電力電子基礎-緒論1-3

1、電力電子基礎,第 一 講,主講教師：王念春,東南大學遠程教育,《電力電子基礎》緒 論,IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）對電力電子技術(或電力電子學)的表述為：①有效地使用電力半導體器件，②應用電路和設計理論以及分析開發(fā)工具，③實現(xiàn)對電能的高效能變換和控制的一門技術，④它包括電壓、電流、頻率和波形等方面的變換。,從1957年美國通用電氣公司(GE)開發(fā)出第一只晶閘管產品開始，近50年來由于電力電子器件的飛速發(fā)展，加

2、上現(xiàn)代控制理論與微處理器技術的進步，可以說電力電子技術已將我們帶入一個更加節(jié)能、更加環(huán)保的綠色時代。一、電力電子器件的發(fā)展關于電力電子器件的發(fā)展分類方法有很多，從1957年世界上第一只晶閘管在美國誕生，到現(xiàn)在，功率半導體器件的發(fā)展已形成了四代產品：,1．第一代產品。以晶閘管及其各種派生器件為代表，由普通晶閘管衍生出快速晶閘管、逆導晶閘管(RCT) 、雙向晶閘管(TRIAC) 、不對稱晶閘管(ASCR) 等，形成一個SCR 家族。

3、特點為：不具備自關斷能力；由于這一原因，需要在主回路上采取措施（主要是要加入電感與電容，構成復雜的輔助換流關斷電路）強迫關斷，這樣造成裝置的體積過大，目前這類器件在大功率的變流裝置中仍有應用。其最大電流定額可達到8000A 以上，電壓額定可達到12kV。現(xiàn)在研制的光控晶閘管，其額定值可達8kV，4000A。國外發(fā)達國家除大容量的晶閘管和特殊品種外， 一般產品已停止生產。,2．第二代產品。以具備自關斷能力為代表，主要代表器件有：①門極可

4、判斷晶閘管（GTO）。1964年，美國第一次試制成功了參數為500V/10A的GTO，但在此后的近10年內，GTO的容量一直停留在較小水平，只在汽車點火裝置和電視機行掃描電路中進行試用。自70年代中期開始，GTO的研制取得突破是七十年代中期發(fā)展起來的， 它使半導體電力電子技術進入了自關斷階段，前幾年國外產品已達到6kV/6000A/1kHz水平。GTO具有高導通電流密度，高耐壓及高阻斷、較高dv/d t與di/dt耐量等特點，因而在大容

5、量變流器,中得到廣泛的應用。由于它的門極驅動電路較復雜和要求較大的驅動功率，以及需要一個龐大的吸收電路，又限制了其應用范圍。在超大功率應用場合， 門極可關斷晶閘管（GTO）現(xiàn)在已經發(fā)展為逆阻斷型晶閘管（GCT）或集成門極換流晶閘管（IGCT）。與GTO比較，IGCT的優(yōu)點為：關斷電流分布均勻、容許瞬態(tài)損耗大、可省略吸收電路、通斷延遲時間僅為GTO的1/10，因而可提高開關頻率、延遲時間的分散性小，容易串并聯(lián)、總損耗為GTO的一半、關斷門

6、極電荷僅為1/2 等。這兩種用來制造電壓源PWM逆變器和電流源PWM逆變器的器件目前都可以在市場上找到，目前火車電力機車的牽引變流器已開始采用IGCT器件。,②巨型晶體管（GTR）。出現(xiàn)于七十年代，現(xiàn)有產品的水平為1800V/800A/2kHz、1400V/600A/5kHz、600V/3A/100kHz。它在開關電源、電機驅動、通用逆變器等中等頻率和中等功率容量的電路中廣泛應用。其缺點是存在二次擊穿、安全區(qū)易受各種參數影響、過流能力低

7、等問題。它的開關速度比GTO提高了一個數量級，80年代未出現(xiàn)的通用變頻調速器，其功率器件大多采用GTR，變頻調速器的出現(xiàn)，給不少行業(yè)帶來了革命性的影響→節(jié)能降耗，穩(wěn)定工藝等，充分體現(xiàn)了科學技術是第一生產力的論斷。,③功率MOSFET場效應晶體管（MOSFET）。是多子導電的功率MO SFET，其結構較復雜。該器件顯著減小了開關時間，很容易達到100kHz的開關頻率，沖破了電力電子裝置中20kHz的長期障礙，目前的產品已達到60V/200

