电力电子技术教案

概述

一什么是电力电子技术

（一）定义

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。

电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的学科。电力电子技术突出对“电力”变换，它变换的功率可以大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或更小。

（二）学科的组成及其研究任务

1 电力电子技术的组成

电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制技术三个部分。目前，电力电子技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的中和性技术学科。

2 电力电子技术的研究任务

它的研究任务有三方面的内容：

(1)电力电子器件的应用；

(2)电力电子电路的电能变换原理；

(3)控制技术以及电力电子装置的开发与应用。

二电力电子器件的发展

二十世纪五十年代，第一个晶闸管诞生后，在其后近五十年里，以器件为核心的电力电子技术的发展可分为两个阶段：

1957~1980年成为传统电力电子技术阶段；

1980年至今称为现代电力电子技术阶段。

（一）传统电力电子器件

晶闸管的出现，一方面由于他的功率变换能力的突破，另一方面实现了以晶闸管核心强

电变换电路的控制，使电子技术步入了功率领域，在工业上引起一场技术革命。

晶闸管发展的特点是派生器件越来越多，功率越来越大，性能越来越好。截至1980年，传统的电力电子器件就已由普通晶闸管衍生出了双向晶闸管(TRIAC)、快速晶闸管(FST)、逆导晶闸管(RCT)和不对称晶闸管等。

同时，各类晶闸管的电压、电流、电压变化率、电流变化率等参数定额均有很大提高，开关特性也有很大改善。

传统的电力电子器件已发展到相当成熟的地步，但在实际应用上存在着两个制约其继续发展的因素。提示控制功能上的欠缺，它通过门极只能控制开通而不能控制关断，所以称之为半控制器件。

直流传动、机车牵引、电化电源在应用方面成为当时的三大支柱，这些以晶闸管为核心的变流电路几乎是用了半个世纪，至今也没有多大改进。

由于这些电路的功率因数低、网侧负载上的谐波严重，因此阻碍了他们的继续发展，为电力电子变流电路带来新的转机。

另一方面，晶闸管系列器件的价格相对低廉，在大电流、高电压的发展空间依然较大，尤其在特大功率应用场合，其它器件尚且不易替代。

在我国，以晶闸管为核心的应用设备仍有许多在生产现场使用，晶闸管及其相关的知识仍是初学者的基础，因此在本书中占据了一定大的篇幅。

（二）现代电力电子器件

二十世纪八十年代以来，微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合而产生了一代高频化、全控型的电力集成器件，从而使电力电子技术有传统的电力电子技术跨入现代电力电子技术的新时代。

现代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件，这类器件分为三大类：双极型、单极型和混合型。

1 双极型器件

指在器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件。这类器件的通态压

降低、阻断电压高、电流容量大，适合于中大容量的变流装置。常见的有门极关断（GTO）晶闸管、功率晶体管（GTR）、静电感应晶闸管（SITH）。

2 单极型器件

指在器件内部只有一种载流子（多数载流子）参与导电过程的半导体器件。这类器件的典型产品有：电力场控晶体管（电力MOSFET）和静电感应晶体管(SIT)。单极型器件由多数载流子导电，无少子存储效应，因而开关时间短，一般在几十纳秒以下，所以工作频率高。

3 混合型器件

混合型器件或双极-MOS(BI-MOS)。所谓混合型是指双极型器件与单极型器件的集成混合。它是用GTR、GTO晶闸管以及SCR作为主导器件，用MOSFET为控制器件混合集成之后产生的器件。这种器件既具有GTR、GTO晶闸管及SCR等双极型器件电流密度高、导通压降低的优点，又具有MOSEFT等单极型器件输入阻抗高、响应速度快的优点。因此，这种新型混合器件已引起人们的高度重视。目前已开发的混合型器件有：肖特基注入MOS 门极晶体管(SINFET)、绝缘门极双极晶体管(IGT或IGBT)、MOS门极晶体管(MGT)、MOS 晶闸管(MCT或MCTH)等。

从总体看现代电力电子器件的主要特点是：集成化、高频化、多功能全控化。

三电力电子技术的应用领域

变换电路是以电力半导体器件为核心，通过不同电路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，分为以下几种类型：可控整流器（AC—DC）：把交流电压变换成为固定或可调的直流电压，如应用于直流电动机的调压调速、电解、电镀设备等。

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如应用于灯光控制、温度控制等。

无源逆变器（AC—DC—AC）：把固定或变化频率的交流电变换成频率可调的或恒定的交流电，如应用于变频电源、UPS、变频调术等设备。

直流斩波器（DC—DC）：把固定或变化的直流电压变换成为固定或可调的直流电压，

如应用于电气机车、城市电车牵引等设备。

无触点电力静态开关：接通或切断交流或直流电流通路。用于取代接触器、继电器。

控制技术是改进变流电路的性能和效率所不可缺少的关键技术之一。对于晶闸管而言，其控制方法是调整器件的导通角，即控制触发脉冲预祝电路之间的相移角，称之为相控技术。由全控型器件组成的变流电路中，多采用脉宽调制（PWM）技术，由于PWM技术可以有效的抑制谐波，动态响应速度快，是变流电路的性能大大提高。

无论是控制技术还是PWM技术，都在应用中不断的完善、改进，并涌现出许多专用集成触发（驱动）电路，给实际应用电路带来了简便、工作稳定和体积小等特点。与此同时，变流电路的控制技术正朝着数字化的方向发展。

由电力半导体器件构成的变流电路，伴随着电力半导体的优点而呈现许多优势。如体积小、重量轻、耐磨损、无噪声及维修方便；功率增益高、控制灵活；控制动态性能好、应快（毫秒激级或微秒级）、动态时间短；效率高、节省能源。

电力电子技术的应用范围十分广泛。在交通运输、电力系统、通讯系统、计算机系统、新能源系统及在照明、空调等家电领域都发挥其重要作用，到处都能感受到电力电子技术的存在和其巨大魅力。

电力电子装置提供给的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频电源，所以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。

四本课程的教学要求和学习方法

《电力电子技术》是主干课程之一。电力电子技术是高等学校自动化、电气工程及其自动化等相关专业的主干课程之一。学习本课程时，要着重物理概念与基本分析方法的学习，理论要联系实际，尽量做到器件、电路、系统（包括控制技术）应用三者结合。在学习方法上要特别注意电路的波形与相位分析，抓住电力电子器件在电路中导通与截止的变化过程，从波形分析中进一步理解电路的工作情况，同时要注意培养读图与分析、器件参数选择、电路参数计算与测量、调整以及故障分析等方面的实践能力。

通过本课程的学习应达到以下要求：