电力电子器件第一章-绪论课件

现代电力电子器件原理与应用技术 李楠李楠通信教研室通信教研室第一章 绪 论 1 1、什么是电力电子技术2 2、电力电子器件的发展史3 3、电力电子技术的应用信息电子技术信息电子技术信息电子技术信息电子技术信息信息处理处理电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电力变换变换电子技术一般即指信息电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。括电力电子技术。模拟电子技术模拟电子技术电子技术电子技术信息电子技术信息电子技术电力电子技术电力电子技术数字电子技术数字电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术电力电子技术使用电力半导使用电力半导体开关器件对电能进行高效率变体开关器件对电能进行高效率变换和控制的一门技术，即应用于换和控制的一门技术，即应用于电力领域的电子技术，又可称为电力领域的电子技术，又可称为功率电子技术。功率电子技术。目前电力电子器件均用半导体制目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的电力电子技术变换的“电力电力”，可大到数百可大到数百MWMW甚至甚至GWGW，也可，也可小到数小到数WW甚至甚至mWmW级。级。粗电粗电精精电电1.1 电力电子与信息电子弱弱 电电强强 电电 变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电力电子器件制造技术电电力力电电子子技技术术的的基基础础，理理论论基基础础是是半半导导体体物理。物理。1.2 两大分支 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类电力变换四大类 AC/DC、DC/AC、DC/DC、AC/AC电力变换的种类 进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为 变流技术变流技术。逆变直流斩波DC变频、变相整流ACACDC 输出 输入1.2 两大分支 变流技术变流技术变流技术变流技术1974年，美国的学者 W.Newell用如图的倒三角形对电力电子学进行了描述。电力电力电子器件电子器件电子学电子学电力学电力学控制控制理论理论连续、离散 电路、器件静止器、旋转电机描述电力电子学的倒三角形1.3 与相关学科的关系 实现电能变换实现电能变换 粗电到精电粗电到精电 是是“弱电和强电的接口弱电和强电的接口”电力电子技术可看成电力电子技术可看成“弱电控制强电弱电控制强电”的技术的技术 1957年，第一只晶闸管出现标志着电力电子技术的诞生。年，第一只晶闸管出现标志着电力电子技术的诞生。都分为都分为器件器件和和应用应用两大分支。两大分支。器件器件的材料、工艺基本相同。的材料、工艺基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；作在放大状态；电力电子电路的器件电力电子电路的器件，为避免功率损耗过大为避免功率损耗过大,一般一般只工作在开关状态。只工作在开关状态。与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系与电子学（信息电子学）的关系1.3 与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中电力电子技术广泛用于电气工程中高压直流输电静止无功补偿高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源电解、电镀、电加热、高性能交直流电源电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。个分支。与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系与电力学（电气工程）的关系1.3 与相关学科的关系控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系与控制理论（自动化技术）的关系1.3 与相关学科的关系电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成 为未来科学技术的为未来科学技术的两大支柱两大支柱。计算机计算机 人脑人脑 电力电子技术电力电子技术 消化系统和循环系统消化系统和循环系统 电力电子运动控制电力电子运动控制 肌肉和四肢肌肉和四肢电力电子技术是电力电子技术是电能变换技术电能变换技术,是把是把粗电粗电变为变为精电精电的技术，的技术，能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源。能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源。1.4 地位和未来电力电子技术：支撑科技电力电子技术：支撑科技全球电子市场全球电子市场电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为前提的。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年)晶体管诞生2、电力电子器件的发展史电力电子器件电力电子器件（power electronic device）：用于处理电用于处理电能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。能的主电路中，实现电能变换或控制的电子器件。同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：(1)电功率电功率大大 小至毫瓦级，大至兆瓦级小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都大多都远大于远大于处理信息的电子器件，即承处理信息的电子器件，即承受电压和电流的能力大，是最重要的特征；受电压和电流的能力大，是最重要的特征；(2)工作在工作在开关开关状态状态 通态通态阻抗很阻抗很小小，接近于，接近于短路短路，管压降接近于零，电流由，管压降接近于零，电流由外电路外电路决定；决定；断态断态阻抗很阻抗很大大，接近于，接近于断路断路，电流几乎为零，两端电压由，电流几乎为零，两端电压由外电路外电路决定；决定；作电路分析时，为简单起见往往用作电路分析时，为简单起见往往用理想开关理想开关来代替。来代替。电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力半导体器件使用特点 电力电子器件稳态时工作在电力电子器件稳态时工作在导通导通与与截截止止两种工作状态。