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现代电力电子技术绪论电力电子器件AC/DC变换AC/AC变换DC/DC变换DC/AC变换教材:林渭勋，现代电力电子技术（研究生教学用书），机械工业出版社，2006-011绪论一个简单例子－电力电子节能概念1kW直流阻性负载,需10～100V可调(对应电流1～10A，电阻10Ω).方案1交流电网交/直发电机组负载（效率低(70%)，噪声）无电力电子采用110Ω可调电阻，负载50V(250W)运行时：R2—99.1Ω,R1—10.9Ω。额外损耗：P=502/99.1+602/10.9≈355W—效率极低。方案3交流电网可控整流负载负载50V(250W)运行时：损耗10W计,效率96%用电力电子方案2不用电力电子直流电网负载110VR1R21.绪论1.1电力电子及其发展应用前景：电能使用→90%-转换使用，2010：80%经电力电子。（CPES语,CenterofPowerElectronicssystem,USA).电力电子:采用电子开关、进行电能转换（处理）电子学（半导体器件）。涉及电工学（电力、电机）。控制学（控制技术）。1.电子技术：(PowerElectronics)微电子（信号处理）电力电子（电能转换）1.1.1电力电子电子学(弱)功率(强)处理功率的电子学(强弱结合)1.绪论2.特点：开关状态工作、进行电能转换（功率大)。3.核心：变流→ACDC（逆变）（交交变换）（斩波）（整流）ACDCACACDCDCDCAC4.基本技术问题(1)新材料、器件(碳化硅、氮化镓→宽禁带材料;超级结、浮动结等);(2)电路拓扑(核心桥式);(3)控制及转换方法(移相、PWM、多电平；智能控制);(4)功率集成(PIC→PowerIntegratedCircuits;IPM→Intelligent/SmartPowerModule;IPES(M)→IntegratedPowerElectronicsSystem/Module);(5)抑制谐波、提高功率因素(PFC→PowerFactorCompensation);(6)提高转换效率;(7)高频化(Softswitch、高频磁技术);(8)EMC设计(Electromagneticcompatibility)。1995年，美国总统科技顾问委员会提供咨询报告，列举6项关系国民经济发展及国家长久安全关键技术：材料、制造业、信息通讯、航空和运输、能源与环境、生物技术→前5项均与电力电子有关。5.应用：涉及机械(交直流电机传动)、电子(各种电子、半导体材料器件及电子、集成电路)、冶金(电炉冶炼精炼、锻轧钢)、材料(电焊、透热、淬火)、化工(电解电镀、鼓风除尘制氧机)、交通(机车牵引、船舶、电动汽车)、通信(各种有线无线卫星通信电源)、电力(无功补偿、太阳能风力新能源发电)、家电(空调、电磁灶、电视冰箱洗衣机)、医疗(B超CT等电子诊断医疗仪器)、国防(激光武器、电磁炸弹、电子对抗)以及航空航天等。1.1.2电力电子发展态势除应用范围不断扩大之外，总体：(1)高频化(MHz水平:提高性能、效率、功率密度：变压器、电感、电容体积→Hz平方根成反比)。1.绪论(2)绿色化（洁净化。高效、无谐波、EMC）。1.总体发展趋势1.绪论3.智能化(数字化。神经网络、模糊、自适应、仿生学(粒子群，蚁群)等方法应用）。1950-1970:摇篮期。主要Thyristor、GTR等。1970-1990:成长期。主要MOSFET、IGBT、GTO、光控Thyristor等。4.集成化(PIC/PM→IPM/SPM→IPEM/IPES)。2.几个典型发展态势：1990-至今:成熟期。硅材料的电压全控型电力电子器件和各种复合型器件进一步完善和发展,如,IGBT(600～6.5kV,1～3.5kA)、IGCT;各种功率集成模块(PM)、智能模块(SPM,IPM)的出现等。