8、A/2MHz和500V/50A/100kHz。功率MOSFET是低電壓(< 100V)范圍內最好的功率開關器件，但在高電壓時其最大缺點是導通電阻隨耐壓的2.5次方急劇上升，給高功率應用帶來很大的困難。八十年代開發(fā)出VVMOS(V型槽結構)、VDMOS(垂直雙擴散結構)、DMOS(雙擴散結構)，才使其從中小功率向大功率擴展，,各大公司相繼投產高耐壓、大電流、開關速度快的高功率MOSFET，一舉打破了雙極型功率器件獨占市場的局面。九十

9、年代末期功率MO SFET產業(yè)界紛紛將開發(fā)能力轉向采用1μm工藝的溝槽柵(Trench gate)MOSFET研制，不斷推出新產品擴大市場。1998年國際整流器公司宣布用于開關電源的功率MO SFET，其結構采用CooMOS工藝技術，其晶體管性能比當時現(xiàn)有的器件高5倍。溝槽結構功率FET縮小了器件元胞體積，增強了器件的雪崩擊穿能力，有效地減小了導通電阻，降低了驅動電壓。這類器件現(xiàn)在廣泛應用于,各種移動信息終端和電源電路中?，F(xiàn)在溝槽結構功

10、率MOSFET 的產品型號規(guī)格超過100種，漏源額定電壓為2 5、55、100、150、200V，其低導通電阻最小分別為3、5.5、8、9、20、40mΩ。生產該種產品的廠家包括：飛利浦、英特西爾、TEMIC半導體、硅電子器件、快捷半導體、通用半導體、三菱電機、日立、APT、國際整流器公司、IR公司、摩托羅拉等。MOSFET還有一主要優(yōu)點，它的導通電阻RON具有正溫度系數，具有自動均流能力，因些它的并聯(lián)問題比其它功率器件的并聯(lián)問題要簡單

11、一些。,④靜電感應晶閘管SITH或靜電感應晶體管SIT。SITH是80年代初期在隱埋柵靜電感應晶體管的基礎上發(fā)展起來的。它是在SIT的漏極層上增加一層與漏極層導電類型相異的發(fā)射極層而形成的，又被稱為場控二極管。與SIT相似，SITH也是常開型器件。但是，由于存在P型層少數載流子的電導調制效應，SITH的通態(tài)壓降遠比SIT低。SITH具有與GTO相似的關斷特性，但關斷增益遠比GTO小，通態(tài)壓降也比GTO 大。不過，由于SITH，的導通和關

12、斷是在整個芯片上均勻進行的，其d i/dt耐量大，加之它的dV/dt耐量亦只比GTO高一,個數量級，故大大簡化了吸收電路。此外，SITH的開關速度也比GTO高得多。STIH主要用于高頻感應加熱、高頻斬波器及無噪聲PWM逆變器。SIT是70年代初期在普通結型場效應晶體管基礎上發(fā)展起來的一種新型大功率結型場效應晶體管，其原理是通過改變柵極電壓及漏極電壓以改變溝道勢壘高度來調節(jié)溝道電流，具有類似真空三極管的非飽和伏安特性。SIT屬短溝道單極

13、型多子(電子)導電器件，沒有少子存儲效應，因而工作頻率高、開關速度快，易于做成高頻SIT和微波SIT。SIT采用多,溝道并聯(lián)結構，溝道電阻率高，因而具有較高的電壓、電流容量(比功率MOSFET大)。此外，SIT在負載情況下電壓放大倍數基本不變，失真小，適用于需要進行線性功率放大的電路。SIT屬常開型器件，只有在柵極加負偏壓時才能關斷，使用起來不太方便，從而限制了它的應用。此外，由于溝道電阻大，它的通態(tài)壓降比其它器件要大一些。目前SIT

14、截止頻率可達50kHz 以上，電流300A、電壓3000V 以上。SIT，的應用限于大功率中頻廣播發(fā)射機、高頻感應加熱設備等方面。據報道，國內已研制出頻率高達400MHz的50V/40WSIT。,第二代器件是按少數載流子或多數載流子導電的單機工作的，不可能同時滿足各項高性能的要求，因此電力電子器件的發(fā)展方向是多子導電與少子導電相結合形成雙機理的器件，第三代器件，以復合型器件為標志。,3．第三代器件。主要代表有：①絕緣柵晶體管（IGBT

15、）。是目前主流的功率器件。自1985年絕緣門極雙極型晶體管（IGBT）進入實際應用以來，IGBT已經涵蓋了600V～6.5kV的電壓范圍和1～3500A的電流范圍，并且表現(xiàn)出在更高和更低的電壓和電流、更高的頻率和更低的功率損耗方面具有進一步發(fā)展的諸多潛質。IGBT在低功耗、高可控性方面取得的巨大進步，使得10MW級的IGBT功率變流器已進入商品化，100MW級的逆變器同樣也有商品問世。日本東芝公司提出了一種新的加強型IGBT（也叫IEG

