清华大学电力电子课件第1章
清华大学电路原理课件1
电路原理Principle of Electric Circuits于歆杰yuxj@Tel: 62771944西主楼1区308第一讲绪论，电压电流和功率第一部分：绪论Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005什么是电路？a电路（electric circuits）就是由若干电气元件（electrical elements）相互连接构成的电流的通路。
a本课程中要接触的电气元件有`电阻、电容、电感、二极管、MOSFET、理想运算放大器（Operational Amplifier）、互感线圈、理想变压器等Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005为什么要学习电路？a从学术的观点来看`电路是电气工程（Electrical Engineering）的基础。
`电路是计算机科学（Computer Science）的基础。
a从实际情况来看`电路原理是许多高级课程的先修课程。
`熟练掌握电路原理对现实生活有帮助。
Principles of Electric Circuits Lecture 1 Tsinghua University 2005t q t q t i t d d ∆∆lim )(0∆def ==→d d BABA Weq=AI110ΩU1U2t w p d d =uit qq w ==d dd d q wu d d =t qi d d =。
电力电子技术 第1章 绪论
☞电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或 中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电 源等场合。
1.1 什么是电力电子技术
◆具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件 对电能进行变换和控制的技术。
☞电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。
☞变流技术则是电力电子技术的核心。
表1-1 电力变换的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ类
输出
输入
交流（AC）
直流（DC） 交流（AC）
整流
交流电力控制 变频、变相
直流（DC）
直流斩波 逆变
☞20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学 工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传 动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变 电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在 这一时期，也应用直流发电机组来变流。
☞1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了 电子技术的一场革命。
1.2 电力电子技术的发展史
◆全控型器件和电力电子集成电路（PIC） ☞70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管
（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器 件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控 制既可使其开通又可使其关断。
☞采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM） 方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。
◆一般工业
☞工业中大量应用各种交直流 电动机，都是用电力电子装置进 行调速的。
☞一些对调速性能要求不高的 大型鼓风机等近年来也采用了变 频装置，以达到节能的目的。
电力电子技术--第一章
28
1.3.1 晶闸管的结构及工作原理
二、晶闸管的工作原理
由于通过门极我们可以控制晶 闸管的开通；而通过门极我们不 能控制晶闸管的关断，因此，晶 闸管才被我们称为半控型器件。
按照等效电路和晶体管
的工作原理，我们可列出如下方 程：
IC1＝α1IA＋ICO1 (1－1)
IC2＝α2IK＋ICO2 (1－2)
件，一般都要安装散热器。
4
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子 器件的损耗
通态损耗 断态损耗 开关损耗 驱动损耗
开通损耗 关断损耗
5
1.1.2 电力电子器件组成的应用系统
电力电子器件在实际应用中，一般是 由控制电路、驱动电路、检测电路和以电 力电子器件为核心的主电路构成的一个完 整的系统。
16
1.2.2 电力二极管的基本特性与参数
二、 动态特性 （开关特性）
电力二极管的电压-电流特性
是随时间变化的
延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降 时间与延迟时间 的比值 tf /td，或称恢复系数，用 Sr表示。
4、反向漏电流IRR
指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流。
5、最高工作温度TJM
指器件中PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高
平均温度。TJM通常在125～175℃范围内。
22
1.3 半控型器件-晶闸管
