全電力電子技術(shù)課件西交大王兆安版

全電力電子技術(shù)本課件為西安交通大學(xué)王兆安教授主講課程“全電力電子技術(shù)”的課件。課件涵蓋電力電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)、電力電子器件、電力電子電路分析、電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。課程簡(jiǎn)介電力電子技術(shù)的核心這門課程將深入探討電力電子技術(shù)的核心原理、應(yīng)用和最新發(fā)展趨勢(shì)。涵蓋廣泛的領(lǐng)域課程內(nèi)容涵蓋電力電子器件、電路拓?fù)?、控制策略、電能質(zhì)量、可靠性設(shè)計(jì)等。理論與實(shí)踐相結(jié)合通過課堂教學(xué)、案例分析、實(shí)驗(yàn)操作等多種方式，幫助學(xué)生掌握理論知識(shí)并具備實(shí)際應(yīng)用能力。未來發(fā)展方向課程將介紹新能源、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域中電力電子技術(shù)的前沿應(yīng)用。課程學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握電力電子技術(shù)基礎(chǔ)理論理解電力電子器件的工作原理和特性，以及電力電子轉(zhuǎn)換電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。掌握電力電子系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)方法能夠運(yùn)用電力電子技術(shù)理論分析和設(shè)計(jì)各種電力電子系統(tǒng)，例如直流-直流變換器、直流-交流變換器、交流-交流變換器等。掌握電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)技能能夠獨(dú)立完成電力電子系統(tǒng)的搭建、調(diào)試和測(cè)試，以及故障分析和排除。了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域了解電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)、電機(jī)控制、新能源、電力電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。課程大綱1電力電子器件二極管和可控硅功率晶體管MOSFET和IGBT2電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)直流-直流變換器直流-交流變換器交流-交流變換器3控制技術(shù)前饋控制原理PWM控制技術(shù)電壓模式控制電流模式控制4電力電子系統(tǒng)建模和分析穩(wěn)定性分析濾波電路設(shè)計(jì)電磁兼容性分析5應(yīng)用和發(fā)展電能質(zhì)量問題功率半導(dǎo)體開關(guān)的損耗熱管理和散熱設(shè)計(jì)可靠性設(shè)計(jì)最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)電力電子技術(shù)發(fā)展歷程1現(xiàn)代電力電子技術(shù)功率半導(dǎo)體器件、數(shù)字控制、智能化2第二代電力電子技術(shù)晶閘管、功率晶體管、PWM控制3第一代電力電子技術(shù)真空管、磁放大器、模擬控制電力電子技術(shù)從最初的真空管時(shí)代發(fā)展到如今的智能化階段，經(jīng)歷了三個(gè)主要階段。每個(gè)階段都伴隨著新的器件和控制技術(shù)的出現(xiàn)，并推動(dòng)著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步。電力電子器件基本概念定義電力電子器件是用來控制和轉(zhuǎn)換電能的半導(dǎo)體器件。它們可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流、頻率和相位的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)能量的有效利用和控制。分類電力電子器件可以分為兩大類：二極管和晶體管。二極管是一種單向?qū)ㄆ骷?，而晶體管則是一種雙向?qū)ㄆ骷梢杂糜诳刂齐娏鞯牧鲃?dòng)。特性電力電子器件的特性包括：導(dǎo)通電壓、導(dǎo)通電流、開關(guān)速度、功率損耗和工作溫度等。這些特性直接影響器件的性能和應(yīng)用范圍。應(yīng)用電力電子器件廣泛應(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)中，例如電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電力系統(tǒng)控制等。二極管和可控硅11.二極管單向?qū)щ娫?，常用在整流、開關(guān)和保護(hù)電路中，可分為普通二極管、肖特基二極管和穩(wěn)壓二極管。22.可控硅雙向?qū)щ娫捎煽刂菩盘?hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，常用于電力電子領(lǐng)域，可調(diào)節(jié)直流電壓和電流。33.特性比較二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，導(dǎo)通電壓低，電流容量??；可控硅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)通電壓高，電流容量大，可控性強(qiáng)。功率晶體管結(jié)構(gòu)功率晶體管通常由基極、發(fā)射極和集電極組成，它們通過半導(dǎo)體材料連接。應(yīng)用功率晶體管在電力電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，如直流-直流轉(zhuǎn)換器、直流-交流轉(zhuǎn)換器等。封裝功率晶體管有多種封裝類型，例如TO-220、TO-3P、TO-247等，不同的封裝類型具有不同的散熱性能和電流容量。MOSFET和IGBTMOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)速度快，驅(qū)動(dòng)功率低。廣泛應(yīng)用于低壓、中功率場(chǎng)合，如電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)控制等。IGBT絕緣柵雙極型晶體管，兼具M(jìn)OSFET的高輸入阻抗和BJT的高電流能力。應(yīng)用于高壓、大功率場(chǎng)合，如電力拖動(dòng)、新能源汽車等。