目前电力电子器件的功率水平基本上稳定在109-1010W·Hz水平,传统功率器件已逼近由于寄生二极管制约而能达到的材料极限。1.器件：如同因为有了计算机才引发信息浪潮一样，电力电子技术伴随着器件的发展而进步。但自1990年代之后，电力电子器件无进一步突破性发展→电力电子技术也难以有革命性跨越。为突破目前器件极限--两大技术发展方向：宽禁带电力半导体器件(碳化硅、氮化稼等),如,SJ-MOSFET;LDD-MOSFET;RB-IGBT(反相阻断型)等。随着宽禁带电力半导体器件的商用化，可能给电力电子技术带来一个革命性改观。(查看《宽禁带半导体电力电子器件及应用》，陈治明、李守智编著，机械工业出版社，2009年1月）2.可再生新能源以及分布式发电系统的发展为电力电子技术应用提供并将提供更广阔的发展空间。传统：煤、油、核、水电。可再生：风、水(海洋)、生物、地热、太阳能等→需要电力电子转换并入电网。电能质量控制：无功、谐波补偿等。3.电力电子系统集成IPES:1.绪论1997,美国海军提出PEBB(PowerElectronicsBuildingBlock)→便于标准化、模块化、维护和规模生产等。1998,美国电力电子系统中心(CPES)正式提出电力电子系统集成概念。主要分为：新的器件结构(如超级结、浮动结型）。1.绪论子系统集成→核心：PSOC(PowerSystemonChip)和PSIP(PowerSysteminPackage,多片封装)系统级集成：多个PSIP组成应用系统。2002→我国立项研究(浙大、西交大、西安电力电子所)。主要涉及：基本单元拓扑、集成封装、绝缘散热、无源元件集成、磁集成、平面金属化(模块中喷涂金属层、表面贴装驱动保护检测芯片等以减小寄生参数)等技术。1.2电力电子高频化音频(16Hz～20kHz)以上开关频率一般称高频(超音频)→不同于无线电高频(用于无线电广播与通讯的中波:100kHz～6MHz;短波:6～30MHz;用于电视雷达卫星通讯的超短波(微波):30～3×105MHz)。高频化→提高功率密度、减小储能元件体积，便于装置小型轻便化，如，变压器、电感、电容体积—Hz平方根成反比。带来主要问题:开关元件功耗、开关应力问题；寄生分布参数影响及EMI(Electro-MagneticInterference)等问题。1.绪论高频化引发许多技术革新:软开关技术(ZV[C]S:Zero→Voltage[Current]Switching;ZV[C]T:Zero-Voltage[Current]Transition);时间分割波形交错技术;同步整流技术(低压大电流高频)；高频磁技术(兆赫级的非晶、纳米晶磁性材料；PET(压电变压器:Piezo-ElectricTransformer);减小寄生分布参数、便于电力电子系统集成的平面变压器、磁集成、磁电混合集成)；SiC(碳化硅)等电力半导体器件；高频和超级电容器(容量大→可达数十上百法拉、体积小、充放电快、等效串联电阻小)。高频电力电子电路的EMC技术等等。2.电力电子器件电力电子器件是电力电子电路的基础→工程实际：许多问题都可归结为如何使用好器件的问题。一.电力电子器件:工作在开关状态、用于功率转换的电力半导体器件。1.双极型、单极型、复合型：两种载流子(多子、少子)都参与导电的器件→双极型器件。特点：单管容量大、开关速度低。如，SCR、GTO、GTR等；只有一种载流子(电子或空穴)参与导电的器件→单极型器件。特点：单管容量小、开关速度高。如，功率MOSFET。单极型与双极型器件混合集成而成的器件→复合型器件。开关速度、单管容量介于单、双极型器件之间，如，IGBT、IGCT。二.主要类型：2.电压驱动型、电流驱动型：通过在控制端与公共端之间施加一定的电压信号即可实现器件的导通或关断→电压驱动型器件。特点：所需驱动功率小。如，MOSFET、IGBT、IGCT。2.电力电子器件通过在控制端注入或抽出一定的电流实现器件的导通或关断→电流驱动型器件。特点：所需驱动功率较大。