第一章 电力电子的发展 1.1 电力电子技术的含义 1.2 电力电子的特性 1.3 电力电子技术的发展史

Presentation on theme: "第一章 电力电子的发展 1.1 电力电子技术的含义 1.2 电力电子的特性 1.3 电力电子技术的发展史"— Presentation transcript:

1 第一章 电力电子的发展 1.1 电力电子技术的含义 1.2 电力电子的特性 1.3 电力电子技术的发展史
第一章 电力电子的发展 1.1 电力电子技术的含义 1.2 电力电子的特性 1.3 电力电子技术的发展史 1.4 电力电子技术的发展方向和前景 首 页

2 1.1 电力电子技术的含义 交流电 电磁辐射 电能量 脉冲 直流电 激光束
第一章电力电子的发展 1.1 电力电子技术的含义 交流电 电磁辐射 电能量 脉冲 直流电 激光束 电力电子类似于微电子学技术，都是基于硅材料应用科学的一个分支，采用硅分子渗透技术。 返回 下 页

3 电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性，以及电力应用中新技术有效性。
第一章电力电子的发展 电力电子技术市场取决于它的成本、可靠性，以及电力应用中新技术有效性。 电力电子成本的核心是功率器件的特性，特别是它的导通损耗、开关损耗、和开关速度。 “电力电子集成”是电力电子技术发展的新阶段。 电力电子技术代表了新型电能控制发展的基本趋势和革命性的概念。 返 回 上 页 下 页

4 根据电力电子器件的特性，采用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。
第一章电力电子的发展 电力电子技术 根据电力电子器件的特性，采用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。 电气和电子器件的有效使用 线性与非线性电路的理论分析 控制理论的应用 成熟设计方法的使用。 返 回 上 页 下 页

5 使用先进的分析工具，研究其控制系统的性能 电力电子技术的正确应用 保证
第一章电力电子的发展 使用先进的分析工具，研究其控制系统的性能 电力电子技术的正确应用 保证 不使用质量不高、性能不稳定，时限很短的器件。 高可靠性 指避免使用需要周期性维护或替换的旋转器件。 高实用性 返 回 上 页 下 页

6 1.2 电力电子的特性 电力电子控制器 静止功率变换器 功率调节器 电力电子设备 目的 处理电气意义上的功率
第一章电力电子的发展 1.2 电力电子的特性 电力电子控制器 静止功率变换器 功率调节器 电力电子设备 目的 处理电气意义上的功率 控制交流或直流电源与一个或者多个需要此交流或直流电源的负载之间的功率的传输。 功能 返 回 上 页 下 页

7 功率传输由接在变换器终端的电阻组成的一个或多个负载的需要决定。
第一章电力电子的发展 功率传输由接在变换器终端的电阻组成的一个或多个负载的需要决定。 功率调节器 交直流电流变换器 返 回 上 页 下 页

8 把交流电压变换成固定或可调的直流电压的装置。 整流器
第一章电力电子的发展 四大类电力电子功率变换设备 1.AC /DC变换 把交流电压变换成固定或可调的直流电压。 AC /DC变换 整流 把交流电压变换成固定或可调的直流电压的装置。 整流器 非线性电阻 直流负载 交流电源 u i 返 回 上 页 下 页

9 把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电 。 DC /DC变换
第一章电力电子的发展 2.DC /AC变换 把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电 。 DC /DC变换 逆变 交流输出接电网 有源逆变 交流输出接负载 无源逆变 恒频电源 不间断供电电源 变频电源 无源逆变装置的输出 返 回 上 页 下 页

10 用于各种变频电源。中频感应加热和交流电动机的变频调速等场合。
第一章电力电子的发展 用于各种变频电源。中频感应加热和交流电动机的变频调速等场合。 无源（有源）阻抗 交流负载 直流电源 + - 返 回 上 页 下 页

11 把固定或变化的交流频率、电压变换成可调或固定的交流频率、电压 。
第一章电力电子的发展 3.AC /AC变换 把固定或变化的交流频率、电压变换成可调或固定的交流频率、电压 。 AC /AC变换 AC /AC变换电路 变频器 周波变换器 用于交流电动机的变频调速。 可变阻抗R,C或L 交流负载 交流电源 返 回 上 页 下 页

12 把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压 。
第一章电力电子的发展 4.DC /DC变换 把固定或变化的直流电压变换成可调或恒定的直流电压 。 DC /DC变换 直流斩波 把交流电压变换成固定或可调的直流电压的变换器 。 斩波器 脉宽调制变换器 返 回 上 页 下 页

