电力电子装置第1章绪论

08:12自动化学院电力电子装置及控制2012年2月PowerElectronicDevicesandControl教材：《电力电子装置及系统》07年5月第二次印刷清华大学出版社，杨荫福主编参考文献：《电力电子学-电力电子变换和控制技术》,第二版高等教育出版社，陈坚编著,2004；相关学术期刊杂志，如：“电力电子技术”、“电气传动”、“电工电能新技术”、“中国电机工程学报”等。主讲教师：许湘莲副教授，[e-mail]，18971115188教学内容(40学时）第1章绪论(系统、开关器件、应用技术）第2章高频开关电源第3章逆变器(系统、装置）第4章不间断电源UPS第5章直流－直流变流装置第6章晶闸管变流装置第7章*电力系统用电力电子装置第8章电力电子装置的研制与试验一、电力电子技术的外延与内涵二、电力电子技术的研究内容技术层面应用层面电力电子技术回顾从外延上看电力电子技术定义：表征电力电子技术的倒三角形£¨µçÁ¦µç×Ó¼¼Êõ£©µç×ÓÆ÷¼þµç×ӵ緵ç×Ó¼¼ÊõµçÁ¦É豸µçÁ¦ÍøÂçµçÁ¦¼¼Êõ¿ØÖƼ¼Êõ£¨Á¬Ðø¡¢ÀèÉ¢£©{}{}µçÁ¦µç×Óѧ电力电子技术的内涵应用大功率电力电子开关器件实现电能的变换与控制。有什么优点？有什么特点？一、电力电子技术的外延与内涵利用半导体电力开关器件组成电力开关电路，利用晶体管集成电路和微处理器芯片构成信号处理和控制系统，对电力开关电路进行实时、适时的控制，可以经济有效的实现开关模式的电力变换和电力控制，包括电压（电流）的大小、频率、相位和波形的变换和控制。1、从技术层面看电力电子技术的研究内容从技术层面来看①拓扑结构研究②控制技术研究③电磁兼容研究④装置与系统研究二、电力电子技术的研究内容研究的内容研究的角度①拓扑结构研究如何实现希望的电能变换如何提高变换器的性能如何提高变换的效率如何提高变换的功率各种电力电子器件的应用和连接结构多种电路方案的性能比较研究软开关、新结构器件串、并联电路串、并联多相多重多电平研究的角度研究的内容②控制技术研究如何产生电路所希望的控制信号如何提高变换器的性能如何提高变换的效率如何实现智能化模拟PWM信号数字PWM信号模型的建立静态指标、动态指标、稳定性分析与校正新的PWM信号数字化、网络化研究的内容研究的角度③电磁兼容研究如何减小干扰源滤波、屏蔽、布线、布局如何减小耦合途径敏感对象对干扰的敏感度是多少缓冲、吸收开关电路产生电磁干扰的机理软开关噪声和电磁波对设备和生物影响研究研究的内容研究的角度④装置与系统系统的最优结构与协调运行故障监测与诊断经济性、可靠性新的应用领域新的设计与制造思路和技术冗余集成模块化复杂系统问题其他问题如何用现有电路组合或设计新的电路以适应新领域的应用要求功率因数校正2、从应用层面看电力电子技术的研究内容从应用层面来看开关型电力电子电源开关型电力电子补偿控制器二、电力电子技术的研究内容光伏发电系统光伏电站风力发电开关型电力电子补偿控制器节点电压控制器瞬变电压抑制器谐波电压、电流补偿器有功功率补偿器无功功率补偿器阻抗补偿控制器本章学习内容一、本章学习内容1.1电力电子装置及系统概述1.2半导体电力电子器件1.3电力电子器件的应用技术电力电子装置：－－应用电力电子技术对电能的有关参数进行合理变换与控制，实现电力使用的某些要求的装置。1.1电力电子装置及系统概述电力电子装置控制理论微电子技术电力电子技术电力电子控制系统---电力电子装置和负载组成的闭环系统。在设计电路参数时，必须考虑负载因素(功率、特性等)。1.1电力电子装置及系统概述半导体电力开关控制系统输出反馈控制信号信息检测sUsilUli运行指令负载电源图1.1电力电子装置及其控制系统技术要求输入条件……输出参数……技术指标……?