電力電子概述

教案編寫：肖強暉廖無限

授課教師：

肖強暉電氣工程系電氣工程教研室

現代電力電子技術ModernPowerElectronics第一章緒論重點和難點

電力電子技術定義、它與其它學科的關系。電力電子變換的基本類型緒論1、課程性質

2、主要參考文獻

3、預備知識4、課程的基本要求5、課程的計分方案6、作業1、課程性質

電氣工程與自動化本科專業的必修課,同時也是電力電子專業研究生的專業課先修課程：《電機學》或《電機拖動》、《自動控制理論》、《電力系統分析》等后續課程：《現代交流調速系統》、《交流電機及其系統分析》、《電力電子專題講座》等2、主要參考文獻

陳堅.電力電子學.北京：高等教育出版社，2003趙良炳.現代電力電子技術基礎.北京：清華大學出版社，2000李永東.交流電機數字控制系統.北京：機械工業出版社，2002黃濟榮.電力牽引交流傳動與控制.北京：機械工業出版社，1998《電力電子技術》，學術期刊《電工技術學報》，學術期刊《中國電機工程學報》，學術期刊3、預備知識

§3.1電力電子技術的定義§3.2電力電子技術和其它學科的關系§3.3電力電子技術和電子學的關系§3.4電力電子技術與電氣工程的關系§3.5電力電子技術與控制理論的關系§3.6電力電子技術的發展地位和未來§3.7電力電子變換的類型§3.8電力電子技術的發展史§3.9電力電子技術的應用§3.1021世紀電力電子技術的前景

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3.1電力電子技術的定義電子技術包括：信息電子技術和電力電子技術。信息電子技術——模擬電子技術和數字電子技術。目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術變換的“電力”，可大到數百MW甚至GW，也可小到數W甚至1W以下。定義：

電力電子技術（powerelectronics）是應用于電力領域的電子技術，指使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術。另解電力電子技術，就是使用電力半導體器件及電子技術對電氣設備的電功率進行變換和控制的技術。它以實現“高效率用電和高品質用電”為目標，是一門綜合電力半導體器件、電力變換技術、現代電子技術、自動控制技術等許多學科的交叉學科。電力電子技術主要用于電力變換，而信息電子技術主要用于信息處理?！?.2電力電子技術和其它學科的關系電力電子技術（PowerElectronics）實際上是一門交叉學科，該名稱于60年代出現。1974年，美國的W.Newell用圖1的倒三角形對電力電子技術進行了描述，被全世界普遍接受。§3.3電力電子技術和電子學的關系與電子學（信息電子學）的關系都分為器件和應用兩大分支；器件的材料、工藝基本相同，采用微電子技術；應用的理論基礎、分析方法、分析軟件也基本相同；信息電子電路的器件可工作在開關狀態，也可工作在放大狀態；電力電子電路的器件一般只工作在開關狀態（為避免功率損耗過大）。二者同根同源。電子學中的電子器件對應于電力電子器件電子學中的電子電路對應于電力電子電路

§3.4電力電子技術與電氣工程的關系與電氣工程（電力學）的關系電力電子技術廣泛用于電氣工程中（高壓直流輸電、靜止無功補償、電力機車牽引、交直流電力傳動、電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源等）。國內外均把電力電子技術歸為電氣工程的一個分支，屬于電氣工程一級學科下屬的電力電子與電力傳動二級學科。電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的一個分支，其不斷的技術進步給電氣工程的現代化以巨大的推動力?！?.5電力電子技術與控制理論的關系與控制理論（自動化技術）的關系控制理論廣泛用于電力電子系統中；電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口；控制理論是這種接口的有力紐帶；電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重要支撐技術?！?.6電力電子技術的發展地位和未來電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成為未來科學技術的兩大支柱計算機→人腦電力電子技術→消化系統和循環系統電力電子+運動控制→肌肉和四肢電力電子技術是電能變換技術，是把粗電變為精電的技術，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優質的能源，因此電力電子技術將青春永駐。一門嶄新的技術，21世紀仍將以迅猛的速度發展。