16、T），,在關斷損耗和導通電壓上均取得了很好的折衷。在中小功率應用場合， 日本三菱公司最近提出了基于薄晶片LPT 技術的反向導通型IGBT（RC-IGBT）和反向阻斷型IGBT（RB-IGBT）具有良好的應用前景，尤其是RB-IGBT，由于其反向阻斷能力，特別適合矩陣變換器等需要雙向開關的應用場合。在最近幾年來，有關IGBT的研究工作已經開始出現(xiàn)減緩的跡象，因為目前IGBT的性能已經達到了一個很高的水平，如果在器件材料上沒有新的突破，很難

17、在不久的將來期望IGBT在性能上有更大的突破。,IGBT是由美國GE公司和RCA公司于1983年首先研制的，當時容量僅500V/20A，且存在一些技術問題。經過幾年改進，IGBT于1986 年開始正式生產并逐漸系列化。至90年代初，IGBT已開發(fā)完成第二代產品，目前，第三代智能IGBT 已經出現(xiàn)，科學家們正著手研究第四代溝槽柵結構的IGBT。IGBT可視為雙極型大功率晶體管與功率場效應晶體管的復合。通過施加正向門極電壓形成溝道、提供晶體

18、管基極電流使IGBT 導通；反之，若提供反向門極電壓則可消除溝道、使IGBT因流過反向門極電流而關斷。IGBT集GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET,驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身，因此備受人們青睞。它的研制成功為提高電力電子裝置的性能，特別是為逆變器的小型化、高效化、低噪化提供了有利條件。比較而言，IGBT的開關速度低于功率MOSFET，卻明顯高于GTR；IGBT的通態(tài)壓降同GTR相近，但

19、比功率MOSFET低得多；IGBT；的電流、電壓等級與GTR接近，而比功率MOSFET高。目前，其研制水平已達4500V/1000A或更高。由于IGBT具有上述特點，在中等功率容量(600V以上) 的UPS、開關電源及交流電機控制用PWM逆變器中，IGBT已逐步替代GTR,成為核心元件。另外，IR公司已設計出開關頻率高達150kHz的WARP系列400～600V IGBT，其開關特性與功率MOSFET接近，而導通損耗卻比功率MOSFET

20、低得多。該系列IGBT有望在高頻150kHz整流器中取代功率MOSFET，并大大降低開關損耗?！　GBT的發(fā)展方向是提高耐壓能力和開關頻率、降低損耗以及開發(fā)具有集成保護功能的智能產品。,②MOSFET控制的雙極晶體管MCT或晶閘管MCTH。MCT最早由美國GE 公司研制，是由MOSFET與晶閘管復合而成的新型器件。每個MCT器件由成千上萬的MCT元組成，而每個元又是由一個PNPN晶閘管、一個控制MCT導通的MOSFET和一個控制MC

21、T關斷的MOSFET組成。MCT工作于超掣住狀態(tài)，是一個真正的PNPN器件，這正是其通態(tài)電阻遠低于其它場效應器件的最主要原因。MCT既具備功率MOSFET輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快的特性，又兼有晶閘管高電壓、大電流、低壓降的優(yōu)點。其芯片連續(xù)電流密度在各種器件中最高，通態(tài)壓降不過是,IGBT或GTR的1/3，而開關速度則超過GTR。此外，由于MCT中的MOSFET元能控制MCT芯片的全面積通斷，故MCT具有很強的導通di/dt和阻

22、斷dV/dt 能力，其值高達2000A/μs和2000V/μs。其工作結溫亦可高達150～200 ℃?！　∧壳耙蜒兄瞥鲎钄嚯妷哼_4000V的MCT，75A/1000V MCT已應用于串聯(lián)諧振變換器。隨著性能價格比的不斷優(yōu)化，MCT將逐漸走入應用領域并有可能取代高壓GTO，與IGBT的竟爭亦將在中功率領域展開。,4．第四代產品。Power IC或Smart Power，或稱“聰明器件”，主要特點為將功率模塊、保護、控制及驅動集成在一個模

23、塊上，使其使用更簡單。PIC是電力電子器件技術與微電子技術相結合的產物，是機電一體化的關鍵接口元件。將功率器件及其驅動電路、保護電路、接口電路等外圍電路集成在一個或幾個芯片上，就制成了PIC。一般認為，PIC 的額定功率應大于1W。功率集成電路還可以分為高壓功率集成電路(HVIC)、智能功率集成電路(SPIC)和智能功率模塊(IPM)?！　VIC是多個高壓器件與低壓模擬器件或邏輯電路在單片上的集成，由于它的功率器件是橫向,的、電流容量

