第4章電力電子技術(shù)課件

第4章電力電子技術(shù)1、什么是電力電子技術(shù)

將電子技術(shù)和控制技術(shù)引入傳統(tǒng)的電力技術(shù)領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件組成各種電力變換電路實(shí)現(xiàn)電能的變換和控制，構(gòu)成了一門完整的學(xué)科，被國際電工委員會命名為電力電子學(xué)（PowerElectronics）或稱為電力電子技術(shù)。第一部分2、與其他學(xué)科之間的關(guān)系電力學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論電力電子技術(shù)電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)連續(xù)、離散與電子學(xué)的關(guān)系都分為器件與應(yīng)用器件的材料、制造工藝應(yīng)用的理論基礎(chǔ)、分析方法、分析軟件信息電子技術(shù)中器件工作在放大狀態(tài)或開關(guān)狀態(tài).而電力電子技術(shù)中器件只工作在開關(guān)狀態(tài).電力電子學(xué)和電力學(xué)關(guān)系電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程與電力學(xué)的關(guān)系電力電子技術(shù)高壓直流輸電靜止無功補(bǔ)償交直流電力傳動(dòng)電解電鍍電加熱電力機(jī)車牽引電氣工程分支高性能交直流電源與控制理論的關(guān)系控制理論電力電子技術(shù)弱電和強(qiáng)電接口弱電控制強(qiáng)電基礎(chǔ)元件支撐技術(shù)實(shí)現(xiàn)廣泛用于電力電子裝置是自動(dòng)化的3、學(xué)科的組成電力電子技術(shù)電力電子器件制造技術(shù)變流技術(shù)變流技術(shù)電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路{對這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）——電力電子技術(shù)的核心電力電子器件制造技術(shù)—

電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)直流電力交流交流變交流直流變直流直流變交流交流變直流電力變換4、研究任務(wù)(1)電力電子器件的工作原理與應(yīng)用(2)電力電子電路的電能變換原理(3)控制技術(shù)以及電力電子裝置的開發(fā)與應(yīng)用。轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)電解鋁5.電力電子技術(shù)的應(yīng)用（1）一般工業(yè)電化學(xué)工業(yè)中整流變壓器冶金工業(yè)中高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)備電化學(xué)整流電源設(shè)計(jì)（2）交通運(yùn)輸電力電子技術(shù)在汽車42V直流總線下DJ型交流電力傳動(dòng)機(jī)車磁懸浮列車飛機(jī)部分國內(nèi)外知名公司的變頻器

西門子（Siemens）公司施奈德公司富士公司安圣（華為電氣）變頻器系列ABB公司SVCHVDCFACTS（3）電力系統(tǒng)程控交換機(jī)電子裝置微型計(jì)算機(jī)（4）電子裝置用電源5）家用電器直流變頻空調(diào)的電路原理圖變頻空調(diào)控制器交流變頻控制器的原理框圖

(6)其它大型計(jì)算機(jī)的UPS航天技術(shù)新型能源總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制一起，和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。計(jì)算機(jī)人腦電力電子技術(shù)消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運(yùn)動(dòng)控制肌肉和四肢電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源，因此，電力電子技術(shù)將青春永駐。一門嶄新的技術(shù)，21世紀(jì)仍將以迅猛的速度發(fā)展。6、地位和未來(1)電力電子器件的發(fā)展

半導(dǎo)體整流管（SR）

晶閘管（SCR）及其派生器件

功率晶體管（GTR）

功率場效應(yīng)管（MOSFET）

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）

功率集成電路（PIC）和智能功率模塊（IPM）器件電力電子技術(shù)的依賴于電力電子器件的發(fā)展晶閘管問世，(公元元年)IGBT出現(xiàn)功率集成器件晶閘管時(shí)代水銀（汞?。┱髌鲿r(shí)代全控型器件迅速發(fā)展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生器件理想開關(guān)一、基本模型：二、基本特性：（1）電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。（2）電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由外電路（驅(qū)動(dòng)電路）來控制。（3）在工作中器件的功率損耗（通態(tài)、斷態(tài)、開關(guān)損耗）很大。為保證不至因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。器件電力二極管器件電力二極管實(shí)物圖器件AGKGKA晶閘管器件常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)器件晶閘管是大功率器件,工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，因此必須安裝散熱器。螺旋式晶閘管緊栓在鋁制散熱器上,采用自然散熱冷卻方式,如圖1.3.2(a)所示。平板式晶閘管由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊夾在中間,散熱方式可以采用風(fēng)冷或水冷,以獲得較好的散熱效果,如圖1.3.2(b)、(c)所示。器件晶閘管的派生器件常規(guī)快速晶閘管高頻晶閘管與普通晶閘管相比快速晶閘管關(guān)斷時(shí)間為數(shù)十微秒高頻晶閘管關(guān)斷時(shí)間為10μs左右電壓和電流定額不易做高應(yīng)用于400Hz和10kHz以上的斬波或逆變電路中開關(guān)時(shí)間以及du/dt、di/dt的耐量都有了明顯的改善快速晶閘管器件雙向晶閘管