電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)分類直流-直流變換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為另一直流電壓。交流-直流變換器將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓。直流-交流變換器將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。交流-交流變換器將交流電壓轉(zhuǎn)換為另一交流電壓。直流-直流變換器DC-DC變換器將直流電壓轉(zhuǎn)換成另一種直流電壓。類型降壓型升壓型隔離型應(yīng)用計(jì)算機(jī)手機(jī)電動(dòng)汽車優(yōu)勢(shì)效率高，體積小，控制方便。驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，例如開關(guān)信號(hào)、電壓信號(hào)或電流信號(hào)，以控制電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。功率放大放大驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其具有足夠的功率，驅(qū)動(dòng)電力電子器件。隔離保護(hù)隔離驅(qū)動(dòng)電路與被驅(qū)動(dòng)電路，防止高壓或高電流損害驅(qū)動(dòng)電路。過流保護(hù)防止驅(qū)動(dòng)電路過流損壞，通常使用保險(xiǎn)絲或過流保護(hù)器。反激式變換器1工作原理反激式變換器采用變壓器進(jìn)行能量傳遞，通過開關(guān)控制能量存儲(chǔ)在變壓器磁芯中，然后在開關(guān)關(guān)閉后釋放到負(fù)載。2優(yōu)點(diǎn)反激式變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、效率高的優(yōu)點(diǎn)，適用于低功率應(yīng)用場(chǎng)景。3應(yīng)用廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)電源、手機(jī)充電器、LED驅(qū)動(dòng)等。4缺點(diǎn)反激式變換器電流紋波較大，輸出電壓波動(dòng)也較大，難以滿足高精度要求。前饋控制原理基本概念前饋控制是指根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)輸出的變化趨勢(shì)，并提前采取措施來抑制擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響。例如，在電力電子轉(zhuǎn)換器中，可以通過檢測(cè)負(fù)載電流的變化來預(yù)測(cè)輸出電壓的變化，并提前調(diào)整控制信號(hào)來保持輸出電壓穩(wěn)定。優(yōu)勢(shì)前饋控制可以有效地抑制擾動(dòng)的影響，提高系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，并減少系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化的敏感度。此外，前饋控制可以減少控制環(huán)路的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PWM控制技術(shù)1脈沖寬度調(diào)制通過改變脈沖寬度來控制輸出電壓或電流。2數(shù)字信號(hào)處理使用微處理器或?qū)Ｓ眯酒蒔WM信號(hào)。3控制精度高可以實(shí)現(xiàn)精確的電壓和電流控制，提高系統(tǒng)效率。4應(yīng)用廣泛應(yīng)用于電力電子變換器、電機(jī)控制和電源系統(tǒng)。電壓模式控制電壓反饋電壓模式控制通過反饋控制環(huán)路來穩(wěn)定輸出電壓。控制環(huán)路環(huán)路包括誤差放大器、比較器、PWM調(diào)制器和功率級(jí)?？焖夙憫?yīng)通過調(diào)節(jié)占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的快速響應(yīng)。電流模式控制電流環(huán)路控制電流模式控制系統(tǒng)中，控制器通過反饋回路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出電流，然后根據(jù)誤差調(diào)整開關(guān)器件的占空比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的精確控制?？焖賱?dòng)態(tài)響應(yīng)電流模式控制能夠快速響應(yīng)負(fù)載變化，使輸出電流保持穩(wěn)定，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性?？垢蓴_能力強(qiáng)電流模式控制對(duì)負(fù)載變化和外部干擾的敏感度較低，因此具有較強(qiáng)的抗干擾能力。過載保護(hù)電流模式控制可以有效地防止過載，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。電力電子系統(tǒng)建模數(shù)學(xué)模型建立描述電力電子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，包括電路方程、狀態(tài)方程和傳遞函數(shù)。仿真軟件利用MATLAB、Simulink等仿真軟件構(gòu)建系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。參數(shù)辨識(shí)通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量或數(shù)據(jù)分析，確定模型參數(shù)，提高模型精度。模型驗(yàn)證將模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和有效性。小信號(hào)分析方法電路分析小信號(hào)分析方法可以用于分析電力電子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，例如電壓和電流的響應(yīng)時(shí)間。數(shù)字信號(hào)處理通過對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，可以得到系統(tǒng)的小信號(hào)模型，方便分析系統(tǒng)的頻率特性和穩(wěn)定性。頻域分析小信號(hào)分析可以幫助理解系統(tǒng)的頻率特性，例如截止頻率、帶寬和相位裕度。