24、較小，而控制電路的電流密度較大，故常用于小型電機驅動、平板顯示驅動及長途電話通信電路等高電壓、小電流場合。已有110V/1.3A和550V/0.5A、80V/2A/200kHz以及500V/600mA的HVIC分別用于上述裝置?！　PIC是由一個或幾個縱型結構的功率器件與控制和保護電路集成而成，電流容量大而耐壓能力差，適合作為電機驅動、汽車功率開關及調壓器等。　　IPM除了集成功率器件和驅動電路以外，還集成了過壓、過流、過熱等故障

25、監(jiān)測,電路，并可將監(jiān)測信號傳送至CPU，以保證IPM自身在任何情況下不受損壞。當前， IPM中的功率器件一般由IGBT充當。由于IPM體積小、可靠性高、使用方便，故深受用戶喜愛。IPM主要用于交流電機控制、家用電器等。已有400V/55kW/20kHz IPM面市。　　自1981年美國試制出第一個PIC以來，PIC 技術獲得了快速發(fā)展；今后，PIC 必將朝著高壓化、智能化的方向更快發(fā)展并進入普遍實用階段。,電力電子基礎,第 二 講,主

26、講教師：王念春,東南大學遠程教育,5．國內半導體電力電子器件發(fā)展概況。近年來，國內半導體電力電子器件發(fā)展有一定進展，但與國外相比差距仍很大。市場上國內產品仍以晶閘管和GTR為主，第三代電力電子器件如IGBT和功率MOSFET 產品還處于起步階段。在IGBT和功率MOSFET開發(fā)方面，國內一些高等院校和科研院所做了不少的工作，取得了成績。成都電子科技大學在功率MOSFET研究方面取得突出成果， 他們打破了傳統(tǒng)功率MOSFET理論極限， 提

27、出CooMOS新型功率MOSFET理論，受到國際上重視。一些科研院所設計定型數種功率MOSFET和IGBT產品。這都將為今后國內生產這些器件打下基礎。,6．新材料對電力電子器件發(fā)展。以上所述各種電力電子器件一般都是由硅(Si)半導體材料作成的。除此之外，近年來還出現(xiàn)了很多性能優(yōu)良的新型化合物半導體材料，如砷化鎵( GaAs)、碳化硅(SiC)、磷化銦(InP)以及鍺化硅(SiGe)等。由它們作為基礎材料制成的電力電子器件正不斷涌現(xiàn)。砷

28、化鎵材料　　GaAs是一種很有發(fā)展前景的半導體材料。與Si相比，GaAs有兩個獨特的優(yōu)點： ①禁帶寬度能量為114eV ，較Si的111eV要高。正因如此，GaAs整流元件可在350℃的高溫,下工作(Si整流元件只能達200 ℃) ，具有很好的耐高溫特性，有利于模塊小型化； ②GaAs材料的電子遷移率為8000cm2/ V·s ，是Si材料的5倍，因而同容量的器件幾何尺寸更小，從而可減小寄生電容，提高開關頻率(1MHz以上)

29、?！　‘斎唬捎贕aAs材料禁帶寬度大，也帶來正向壓降比較大的不利因素，不過其電子遷移率可在一定程度上補償這種影響?！　aAs整流元件在Motorola公司的一些老用戶中間，廣泛用于制作各種輸出電壓(12V、24V、36V、48V)的DC電源，用于,通信設備和計算機中。預計，隨著200V耐壓GaAs整流器件生產工藝技術的改進，器件將獲得優(yōu)化，應用領域將會不斷擴大。600V耐壓的GaAs整流器件，現(xiàn)已達到實用化水平，不久將大量上市。

30、,碳化硅材料　　SiC是目前發(fā)展最成熟的寬禁帶半導體材料，作為Si和GaAs的重要補充，可制作出性能更加優(yōu)異的高溫(300～500℃)、高頻、高功率、高速度、抗輻射器件。SiC高功率、高壓器件對于公電輸運和電動汽車的節(jié)能具有重要意義。　　已用SiC材料制作出普通晶閘管、雙極晶體管(BJ T) 、IGBT、功率MOSFET(175V/2A、600V/118A)、SIT(600MHz/225W/200V/f max= 4GHz)、PN結

31、二極管(300K溫度下耐壓達415kV)和肖特基勢壘二極管(300K溫度下耐壓達1kV) ，廣泛運用于火車機頭、有軌電車、工業(yè)發(fā)電機和高壓輸變電裝置中。,磷化銦材料　　InP是一種Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，是繼Si和GaAs之后的新一代電子功能材料。它具有更高的擊穿電場、更高的熱導率、高場下更高的電子平均速度，且表面復合速率比GaAs低幾乎3個數量級，使得InP HBT可在低電流下工作，可作為高速、高頻微波器件的材料，頻率可達340G

