合工大电力电子技术第一章

第一讲电力电子技术概述SummarizationofPowerElectronicTechnology,杜少武,第一讲现代电力电子技术概述,1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用1.4电力电子器件（I）,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术(PowerElectronicTechnology)应用于电力领域的电子技术，使用电力电子器件(PowerElectronicDevice)对电能进行变换和控制的技术。电力电子技术主要用于电力变换(PowerConversion)。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(PowerSemiconductorDevice)。电力电子装置（PowerElectronicEquipment)的功率，可大到数百MW甚至GW，也可小到数瓦甚至1W以下,返回,电力电子技术的两个分支,电力电子变流技术(PowerElectronicConversionTechnique)用电力电子器件(PowerElectronicDevice)构成电力变换电路(PowerConversionCircuit)和对其进行控制的技术，及构成电力电子装置（PowerElectronicEquipment)和电力电子系统(PowerElectronicSystem)的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论(TheoryofElectriccircuit)。电力电子器件制造技术(ManufactureTechniqueofPowerElectronicDevice)电力电子器件制造技术的理论基础是半导体物理(SemiconductorPhysics),电力电子变流技术,电力电子变流技术：用电力电子器件进行电力变换的技术，简称为变流技术(PowerConversionTechnique)。电力变换四大类：交流直流、直流交流、直流直流和交流交流。,电力电子技术和电子技术的关系,电力电子器件制造技术和电子器件（ElectronicDevice)制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同现代电力电子器件制造大都使用集成电路（IntegrateCircuitIC)制造工艺，采用微电子(Micro-electronics）制造技术，许多设备都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。,电力电子技术和电子技术的关系,电力电子电路(PowerElectronicCircuit）和电子电路ElectronicCircuit）许多分析方法一致，仅应用目的不同广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电路器件的工作状态信息电子既可放大，也可开关电力电子为避免功率损耗过大，总在开关状态电力电子技术的一个重要特征,电力电子技术与电气工程的关系,主要关系：电力电子技术广泛用于电气工程中。电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、电镀、励磁、电加热、高性能交直流电源等电气工程领域。通常把电力电子技术归属于电气工程学科电气工程学科中一个最为活跃的分支，其不断进步给电气工程的现代化以巨大的推动力,电力电子技术与控制理论的关系,控制理论广泛用于电力电子技术，使电力电子装置和系统的性能满足各种需求电力电子技术可看成“弱电控制强电”的技术，是“弱电和强电的接口”，控制理论是实现该接口的强有力纽带控制理论和自动化技术密不可分，而电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术,1.2电力电子技术的发展史,电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此，电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。,返回,电力电子技术的发展简史,1904年出现了电子管，能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开了电子技术之先河后来出现了水银整流器，其性能和晶闸管很相似。在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并大量应用的时期。它广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所、轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电,电力电子技术的发展简史,1947年美国贝尔实验室发明晶体管(Transistor），引发了电子技术的一场革命1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管1960年我国研究成功硅整流管（SiliconRectifyingTube/RectifierDiode）1962年我国研究成功晶闸管（Thyristor）70年代出现电力晶体管（GiantTransistorGTR)、电力场效应管（MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistorMOSFET),电力电子技术的发展简史,各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在晶闸管出现以后的相当一段时期内，所使用的电路形式仍然是这些形式交流电变为直流电的方法除水银整流器外，还有发展更早的电动机直流发电机组，即变流机组。和旋转变流机组相对应，静止变流器的称呼从水银整流器开始并沿用至今最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管,电力电子技术的发展简史,晶闸管因电气性能和控制性能优越，很快取代了水银整流器和旋转变流机组，且其应用范围也迅速扩大。电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业（轧钢用电气传动、感应加热等）、电力工业（直流输电、无功补偿等）的迅速发展也有力地推动了晶闸管的进步。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，因而属于半控型器件对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现,电力电子技术的发展简史,80年代后期开始：复合型器件以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管（BJT）的复合。它集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，使之成为现代电力电子技术的主导器件。与IGBT相对应，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）等都是MOSFET和GTO的复合，它们也综合了MOSFET和GTO两种器件的优点。,电力电子技术的发展简史,功率模块（PowerModule）：为了使电力电子装置的结构紧凑、体积减小，常常把若干个电力电子器件及必要的辅助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。功率集成电路（PowerIntegratedCircuitPIC）：把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起，构成功率集成电路（PIC）。目前其功率都还较小，但代表了电力电子技术发展的一个重要方向。智能功率模块（IntelligentPowerModuleIPM）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（IntelligentIGBT）。,电力电子技术的发展简史,高压集成电路（HighVoltageIntegratedCircuitHVIC）：一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（SmartPowerIntegratedCircuitSPIC）：一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。,1.3电力电子技术的应用,一般工业直流电动机有良好的调速性能，给其供电的可控整流电源或直流斩波电源都是电力电子装置近年来电力电子变频技术的迅速发展，使交流电机的调速性能可与直流电机媲美，交流调速技术大量应用并占据主导地位。