毕业答辩模板-江南大学太湖学院.ppt
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1、绪 论,1. 什么是电力电子技术 2. 电力电子技术的发展历史 3. 电力电子技术的应用 4. 本课程的主要内容,Power Electronics,1. 什么是电力电子技术,1.1 概念 1.2 两大分支 1.3 与其他学科的关系,Power Electronics,1.1 概念,数字电子 技术,模拟电子 技术,电力电子 技术,信息电子 技术,电子技术,信息电子技术:信息处理 电力电子技术:电力变换 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术,也就是使用电力电子器件,应用电路理论、控制理论对电能进行变换、控制的技术。包括电压、电流、频率、波形等方面的变换、控制。,Power Electronic
2、s,直流,电力,交流,交流变交流,直流变直流(斩波),直流变交流(逆变),交流变直流(整流),电力变换,Power Electronics,1.2 两大分支,变流 技术,电力电子器件构成各种电力变换电路,Power Electronics,对这些电路进行控制的技术,变流技术(电力电子器件应用技术)电力电子技术的核心,电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础,相互支持、相互促进,1.3 与其他学科的关系,电子学,电力学,控制理论,电力电子技术,电路、器件,静止器、旋转电机,连续、离散,图0-1描述电力电子学的倒三角形,Power Electronics,边缘学科,1.3.1 与电子学的关系,器件
3、、电路,电力电 子器件制造技术,电子器件 制造技术,理论基础、材料、制造工艺,分析方法、分析软件,电子电路,电力电子电路,Power Electronics,电力电子电路电力变换 电子电路信息处理,Power Electronics,信息电子电路器件,开关状态,放大状态,电力电子电路器件,开关状态 功率损耗,电力电子技术广泛用于电力工程,1.3.2 与电力学的关系,电力电子技术,高 压 直 流 输 电,静 止 无 功 补 偿,交 直 流 电 力 传 动,电 解,电 镀,电 加 热,电 力 机 车 牵 引,Power Electronics,高性能交直流电源,1.3.3 与控制理论的关系,控制理
4、论,电力电子技术,弱电和强电接口,弱电控制强电,实 现 纽 带,广泛用于,Power Electronics,2. 电力电子技术的发展历史,2.1 电力电子器件的发展 2.2 电力变换电路的发展 2.3 控制技术的发展,Power Electronics,20世纪70年代 低压小电流、高压大电流晶闸管系列化 派生型晶闸管:双向、逆倒、光控,半控型器件,1958 工业用晶闸管问世、电力电子技术诞生,80年代后期 以IGBT为代表的复合型器件异军突起 MOSFET与GTR复合 驱动功率小、开关速度快;通态压降小、载流能力大;主导器件,Power Electronics,2.1 电力电子器件的发展,
5、20世纪70年代后期 全控型器件迅速发展 GTO、GTR、MOSFET 可通可断、开关速度高于晶闸管,全控型器件,全控复合型器件,功率集成模块,把若干个电力电子器件及必要的辅助元件、电路模块化,便于应用。结构紧凑、体积小巧。尽管功率较小,重要发展方向。,20世纪70年代以前,整流电路占有主导地位; 20世纪80年代以后,逆变电路的应用日益广泛,但整流电路仍然占有重要地位。原因?,整流电路、逆变电路应用最为广泛。,常用:晶闸管相控整流电路,消耗无功功率、产生谐波污染电网。治理:补偿无功功率、抑制谐波。有源电力滤波器,Power Electronics,2.2 电力变换电路的发展,高功率因数整流电
6、路,采用自关断器件、PWM控制。功率因数可以达到1,基本不消耗无功功率、不产生谐波。,软开关电路。降低电力电子器件的开关损耗、抑制电磁干扰。利用谐振原理,使电力电子器件在零电压或零电流的条件下开通、关断,理论上可将开关损耗降至零并抑制电磁干扰。,Power Electronics,2.2 电力变换电路的发展,新型电力变换电路:谐振型逆变电路 性能更佳,晶闸管电路 相位控制方式;全控型器件 PWM控制方式;就异步电动机而言,矢量控制、直接转矩控制;就控制理论而言,自适应控制、模糊控制。,Power Electronics,2.3 控制技术的发展,20世纪80年代后期 高性能单片微机、数字信号处理
7、器应用于电力电子电路控制。模拟、数字控制微机控制,3.电力电子技术的应用,(1)一般工业,冶金工业中高频感应加热电源设备,(2)交通运输,Power Electronics,DJ型交流电力传动机车,磁悬浮列车,国内外知名变频器,西门子(Siemens)公司,施奈德公司,富士公司,Power Electronics,安圣(华为电气)变频器系列,ABB公司,Power Electronics,(3)电力系统,Power Electronics,晶闸管变流装置,无功补偿装置,(4)电子装置用电源 开关、UPS电源,电子装置用电源,Power Electronics,(5)家用电器,交流变频控制器的原
8、理框图,变频空调控制器,Power Electronics,直流变频空调的电路原理图,(6)其它,不间断电源,Power Electronics,YJ32双绕组双速异步风力发电机,水泵变频、风机变频节能,教材的内容可分为三大部分 第一部分:电力电子器件 (第1章-全书的基础) 第二部分:电力电子电路 (第24章-全书的主体) 第三部分:PWM控制技术 (第5章) 第四部分:电力电子应用(拓展) (第69两章),Power Electronics,4.本课程的主要内容,Power Electronics,第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器
