第1章 电力电子技术概述.ppt

教案写作：肖、廖无限，教学教师：肖，现代电力电子技术，第一章电力电子概述，1.1电力半导体器件的发展历史，1.2电力电子技术的发展，1.3电力电子技术的意义和作用，1.4电力电子技术的应用领域，1.5现代电力电子技术的主要关键技术、重点和难点， 电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的指标和特性应用于电力电子器件系统的组件电力电子器件的驱动和保护的类型和原理1.1电力半导体器件的发展历史1 .半导体整流管的发展2 .晶闸管及其衍生物的发展3 .双极晶体管(也称为功率晶体管，大晶体管-GTR)4。 功率场效应晶体管的发展。绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发展。电源集成电路的发展。智能功率半导体功率模块IPM和PEBB，1。半导体整流器的发展。20世纪50年代初，半导体整流器(SR)开始取代汞弧整流器，因为其正向导通电压降(约1V)远小于汞弧整流器(10 20V)，从而大大提高了整流电路的效率。它通常应用于400赫兹以下的不可控整流电路。快速恢复整流器和肖特基整流器已被开发用于中频(低于10kHz)和高频(高于10kHz)整流。为了进一步降低电力电子器件在低压高频开关电源中的损耗，在20世纪80年代中后期，同步整流管应运而生。晶闸管及其衍生器件的发展具有以下优点：主要解决了传统电能转换装置能耗大、器件重的问题，大大提高了电能的利用率，同时在一定程度上控制了工业噪声。1957年，美国通用电气公司(GE)发明了通用(低于400赫兹)反向阻断可控硅(SilliconcontrolledRectifier可控硅)，后来称为晶闸管。随后，世界各国相继开发了一系列晶闸管衍生物，如图4所示。缺点：晶闸管工作频率低，难以很好地实现脉宽调制技术。通常，由它们组成的装置具有复杂的应用电路，并且具有严重的“功率污染”问题。2。晶闸管及其衍生物的发展。双极晶体管(也被称为功率晶体管，GTR)，贝尔实验室发明的GTR)，1948年。到了20世纪80年代和90年代，GTR已经广泛应用于100千瓦的电力电路。在20世纪80年代和90年代初，晶体管被广泛应用于工业领域，如中小功率电机的变频调速、不间断电源等。优点：功率晶体管的工作频率可达10-20khz。脉宽调制技术在晶体管转换电路中得到了广泛的应用，导致了20千赫的革命，DC线性电源迅速被20千赫的开关电源所取代。然而，功率晶体管的抗干扰性能明显高于目前广泛使用的MOSFET管和IGBT管。缺点：二次击穿、并联困难、开关频率低，限制了功率晶体管的应用范围。四功率场效应晶体管(MOSFET)的发展在20世纪70年代后期开始进入实用阶段。20世纪80年代，在降低器件导通电阻、消除寄生效应、扩展电压和电流容量以及集成驱动电路等方面进行了大量研究，并取得了很大进展。优点：电压源二极管是功率场效应管中应用最广泛的器件。它具有工作频率高、开关损耗小、安全工作区域宽、输入阻抗高、易于并联等优点。目前，它广泛应用于DC/DC模块电源、高频开关电源、计算机电源、航空电源、小功率不间断电源、小功率(单相)变频器等领域。发展趋势：频率更高至千兆赫；(2)低压产品的超低导通电阻；(3)突破并达到1200伏兆赫级的电压上限。随着绝缘栅双极晶体管(IGBT)的发展，20年前电力电子器件的一个更显著的成就是通用电气公司于1983年发明的绝缘栅双极晶体管(IGBT)实现了器件的高电压和高电流参数及其动态参数之间的合理折衷，具有金属氧化物半导体器件和双极器件的突出优点。目前，IGBT容量可达4500伏/1200安和3300伏/1500安。第四代IGBT (NPT-IGBT)具有正的传导压降温度系数，解决了并联自动均流问题。封装在外壳中的“串并联”结构是IGBT走向高电压、大电流、大功率的唯一途径。在高电压和高电流应用领域，IGBT正成为GTO和IGCT的潜在竞争对手。美国红外公司开发WAPP系列，美国APT公司开发GT系列“迅雷型”IGBT。目前，其硬开关频率已达到150千赫，软开关频率可达300千赫，IGBT的电流密度是同等电压水平下功率MOSFET的2.5倍。由于体积小、成本低，这种IGBT器件正成为广泛用于高频开关电源的MOSFET管的有力竞争对手。此外，反向传导IGBT和双向IGBT也在开发中。简而言之，当IGBT 10年前出现在世界技术舞台上时，尽管它具有出色的综合性能，但许多人仍然不能相信这种装置在高功率领域的生命力。目前，IGBT器件已经显示出巨大的发展潜力，形成了一个新的器件应用和开发平台。随着功率集成电路的发展，制造具有各种功能的功率集成电路的最大优势是减少引线，提高可靠性，其经济效益也显著提高。在过去的10年里，智能功率集成电路和具有功率控制能力的高压功率集成电路以及功率器件已经形成了各种实用系列，但功率不是很大。它们实际上是小型化的功率转换设备，可靠且使用方便。7、智能电力电子功率模块IPM与PEBB IPM是单层单片集成、一维封装；然而，PEBB具有高电压和高电流，属于多层和多芯片集成、三维封装、更复杂的结构、多方向散热和更复杂的热设计。可以预测，到2010年，一个单位功率为1000千瓦的电力电子系统将会建成。1.2电力电子技术的发展，电力电子(PowerElectronics)的名称出现在60年代。1974年，美国的纽威尔用图1的倒三角形来描述电力电子，这被世界普遍接受。电力电子技术是电力电子的一种应用技术。根据其发展过程，可分为两个时期：古典电力电子技术和现代电力电子技术。经典电力电子技术：基于晶闸管的电力电子技术发展于20世纪60年代，并衍生出GTO器件、电力整流管(SR)和GTR。几种常见的经典电力电子电路和现代电力电子技术：20世纪80年代迅速出现的场控自动关断器件(IGBT、MOSFET、MCT)都是性能优异的电压控制器件。用高频脉宽调制技术处理电力电子技术问题进入一个新阶段。具体来说，现代电力电子技术可以有效解决以下问题：(1)提高电网侧的功率因数，达到接近1的理想目标；(2)有效改善电网侧和输出侧的谐波污染；(3)进一步提高系统效率，实现实质性节能；加快系统的动态响应速度；有效控制环境噪声污染。电力电子技术的发展是国民经济各部门现代化和实现集约化、可持续发展的重要举措。2.加快电力电子技术的发展是实现国民经济信息化的关键环节。3.加快电力电子技术的发展是推动高新技术发展和国防现代化的基础。4.电力电子技术是一项高效节能技术，是发展绿色能源的基础技术。1.4电力电子技术的应用领域，电力电子技术的应用领域大致可分为三类：电源变频调速电力系统应用，电力系统领域的应用，1.5现代电力电子技术的主要关键技术，电网电压同步锁相技术；模块化并联技术；(3)电力系统谐波检测与控制技术；高动态性能的无速度传感器矢量控制技术；变频调速中电机参数的自适应技术；变频调速中磁链的自适应观测技术；软开关脉宽调制技术；功率因数校正技术；用户电源技术和灵活交流输电技术；功率半导体器件的可靠性预测和设计技术等。1.1尝试解释晶闸管有哪些