主电路控制系统结构设计散热系统电磁兼容ABCDRLES1S2S3S4C»ù±¾Äæ±äµç·0v1v逆变电源装置1.1电力电子装置及系统概述专业基础工程设计学习目标初步掌握电力电子装置的设计方法应用基本理论解决相关实际问题1.1电力电子装置及系统概述电力电子装置的类型：AC/DC变换器DC/DC变换器DC/AC变换器AC/AC变换器静态开关1.1电力电子装置及系统概述AC/DC变换器（整流器rectifier）具有不控、半控、全控等控制方式以及桥式、双半波等结构。传统的不控和相控整流方式，控制简单、效率高，但具有滞后的功率因数，且输入电流中低次谐波含量较高，对电网污染大。目前，使输入电流波形接近正弦、功率因数接近1的高频整流器以及各种功率因数校正（PFC）器正逐步应用于整流装置中。1.1电力电子装置及系统概述DC/DC变换器（DC/DCconverter)将一种电压、电流规格的直流电变换为另一种规格的直流电的装置。主要用在直流电机驱动和开关电源中。谐振和准谐振软开关DC/DC变换器是目前研究的热点。提高工作频率和功率密度，是主要的目的。两路输出DC/DC开关电源,输入DC40V-60V,输出+25V/3A,-25V3A,输出总功率115W多路输出开关电源,输入220V,输出+12v/4.2A,+12V/80A,+5V/250A,功率2260W,1.1电力电子装置及系统概述DC/AC变换器(逆变器inverter)用于将直流电变换成交流电。根据输出电压及频率的变化情况，可分为恒频恒压（CVCF）及调频调压（VVVF）两类。当前逆变器发展中的研究热点集中在输出量控制技术、高频链技术及软开关技术上。1.1电力电子装置及系统概述1.1电力电子装置及系统概述AC/AC变换器用于将一种规格的交流电变换为另一种规格的交流电。输入和输出频率相同的称为交流调压器，频率发生变化的称为周波变换器或变频器。AC/AC变换器目前仍以相控方式为主，主要用于调光、调温及低速大容量交流调速系统。中、小容量电机驱动变频器大多采用交－直－交间接变换。基于PWM理论的矩阵变换和许多高频链变换方式近来相继被提出，目前正处在研究阶段。静态开关又称无触点开关，可控电力开关。静态开关通、断时没有触点动作，从而消除了电弧的危害。且静态开关由电子电路控制，自动化程度高。1.1电力电子装置及系统概述应用概况:直流电源装置交流电源装置特种电源装置电力系统用装置电机调速用装置其它实用装置1.1电力电子装置及系统概述通信电源充电电源电解、电镀直流电源开关电源交流稳压电源通用逆变电源不间断电源UPS静电除尘用高压电源超声波电源感应加热电源焊接电源高压直流输电无功功率补偿装置电力有源滤波器电力开关电子整流器空调电源微波炉、应急灯发展前景交流变频调速装置绿色电力电子装置新能源发电电动车信息与通讯1.1电力电子装置及系统概述1.2半导体电力电子器件可控性驱动信号额定电压、电流工作频率饱和压降二极管不可控无最大有高有低小晶闸管半控脉冲电流（开通）最大最低中GTO全控正、负脉冲电流大较低小BJT全控正电流中中小IGBT全控正电压较大较高小MOSFET全控正电压小最高大不同开关器件性能对比1.2半导体电力电子器件1.电力二极管单向导电性散热反向恢复时间trr快速恢复二极管二极管在未恢复阻断能力之前，相当于短路状态普通二极管快速恢复二极管trr＝为几十至几百nsstrr102RC(a)APNKA(P)K(N)1.2半导体电力电子器件√√√√二极管开通及反向恢复过程示意图2.晶闸管擎住电流IL触发后，当IAIL撤除Ig，仍导通；脉冲宽度维持电流IH当IAIH时阻断；要关断晶闸管，必须使阳极小于维持电流；额定电流:普通晶闸管/双向晶闸管；RgRVsVgAIAIAIGKA(a)(b)AGK图1.3晶闸管的符号及接法1.2半导体电力电子器件√√√逆阻型晶闸管SCR—两个三极管正反馈晶闸管的结构、符号和结构模型防护及逆阻型晶闸管伏安特性图dtdv11.2静态伏安特性及dv/dt防护3.