32、Hz。在1998年5月舉行的第10屆IEEE磷化銦及相關材料國際研討會上，美國的M/A-COM公司、AXT公司以及日本的能源公司都展示了3～4英寸InP 晶片樣品。,鍺化硅材料　　據文獻報道，德國Tenic Telefunken Microelect ronic公司計劃于1998年一季度開始批量生產無線應用的SiGe芯片，其截止頻率為50GHz～110GHz。這標志著SiGe器件正式進入應用領域。,電力電子技術在家電產品中的應用近十

33、年來由于功率器件制造成本的下降與微控制器的普及，電力電子技術在家電產品中得到了廣泛的應用，給家電產品帶來了新的變革，主要體現(xiàn)有：,①變頻空調的廣泛使用。變頻空調是空調發(fā)展的大趨勢，與普通空調相比，變頻空調在舒適性、靜音、恒溫以及高效運轉、延長使用壽命等方面有顯著優(yōu)勢。當提高頻率時，壓縮機便高速旋轉，輸出功率增大。反之，降低頻率時，壓縮機的輸出功率減少。因此，變頻空調可根據不同的室內環(huán)境狀況，以最合適的輸出功率進行運轉。而傳統(tǒng)的定速機種，

34、則依靠其不斷地“開、?！眮碚{整室內濕度，其一開一停之間容易造成室溫或冷或熱，并消耗較多能量。變頻空調則依靠壓縮機轉速的快慢達到控制室溫的目的，因而室溫波動小，電能消耗少，其舒適度大大,提高。而運用變頻控制技術的變頻空調，可根據環(huán)境溫度自動選擇制熱、制冷和除濕運轉方式，使居室在短時間內迅速達到所需要的溫度并在低轉速、低能耗下以較小的溫差波動，實現(xiàn)快速、節(jié)能和舒適的控溫效果。據了解，日本作為變頻空調的強國，從80年代初就開始將VVVF變頻

35、調速技術用于壓縮機電機的控制，目前，變頻空調已占其市場的90％左右。與此同時，變頻空調在我國發(fā)展相當快，用了近10年的時間，就達到與日本先進水平同步。如我國的海爾集團從1993年開始生產變頻空調，從最初的單轉子變頻,壓縮機技術發(fā)展到今天的運用直流變頻加PAM技術，將我國的變頻技術帶到了一個更高的發(fā)展層次，帶動了我國變頻技術的全面提升。目前，海爾變頻空調已經有了8個系列968種產品，是目前我國變頻空調規(guī)模最大的生產基地。我國的變頻空調幾乎

36、100％采用IPM方式，IPM模塊基本都是從日本進口的。目前市場上的變頻空調分為交流型與完全直流型兩種，前一者價格較便宜，后一種價格較貴，但節(jié)能效果更好，控溫精度更高。（一般交流型變頻空調與定速空調相比，節(jié)能30%，直流型變頻空調節(jié)能可達到50%；定速空調控溫精度為±2℃，變頻空調可達到±0.5℃）目前國內市場上青島海信占有率達60%左右。,②變頻冰箱的初步普及。變頻冰箱主要是通過變頻技術來調節(jié)壓縮機的轉速，它通過提

37、取冰箱各間室溫度與設定溫度的差值，作為連續(xù)控制信號輸入到變頻器中，從而實現(xiàn)自動改變輸出交流電頻率的目的。這樣，在維持冰箱于設定溫度穩(wěn)定運轉過程中，壓縮機基本維持著連續(xù)的低速運轉，與傳統(tǒng)依靠通斷調節(jié)的定速機種相比，可明顯延長壓縮機的使用壽命，從而達到節(jié)能、省電的目的，使冰箱處于最佳效率狀態(tài)下運行。如東芝公司生產的GR－356M12變頻冰箱，采用PWM變頻器，整個系統(tǒng)在工頻電源起動之后，通過變頻器快速運轉，然后進行工頻電源運轉,或者變頻器運

38、轉。壓縮機由3個傳感器和過載繼電器保護；可以防止過流，還可以防止溫度異?；蜻B續(xù)變頻運轉引起的工質蒸發(fā)不充分而產生的低效率液體壓縮現(xiàn)象。美國Danfoss公司開發(fā)的TLV型可調速壓縮機，其內置的電機控制裝置可將壓縮機的轉速從4500r/min降到2000r/min，節(jié)能40％，并可降5dB(A)。2000年4月，科龍首推變頻冰箱，改寫了被業(yè)內人士譽為“最成熟、最穩(wěn)定”的冰箱業(yè)市場格局。目前220升容積左右的變頻冰箱日均耗能可降到0.38~