是一對反并聯(lián)結(jié)的普通晶閘管的集成。

有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。

門極使器件在主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通。

不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。器件逆導(dǎo)晶閘管是將晶閘管反并連一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。與普通晶閘管相比正向壓降小關(guān)斷時(shí)間短高溫特性好額定電流晶閘管電流反并聯(lián)的二極管的電流器件光控晶閘管

（光觸發(fā)晶閘管）

是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個(gè)端子。

大功率光控晶閘管帶有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器的光纜。

光觸發(fā)保證主電路與控制電路之間的絕緣，避免電磁干擾的影響。器件常用的典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊器件平板式器件螺旋式器件功能模塊器件散熱器器件門極可關(guān)斷晶閘管GTO電力晶體管GTRC電力場效應(yīng)晶體管MOS絕緣柵雙極晶體管IGBTMOS控制晶閘管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)晶閘管SITH集成門極換流晶閘管IGCT器件返回早期的電力場效應(yīng)管采用水平結(jié)構(gòu)(PMOS)，器件的源極S、柵極G和漏極D均被置于硅片的一側(cè)(與小功率MOS管相似)。存在通態(tài)電阻大、頻率特性差和硅片利用率低等缺點(diǎn)。20世紀(jì)70的代中期將LSIC垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)應(yīng)用到電力場效應(yīng)管的制作中，出現(xiàn)了VMOS結(jié)構(gòu)。大幅度提高了器件的電壓阻斷能力、載流能力和開關(guān)速度。20世紀(jì)80年代以來，采用二次擴(kuò)散形成的P形區(qū)和N+型區(qū)在硅片表面的結(jié)深之差來形成極短溝道長度(1～2μm)，研制成了垂直導(dǎo)電的雙擴(kuò)散場控晶體管，簡稱為VDMOS。目前生產(chǎn)的VDMOS中絕大多數(shù)是N溝道增強(qiáng)型，這是由于P溝道器件在相同硅片面積下，其通態(tài)電阻是N型器件的2～3倍。因此今后若無特別說明，均指N溝道增強(qiáng)型器件。結(jié)構(gòu)發(fā)展知識背景器件單相半波整流電路單相橋式整流電路器件AC/DC三相半波整流電路b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwtRidabcTudVT2VT1VT3器件AC/DC三相橋式整流電路器件AC/DC雙反星型整流電路upud1,ud2OO60°360°t1ttuaubucuc'ua'ub'ub'器件AC/DC多重化整流電路器件AC/DC三相橋式整流電路同步環(huán)節(jié)鋸齒波的形成移相環(huán)節(jié)脈沖形成與放大強(qiáng)觸發(fā)雙窄脈沖形成器件AC/DC完整的三相全控橋觸發(fā)電路+15VUAUBUC放大環(huán)節(jié)g1g2g3g4g5g6直流偏壓控制電壓器件AC/DC單相觸發(fā)三相觸發(fā)器件AC/DCtOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio單相全橋逆變電路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3三相電壓型逆變電路器件DC/AC三相電流型逆變電路M3UVW+-LIdC1C2C3C4C5C6VD1VD2VD3VD4VD5VD6UdVT1VT2VT3VT4VT5VT6UVWNT1A1T2B1A21C1B21A22C21B22C22uUNuU2uU1UdIII三相電壓型二重逆變電路器件DC/AC降壓斬波電路++_升壓斬波電路升降壓斬波電路器件DC/DCCUK斬波電路SEPIC斬波電路ZETA斬波電路ERVDa)CVL1L2uo++++器件DC/DC單相交流調(diào)壓電路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTwtOwtOwtOwt斬控式交流調(diào)壓電路器件AC/AC三相交流調(diào)壓電路器件AC/ACPuoZNuo0輸出電壓ap=0平均輸出電壓ωt單相交流變頻電路矩陣式變頻電路器件AC/AC返回采樣控制理論中一個(gè)重要結(jié)論沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同沖量窄脈沖的面積效果基本相同

環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)PWM控制原理i(t)u(t)i(t)t0a)b)圖6-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實(shí)例說明“面積等效原理”PWM控制原理Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>PWM控制原理若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波Ouωt>Ouωt>PWM控制原理計(jì)算法和調(diào)治法異步調(diào)制和同步調(diào)制規(guī)則采樣法PWM逆變電路的諧波分析提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)PWM逆變電路多重化PWM控制原理電力電子裝置開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正