13 主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、矿车等电气机车上所用的直流电动机的牵引传动以及计算机、通信以及各类仪器仪表的电源等场合。
第一章电力电子的发展 主要用于直流电压变换、开关电源、电车、地铁、矿车等电气机车上所用的直流电动机的牵引传动以及计算机、通信以及各类仪器仪表的电源等场合。 + - UIN UOUT RL IIN IOUT 返 回 上 页 下 页

14 第一章电力电子的发展 1.3 电力电子的发展史 电力电子技术迅速发展，与全球能源、环境等问题息息相关。能源消费是一个国家经济繁荣程度的标准。能源消耗带来的环境污染和安全问题已成为社会的主要问题。 利用电力电子技术可以有效地节约能源。节约能源不仅带来经济效益，也为减少环境污染带来了利益。 返 回 上 页 下 页

15 第一章电力电子的发展 史前期 晶体管诞生 晶闸管时代 全控器型件迅速发展 水银（汞弧）整流器时代 晶闸管问世 IGBT出现功率集成器件
1904 2000 1990 1980 1970 1957 1947 1930 水银（汞弧）整流器时代 晶闸管问世 IGBT出现功率集成器件 电子管问世 年 返 回 上 页 下 页

16 第一章电力电子的发展 内燃机 感应电动机 直流电机 返 回 上 页 下 页

17 第一章电力电子的发展 晶体管 晶闸管 集成电路 返 回 上 页 下 页

18 第一章电力电子的发展 功率放大器 磁放大器 返 回 上 页 下 页

19 金属封装水银整流器 硒整流器 电子管 水银整流器 闸流管
第一章电力电子的发展 电力电子技术史前期 金属封装水银整流器 硒整流器 电真空器件 电子管 水银整流器 闸流管 返 回 上 页 下 页

20 最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管，普通半导体整流器开始使用。 晶闸管使电力电子技术进入了功率领域，在工业上引起了一场技术革命。
第一章电力电子的发展 传统电力电子技术阶段 晶体管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，普通半导体整流器开始使用。 晶闸管使电力电子技术进入了功率领域，在工业上引起了一场技术革命。 返 回 上 页 下 页

21 变换器拓朴结构 PWM技术 硬件和软件控制 电力电子进步 分析及仿真方法 集成芯片 控制和估算技术 数字信号处理 计算机
第一章电力电子的发展 半导体器件的发展 变换器拓朴结构 PWM技术 硬件和软件控制 电力电子进步 分析及仿真方法 集成芯片 控制和估算技术 数字信号处理 计算机 返 回 上 页 下 页

22 逆导晶闸管（RCT） 快速晶闸管（FST） 晶闸管派生器件
第一章电力电子的发展 逆导晶闸管（RCT） 快速晶闸管（FST） 晶闸管派生器件 双向晶闸管（TRIAC） 双向晶闸管（TRIAC） 返 回 上 页 下 页

23 通过对门极控制可使其导通，但不能使其关断。 晶闸管
第一章电力电子的发展 通过对门极控制可使其导通，但不能使其关断。 晶闸管 必须用强迫换相电路关断它，使得电路复杂、体积增大、重量增加、效率较低及可靠性下降； 器件的开关频率难以提高，限制了它的应用范围； 相位运行方式使电网及负载上产生严重的谐波，不但电路功率因数降低，而且对电网产生“公害”。 返 回 上 页 下 页

24 电力场效应晶体管（Power MOSFET）
第一章电力电子的发展 自关断全控型器件 门极可关断晶闸管（GTO） 电力场效应晶体管（Power MOSFET） 电力双极型晶体管（GTR） 返 回 上 页 下 页

25 通过对门极（基极、栅极）的控制既可以使其开通，又可以使其关断。 自关断全控型器件
第一章电力电子的发展 通过对门极（基极、栅极）的控制既可以使其开通，又可以使其关断。 自关断全控型器件 自关断全控型器件的开关速度普遍高于晶闸管，可以用于开关频率很高的电路。 返 回 上 页 下 页

26 大型达林顿双极结型晶体管(BJT) 给电力电子学带来很大发展。
第一章电力电子的发展 大型达林顿双极结型晶体管(BJT) 给电力电子学带来很大发展。 电力场效应晶体管 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 代替了BJT IGBT是半导体器件的发展史上是重要的里程碑。是第三代复合型场控半导体器件的代表。 返 回 上 页 下 页