39、0.48KW，普通冰箱水平為1.2KW左右。,③變頻洗衣機。變頻波輪式洗衣機于90年代初最先由日本三菱公司推出，隨后新西蘭公司也推出了變頻攪拌式洗衣機。目前歐洲和日本正在研制變頻滾筒式洗衣機。變頻洗衣機具有三大特點：一是提高洗衣效果。由于采用直接驅動式變頻電機，其洗滌、脫水速度可調，可以針對不同衣物的質地確定不同的洗滌脫水速度。同時，在洗滌桶和波輪低速轉動時也能產生大轉矩。采用電磁制動器，可實現(xiàn)反向高速轉動。同時可根據洗滌物的種類、數量

40、、臟污程度，選擇水流，使衣物的洗凈率和磨損率達到最佳效果。二是節(jié)能。變頻洗衣機效率高，過去的洗衣機,電機的效率僅為40％－50％，而直流變頻洗衣機的效率可達到80％以上，從而實現(xiàn)節(jié)約能源。三是噪聲低、振動小。這是因為直流變頻電機的電磁噪聲要小于單相感應電機，同時改機械傳動為直接傳動，使齒輪、皮帶、電磁噪聲還脫水振動得到有效控制。如日本夏普公司開發(fā)的ES－A80E型變頻洗衣機。其洗滌噪聲為28dB。脫水噪聲為40dB，脫水振動減少一半，與

41、近十年前該公司的ES－B55機型相比，現(xiàn)在的ES－A80E機型的耗電約為老機型的三分之一。無錫小天鵝公司是我國最早開發(fā)變頻洗衣機,的廠家。該公司前幾面市的“洗衣機”，采用先進的無刷直流變頻電機進行無級調速以及PWM變頻控制技術，洗滌轉速和節(jié)拍可同時改變，速度控制靈活，可洗滌不同質地的所有衣物，根據衣物質地選擇不同脫水轉速，從而達到高洗凈、低磨損、免纏繞的效果。其低噪聲和高效節(jié)能表現(xiàn)在平均脫水噪聲在59dB（A）以下。比普通洗衣機下降1

42、0dB（A）。特設的靜音程序，噪聲在55dB（A）以下。直流變頻電機壽命比傳統(tǒng)的感應電機延長200％，而能耗降低50％。,④變頻微波爐。變頻微波爐代表了世界微波爐的發(fā)展方面，具有很高的技術含量。變頻微波爐是以變頻器代替了傳統(tǒng)的微波爐內變壓器，變頻器通過變頻電路可以將50Hz的電源頻率任意地轉換成2000－4500Hz的高頻率，通過改變頻率來得到不同的輸出功率，解決了傳統(tǒng)微波爐通過對恒定輸出功率反復開／關進行火力調控而使食物加熱不均勻的弊

43、端，實現(xiàn)了真正意義上的均勻火力調控，經烹飪的食物不僅口感好，而且營養(yǎng)保存更多。除此以外，與傳統(tǒng)微波爐相比，變頻微波爐還具有機身輕巧、噪聲小、烹飪速度快、用電省等優(yōu)點。如日本松下新近推出的,NN－V691JFS微波爐，由于采用了變頻電源系統(tǒng)，烹飪時間縮短了近50％，同樣由于變頻技術的采用，縮小了變壓器的體積，使機身重量減輕了30％，而有效空間增大了20％以上。 此外，變頻技術在自動真空吸塵器、剃須刀、電飯鍋、電磁灶、彩電、電動自行車等家電

44、產品也獲得了重要的應用。,⑤綠色照明技術。調光臺燈是電力電子技術最早在照明技術中的應用，使用的是電力電子技術中的交流調壓原理。近5年來，護眼燈大量地涌現(xiàn)在市場上，它使用的原理是將50Hz的交流電變換成高頻的交流電，用三基色熒光粉，使人眼感受不到頻閃不適。照明用電隨著社會的發(fā)展已占總發(fā)電量的10 %左右。 美國1994年僅用于9600萬戶家庭照明的耗電約1500億kWh，價值100億美元，這些發(fā)電量要產生114億噸原始溫室氣體—CO2。照

45、明用電的迅速增加，不但要增加大量的電力投資，而且還會對環(huán)境和電網產生污染. 據專家計算，每100億kWh電需標煤500萬噸，按,除塵率94%計，還要向大氣排放煙塵515萬噸、SO2718萬噸，產生嚴重的酸雨，因而綠色照明應運而生。綠色照明是20世紀90年代初國際上對采用節(jié)約電能，保護環(huán)境的照明系統(tǒng)的形象化說法，它是一項集照明節(jié)電，環(huán)境保護，改善照明質量和發(fā)展電器工業(yè)于一體的跨世紀工程，實施綠色照明不僅能夠節(jié)省電力，更重要的是減少環(huán)境污染