电力晶体三极管BJT(BipolarJunctionTransistor)GTRGiantTransistor）二次击穿开关过程ton、toff450V，15A200V，15A1.2半导体电力电子器件ECE（a)NPN型（b)PNP型BECB图1.5BJT的符号图1.6双极性晶体管开通、关断波形√√4.功率场效应管MOSFET高频工作方式单极性导电，开关速度快寄生体二极管D，有反向恢复过程，易引起管子损坏导通电阻Ron具有正温度系数，便于并联使用。一般选择耐压高、Ron小的管子，Ron愈小，开关电源效率愈高。100V/57A/200W0.025欧姆500V-11A-125WRon=0.5欧姆图1.7MOSFET符号，N型管和P型管漏极D产生体内的D栅极G源极SN型MOS栅极G漏极D产生体内的D源极SP型MOS1.2半导体电力电子器件√√√电力场效应晶体管P－MOSFETP-MOSFET基本结构、符号和外接电路P-MOSFET特性曲线IDVGSVGSth(d)转移特性IDVDSVGS=0VGS1=4VGS2=8VGS3=10(e)输出特性ⅠⅡⅢVBRP－MOSFET的工况可用其转移特性和输出特性表述：电力场效应晶体管P－MOSFET（续3）图1.8IGBT等效电路及其符号5.绝缘门极双极型晶体管IGBT栅极驱动性能类似MOSFET;栅极驱动注意事项见书P10.输出具有双极型晶体管特点;寄生晶闸管---擎住效应---失控为防止擎住效应，IGBT工作电流不能超过规定的最大值，并应尽量减小关断时的du/dt值。140A-600VECGECGGCR1.2半导体电力电子器件√√√绝缘门极双极型晶体管IGBTIGBT结构和等效电路GCERdrRbrT2T1AB1.2半导体电力电子器件6.半导体电力开关模块和电源集成电路电力转换模块功率集成电路PIC电源管理集成模块7、驱动电路：双极型器件的驱动---电流驱动基本要求：驱动电流波形为最佳、隔离&保护单极型器件的驱动---电压驱动驱动功率小,稳态无电流仅有动态位移电流基本要求：驱动电压最佳（一般＋15V，－5V）、隔离&保护驱动电路结构直接式,隔离式,分立元件构成,集成驱动芯片驱动线一般用双绞线且尽量短，避免接受干扰。1.2半导体电力电子器件√①隔离驱动电路1.2半导体电力电子器件②直接驱动电路1.2半导体电力电子器件8、驱动电路参数对器件性能的影响IGBT的栅极参数与性能关系1.2半导体电力电子器件_Rg__-Vge+Vgedvce/dt承受短路电流能力toffton1.3电力电子器件的应用技术散热技术缓冲技术保护技术1.散热技术*热的必要性---提高可靠性*稳态热路图与热阻*散热措施RθcsRθsa*散热器选择--面积？金属封装管用陶瓷导热垫片PRTJa15.07.0295PARsa图1.12稳态等效热路图aP（功耗）环境散热器管外壳结开关器件封装JCRSaRTCTJTCSRJCRSaRaTJTCSRPsT1.3电力电子器件的应用技术√√√√散热器2.缓冲技术缓冲电路（snubber）将开关过程中的损耗转移关断缓冲电容选择关断缓冲电阻选择关断缓冲二极管选择表1.2耗能式缓冲电路开通（串联）关断（并联）无极性有极性复合型1.3电力电子器件的应用技术关断缓冲电容选择原则1：按总损耗为最小确定电容值（不考虑电感影响）原则2：按临界缓冲计算电容29mfisccItCVmfisDI.tC=2V再根据实际情况调整参数图1.13常用的关断缓冲电路RSRLDLLLUccCSDST图1.13常用的关断缓冲电路RSRLDLLLUccCSDSTttt0vCvCCVCCVCCVmImImICvCvCiCiCifit)(a)(b)(c关断缓冲电阻选择RC时间常数放电电流功耗min5onsstCRscccsRVimcc