几百W到数千kW的变频调速装置，软起动装置等电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源,返回,1.3电力电子技术的应用,交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术，电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制,1.3电力电子技术的应用,飞机、船舶需要很多不同要求的电源，因此航空和航海都离不开电力电子技术如果把电梯也算做交通运输，那么它也需要电力电子技术。以前的电梯大都采用直流调速系统，而近年来交流变频调速已成为主流,1.3电力电子技术的应用,电力系统电力电子技术在电力系统中有非常广泛的应用。据估计，发达国家在用户最终使用的电能中有60%以上至少经过一次电力电子变流装置的处理。电力系统在通向现代化的进程中，电力电子技术是关键技术之一。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。,1.3电力电子技术的应用,无功补偿和谐波抑制对电力系统有重要的意义。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）都是重要的无功补偿装置。近年来出现的静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等新型电力电子装置具有更为优越的无功功率和谐波补偿的性能。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置,1.3电力电子技术的应用,电子装置用电源各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。各种计算机所需的工作电源现在也都采用高频开关电源。在各种电子装置中，以前大量采用线性稳压电源供电，由于高频开关电源体积小、重量轻、效率高，现在已逐渐取代了线性电源。,1.3电力电子技术的应用,家用电器照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯和日光灯变频空调器是家用电器中应用电力电子技术的典型例子之一。电视机、音响设备等电子设备的电源部分也都需要电力电子技术。此外，有些洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。,1.3电力电子技术的应用,其他不间断电源（UPS）在现代社会中的作用越来越重要，用量也越来越大，但必须应用电力电子技术航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器中为了人的生存和工作，也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术各种新能源、可再生能源及新型发电方式越来越受到重视。太阳能发电和风力发电受环境的制约，发出的电力质量较差，常需要储能装置缓冲，需要改善电能质量，这就需要电力电子技术。,1.3电力电子技术的应用,为了合理地利用水力发电（Waterpower）资源，近年来抽水储能发电站受到重视。其中的大型电动机的起动和调速都需要电力电子技术。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。,1.3电力电子技术的应用,以前电力电子技术的应用偏重于中、大功率。现在，在1kW以下，甚至几十瓦以下的功率范围内，电力电子技术的应用也越来越广，其地位也越来越重要。这已成为一个重要的发展趋势，值得引起人们的注意。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术,1.4电力电子器件（I）,电力电子器件的分类不控型器件：电力二极管（普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管等）半控型器件：晶闸管（普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等）全控型器件：门极可关断晶闸管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、MOS控制晶闸管等器件,返回,二极管,普通二极管与快恢复二极管均由PN结构成,PN结与电力二极管的工作原理,PN结的形成N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场或自建电场，其方向是阻止扩散运动的。,另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区,PN结与电力二极管的工作原理,PN结的单向导电性PN结承受正向电压时，电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态，因此当给PN结（二极管）施加正向电压时，必须串接限流电阻PN结承受反向电压是呈高阻状态PN结的电容效应：PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD,电力二极管的基本特性,静态特性主要指其伏安特性当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,电力二极管的基本特性,动态特性动态特性因结电容的存在，三种状态之间的转换必然有一个过渡过程，此过程中的电压电流特性是随时间变化的。动态特性主要指开关特性，开关特性反映通态和断态之间的转换过程,电力二极管的基本特性,关断过程在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态开通过程电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间,电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV)额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小,电力二极管的主要参数,正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定,电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度，TJM通常在125175C范围之内反向恢复时间trr关断过程中，电流降到0起到恢复反响阻断能力止的时间，如图所示的trr。浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,快恢复二极管,恢复过程很短特别是反向恢复过程很短（5s以下）的二极管，也简称快速二极管工艺上多采用了掺金措施有的采用PN结型结构、有的采用改进的PiN结构采用外延型PiN结构的的快恢复外延二极管，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在400V以下从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,肖特基二极管,以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度,半控型器件晶闸管,晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间,晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的等效电路,晶闸管的结构与工作原理,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下,晶闸管的基本特性,静态特性晶闸管的阳极伏安特性晶闸管阳极电流与晶闸管阳极电压之间的关系称阳极伏安特性。第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性,晶闸管的基本特性,门极伏安特性晶闸管门极电流与门极电压之间的关系图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区图中阴影部分为不触发区图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区,晶闸管的基本特性,动态特性晶闸管的开关过程,晶闸管的基本特性,开通过程开通时间tgt包括延迟时间td与上升时间tr，即tgt=td+tr延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间普通晶闸管延迟时间为0.51.5s，上升时间为0.53s,晶闸管的基本特性,关断过程关断时间tq：包括反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr，即tq=trr+tgr，普通晶闸管的关断时间约几百微秒。反向阻断恢复时间trr：正向电流