第一章电力电子的发展

第一章第一章电力电子的发展电力电子的发展第一章第一章电力电子的发展电力电子的发展

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1.1 什么是电力电子技术1.1 什么是电力电子技术

1.2 电力电子的特性 1.2 电力电子的特性

1.3 电力电子发展史 1.3 电力电子发展史

1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术

电力电子技术

由根据电力电子器件的特性，采用一种有效的静态的变换、控制方法，把一种输入变换为所需要的另一种输出形式。

电力电子的发展电力电子的发展

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目的

方法电气和电子元件，线性以及非线性电路控制理论的应用，成熟的设计技巧的使用；使用先进的分析工具。

控制功率从电源流向负载，实现高效、高可靠性、高实用性的控制并使用体积小、质量轻、损耗低的器件。


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高实用性

不使用像发热电子管以及电解电容器等等这些时限很短的器件。

高可靠性

避免使用需要周期性维护或替换的旋转器件。


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电力电子设备的主要目的处理电气功率

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

由接在变换器终端的电阻组成的一个或多个负载的需要来决定。

功率传输

1.2 1.2 电力电子的特征电力电子的特征电力电子的发展电力电子的发展

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交直流电流变换器功率调节器


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四大类电力电子功率变换设备

1. AC-AC 变换器

调节阻抗是电阻、电容或电感。这种变换器常用做交流功率控制器。

电源和负载之间的时间间隔是 thigh ，则其呈现高阻抗电源时间间隔是 tlow ，则呈现低阻抗

可变阻抗R,C 或 L

交流负载交流电源


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2. AC-DC 变换器

整流交流通过特性不对称的非线性电阻变换为直流。

整流过程可控

非线性电阻直流负载交流电源

u

i


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3. DC-AC 变换器

反向整流用功率调节装置，使直流电源得到负载为交流形式的功率。

无源（有源）阻抗交流负载直流电源 +

-

电源和负载之间能量的流动由功率调节装置控制


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有源电阻的值在直流操作点（ U1 ， I1 ）和（ U2 ， I

1 ）之间变化，电压 U2 > U1 时，电流 I2 < I1 。

(max) 2 1 1 2 / 4acP U U I I

CiC

uCEB

E

iB+

-

(U1,I1)

(U2,I2)

iC iB1

iB2

uCE

电力电子的发展电力电子的发展有源电阻

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4. DC-DC 变换器通过独立的连续直流电压 UIN 或独立的连续直流电流 IIN ，可以输出直流功率的网络，且 UOUT > UIN 或者 IOUT > IIN 。

该变换器输出端平均电压必须比输入端平均电压高，或输出端平均电流比输入端平均电流高。

+-UIN UOUT

RL

IINIOUT

+ +

- -


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(min)ac OUT OUT INP U I I

如果 UOUT > UIN ，则，则

(min)ac OUT OUT INP I U U

DC － DC 变换过程中，交流输入电源作为中间过程可能完全被转换为交流电源。

DC － DC 变换过程必须由交流电源作为中间过程。

如果 IOUT > IIN ，最小交流功率为：

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1.3 1.3 电力电子的发展史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。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源不仅带来经济效益，也为减少环境污染带来了利益。利益。

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内燃机内燃机

感应电动机感应电动机

直流电机直流电机

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晶体管晶体管晶闸管晶闸管

集成电路集成电路

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功率放大器功率放大器磁放大器磁放大器

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电力电子的发展电力电子的发展磁放大器

可作为可饱和电抗器及饱和电抗器

+-

RL

NC

RC

NL

NCNL

iLiC

UC UAC

RC RL

+-

NC NL

NCNL

iLiC

UC UAC

串联连接磁放大器并联连接磁放大器

输出绕组

控制绕组

不包含发热装置、电阻丝和旋转元件。磁放大电路是一种高效的电力电子电路。

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电源是直流电压，可使用电池电源是直流电压，可使用电池作为电源。作为电源。相当于一个阻抗元件，控制电相当于一个阻抗元件，控制电