不間斷電源（UPS）靜止無功補(bǔ)償裝置變頻調(diào)速裝置裝置一、開關(guān)電源指起電壓調(diào)整功能的器件始終工作在線性放大區(qū)的直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源：通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。簡稱開關(guān)電源(SwitchingPowerSupply)，指起電壓調(diào)整功能的器件始終以開關(guān)方式工作的一種直流穩(wěn)壓電源。

1、線性穩(wěn)壓電源：2、開關(guān)穩(wěn)壓電源：裝置1、線性穩(wěn)壓電源：優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良的紋波及動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；缺點(diǎn)：（1）輸入采用50Hz工頻變壓器，體積龐大；

（2）電壓調(diào)整器件工作在線性放大區(qū)內(nèi),損耗大,效率低；（3）

過載能力差。圖7.1.1線性穩(wěn)壓電源方框圖

裝置

開關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)：（1）功耗小、效率高。

（2）體積小、重量輕。

（3）穩(wěn)壓范圍寬。

（4）電路形式靈活多樣。

開關(guān)電源缺點(diǎn)：主要是存在開關(guān)噪聲干擾。

2、開關(guān)電源：裝置開關(guān)電源的應(yīng)用圖7.1.4直流操作電源電路原理圖

主電路采用半橋變換電路，額定輸出直流電壓為220V，輸出電流為10A。裝置返回1、Geniusonlymeanshard-workingallone'slife.(Mendeleyer,RussianChemist)

天才只意味著終身不懈的努力。20.8.58.5.202011:0311:03:10Aug-2011:032、Ourdestinyoffersnotonlythecupofdespair,butthechaliceofopportunity.(RichardNixon,AmericanPresident)命運(yùn)給予我們的不是失望之酒，而是機(jī)會之杯。二〇二〇年八月五日2020年8月5日星期三3、Patienceisbitter,butitsfruitissweet.(JeanJacquesRousseau,Frenchthinker)忍耐是痛苦的，但它的果實(shí)是甜蜜的。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.20204、Allthatyoudo,dowithyourmight;thingsdonebyhalvesareneverdoneright.----R.H.Stoddard,Americanpoet做一切事都應(yīng)盡力而為，半途而廢永遠(yuǎn)不行8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:105、Youhavetobelieveinyourself.That'sthesecretofsuccess.----CharlesChaplin人必須相信自己，這是成功的秘訣。-Wednesday,August5,2020August20Wednesday,August5,20208/5/20206、Almostanysituation---goodorbad---isaffectedbytheattitudewebringto.----LuciusAnnausSeneca差不多任何一種處境---無論是好是壞---都受到我們對待處境態(tài)度的影響。11時(shí)3分11時(shí)3分5-Aug-208.5.20207、Althoughtheworldisfullofsuffering,itisfullalsooftheovercomingofit.----HellenKeller,Americanwriter雖然世界多苦難，但是苦難總是能戰(zhàn)勝的。20.8.520.8.520.8.5。2020年8月5日星期三二〇二〇年八月五日8、Formanismanandmasterofhisfate.----Tennyson人就是人，是自己命運(yùn)的主人11:0311:03:108.5.2020Wednesday,August5,20209、Whensuccesscomesinthedoor,itseems,loveoftengoesoutthewindow.-----JoyceBrothers成功來到門前時(shí)，愛情往往就走出了窗外。11:038.5.202011:038.5.202011:0311:03:108.5.202011:038.5.202010、Lifeismeasuredbythoughtandaction,notbytime.——Lubbock衡量生命的尺度是思想和行為，而不是時(shí)間。8.5.20208.5.202011:0311:0311:03:1011:03:1011、Tomakealastingmarriagewehavetoovercomeself-centeredness.要使婚姻長久，就需克服自我中心意識。Wednesday,August5,2020August20Wednesday,August5,20208/5/202012、Treatotherpeopleasyouhopetheywilltreatyou.你希望別人如何對待你，你就如何對待別人。11時(shí)3分11時(shí)3分5-Aug-208.5.202013、Todowhateverneedstobedoneto

preservethislastandgreatestbastionof

freedom.(RonaldReagan,AmericanPresident)為了保住這最后的、最偉大的自由堡壘，我們必須盡我們所能。20.8.520.8.5Wednesday,August5,202014、Wherethereisawill,thereisaway.(ThomasEdison,Americaninventor)有志者，事竟成。11:01:1911:01:1911:018/5/202011:01:19AM15、

Everymanisthemasterofhisownfortune.----RichardSteele每個(gè)人都主宰自己的命運(yùn)。20.8.511:01:1911:01Aug-205-Aug-2016、Asselfishnessandcomplai