9、件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管 1.8 其他新型电力电子器件 本章小结,Power Electronics,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域,Power Electronics,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,1.概念 主电路(Power Circuit) 在电气设备或电力系统中,直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件(Power Electronic Devic
10、e) 直接用于处理电能的主电路中,以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。,Power Electronics,电力电子器件是功率半导体器件。 1)电力电子器件所能处理电功率的大小,是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。 2)电力电子器件因处理电功率较大,为了减小本身的损 耗、提高效率,一般都工作在开关状态。 3)电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。 4)电力电子器件尽管工作在开关状态,但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件,为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏,不仅在器 件封装上考
11、虑散热设计,而且在其工作时一般都还需 要设计安装散热器。,Power Electronics,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域,Power Electronics,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.按照电力电子器件的可控程度,半控型器件,全控型器件,通过控制信号可控制 其导通而不能控制其关断,晶闸管 及其派生器件,关 断,主 电 路,电 流,电 压,通过控制信号即可控制 其导通又能控制其关断,绝缘栅双极晶体管 电力场效应晶体管 门极可关断晶闸管,
12、自关断器件,门极可关断晶闸管,处理兆瓦级 大功率电能,Power Electronics,不能用控制信号控制 其通断,不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,主 电 路,通 断,电 流,电 压,只有两个端子,2. 按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,控 制 端,通 断,注 入 电 流,抽 出 电 流,电压信号,公 共 端,控 制 端,Power Electronics,3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,单极型器件,由一种载流子参与导电的器件,双极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件
13、,Power Electronics,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,电力电子器件 最初是单管结构、分立器件,电力电子设备 电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路,结构松散、体积大、可靠性差、成本高,电力电子器件的模块化与集成化 结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低,Power Electronics,功率模块,由若干功率开关器件与快速二极管组合而成,单片集成式模块,功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片,智能功率模块,将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片 再度与电力电子器件集成,Power Electronics,表1-1 电力电子器件,以上各种类型器件的特点为:,Power
14、 Electronics,1.1.4 电力电子器件的应用领域,电力电子器件 应用广泛,电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域,Power Electronics,1.2 电力二极管,结构和原理简单工作可靠,现在仍大量应用于许多电气设备,电力二极管 (半导体整流管),20世纪50年代初获得应用,应用,快恢复二极管 肖特基二极管,斩波、逆变 高频低压仪表、 开关电源,Power Electronics,1.2.1 PN结的工作原理,电力二极管在本质上是一个PN节,只是加上电极引线、管壳封装。PN节的工作原理已经在模拟电子技术课程中涉及,不再展开讨论。,图1-2 电力二极管的外形、结
15、构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,Power Electronics,PN结的单向导电性:承受正向电压导通,承受反向电压截止,PN结的正向导通状态 PN结在正向电流很大时压降仍然很低,维持在1V左右,所以正向偏置的PN结表现为低阻状态。,PN结的反向截止状态 微弱的反向电流。,Power Electronics,PN结反向击穿,施加PN结反 向电压过大,反向电流 急剧增大,破坏PN结的反向截止状态,Power Electronics,1.2 电力二极管,1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.