§3.7電力電子變換的類型進行電力變換的技術稱為變流技術。通常電力變換裝置有四大類：交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流等，或是它們的變換組合，例如：交直交變換裝置等。其關系參見圖2所示。圖2常見的電力電子變換種類

§3.8電力電子技術的發展史（1）

電力電子技術的發展史是以電力電子器件的發展史為綱的，其過程參見圖3。

圖3電力電子器件的發展史§3.8電力電子技術的發展史（2）1.半導體整流管的發展2.晶閘管及其派生器件的發展3.雙極型晶體管（亦稱功率晶體管，GrandTransistor—GTR）4.功率場效應管（MOSFET）的發展5.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的發展6.功率集成電路的發展

7.智能化電力電子功率模塊IPM和PEBB1.半導體整流管的發展20世紀50年代初期，普通的半導體整流管（SR—SemiconductorRectifier）因其正向通態壓降（1V左右）遠比汞弧整流器（10～20V）小而開始取代汞弧整流器，由此大大提高了整流電路的效率。普通整流管通常應用于400Hz以下的不可控整流電路。隨著在工藝上以縮短整流管的正反向恢復時間來降低整流管的開關損耗為目的的研究取得成功，人們開發出快恢復整流管和肖特基整流管應用于中頻（10kHz以下）和高頻（10kHz以上）整流的場合。20世紀80年代中后期，為了進一步減少低壓高頻開關電源中電力電子器件的損耗，同步整流管也應運而生。

2.晶閘管及其派生器件的發展1957年美國通用電氣公司（GE）發明了普通（400Hz以下）的反向阻斷型可控硅（SilliconControlledRectifier——SCR），以后稱晶閘管（Thyristor）。經過60年代的工藝完善和應用開發，到了70年代，晶閘管已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產品。在這一期間及其以后的近30年時間里，世界各國相繼開發出一系列晶閘管的派生器件，如圖4所示。由晶閘管及其派生器件構成的各種電力電子系統在工業應用中主要解決了傳統的電能變換裝置中所存在的能耗大和裝置笨重的問題，因而大大地提高了電能的利用率，同時也使工業噪聲得到了一定程度的控制。但是因為晶閘管類器件中多數是換流器件，其工作頻率又比較低，致使PWM脈沖寬度調制（Pulse-widthModulation）技術難以很好地實施。因此，通常由其構成的裝置應用電路復雜，而且存在嚴重的“電力公害”問題。不對稱晶閘管（ASCR）逆導晶閘管（RCT）雙向晶閘管（TRIAC）光控晶閘管（LASCR）快速晶閘管高頻晶閘管可關斷晶閘管（GTO）集成門極控制晶閘管（IGCT）MOS柵控晶閘管（MCT）晶閘管的派生器件圖4晶閘管的派生器件3.雙極型晶體管（亦稱功率晶體管，Grand

Transistor—GTR)1948年美國貝爾實驗室發明了晶體管，經過20多年的努力，用于電力變換的晶體管才進入到工業應用領域。到20世紀80、90年代，晶體管已被廣泛應用于100kW等級功率的電路中。功率晶體管的工作頻率比晶閘管高，可達到10～20kHz。這樣，PWM技術在晶體管變換電路中得到了廣泛的應用，促成了“20kHz革命”，使得直流線性電源迅速被20kHz開關電源所取代。在20世紀80年代和90年代初，晶體管曾被廣泛地應用于中小功率電機變頻調速（目前已被MOSFET或IGBT所取代）、不間斷電源（UPS）（已被IGBT管所替代）等等工業領域。但是，因為功率晶體管存在著二次擊穿、不易并聯以及開關頻率偏低等問題，它的應用范圍受到了限制。不過，功率晶體管的抗干擾性能卻明顯高于目前廣泛應用的MOSFET管和IGBT管。4功率場效應管（MOSFET）的發展20世紀70年代后期，功率場效應管（PowerMOSFET）開始進入實用階段；進入80年代人們又在降低器件的導通電阻、消除寄生效應、擴大電壓和電流容量以及驅動電路集成化等方面進行了大量的研究，取得了很大的進展。功率場效應管中應用最廣的是電流垂直流動結構的器件（VDMOS）。它具有工作頻率高、開關損耗小、安全工作區寬、輸入阻抗高、易并聯等優點，是一種場控自關斷器件。目前廣泛應用于DC/DC模塊電源、高頻開關電源、計算機電源、航空電源、小功率UPS以及小功率（單相）變頻器等領域。作為IGBT孿生兄弟的功率場效應管，充分發揮自己的特點向三個方向進一步發展：①更高頻率推向吉赫茲；②低電壓產品的超低導通電阻；③在兆赫茲水平突破并達到1200V的電壓上限。這樣可滿足不同應用市場的需要，取得了令人矚目的新成就。

5絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的發展20年前電力電子器件較為引人注目的成就之一就是開發出雙極型復合器件。目前被認為最具有發展前途的是1983年美國GE公司發明的絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor——IGBT），它已形成了一個新的第二代器件發展平臺。IGBT實現了器件高壓、大電流參數同其動態參數之間合理的折中，因而兼有MOS器件和雙極型器件的突出優點，目前IGBT容量可達4500V/1200A，3300V/1500A。近10年來，第四代IGBT（采用非穿通（NPT）結構——即NPT-IGBT）得到了迅速的發展，NPT-IGBT器件具有導通壓降的正溫度系數，解決了器件并聯自動均流的難題。“串并聯”封裝在一個管殼里的結構是IGBT走向高壓、大電流及大功率化的必由之路。10年前人們預測的IGBT會取代功率晶體管（GTR）現在早已成為事實；IGBT正成為高電壓、大電流應用領域中GTO和IGCT的潛在競爭者，卻是當年未曾預料的。另一方面，美國IR公司開發了WAPP系列，美國APT公司開發了GT系列“霹靂（Thunderbolt）型”IGBT。目前已有600V/100A以下的此類IGBT商品，其硬開關工作頻率已高達150kHz，而軟開關工作頻率可達300kHz，且IGBT的電流密度是相同電壓等級的功率MOSFET管的2.5倍。這種IGBT器件比MOSFET管小，成本低，所以正在成為高頻開關電源中廣泛使用的MOSFET管強有力的競爭者。另外，逆導型IGBT和雙向型IGBT也正在研制中。

總之，10年前IGBT出現在世界技術舞臺的時候，盡管它表現出很好的綜合性能，許多人仍難以相信這種器件在大功率領域中的生命力?，F在，IGBT器件顯示了巨大的發展，形成了一個新的器件應用發展平臺。6功率集成電路的發展制造具有各種不同功能的功率集成電路的最大優勢是減少引線，提高可靠性，其經濟效益也明顯增加。10年來，具有功率控制能力、含有功率器件的智能功率集成電路（SmartPowerIC）和高電壓功率集成電路（HVIC）都已形成各種實用系列，但是功率都不是很大。它們實際上是一種微型化的功率變換裝置，應用起來可靠而方便。7智能化電力電子功率模塊IPM和PEBB20世紀80年代發展起來的智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM），將具有驅動、自保護、自診斷功能的IC與電力電子器件集成在一個模塊中，并可用于10～100kW功率等級的電力電子系統中。進入90年代，大功率IPM已成為電力電子技術領域的一個研究重點。由于分布式電源系統（DPS）的發展，美國海軍研究所提出了集成電力電子模塊（PEBB）開發計劃來設計艦艇的DPS。由于不同的元器件、電路、集成片的封裝或相互連接產生的寄生參數已成為影響電力電子系統性能的關鍵問題，所以采用IPM可以減少設計工作量，使生產自動化，提高系統品質、可靠性和可維護性，設計周期短，成本低。目前，三相六管封裝的IPM模塊容量可達到1200V/600A，單相橋臂兩管封裝的IPM容量可達到1200V/2400A?！?.9電力電子技術的應用一般工業：

交直流電機、電化學工業、冶金工業交通運輸：

電氣化鐵路、電動汽車、航空、航海電力系統：

高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源：

為信息電子裝置提供動力家用電器：

“節能燈”，變頻空調等其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發電裝置等§3.9電力電子技術的應用(1)軋鋼機

電解鋁、銅等金屬的裝置

數控機床

冶金工業

一般工業：§3.10電力電子技術的應用(