46、和能源消耗，提高能源的利用效率. 實現(xiàn)綠色照明的方法：一是改造光源，二是改進電路，熒光燈用電子鎮(zhèn)流器和霓虹燈專用電子變壓器是新型照明電路的典型代表。目前還有一個方向值得注意，大功率LED照明驅動電路的研究,與應用。目前市面上已能見到單個功率達5W的高亮度白光LED器件，LED是一種固體光源，當它兩端加上正向電壓，半導體中的少數載流子和多數載流子發(fā)生復合，放出的過剩能量將引起光子發(fā)射。采用不同的材料，可制成不同顏色有發(fā)光二極管。作為一種新

47、的光源，近年來各大公司和研究機構對LED的研究方興未艾，使其光效得以大大提高，飛利浦與Agilent的合資公司目前已研發(fā)并生產出光效達到171m/W的白色LED。和白熾燈的相比較，LED在性能上具有很多優(yōu)點。,高性能的LED驅動主要是恒流驅動技術。１、效率高：按照通常的光效定義，LED的發(fā)光效率并不高（一般10-30lm/W，但目前已有達50lm/w的白光LED），但由于LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，效率可以達到80-90%，

48、而光效差不多的白熾燈其可見光效率僅為10-20%。　　２、光線質量高：由于光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，LED屬于典型的綠色照明光源?！　。?、光色純：與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光線很純。,４、能耗?。簡误wLED的功率一般在0.05-1W，普通LED手電用管，單只工作電壓2。7伏，電流20毫安，一瓦LED手電用管，單只工作電壓3。3伏，電流330毫安，光效30lm/W。我們普通手電用燈珠，工

49、作電壓3。7伏，電流400毫安，光效只有幾個流明。　?。?、壽命長：光通量衰減到70%的標稱壽命10萬小時。實際上幾乎無限?！　。?、可靠耐用：沒有鎢絲、玻殼等等容易損壞的部件，非正常報廢的可能性很小，維護費用極為低廉?！　?、綠色環(huán)保：廢棄物可回收，沒有污染；不像熒光燈含有汞成分受價格因素的,限制。目前白光LED照明主要用在高性能的戶外手電上，亮度可達到數百流明，普通兩節(jié)5號電池的使用時間視亮度情況，最長可達到近100個小時?？梢?/p>

50、預見，在近3~5年內，白光LED必將進入普通用戶。,電力電子技術在電源中的應用電能是目前人類生產和生活中最重要的一種能源形式。合理、高效、精確和方便地利用電能仍然是人類所面臨的重大問題。采用電力電子技術的電源裝置給電能的利用帶來了革命。在世界范圍內，用電總量中經過電力電子裝置變換和調節(jié)的比例已經成為衡量用電水平的重要指標，目前，全球范圍內該指標的平均數為40%，據美國國家電力科學研究院預測，到2010年將達到80%。這就對電源技術提出

51、了新的挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，對各種各樣的電源裝置提出的技術要求中，除了穩(wěn)定性、可靠性、,精確性、高效率等方面的要求外，小型化和輕量化也是十分迫切的需求。目前解決的主要手段有高頻化、元器件和結構的小型化。上世紀80 年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術未來發(fā)展的方向，是解決電力電子技術發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。同時，現(xiàn)代社會對環(huán)境造成了嚴重污染，限制溫室氣體的排放，電源技術要為環(huán)保和人類健康服務。電力電子集成

52、的基本思想是通過封裝手段，將主電路的部分元件和驅動、保護、控制甚至人機界面和通訊接口電路都集成,到一個或幾個模塊內，實現(xiàn)電源裝置的全面集成化。電源裝置的集成可以分為三個不同層次和形式：,①單片集成將電力電子電路中的功率器件、驅動、控制和保護電路都采用半導體集成電路的加工方法，制作在同－硅片上，體現(xiàn)了系統(tǒng)芯片(SOC)的概念。這種集成方式集成度最高，適合大批量、自動化制造，可以有效的降低成本、減小體積和重量，但面臨高壓、大電流的主電路元

53、件和其他低壓、小電流電路元件的制造工藝差別較大，還有高壓隔離的傳熱問題。故單片集成難度很大，目前僅在小功率范圍有所應用。如美國PowerIntegrations公司的TopSwitch等。,②混合集成采用封裝的技術手段，將把包括功率器件、驅動、保護的控制電路等多個硅片封入同一模塊中，形成具有部分或完整功能的、相對獨立的單元。這種集成方法可以較好地解決不同工藝的電路間的組合和高電壓隔離等問題，具有較高的集成度，也可以有效的減小體積和重量