16、4 电力二极管的主要类型,Power Electronics,Power Electronics,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.静态特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,电力二极管 静态特性,伏安特性,正向电压为零,电流为零。,正向电压较小,正向电流很小,几乎为零。,正向电压升高至UTO,正向电流明显增加。门槛、阈值电压,正向电压大于UTO,正向电流线性增长。,Power Electronics,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.静态特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,电力二极管 静态特性,伏安特性,值定一到大压电向正,承受反向电压时,只有微小而数值恒定的反向漏电流。
17、,正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。,Power Electronics,过渡过程中,其电压电流关系随时间而变化,2.动态特性,电力二极管的动态状态,反映通态和断态之间转换过程的开关特性,Power Electronics,电力二极管的关断 在tF时刻外加电压突然反向。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。,td= t1-t0延迟时间 tf= t2-t1电流下降时间 trr=td+tf反向恢复时间 普通: 5几十微秒 快速: 几百纳秒 肖特基:几十纳秒,在关断之前有较大的反向电流,伴随明显的反向电压过冲。,Power Electronics,注意:电
18、流、电压反向问题 过冲 正偏压时,正向偏压降约为1V左右;导通时,二极管看成是理想开关元件,因为它的开通时间很短; 但在关断时,它需要一个反向恢复时间(reverser-recovery time)。 影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。,Power Electronics,1.2 电力二极管,1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,Power Electronics,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下,所允许流过的最大工频正弦半波电流
19、的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义,使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值,应留有一定的裕量。,正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。,Power Electronics,1.2.3 电力二极管的主要参数,浪涌电流,最高工作结温,反向恢复时间,反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。23倍裕量。,Power Electronics,1.2.4 电力二极管的主要类型,Power Electronics,快恢复二极管,恢复过程很短,特别是反向恢复过程很短( 5s以下,数百ns)的二极管,简称快速二极管 。,Po
20、wer Electronics,肖特基二极管,导通压降只有0.30.6V ,反向恢复时间短,1040ns。 缺点:漏电流很大、耐压低。,Power Electronics,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件,Power Electronics,1.3.1晶闸管的结构与工作原理,图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号,a),c),b),Power Electronics,晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件,可等效为可控的单向导电开关。,反向承受一定电压,
21、处于阻断(截止)状态。,正向承受一定电压,两个稳定的工作状态:高阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。,Power Electronics,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b工作原理),产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶闸管的驱动,反向截止,正向阻断,Power Electronics,晶闸管工作原理如以下方程所示,Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1),Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2),IK = IA + IG (1-3),IA = IC1 + IC2 (1-4),a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极
22、电流增益;ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式(1-1)式(1-4)得:,(1-5),Power Electronics,晶体管的特性是:在低发射极电流下 是很小的,而当发射极电流建立起来之后, 迅速增大。 阻断状态:IG=0,1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通(门极触发):注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话,流过晶闸管的电流IA(阳极电流)将趋近于无穷大,实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,Power Electronics,晶闸管的开通、关断规律:,承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管均不导通。 承受正
23、向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管开通。 晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。即使去除门极触发信号,仍然维持导通。自锁、掣住 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 。维持电流,Power Electronics,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件,Power Electronics,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,1.阳极伏安特性及静态参数,IG2IG1 IG,第象限是正向特性 第象限是反向特性,Power Electronics,IG=0时,器件两端施加正
24、向电压,正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压UDB,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。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小,在1V左右。 导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,Power Electronics,晶闸管上施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时,只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压超过一定限度,到反向击穿电压后,外电路如无限制措施,则反向漏电流急剧增加,导致晶
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