电力电子技术第一次课(绪论)

班级:电08-1,2电G09电G10任课教师:李伟王伟联系方式:[e-mail]@bipt.edu.cn电力电子技术绪论1什么是电力电子技术2电力电子技术的发展史3电力电子技术的应用绪论信息电子技术——信息处理电力电子技术——电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。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。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。电力电子与信息电子的关系变流技术（电力电子器件应用技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。两大分支电力——交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1电力变换的种类进行电力变换的技术称为变流技术。逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流输出输入两大分支变流技术电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现。1974年，美国的W.Newell用图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。电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散图1描述电力电子学的倒三角形与相关学科的关系都分为器件和应用两大分支。器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。二者同根同源。与电子学（信息电子学）的关系与相关学科的关系电力电子技术广泛用于电气工程中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、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与电力学（电气工程）的关系与相关学科的关系控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。与控制理论（自动化技术）的关系与相关学科的关系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。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生2电力电子技术的发展史一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置3电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，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，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。3电力电子技术的应用本课程是一门横跨电力、电子、自动控制三门课程的交叉边缘学科，是利用大功率半导体器件对电能进行变换与控制的专业基础课程。通过本课程的学习，使学生获得电能高效率变换与控制方面的知识，培养学生分析问题、解决问题的能力，并且具有一定的实验能力，为后续课程的学习及以后的工作打下基础。课程的学习目标本课程的目标是使学生充分理解电力电子器件对电能进行变换和控制的基本理论与概念，要求学生熟练掌握可控整流、有源逆变、变频、斩波、无源逆变等电力电子电路的工作原理、特点和基本应用，正确选用元件与触发电路。课程的学习目标一、功率二极管由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。是允许电流较大电压较高的二极管从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-1功率二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号一、功率二极管的结构和工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。正向导通后压降基本不变承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流，当反向电压增加到UF时，反向漏电流剧增，管子击穿。图1-2功率二极管的伏安特性1.1功率二极管的伏安特性额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，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。1.2功率二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)当正弦半波电流的峰值为Im时，其电流平均值为：其电流有效值为：因此：二极管电流定额的含义如手册上某功率二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。选择二极管电流定额的过程：求出电路中二极管电流的有效值IFrms；求二极管电流定额IFR，等于有效值IFrms除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。/1.57FRFrmsII指管子反向能重复施加的最高峰值电压按通常取击穿电压UB的2/3使用时，应当留有两倍的裕量。1.2功率二极管的主要参数2)反向重复峰值电压URRM3)正向平均电压UF在指定温度下，流过额定正弦半波电流时对应的正向压降。4)反向漏电流IRR对应于反向重复峰值电压时的漏电流。1.3功率二极管的关断特性和开通特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。关断过程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。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。用在高频场合下的二极管要求反向恢复时间短,才能保证在导通与阻断间快速切换.。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）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V开通过程开通过程：用在高频场合下的二极管要求使用快恢复二极管!!高频全波整流中,若选用反向恢复时间长的普通二极管,会在一段时间内出现输出电压为0的情况!!!正向恢复过程中,二极管上会有很大的正向动态压降,也会使输出电压下降.换相时变压器会短路,发热严重1)普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高1.4功率二极管的主要类型简称快速二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2)快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。3.肖特基二极管(DATASHEET)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（SchottkyBarrierDiode——SBD）。功率二极管的基本应用整流续流¡«D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）续流DLiSVSRR二、晶闸管2.1晶闸管的结构、符号和结构模型晶闸管是PNPN四层半导体结构。具有J1、J2、J3三个PN结。A-阳极G-门极K-阴极2.2晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管的等效电路(二极管等效电路)AKGJ1J2J3A-K间加正压时，J2反向阻断，管子不导通。A-K间加反压时，J1、J3反向阻断，管子也不导通。在门极（G）断开时，晶闸管的等效电路(三极管等效电路)晶闸管的工作原理当合上S时，有足够的门极电流流入，通过两管的电流放大立即形成强烈的正反馈，瞬间就可使两管饱和导通。导通后，门极电流即使降为0或为负，也不能使管子关断只有设法使阳极电流降到维持电流IH以下，使正反馈无法维持时，晶闸管才能关断。导通后阳极电流由电源和负载电阻决定,晶闸管导通压降约为1.5V晶闸管通入门极电流Ig使其导通的过程称为触发管子触发导通后，门极失去控制作用，这种门极可触发导通但无法使其关断的器件称为半控器件其他可能使晶闸管导通的条件：阳极电压上升率du/dt过高结温较高阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应（硬开通）2.3晶闸管的伏安特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性承受反向电压时，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。晶闸管正常工作时的特性总结如下：2.4晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态平均电压UT（AV）——晶闸管通以额定正弦半波电流时阳极和阴极间的平均电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。使用注意：1）电压定额通态平均电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。——因为晶闸管电流过载能力小,选用时要留有（1.5-2）倍的裕量。2）电流定额波形系数：电流波形的有效值与平均值之比〖例1-1〗两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值IT1、IT2,若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为100A的晶闸管能否满足要求？维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的