第1章 电力电子技术概述

1、教案编写教案编写 第第1 1章章 电力电子技术概述电力电子技术概述 1.1 1.1 电力半导体器件的发展史电力半导体器件的发展史 1.2 1.2 电力电子技术的发展电力电子技术的发展 1.3 1.3 电力电子技术的意义和作用电力电子技术的意义和作用 1.4 1.4 电力电子技术的应用领域电力电子技术的应用领域 1.5 1.5 现代电力电子技术中的主要关键技术现代电力电子技术中的主要关键技术 电力电子器件的基本模型和分类 电力电子器件指标和特性 应用电力电子器件系统的组成 电力电子器件的驱动和保护类型及原理 1.1 1.1 电力半导体器件的发展史电力半导体器件的发展史1. 1. 半导体整流管的发

2、展半导体整流管的发展 2. 2. 晶闸管及其派生器件的发展晶闸管及其派生器件的发展3. 3. 双极型晶体管（亦称功率晶体管，双极型晶体管（亦称功率晶体管，Grand Grand Transistor -Transistor -GTRGTR）4. 4. 功率场效应管（功率场效应管（MOSFETMOSFET）的发展）的发展5. 5. 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）的发展）的发展 6. 6. 功率集成电路的发展功率集成电路的发展7. 7. 智能化电力半导体功率模块智能化电力半导体功率模块IPMIPM和和PEBBPEBB 2020世纪世纪5050年代初期年代初期 半导体整流

3、管（ SR ）因其正向通态压降（1V左右）远比汞弧整流器（1020V）小而开始取代汞弧整流器，由此大大提高了整流电路的效率。通常应用于400Hz以下的不可控整流电路。人们开发出快恢复整流管和肖特基整流管应用于中频（10kHz以下）和高频（10kHz以上）整流的场合。 2020世纪世纪8080年代中后期年代中后期 为了进一步减少低压高频开关电源中电力电子器件的损耗，同步整流管也应运而生。 不对称晶闸管（不对称晶闸管（ASCRASCR）逆导晶闸管（逆导晶闸管（RCTRCT）双向晶闸管（双向晶闸管（TRIACTRIAC）光控晶闸管（光控晶闸管（LASCRLASCR）快速晶闸管快速晶闸管 高频晶闸高频

4、晶闸管管可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTOGTO）集成门极控制晶闸管（集成门极控制晶闸管（IGCTIGCT）MOSMOS栅控晶闸管（栅控晶闸管（MCTMCT）晶闸管的派生晶闸管的派生器件器件优点：优点：主要解决了传统的电能变换装置中所存在的能耗大和装置笨重的问题，大大地提高了电能的利用率，同时也使工业噪声得到了一定程度的控制。 1957年美国通用电气公司（GE）发明了普通（400Hz以下）的反向阻断型可控硅（Sillicon Controlled RectifierSCR），以后称晶闸管（Thyristor）。随后，世界各国相继开发出一系列晶闸管的派生器件，如图4所示 。 缺点：晶闸管其工作频

5、率又比较低，致使缺点：晶闸管其工作频率又比较低，致使PWMPWM脉冲宽度调脉冲宽度调制（制（Pulse-width ModulationPulse-width Modulation）技术难以很好地实施。）技术难以很好地实施。通常由其构成的装置应用电路复杂，而且存在严重的通常由其构成的装置应用电路复杂，而且存在严重的“电力公害电力公害”问题。问题。 1948年美国贝尔实验室发明GTR。到20世纪80、90年代，GTR已被广泛应用于100kW等级功率的电路中。 在20世纪80年代和90年代初，晶体管曾被广泛地应用于中小功率电机变频调速、不间断电源（UPS)等等工业领域。l 优点： 功率晶体管的工作

6、频率可达到1020kHz。PWM技术在晶体管变换电路中得到了广泛的应用，促成了“20kHz革命”，使得直流线性电源迅速被20kHz开关电源所取代。功率晶体管的抗干扰性能却明显高于目前广泛应用的MOSFET管和IGBT管。l 缺点：因为功率晶体管存在着二次击穿、不易并联以及开关频率偏低等问题，它的应用范围受到了限制。 20世纪70年代后期，Power MOSFET开始进入实用阶段；进入80年代，在降低器件的导通电阻、消除寄生效应、扩大电压和电流容量以及驱动电路集成化等方面进行了大量的研究，取得了很大的进展。 优点：功率场效应管中应用最广的是电流垂直流动结构的器件（VDMOS）。具有工作频率高、开