1.3.1 晶闸管的结构及工作原理
一、晶闸管的结构 二、晶闸管的工作原理
1.3.2 晶闸管的基本特性与主要参数
30
1.3.1 晶闸管的结构及工作原理
➢晶闸管导通的必要条件是：
电力电子-第1章
电力电子技术
授课教师：国海
绪论
1.1 电力电子学科的形成 1.2 电力电子变换和控制的技术经济意义 1.3 电力电子技术的应用领域 课程学习要求
2
1.1 电力电子学科的形成
1.电力技术 2.电子技术 3.电力电子技术
美国学者W. Newell认为电 力电子学是由电力学、电子 学和控制理论三个学科交叉 而形成的。
✓ 电子技术是研究电子器件，以及 利用电子器件来处理电子电路中 电信号的产生、变换、处理、存 储、发送和接收问题。
✓ 又称为信息电子技术或信息电子 学。
5
1.1 电力电子学科的形成（续3）
3.电力电子技术(Power Electronics)
将电子技术和控制技术引入传统的电力技术领域，利用 半导体电力开关器件组成各种电力变换电路实现电能的变 换和控制，构成了一门完整的学科，被国际电工委员会命 名为电力电子学（Power Electronics）或称为电力电子技 术。
基本原理 图中的开关设为理想开关
vo= S×vi
S为开关函数
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3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续1) 如何用电力电子开关器件实现电能的变换？
DC/DC直流降压电路
14
3.利用开关器件实现电力变换的基本原理(续2) 方案一: 电阻降压
电力电子技术课件-第1章 电力电子器件 200页
(1) 欲使晶闸管导通需具备两个条件：
① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电 压。
② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向 电压和电流。
(2) 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用， 故晶闸管为半控型器件。
(3) 为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小 到一定数值以下，这只有用使阳极电压减 小到零或反向的方法来实现。
(4) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号
之后，要器件维持通态所需要的最小阳极 电流。对于同一个晶闸管来说，通常擎住 电流IL约为维持电流IH的(2～4)倍。
(5) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶
(1) 额定电压
断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM 中较小的那个数值标作器件型号上的额定电压。 通常选用晶闸管时，电压选择应取(2～3)倍的安 全裕量。
(2) 额定电流IT(AV) 在环境温度为+40℃和规定冷却条件下，器件在
电阻性负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导 通(导通角> 170°)，在稳定的额定结温时所允许 的最大通态平均电流。
功率二极管的开关特性
2. 功率二极管的主要参数
(1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80％称为反 向重复峰值电压URRM，也被定义为二极管 的额定电压URR。显然，URRM小于二极管 的反向击穿电压URO。
(2) 额定电流IFR
二极管的额定电流IFR被定义为其额定发 热所允许的正弦半波电流平均值。其正向 导通流过额定电流时的电压降UFR一般为 1～2V。当二极管在规定的环境温度为 +40℃和散热条件下工作时，通过正弦半波 电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过 允 电许流值为。若正弦电流的最大值为Im，则额定
清华大学电路原理电子课件
三相交流电路的分析方法
总结词
掌握三相交流电路的分析方法
详细描述
分析三相交流电路时，需要使用相量法、对称分量法等 数学工具，以便更好地理解电路的工作原理和特性。
三相交流电路的应用
总结词
了解三相交流电路的应用领域
详细描述
三相交流电在工业、电力、交通、通信等领域得到广泛应用，如电动机控制、输电线路、电力系统自动化等。
瞬态响应是指电路在输入信号的作用下， 电压和电流随时间从零开始变化至稳态的 过程。稳态响应是指电路达到稳定状态后 ，电压和电流不再随时间变化的状态。一 阶动态电路的响应可以通过求解一阶常微 分方程得到。
一阶动态电路的应用
总结词
一阶动态电路在电子工程、通信工程、自动 控制等领域有着广泛的应用。
详细描述
电路元件和电路模型
总结词
掌握电路元件和电路模型是分析电路的基本方法。
详细描述
电路元件包括电阻、电容、电感等，它们具有特定的电气特性。电路模型是用 图形符号表示电路元件及其连接关系的一种抽象表示方法。
电路的工作状态和电气参数
总结词
了解电路的工作状态和电气参数是评估电路性能的关键。
详细描述
电路的工作状态可以分为有载、空载和短路等，不同的工作状态对电路的性能产 生影响。电气参数包括电压、电流、功率等，它们是描述电路性能的重要指标。
二阶动态电路的应用
要点一
总结词
二阶动态电路在电子设备和系统中的应用
要点二
详细描述
二阶动态电路广泛应用于各种电子设备和系统中，如振荡 器、滤波器、放大器等，用于实现特定的信号处理和控制 系统功能。
06
三相交流电路分析
三相交流电的基本概念
总结词
清华大学电力电子课件补充讲义
