)展和改進。銅和硒整流器得到了發(fā)展和改進。下 頁上

10、頁返 回汞弧汞弧的單的單向性向性汞弧汞弧整流器整流器steel-tank整流器整流器汞氣整流器汞氣整流器（閘流管）（閘流管）柵極可控柵極可控下 頁上 頁返 回半導體器半導體器件的發(fā)展件的發(fā)展變換器拓變換器拓樸結(jié)構(gòu)樸結(jié)構(gòu)PWMPWM技術技術分析及仿分析及仿真方法真方法控制和估控制和估算技術算技術計算機計算機數(shù)字信號數(shù)字信號處理處理集成芯片集成芯片硬件和軟硬件和軟件控制件控制電力電子電力電子進步進步下 頁上 頁返 回晶閘管（可硅晶閘管（可硅控整流器）控整流器）可控硅、門極可關可控硅、門極可關斷晶閘管（斷晶閘管（GTO）雙極功率晶雙極功率晶體管（體管（BPT雙極結(jié)型晶雙極結(jié)型晶體管（體管（BJT）電

11、力場效應電力場效應晶體管晶體管（MOSFET）絕緣柵雙極晶絕緣柵雙極晶體管（體管（IGBT）靜態(tài)感應晶體靜態(tài)感應晶體管（管（SIT）MOS控制晶控制晶閘管（閘管（MCT）集成門極換集成門極換流晶閘管流晶閘管（IGCT）現(xiàn)代固態(tài)現(xiàn)代固態(tài)電力電子電力電子學學下 頁上 頁返 回 在低頻應用當中，在低頻應用當中，晶閘管晶閘管仍然是處理高功率所不可仍然是處理高功率所不可缺少的器件。缺少的器件。下 頁上 頁返 回 IGBT開關頻率比開關頻率比BJT高很多，在正向偏置安全工高很多，在正向偏置安全工作區(qū)內(nèi)可以不需要緩沖器。作區(qū)內(nèi)可以不需要緩沖器。 IGBT模塊（模塊（IPM）應）應用在內(nèi)置門極驅(qū)動器。具有溝槽

12、柵技術的現(xiàn)代（第用在內(nèi)置門極驅(qū)動器。具有溝槽柵技術的現(xiàn)代（第四代）四代）IGBT模塊比二極管的導通壓降稍高，具有較模塊比二極管的導通壓降稍高，具有較快的開關速度。快的開關速度。 MCT開關頻率比開關頻率比IGBT模塊低許多，應用到軟開模塊低許多，應用到軟開關變流器中時，不受關變流器中時，不受RBSOA的限制。的限制。下 頁上 頁返 回IGCT比比GTO的導通壓降低，有較快的開關速度，的導通壓降低，有較快的開關速度，帶有旁路二極管的單片集成電路，不用緩沖器操作，帶有旁路二極管的單片集成電路，不用緩沖器操作，容易實現(xiàn)連續(xù)運行。容易實現(xiàn)連續(xù)運行。有擎住結(jié)構(gòu)，其中載流有擎住結(jié)構(gòu)，其中載流子從陽極和陰極

13、注入。子從陽極和陰極注入。相控晶閘管相控晶閘管快速晶閘管快速晶閘管GTOIGCT 普通晶閘管不能自行關斷普通晶閘管不能自行關斷下 頁上 頁返 回帶有集成過電壓保護，簡化了門極控制，提高帶有集成過電壓保護，簡化了門極控制，提高了晶閘管應用在大功率、高電壓中的可靠性。了晶閘管應用在大功率、高電壓中的可靠性。雙向控制晶閘管雙向控制晶閘管在一個晶片上的兩個反并聯(lián)晶閘管組成，兩在一個晶片上的兩個反并聯(lián)晶閘管組成，兩個門極相互獨立。保留了大功率變換器的鉗個門極相互獨立。保留了大功率變換器的鉗位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術。位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術。光控晶閘管光控晶閘管下 頁上 頁返 回在高壓、高溫、高頻以及低導通壓降場合應用在高壓、高溫、高頻以及低導通壓降場合應用功率范圍大功率范圍大擊穿場強高擊穿場強高導熱性高導熱性高飽和電子漂移速率高飽和電子漂移速率高對化學反應或高對化學反應或高氣壓呈高惰性氣壓呈高惰性輻射電阻高輻射電阻高 碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開關損耗，結(jié)溫上升碳化硅可以極大地降低通態(tài)和開關損耗，結(jié)溫上升到到600時也能運行。時也能運行。 肖特基和結(jié)勢壘肖特基（肖特基