7、关损耗小、安全工作区宽、输入阻抗高、易并联等优点。目前广泛应用于DC/DC模块电源、高频开关电源、计算机电源、航空电源、小功率UPS以及小功率（单相）变频器等领域。 发展趋势： 更高频率推向吉赫兹； 低电压产品的超低导通电阻； 在兆赫兹水平突破并达到1200V的电压上限。 20年前电力电子器件较为引人注目的成就之一就是开发出双极型复合器件。 1983年美国GE公司发明的绝缘栅双极型晶体管（IGBT），IGBT实现了器件高压、大电流参数同其动态参数之间合理的折中，因而兼有MOS器件和双极型器件的突出优点，目前IGBT容量可达4500V/1200A，3300V/1500A。 第四代IGBT（采用非

8、穿通（NPT）结构即NPT-IGBT），NPT-IGBT器件具有导通压降的正温度系数，解决了器件并联自动均流的难题。“串并联”封装在一个管壳里的结构是IGBT走向高压、大电流及大功率化的必由之路。 IGBT正成为高电压、大电流应用领域中GTO和IGCT的潜在竞争者。美国IR公司开发了WAPP系列，美国APT公司开发了GT系列“霹雳（Thunderbolt）型”IGBT。目前其硬开关工作频率已高达150kHz，而软开关工作频率可达300kHz，且IGBT的电流密度是相同电压等级的功率MOSFET管的2.5倍。这种IGBT器件体积小，成本低，所以正在成为高频开关电源中广泛使用的MOSFET管强有力

9、的竞争者。 另外，逆导型IGBT和双向型IGBT也正在研制中, 总之，10年前IGBT出现在世界技术舞台的时候，尽管它表现出很好的综合性能，许多人仍难以相信这种器件在大功率领域中的生命力。现在，IGBT器件显示了巨大的发展，形成了一个新的器件应用发展平台。 制造具有各种不同功能的功率集成电路的最大优势是减少引线，提高可靠性，其经济效益也明显增加。 10年来，具有功率控制能力、含有功率器件的智能功率集成电路（Smart Power IC）和高电压功率集成电路（HVIC）都已形成各种实用系列，但是功率都不是很大。 它们实际上是一种微型化的功率变换装置，应用起来可靠而方便。IPM是单层单片集成，一维

10、封装；而PEBB电压高、电流大，属于多层多片集成，三维封装，结构更复杂，多方向散热，热设计也更复杂。可以预计，到2010年可做出单元功率达1000kW等级的电力电子系统。 1.2 1.2 电力电子技术的发展电力电子技术的发展 电力电力电子学电子学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、旋转电机电力电子技术就是关于电力电子学的一门应用技术。根据其发展历程可分为古典和现代电力电子技术两个发展时期。 古典电力电子技术：古典电力电子技术：利用20世纪60年代发展起来的晶闸管及其派生的GTO器件、功率整流管（SR）和GTR等为基础所形成的电力电子技术。 几种常见古典电力电子

11、电路 现代电力电子技术：现代电力电子技术：20世纪80年代迅速兴起的场控自关断器件（IGBT、MOSFET、MCT）都是性能优良的电压控制器件。转入到以高频PWM脉宽调制技术处理电力电子技术问题的新阶段。 具体而言，现代电力电子技术可有效地解决以下问题：具体而言，现代电力电子技术可有效地解决以下问题： 改善电网侧功率因数，可达到接近于1的理想目标； 有效改善电网侧和输出侧的谐波污染； 进一步提高系统的效率，实现大幅度节能； 加快系统的动态响应速度； 有效地控制环境噪声污染。1.3 1.3 电力电子技术的意义和应用电力电子技术的意义和应用 1. 1.发展电力电子技术是国民经济各行业进行现代化技术

12、改发展电力电子技术是国民经济各行业进行现代化技术改造，实现集约化可持续发展的重要措施。造，实现集约化可持续发展的重要措施。 2.2.加速发展电力电子技术是实现国民经济信息化的关键接加速发展电力电子技术是实现国民经济信息化的关键接口。口。 3.3.加速发展电力电子技术是促进高科技发展和国防现代化加速发展电力电子技术是促进高科技发展和国防现代化的基础。的基础。 4.4.电力电子技术是高效节能技术，是开发绿色能源的基础电力电子技术是高效节能技术，是开发绿色能源的基础技术。技术。 1.4 1.4 电力电子技术的应用领域电力电子技术的应用领域 电力电子技术的应用领域可以大致划分为三大类：电源变频调速电力系统应用 在电力系统领域中的应用在电力系统领域中的应用1.5 1.5 现代电力电子技术中的主要关键技术现代电力电子技术中的主要关键技术 电网电压同步锁相技术； 模块化并联技术； 电力系统谐波的检测与控制技术； 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PWM技术； 功率因数校正技术； 用户电力技术与灵活交流输电技术； 电力半导体器件的可靠性预测与设计技术等等。 思考与练习一思考