27 IGBT开关频率比BJT高很多，在正向偏置安全工作区内可以不需要缓冲器。 IGBT模块（IPM）应用在内置门极驱动器。
第一章电力电子的发展 开关频率高 耐压性高 电流容量大 静电感应式晶体管（SIT） 静电感应式晶闸管（SITH） MOS晶闸管（MCT） 可以构成大功率、高频的电力电子电路。 IGBT开关频率比BJT高很多，在正向偏置安全工作区内可以不需要缓冲器。 IGBT模块（IPM）应用在内置门极驱动器。 具有沟槽栅技术的IGBT模块比二极管的导通压降稍高，具有较快的开关速度。 返 回 上 页 下 页

28 MCT开关频率比IGBT模块低许多，应用到软开关变流器中时，不受RBSOA的限制。
第一章电力电子的发展 MCT开关频率比IGBT模块低许多，应用到软开关变流器中时，不受RBSOA的限制。 集成门极换流晶闸管（IGCT）对普通GTO的结构、门极驱动、封装、集成的反并联二极管做出重大改进，并且改变了关断过程，极大地改善GTO的性能。 IGCT比GTO导通压降低，开关速度快，带有旁路二极管的单片集成电路，不用缓冲器操作，容易实现连续运行。 返 回 上 页 下 页

29 PWM可控VCS（电压源型变换器）降低线路中的谐波含量，提高功率因数。
第一章电力电子的发展 PWM可控VCS（电压源型变换器）降低线路中的谐波含量，提高功率因数。 以IGCT或IGBT做为开关器件的PWM型VSC，正在迅速取代普通GTO做为开关器件的VSC和电流源型变换器（CSC）。 返 回 上 页 下 页

30 双向控制晶闸管（bidirectional control thyristor－BCT）极大地保留了大功率变换器的钳位、内部结构和技术。
第一章电力电子的发展 双向控制晶闸管（bidirectional control thyristor－BCT）极大地保留了大功率变换器的钳位、内部结构和技术。 带有集成过电压保护的光控晶闸管（Light triggered thyristor）极大地简化了门极控制，提高了晶闸管应用在大功率、高电压中的可靠性。 返 回 上 页 下 页

31 在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用
第一章电力电子的发展 功率范围大 击穿场强高 对化学反应或高气压呈高惰性 碳化硅 导热性高 辐射电阻高 饱和电子漂移速率高 在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用 返 回 上 页 下 页

32 碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升到600℃时也能运行。
第一章电力电子的发展 碳化硅可以极大地降低通态和开关损耗，结温上升到600℃时也能运行。 肖特基和结势垒肖特基（JBS）二极管，阻断电压达到2000V。PIN二极管达到5kV。 碳化硅二极管可以大大减少二极管的关断损耗和开通损耗。 碳化硅晶片的密度是大功率器件的限制因素，利用碳化硅反向二极管对IGBT模块的改进，是一个重要研究课题。 返 回 上 页 下 页

33 现代电力电子技术的主要特点 电源变换绿色化 电力电子器件的容量和性能的优化
第一章电力电子的发展 集成化 高频化 全控化 现代电力电子技术的主要特点 高效率化 电源变换绿色化 变换器小型化 电力电子器件的容量和性能的优化 改善和提高电网的供电质量 返 回 上 页 下 页

34 1.4电力电子技术的发展方向和前景 新材料的研究和应用，扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低价格。
第一章电力电子的发展 1.4电力电子技术的发展方向和前景 新材料的研究和应用，扩大了器件的频率、功率等级、使用温度范围，减少器件的体积和降低价格。 改进器件和封装形式，实现系统集成，以获得更高的集成化和可靠性。 使用无需吸收电路而且关断延时小的集成门极换流晶闸管（IGCT），使得在大功率应用场合的器件越来越容易。 多电平逆变器在大功率逆变器中的应用。 返 回 上 页 下 页

35 体积小、重量轻、损耗小的变流系统的设计。 采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。
第一章电力电子的发展 体积小、重量轻、损耗小的变流系统的设计。 采用神经网络和模糊控制逻辑芯片的无速度传感器控制的传动系统。 采用专家系统获得优化的实时性和系统容错控制。 自主学习与自适应调节控制器在传动系统中的应用。 改善动力系统的供电质量，柔性交流输电技术将得到越来越广泛的运用。 返 回 上 页 下 页