如，SCR、GTO、GTR。3.不控、半控、全控型器件：不能通过控制信号控制器件的通、断→不控型器件。如,电力二极管(PowerDiode);通过控制信号只可以其控制导通、不能控制其关断→半控型器件。如,晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件。通过控制信号既可以其控制导通、又能控制其关断→全控型器件。如功率晶体管(GTR:GiantTransistor)、门极可关断晶闸管(GTO:GateTurn-OffThyristor)、功率场效应晶体管(P-MOSFET:PowerMetalOxideSemicon-ductorFieldEffectTransistor)、绝缘栅双极晶体管(IGBT:Insulated-GateBipolarTransistor)以及集成门极换流晶闸管(IGCT:IntegratedGateCom-mutatedThyristor)等。三.电力半导体器件基础为了能够较深刻地理解电力半导体器件的工作特性→简单了解有关半导体及其导电机理的一些基本知识。1.半导体三.电力半导体器件基础电力半导体器件:由半导体材料制作而成的功率(Power—电力)器件.何为半导体？(1)导体:分为第一类、第二类导体。第一类导体：主要指各种金属。特点是导电机构为自由电子，导电不会引起物质的化学性质变化以及物质的质量迁移(金属原子的最外层电子受原子束缚力较弱,结合成固体时,最外层电子将不会单独受原来的原子束缚,而为全体原子所共有→价电子:在外电场作用下很容易挣脱原子束缚形成定向流动，故称自由电子。为与仍被各原子束缚、不能参与导电的内层电子相区别,这些电子又称载流子。所有载流子即使在绝对零度也是自由的，故载流子密度(典型值:1028～1029/m3之间)与原子密度相当、不随温度变化而明显改变。由于导电机构是电子,所有电子都相同,且质量远小于原子核→电子流动不会引起物质的化学性质变化以及物质的质量迁移)。第二类导体：主要有酸、碱、盐的溶液等化学电解质。特点是导电机构为离子(缺少电子或者电子多余的原子或原子团),由于各种离子的化学成分以及质量不一定相同,故导电往往会引起物质的化学性质变化和物质的质量迁移。(2)绝缘体—又称电介质,如玻璃、石蜡、硬橡胶、松香、丝绸、瓷器、纯水、按导电性能的不同,物体可分为：导体、绝缘体、半导体。1.半导体(3)半导体—导电能力介于金属导体与绝缘体之间，且导电能力明显依赖于材料内、外状态的一类特殊物质,如硅、锗、硒、金刚石以及一些化合物如砷化镓、碳化硅等。完全纯净、结构完整的半导体称为本征半导体。组成本征半导体晶体的所有原子,在绝对零度时,都将其电子(含最外层电子)紧紧束缚在周围，不能象金属中的价电子那样在电场作用下参与导电→本征半导体本来不能导电。随温度上升,本征半导体中电子的平均能量会随之有所增加,束缚最弱的外层电子中,少量获得足够能量者有可能挣脱束缚,成为可参与导电的自由电子→称为本征激发。本征激发半导体可以导电，但导电性能很差(本征激发载流子数量很少,如,室温下硅的导电电子密度约为1.38×1016/m3，远不能与载流子密度典型值在1028～1029/m3之间的金属相比)。假使物质的某部分因外界作用而获取电子，获取的电子也会被该部分的原子牢牢吸引住。假使物质的某部分因外界作用而失去电子,物质其他部分的电子也不能够前来补缺。所以这些物质不能导电，除非外电场强大到足以将电介质击穿。大部分塑料、干燥空气等。特点是原子与其电子之间束缚力很强,即使有外电场作用,电子也不能挣脱原子束缚成为导电机构。电场不为零时,只有与空穴邻近、且是电场方向上的束缚电子填补的可能性最大,形成空穴的定向运动→形成沿电场方向的电流(空穴携带正电荷)。本征激发出的自由电子携带的是负电荷,沿电场反方向运动,也形成沿电场方向的电流。可见,本征激发产生的空穴和自由电子都是半导体中的导电机构,或者说本征半导体中存在空穴和自由电子两种载流