3.2.1 三相半波可控整流电路 ② 3.2.2 三相桥式全控整流电路 ① 3.3 变压器漏感对整流电路的影响 ③ 3.4 电容滤波的不可控整流电路 ②
3.5 整流电路的谐波和功率因数
3.5.1 谐波和无功功率分析基础 ①
3.5.2 带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波
和功率因数分析 ④
7.1 PWM 控制的基本原理 ①
7.2 PWM 逆变电路及其控制方法
7.2.1 计算法和调制法 ① 7.2.2 异步调制和同步调制 ④ 7.2.3 规则采样法 ④ 7.2.4 PWM 逆变电路的谐波分析 ③
7.2.5 提高直流电压利用率和减少开关次数
③ 7.2.6 空间矢量 PWM 控制 ④ 7.2.7 PWM 逆变电路的多重化 ④ 7.3 PWM 跟踪控制技术 ③
②
第 10 章 电力电子技术的应用
10.1 晶闸管直流电动机系统 ④ 10.2 变频器和交流调速系统 ② 10.3 不间断电源 ② 10.4 开关电源 ② 10.5 功率因数校正技术 ② 10.6 电力电子技术在电力系统中的应用 ③ 10.7 电力电子技术的其他应用 ②
注：
①
掌握
②
熟悉
③
了解
④
自学
附：学时分配（课内：32 学时，课外：52 学时）
3
第 1 章 绪论 思考题和练习题
1. 复习《电路原理》、《模拟电子技术基础》和《数字电子技术基础》课程中的 相关知识。
2. 复习《模拟电子技术基础》课程中的 PN 结和二极管的有关内容。 3. 了解教材、补充讲义和教学课件等的内容。 4. 阅读附录 1，写出不少于 400 字的读后感。 5. 回答 PPT1-10 和 PPT1-17 中的问题。 6. 试计算 PPT1-12 中各波形的有效值和平均值（图 b)除外）。 7. 试求 PPT1-12 中各波形的傅里叶级数，比较哪个谐波相对较大，哪个谐波相
《电力电子技术》PPT第1章
《电力电子技术》PPT第1章
☆1.1电力电子的构成☆1.2电力电子发展简史☆1.3电力电子的应用领域第1章
绪论1.1电力电子的构成电力电子的英文是PowerElectronics，它是由电力（旋转电机、静止变换装置）、电
子（含电子器件和电子电路）以及控制（连续和离散）三种技术来支撑的。
图1-1电力电子技术的构成1.2电力电子发展简史随着科学技术的发展，电力电子已从真空管发展到晶体管、IC和LSI。
电力电子技术应用的范围也在不断扩大，其发展历程为（如图1-2
所示）：（1）水银整流器（2）晶闸管（3）大功率晶体管（4）智能化的模块（5）超高频、超大容量的高功能元件图1-2电力电子发展简史1.3电力电子的应用领域由于功率整流器、功率晶体管、晶闸管、GTO、IGBT等功率器件取得很大进展，故电力变换和控制的领域不断地扩大。
下面将重点介绍电力电子器件在工业企业和日常生活的应用领域。
如图1-4和图1-5所示。
图1-4
电力电子技术的应用领域。
电力电子技术第一章
• 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与电力电子 器件集成
-10-
电力工程系
表1-1 电力电子器件
类型
名称
不可控器件 电力二极管(Power Diode)
半控型器件
晶闸管(Thyristor)
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-
电力工程系
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
电流控
分
制器件
立 器 件
全 控 型
器 件
电压控 制器件
门极可关断晶闸管(GTO)
电力晶体管(GTR) 电力场效应晶体管(Power
MOSFET) 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)
MOS控制晶闸管(MCT)
集成门极换流晶闸管(IGCT)
集成模块
功率集成模块(PIC) -11-
出现时间 1955 1958 1964 1975 1975 1985 1992 1996
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
2. 特征 • 承受电压和电流的能力，是其最重要的参数。 • 为了减小损耗、提高效率，工作在开关状态。 • 由信息电子电路来控制，并且需要驱动电路。 • 自身的功率损耗远大于微电子器件，一般需要安装散热器。
电力电子第1章
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电力电子第1章
绪论
交流电路是以电力半导体器件 为核心，通过不同电路的拓扑和控 制方法来实现对电能的转换和控制。 它的基本功能是使交流（AC）和直 流（DC）电能互相转换。它有以下 几种类型：
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电力电子第1章
绪论
（1）可控整流器AC/DC。把交流电压变换 成固定或可调的直流电压。
（2）有源逆变器DC/AC。把直流电压变换成 为频率固定或可调的交流电压。
（3）变频器AC/AC。把频率固定或变化的交 流电变换成频率可调或固定的交流电。
（4）直流斩波器DC/DC。把固定或变化的直 流电压变为可调或固定的直流电压。
1956年美国贝尔 实验室发明了晶闸管。
1957年美国通用电气公司开发出第一只 晶闸管产品。
1958年商业化。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应 用的崭新时代。
20世纪80年代以来，开始被全控型器件 取代。
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电力电子第1章
1.1.1 晶闸管的结构
