第13章 電力電子概述

課程的基本要求

3.掌握PWM技術(shù)的工作原理和控制特性，了解軟開關(guān)技術(shù)的基本原理。1.熟悉和掌握晶閘管SCR、電力MOSFET、IGBT等電力電子器件的結(jié)構(gòu)、原理、特性和使用方法；2.熟悉和掌握各種基本的整流電路、直流斬波電路、交流—交流電力變換電路和逆變電路的結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析和控制方法。4.了解電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍和發(fā)展動向。5.掌握基本電力電子裝置的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試方法。緒論

一、什么是電力電子技術(shù)？二、電力電子技術(shù)的發(fā)展史。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。四、課程內(nèi)容簡介。一、什么是電力電子技術(shù)？1.定義：電力電子技術(shù)（powerelectronics）：是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，指使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)?！步忉尅畴娮蛹夹g(shù)包括：信息電子技術(shù)和電力電子技術(shù)。信息電子技術(shù)——模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)W甚至1W以下。電力電子技術(shù)主要用于電力變換而信息電子技術(shù)主要用于信息處理。一、什么是電力電子技術(shù)？2.電力電子技術(shù)和其它學(xué)科的關(guān)系電力電子實(shí)際上是一門交叉學(xué)科。PowerElectronics名稱60年代出現(xiàn)。1974年，美國的W.Newell用圖0-1的倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。

圖0-1描述電力電子學(xué)的倒三角形電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系（1）電子學(xué)中的電子器件對應(yīng)于電力電子器件電子學(xué)中的電子電路對應(yīng)于電力電子電路電力電子器件制造技術(shù)和電子器件制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一樣的，大多數(shù)工藝也相同?，F(xiàn)代電力電子器件制造大都使用集成電路制造工藝，采用微電子制造技術(shù)，許多設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，二者同根同源。電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系（2）電力電子電路和電子電路許多分析方法一致，僅應(yīng)用目的不同；廣義而言，電子電路中的功放和功率輸出也可算做電力電子電路；電力電子電路廣泛用于電視機(jī)、計算機(jī)等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路；器件的工作狀態(tài)：信息電子，既可處于放大狀態(tài)，也可工作在開關(guān)狀態(tài)；電力電子，為避免功率損耗過大，總在開關(guān)狀態(tài)。

電力電子技術(shù)與電力學(xué)的關(guān)系主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電力工程中。電力電子裝置廣泛用于高壓直流輸電、靜止無功補(bǔ)償、電力機(jī)車牽引、交直流電力傳動、電解、勵磁、電加熱、高性能交直流電源等電力系統(tǒng)和電氣工程中。通常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科。電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中一個最為活躍的分支，其不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動力。電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)，使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能滿足各種需求；電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強(qiáng)電”的技術(shù)，是“弱電和強(qiáng)電的接口”，控制理論是實(shí)現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶；控制理論和自動化技術(shù)密不可分，電力電子裝置是自動化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐。一、什么是電力電子技術(shù)？

3.電力變換的類型：

圖0-2常見的電力變換種類一、什么是電力電子技術(shù)？4.電力電子技術(shù)分支和特點(diǎn)：

分為電力電子器件制造技術(shù)和變流技術(shù)兩個分支?！蔡攸c(diǎn)〕電力電子技術(shù)的發(fā)展集中體現(xiàn)在電力電子器件的發(fā)展上；這些器件一般均工作在開關(guān)狀態(tài)，這是重要特征；電力電子技術(shù)是電氣工程學(xué)科中目前最為活躍的分支。有人預(yù)言：電力電子技術(shù)和運(yùn)動控制一起，和計算機(jī)技術(shù)共同成為未來科學(xué)技術(shù)的兩大支柱。二、電力電子技術(shù)的發(fā)展史

〔四個階段〕史前期（1957年以前）：使用水銀整流器（汞整流器），其性能和晶閘管類似。這段時間，各種整流、逆變、周波變流的電路和理論已經(jīng)成熟并廣泛應(yīng)用。晶閘管時代（1958～70年代）：全控型器件時代（70年代后期）：復(fù)合器件時代（80年代后期）：即為電力電子器件的發(fā)展史。以1958年美通用電氣公司第一只晶閘管的誕生為標(biāo)志，標(biāo)志電力電子器件和技術(shù)的誕生。

1、電力電子技術(shù)的史前期晶閘管出現(xiàn)前的時期，用于電力變換的電子技術(shù)已經(jīng)存在：1904年出現(xiàn)了電子管（Valve），能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開了電子技術(shù)之先河；后來出現(xiàn)了水銀整流器（mercury-vapour

thyratrons），其性能和晶閘管很相似。在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應(yīng)用的時期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所以及軋鋼用直流電動機(jī)的傳動，甚至用于直流輸電；各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)一段時期內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式；交流電變?yōu)橹绷麟姷姆椒ǔy整流器外，還有發(fā)展更早的電動機(jī)—直流發(fā)電機(jī)組，即變流機(jī)組。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相對應(yīng)，靜止變流器的稱呼從水銀整流器開始并沿用至今；1947年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管（transistor)，引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命；最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管。2、晶閘管時代（1957年開始）晶閘管SCR(SiliconControlledRectifier)可通過門極控制開通，但通過門極不能控制關(guān)斷，屬于半控型器件。晶閘管因其電氣性能和控制性能優(yōu)越，很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動、感應(yīng)加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無功補(bǔ)償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動了晶閘管的進(jìn)步。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。對晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式。晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來實(shí)現(xiàn)。目前由于其能承受的電壓、電流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以許多大容量場合仍大量使用SCR。3、全控型器件時代（70年代后期）GTO可關(guān)斷晶閘管以BJT(GTR)電力雙極型晶體管為代表：

Power-MOSFET電力場效應(yīng)管這些器件可以通過門極（或柵極、基極）控制開通和關(guān)斷。同時，這些器件可以達(dá)到的開關(guān)頻率均較高。這些器件大大推進(jìn)了電力電子技術(shù)的發(fā)展。和SCR電路的相位控制方式相對應(yīng)，全控型器件電路常使用脈沖寬度調(diào)制（PWMPulseWidthModulation）方式進(jìn)行控制。4、復(fù)合型器件時代（80年代后期）復(fù)合型器件：以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBTInsulated-GateBipolarTransistor）為代表：IGBT＝MOSFET＋BJT它集MOSFET的驅(qū)動功率小、開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對應(yīng)，MOS控制晶閘管（MCT）和集成門極換流晶閘管（IGCT）都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。功率集成電路：把驅(qū)動、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前其功率都還較小，但代表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。5、21世紀(jì)電力電子技術(shù)的前景電力電子器件發(fā)展的目標(biāo)是：大容量、高頻率、易驅(qū)動、低損耗、小體積（高芯片利用率）、模塊化。新的控制技術(shù)的使用，以減小電力電子器件的開關(guān)損耗，如軟開關(guān)技術(shù)：通過諧振電路使得器件在零電壓（ZVS）或零電流（ZCS）的狀態(tài)下進(jìn)行開關(guān)。電力電子應(yīng)用系統(tǒng)向著高效、節(jié)能、小型化和智能化的方向發(fā)展。三、電力電子技術(shù)的應(yīng)用1.一般工業(yè)

直流電動機(jī)有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電