電力電子系統(tǒng)穩(wěn)定性反饋控制反饋控制系統(tǒng)在電力電子中至關(guān)重要，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。穩(wěn)定性分析通過分析系統(tǒng)參數(shù)和動(dòng)態(tài)特性，可以確定系統(tǒng)是否穩(wěn)定，并預(yù)測(cè)其行為。仿真與優(yōu)化利用仿真工具可以模擬電力電子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)以提高穩(wěn)定性。電力電子濾波電路電容濾波器電容濾波器是一種常用的濾波器，它可以平滑輸出電壓，降低電壓紋波。電感濾波器電感濾波器通過電感的特性來阻擋高頻信號(hào)，從而抑制噪聲。LC濾波器LC濾波器結(jié)合電感和電容的特性，可以實(shí)現(xiàn)更高效的濾波效果，降低輸出電壓紋波。主動(dòng)濾波器主動(dòng)濾波器使用電子電路來實(shí)現(xiàn)濾波，可以更靈活地控制濾波頻率和帶寬。電磁兼容性分析11.電磁干擾電力電子設(shè)備工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，可能影響其他設(shè)備的正常工作。22.電磁抗擾度電力電子設(shè)備需要具備一定的抗擾度，能夠抵御來自其他設(shè)備的電磁干擾。33.測(cè)試與評(píng)估通過測(cè)試和評(píng)估，確保電力電子設(shè)備符合電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)。44.抑制措施采用各種抑制措施，降低電力電子設(shè)備的電磁干擾。電能質(zhì)量問題電壓波動(dòng)電壓波動(dòng)會(huì)影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。常見的電壓波動(dòng)類型包括電壓跌落、電壓上升和電壓暫降。諧波污染諧波電流會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備發(fā)熱、效率降低，甚至引發(fā)火災(zāi)。諧波主要由非線性負(fù)載產(chǎn)生，例如開關(guān)電源、變頻器等。頻率偏差頻率偏差會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)速，造成生產(chǎn)設(shè)備效率下降，甚至引發(fā)電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。頻率偏差通常由發(fā)電廠或電力系統(tǒng)故障引起。暫態(tài)現(xiàn)象暫態(tài)現(xiàn)象是指電網(wǎng)電壓或電流在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生快速變化，會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備誤動(dòng)作或損壞。常見的暫態(tài)現(xiàn)象包括浪涌、短路、接地故障等。功率半導(dǎo)體開關(guān)的損耗功率半導(dǎo)體開關(guān)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生各種損耗，降低系統(tǒng)效率，并影響器件的壽命。這些損耗主要包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、反向恢復(fù)損耗等。10%導(dǎo)通損耗器件導(dǎo)通時(shí)電流流過導(dǎo)通電阻產(chǎn)生的損耗。50%開關(guān)損耗器件開關(guān)過程中的能量損失。20%反向恢復(fù)損耗器件反向恢復(fù)過程中的能量損失。20%其他損耗如結(jié)電容充電損耗、漏電流損耗等。熱管理和散熱設(shè)計(jì)散熱需求電力電子器件在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量。為了保證器件的可靠性和壽命，必須進(jìn)行有效的散熱設(shè)計(jì)。散熱方式常用的散熱方式包括自然冷卻、風(fēng)冷和液冷。選擇合適的散熱方式取決于器件的功率、工作環(huán)境等因素。散熱器設(shè)計(jì)散熱器的材料、形狀和尺寸會(huì)影響散熱效率。合理的散熱器設(shè)計(jì)可以有效降低器件的溫度。熱管理系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)有效的熱管理，需要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的熱管理系統(tǒng)，包括散熱器、風(fēng)扇、溫度傳感器等。電力電子系統(tǒng)的可靠性可靠性定義電力電子系統(tǒng)必須在惡劣環(huán)境中可靠運(yùn)行，持續(xù)提供高質(zhì)量的電源。故障分析了解常見故障模式，例如器件老化、短路、過熱，以便設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)措施?？煽啃詼y(cè)試通過加速壽命測(cè)試、環(huán)境模擬測(cè)試等手段，評(píng)估系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性?？煽啃栽O(shè)計(jì)選擇高品質(zhì)器件，合理設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行可靠性分析，以提高系統(tǒng)可靠性。最新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)11.寬禁帶半導(dǎo)體寬禁帶半導(dǎo)體器件，如SiC和GaN，在電力電子領(lǐng)域具有更高的開關(guān)速度和效率，適用于高頻、高功率應(yīng)用。22.人工智能技術(shù)人工智能技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，可以優(yōu)化電力電子系統(tǒng)的控制策略，提高效率和可靠性。33.數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化電力電子系統(tǒng)正在與數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)智能化管理和遠(yuǎn)程控制。44.電力電子系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展電力電子技術(shù)在電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、新能源儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。典型應(yīng)用案例分析