•G
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a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
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电力电子第1章
绪论
总之，由于电力半导体器件制 造技术的发展，主电路结构和控制 技术的开发，以及设备应用技术的 开发，使电力电子技术在大功率整 流、直流传动、交流传动、直流输 电、功率变换、晶闸管电源、电力 电子开关等方面的应用日益扩大。
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电力电子第1章
第1章 晶闸管概述
•IFGM
•D
•E
•K
•IGT
•A
•B
•C •0
电力电子技术1-4.ppt
史前期 （黎明期）
晶闸管问 世，(公元
元年)
全控型器件 迅速发展
晶体管诞生
1904
1930
1947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年)
电子管 问世
水银（汞 弧）整流 器时代
晶闸管时代
IGBT出现 功率集成器件
电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的
电力电子技术的发展史（续）
及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）
❖ 全控型器件： 通过控制极（门极或基极或柵极） 是否施加驱动信号既能控制管子导通又能控制管
子关断，如GTO、GTR、IGBT、 MOSFET及其它新
型场控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等
2020/4/9
1-38
➢ 按器件内部载流子参与导电的种类分类： ❖单极型器件：只有一种载流子参与导电，如 MOSFET、SIT等
2020/4/9
1-37
5、分类
➢ 按其开关控制性能分类：
❖ 不控型器件： 无控制极，器件的导通与关断完 全由其在主电路中承受的电压和电流决定，正偏 置导通、反偏置关断，如电力二极管(D)
❖ 半控型器件： 控制极（门极）只能控制管子导 通而不能控制管子关断，器件的关断完全由其在
主电路中承受的电压和电流决定，如晶闸管(SCR)
1-43
2.2 电力（功率）二极管
一、工作原理（基本与普通二极管相同） ➢PN结：正向导通 反向截止
二、外形
2020/4/9
A
K A
a)
• 现代电力电子技术与传统电力电子技术相比较， 有如下特点：
➢高频化（减小体积、重量、静音） ➢模块化（器件、控制单元、系统） ➢全控型（IGBT为主） ➢控制技术数字化（DSP） ➢绿色化（节能、减少污染）
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需明确的个基本概念
需明确的一个基本概念右图是什么电路？
1) 电子电路
2) )电力电子电路
判断依据是什么？
a) 正弦电压、电流的相位差瞬时功率
有功功率
无功功率
视在功率
b) 功率三角形c) 电流、电压和瞬时功率
注：1、我国市电的主要参数是什么？
交流电压和电流的平均值是多少
2、交流电压和电流的平均值是多少？
3、从功率三角形还可以得到哪些信息？
b) 星形联结三相电源a) 对称三相电压c) 有中线的三相电路
)d)说明图b)N 的连接与作用
星形联接对称三相电源的电压相量图f) 工程常用画法
e) 注：1、说明图b) 中零线N 的连接与作用。
a) 有中线的三相电路
、对称三相正弦电路有哪些好处？
b) 功率三角形、对不对称三相电路该如何进行分析和计算？
、上式中P、Q、S的单位各是什么？
视在功率这概念有什么实际意义
、视在功率这一概念有什么实际意义？
、依据什么原则选择连接导线的截面积？
a) 理想变压器及负载全耦合变压器
实际的变压器b) 全耦合变压器c) 实际变压器的电路模型直导线上的电感：约为。
注：1、说明理想电感与理想变压器的区别。
2、理想变压器和全耦合变压器是否都能够储能？
流过电流的电感中储存的能量是多少
3、流过电流i L中储存的能量是多少？
4、一个稳态周期中电感
、该非理想变压器有无直流磁化问题？工作波形、分析该变压器在磁化曲线上的动态轨迹。
b)c)
a) 交流方波
a)b) 脉冲波c) 三角波
d) 直流方波
e) 桥式整流波形f) 半波整流波形
、以上各波形哪些是直流哪些是交流？哪些是基波哪些是谐波？、根据图a)的表达式写出图d)的傅里叶级数。
、上图各波形的谐波哪个相对较大？哪个相对较小？
周期为，角频率为的周期函数的
周期性非正弦电流的有效值
e) 桥式整流波形
平均功率f)
f) 半波整流波形有功功率
无功功率视在功率
注：1、写出周期性非正弦电压的有效值表达式。
上图波形的有效值和平均值如何计算
2、上图波形的有效值和平均值如何计算？
3、上图波形的有效值和平均值有无对应关系？
、上图各波形的基波哪个相对较大？哪个相对较小？、上图各波形的谐波哪个相对较大？哪个相对较小？、实际应用时高次谐波一般取到多少次？
试求其平均值和傅里叶级数，分析各次谐波的情况。
试求其平均值和傅里叶级数，分析各次谐波的情况。
输出直流电压u很难用解析式描述，
a)
当时
a) 电容滤波电路
b) 理想稳态波形
)
注：1、承受电压u的电容C c) 有内阻的波形
e) 输出电压平均值的近似估算
中储存的能量是多少？
2、一个稳态周期中电容C
d)R C
上的电流变化量是多少？d) R L C 变化时
晶体管的三位发明人（1947年）
注：请大家认真阅读“附录”的介绍资料。
风力发电电力电子技术的应用越风能太阳能发电来越广，其地位也越来风能、太阳能发电电力传输
越重要。
课程的结构体系。