导通时，器件压降两种工作状态。导通时，器件压降很小，而截止时它的漏电流很小，器很小，而截止时它的漏电流很小，器件近似于理想的开关件近似于理想的开关 但需要指出的是，电力半导体器件在但需要指出的是，电力半导体器件在开关状态转换过程时并不是瞬时完成开关状态转换过程时并不是瞬时完成的（所需时间称开关时间），而是要的（所需时间称开关时间），而是要经过一个转换过程（称开关过程）经过一个转换过程（称开关过程）简单的BJT电路例如，图1-1所示电路中 ，当工作在饱和导通状态时管压降 ，的管耗 ，截止的漏电流 ，即截止时的管耗 。如果 工作在线性放大状态时，设 ，则 的管耗 。在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行(3)需要由需要由信息电子电路信息电子电路来来控制控制控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电气隔离控制电路：控制电路：由应用电力电子器件的系统组成驱动电路：驱动电路：在主电路和控制电路之间，对控制电路的信号进行放大放大放大放大(4)散热散热 不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，而且在其工作时一般都不仅在器件封装上讲究散热设计，而且在其工作时一般都要安装散热器。要安装散热器。电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须电力电子器件电流、电压容量的主要原因。为此，必须考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、考虑器件的冷却问题。常用冷却方式有自冷式、风冷式、液冷式液冷式(包括油冷式、水冷式包括油冷式、水冷式)和蒸发冷却式等。和蒸发冷却式等。电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制程度，分为三类：按照器件能够被控制电路信号所控制程度，分为三类：1)半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管3)不可控器件不可控器件电力二极管通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。晶闸管及其大部分派生器件2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。从从控控制制方方式式来来分分类类 按照按照驱动驱动电路加在器件控制端和公共端之间电路加在器件控制端和公共端之间信号信号的性质，的性质，从驱动方式从驱动方式分为两类：分为两类：1)电流驱动型电流驱动型电力电子器件的分类电力电子器件的分类2)电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制（又称为（又称为场控器件场控器件，或，或场效应器件场效应器件）按照器件内部电子和空穴两种载流子参与按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：导电的情况分为三类：从导电机理分类从导电机理分类 1)单极型单极型器件器件 2)双极型双极型器件器件3)复合型复合型器件器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件 电力电子器件的分类电力电子器件的分类电力电子器件发展水平 整流管类，快速恢复二极管将有较大的发展在高压直流输电中，晶闸管（光控晶闸管）将有很好的发展机遇。在功率晶体管类中，以IGBT发展最为迅速（1）大容量化。应用先进的微电子制造工艺，使单个器件的电压、电流容量大幅度的提高，满足高电压、大电流的使用需要。发展方向发展方向（2）降低导通压降。研制正向压降比肖特基二极管更低的器件，以提高变流装置的效率、节省电能。1、电力电子器件的发展。（4）功率集成化。充分应用集成电路工艺和技术，将驱动、保护、检测、自诊断等功能与电力电子器件集成于一块芯片，将其做成功率集成电路（PIC），使功率与信息集成在一起，成为机电一体化的接口。电力电子技术的方向电力电子技术的方向 （3）高频化。频率的提高不仅可提高系统的性能，而且还可大大减小装置的体积与重量。2、变流电路与控制电路的发展。传统的电力电子技术以整流为主导、PID模拟控制为主。20世纪80年代以来，高频全控器件出现，逆变、斩波电路应用广泛。而逆变、斩波电路都需要直流电源，因此，整流电路仍占重要地位。在逆变、斩波电路中，脉宽调制技术大量应用，使变流装置的功率因数提高、谐波减少，特别是以微处理器为核心的数字控制代替了模拟控制。电力电子技术的方向电力电子技术的方向 国际知名电力电子器件制造商Texas Instrument（德州仪器，简写TI）International Rectifier（国际整流器,简写IR）Fairchild（仙童公司）Harris Semiconductor National Semiconductor一般工业一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器家用电器：“节能灯”、变频空调其他其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置3、电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1 1）一般工业）一般工业2）交通运输交通运输3）电力系统电力系统SVCSVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS4）电子装置用电源电子装置用电源程控交换机电子装置电子装置微型计算机5 5）家用电器）家用电器6 6）其他）其他大型计算机的UPS航天技术航天技术新型能源风力发电风力发电交流发电机交流发电机整流电路整流电路蓄电池蓄电池频率变换电路频率变换电路负负 载载工频电源工频电源风车风车涂胶机器人涂胶机器人龙门式喷漆机器人龙门式喷漆机器人SCARA型装配机器人型装配机器人搬运机器人搬运机器人码垛机器人码垛机器人喷漆机器人喷漆机器人机器人控制机器人控制任务任务1(15分分)1、电力电子器件的发展历程、年代以及代表人物和代表技术(2分)2、当下最新型先进的电力电子器件的概述(2分)3、详细介绍至少两个应用在我们日常生活中的电力电子技术（4分）（需要说明它的工作原理）备注：备注：1以课件的形式完成本次任务（不以课件完成扣以课件的形式完成本次任务（不以课件完成扣10分）分）2课件的讲解时间至少课件的讲解时间至少15分钟分钟(低于低于10分钟扣分钟扣5分，分，1015分钟扣分钟扣3分分)3讲解人员采取自荐方式，若无人自荐，教师点名讲解讲解人员采取自荐方式，若无人自荐，教师点名讲解(拒绝讲解的扣拒绝讲解的扣 除除10分分)主要内容：主要内容：