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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电力电子技术PowerElectronicTechnology合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组第一讲概述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电力电子技术的主要内容合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术电子技术包括：信息电子技术电力电子技术1.信息电子技术(InfoElectronicTechnology)——模拟电子技术(AnalogElectronicTechnology)和数字电子技术(DigitalElectronicTechnology)，主要用于信息处理(InfoDispose)。2.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以下合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力电子技术的两个分支电力电子技术的两个分支：电力电子变流技术电力电子器件制造技术1、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)。2、电力电子器件制造技术(ManufactureTechniqueofPowerElectronicDevice)电力电子器件制造技术的基础，理论基础是半导体物理(SemiconductorPhysics)合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-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。输入输出交流(AlternatingCurrent－AC)直流(DirectCurrent－DC)直流(DirectCurrent－DC整流(Rectification)直流斩波(DCChopping)交流(AlternatingCurrent－AC)交流调压(ACVoltageConversion)、变频(FrequencyConversion)、变相(PhaseConversion)逆变(Inversion)合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力变换的类型电力变换的类型：常见的电力变换种类合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力电子技术特点电力电子技术特点•电力电子技术的发展集中体现在电力电子器件的发展上；•这些器件一般均工作在开关状态，这是重要特征；•电力电子技术是电气工程学科中目前最为活跃的分支。有人预言：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两大支柱。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力电子器件合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组开关器件——IGCT＝驱动电路＋GCT4kA/4.5kVIGCT663A/4.5kVIGCTGCT分解部件1.1什么是电力电子技术-开关器件合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-“电力电子技术”和“电力电子学”“电力电子技术”和“电力电子学”电力电子学(PowerElectronics)60年代出现，1974年，美国的W.Newell用图0-1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受“电力电子学”和“电力电子技术”分别从学术和工程技术的角度来称呼，实际内容没有很大不同。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力电子技术和电子技术的关系电力电子技术和电子技术的关系电子技术对应电力电子技术电子器件电力电子电子电路电力电子电路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（IntegrateCircuit－IC)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。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学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电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装置中，其电源部分都是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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组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（ElectricalEngineering）中。1)电力电子装置广泛用于高压直流输电（High－VoltageDCTransmission）、静止无功补偿(StaticVARCompensate)、电力机车牵引（ElectricalPowerMotorcycleDriving）、交直流电力传动(AC/DCPowerDriving）、电解（Electrolyze）、励磁（Excitation）、电加热（ElectricPowerHeating）、高性能交直流电源（High－PerformanceAC/DCPowerSupply)等电力系统(ElectricPowerSystem)和电气工程（ElectricalEngineering）。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.1什么是电力电子技术-电力电子技术与电气工程的关系22)通常把电力电子技术归属于电气工程学科3)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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电力电子技术与控制理论的关系1)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2)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3)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合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组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。〔四个阶段〕史前期（1957年以前）：使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。这段时间，各种整流、逆变、周波变流的电路和理论已经成熟并广泛应用。晶闸管时代（1958～70年代）：全控型器件时代（70年代后期）：复合器件时代（80年代后期）：合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电力电子技术的史前期晶闸管出现前的时期，用于电力变换的电子技术已经存在：1904年出现了电子管（Vacuumtube)，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（MercuryRectifier），其性能和晶闸管（Thyristor）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。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组电力电子技术的史前期2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；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；最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组晶闸管时代（1957年开始）晶闸管SCR(SiliconControlledRectifier)可通过门极控制开通，但通过门极不能控制关断，属于半控型器件。晶闸管因其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，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。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组晶闸管时代（1957年开始）2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。目前由于其能承受的电压、电流容量仍是目前器件中最高的，而且工作可靠，所以许多大容量场合仍大量使用SCR。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组全控型器件时代（70年代后期）GTO可关断晶闸管以BJT(GTR)电力双极型晶体管为代表：Power-MOSFET电力场效应管这些器件可以通过门极（或栅极、基极）控制开通和关断。同时，这些器件可以达到的开关频率均较高。这些器件大大推进了电力电子技术的发展。和SCR电路的相位控制方式相对应，全控型器件电路常使用脉冲宽度调制（PWMPulseWidthModulation）方式进行控制。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组复合型器件（80年代后期）以绝缘栅极双极型晶体管（Insulated－GateBipolarTransistor－IGBT）为代表,IGBT是电力场效应管（MOSFET）和双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor－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（MOSControlledTransistor－MCT）和集成门极换流晶闸管（IntelligentGate-CommutatedThyristor－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。合肥工业大学电气工程学院电力电子技术精品课程项目组1.2电力电子技术的发展史-复合型器件（80年代后期）2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（PowerIntegratedCircuit－PIC）：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（IntelligentPowerModule－IPM）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（IntelligentI