压施加到栅极的终端，可以控压施加到栅极的终端，可以控制阻抗的值在最大值与最小值制阻抗的值在最大值与最小值之间变化。之间变化。通过阳极与栅极之间的反馈，本身可以产生振动，通过阳极与栅极之间的反馈，本身可以产生振动，可作为高频信号源用来调制声音和其他通讯信号。可作为高频信号源用来调制声音和其他通讯信号。

真空电子管

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真空电子管与磁放大器的区别

①真空电子管电源是直流电压，磁放大器磁放大器电源是交流电压。

②②真空管本身可以产生振动，磁放大器本身不能产真空管本身可以产生振动，磁放大器本身不能产生振动。生振动。

③③真空电子管只可以调制几十瓦，磁放大器最大调真空电子管只可以调制几十瓦，磁放大器最大调制功率为制功率为 70kW70kW 。。

真空电子管在大部分低功率设备的应用上由于其显著的性能，得到了迅速发展。

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充气闸流管

汞弧引燃管

当使能信号施加在第三个电极上时，气体开始放电，有单向电流和一个相对较低的电压流过。

闸流管的栅极防止阳极与阴极之间产生电弧，直到经过预先设定的循环时间。

有一个电流脉冲流过第三个电极（点火器），在每次导通开始时，点燃液体汞中的阴极点。

相同点

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电力电子的发展电力电子的发展电机放大器

是电动机和发电机的有效组合，外面没有旋转轴。

自饱和磁放大器

改变整流器前向导通和反向模块之间阻抗的状态，调整了非线性变换对铁心的影响，用简单的电路配置实现高功率增益。

采用镍铁磁心材料和镍铁导磁合金，使干式氧化铜和硒整流器得到了发展和改进。

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汞弧的单向性汞弧

整流器

steel-tank整流器

引燃管引燃管

汞气整流器（闸流管）

栅极可控

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半导体器件的发展

变换器拓朴结构

PWM技术

分析及仿真方法

控制和估算技术

计算机数字信号处理

集成芯片

硬件和软件控制电力电子

进步

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晶闸管（可硅控整流器）

可控硅、门极可关断晶闸管（ GT

O ）双极功率晶体管（ BPT

))

双极结型晶体管（ BJT ）

电力场效应晶体管（ MOSFET ）绝缘栅双极晶

体管（ IGBT ）

静态感应晶体管（ SIT ）

MOS 控制晶闸管（ MC

T ）

集成门极换流晶闸管

（ IGCT ）现代固态电力电子学

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在低频应用当中，晶闸管仍然是处理高功率所不可缺少的器件。可控硅可控硅是反并联晶体管组合，适用于低频阻抗负是反并联晶体管组合，适用于低频阻抗负

载控制。载控制。普通普通 GTOGTO 应用于高电压（应用于高电压（ UBR≥3300VUBR≥3300V ）、大功）、大功

率（率（ S ≥0.5MVAS ≥0.5MVA ）场合的门控半导体器件。）场合的门控半导体器件。 MOSFETMOSFET 在高压装置中的导通压降大，开关损耗在高压装置中的导通压降大，开关损耗

很低。广泛应用于低压高频电路中。很低。广泛应用于低压高频电路中。

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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（ IP

M ）应用在内置门极驱动器。具有沟槽栅技术的现代（第四代） IGBT模块比二极管的导通压降稍高，具有较快的开关速度。

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。

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IGCT 比 GTO 的导通压降低，有较快的开关速度，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。

有擎住结构，其中载流子从阳极和阴极注入。

●相控晶闸管●快速晶闸管●GTO

●IGCT

普通晶闸管不能自行关断

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带有集成过电压保护，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。

●双向控制晶闸管

在一个晶片上的两个反并联晶闸管组成，两个门极相互独立。保留了大功率变换器的钳位、内部结构和技术。

●光控晶闸管

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在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用在高压、高温、高频以及低导通压降场合应用

功率范围大击穿场强高

导热性高

饱和电子漂移速率高

对化学反应或高气压呈高惰性

辐射电阻高

碳化硅碳化硅碳化硅碳化硅


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。

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