54、，但目前還存在分布參數、電磁兼容、傳熱等具有較高難度的技術問題，并且還不能有效地降低成本，不能達到較高的可靠性，因此，目前仍以中等功率應用為主，并正向大功率發(fā)展。混合集成的典型例子是IPM(集成功率模塊)。,③系統(tǒng)集成將多個電路或裝置有機地組合成具有完整功能的電力電子系統(tǒng)，如通信電源系統(tǒng)等。系統(tǒng)集成是功能的集成，具有低的集成度和技術難度，容易實現(xiàn)。但由于集成度低，與獨立的裝置和電路相比，體積和重量都無法顯著降低，而且其構成仍以分立的元

55、器件為主，設計、制造都較復雜，不能明顯的體現(xiàn)集成的優(yōu)勢。目前，系統(tǒng)集成技術都用于功率很大、結構和功能復雜的系統(tǒng)。國家自然科學基金委員會已經批準了“電力電子系統(tǒng)集成的理論和關鍵技術研究”項目，標志著我國電力電子集成技術研究的正式起動。電力電子技術在充電電源中的應用。手機充電器，電動自行車充電器，充電電池的充電器，神光II與神光III電源的充電機等。,電力電子基礎,第 三 講,主講教師：王念春,東南大學遠程教育,電力電子技術在電力系統(tǒng)中

56、的應用①動態(tài)無功補償技術的應用。由于電力系統(tǒng)中無功功率的有害性，人們很早就對各種補償技術有所認識。在電力系統(tǒng)中，控制無功功率的方法很多，包括采用同步發(fā)電機、同步電動機、同步調相機、并聯(lián)電容器和靜止無功補償裝置等。由于其技術的成熟性及經濟上的原因，這些裝置仍在廣泛的使用中，尤其在我國等發(fā)展中國家?？紤]到無功功率是由于系統(tǒng)中各種電容和電感所產生，人們最初使用了無源形式的,補償方法。該方法是將一定容量的電容器或電抗器以并聯(lián)或串聯(lián)連接的方式

57、安裝在系統(tǒng)的母線中。例如，并聯(lián)電容器在高峰負荷下可接入系統(tǒng)以防止電壓降低。在輕載時，電容器和電抗器的存在，對故障后系統(tǒng)的動態(tài)性能也有影響。通常，在干擾期間，它們都不會投入或切除。這些補償措施對系統(tǒng)發(fā)生影響是由于它們改變了網絡參數，特別是改變了波阻抗、電器長度和系統(tǒng)母線上的輸入阻抗。一般來說，如果要它們糾正短時(0.5S)電壓升高和電壓下降，則必須把它們迅速地投入和切除，在某些場合下，這種操作要反復進行，使用,傳統(tǒng)的機械開關裝置，實際上是

58、做不到這一點的。同步調相機又稱同步補償器，是作為并聯(lián)補償設計的一種同步機，它屬于有源補償器。同步調相機同電容器相比，該裝置的優(yōu)點是：在系統(tǒng)電壓下降時，靠維持或提高本身的出力，可以給系統(tǒng)提供緊急的電壓支持。從功能上講，同步調相機只不過是一個被拖動到某一轉速并與電力系統(tǒng)同步運行的同步機。當電機同步運行后，根據需要，人們控制其磁場，使之產生無功功率，或從系統(tǒng)吸收無功功率。同步調相機具有調相的優(yōu)點，但動態(tài)響應速度慢，發(fā)出單位無功功率的有功損耗,

59、大，運行維護復雜，不適應各類非線性負載的快速變化。由晶閘管控制電抗器( ThyristorControlled Reactor—TCR)，晶閘管投切電容器(Thyristor Switched Capacitor—TSC)和以及二者的混合裝置( TCR + TSC)等主要形式組成的靜止補償器(Static Var Compensator——SVC) 實際上可看作一個可調節(jié)的并聯(lián)電納，其性能比固定并聯(lián)電容器要好得多。而所謂靜止是指沒有運動

60、部件，這和同步調相機不一樣。靜止補償器最重要的性質是它能維持其端電壓實際上不發(fā)生變化，所以它要連續(xù)調節(jié)與電力系統(tǒng)變換功率，其第二個,重要性質是響應速度。傳統(tǒng)靜止補償器對電力系統(tǒng)狀況的調整和暫態(tài)性能的改善起到了重要的作用，且其控制技術也比較成型，在實際電力系統(tǒng)中也得到了不少的有效應用。但是它們都是利用可控硅晶閘管進行換相控制，在無功變動時容易發(fā)生逆變現(xiàn)象，并且都需要大電感或大電容來產生感性和容性無功，因而人們期待有新的補償方式改善上述缺陷

61、。國外情況靜止無功補償裝置(Static Compensator)或稱SVC-靜止無功系統(tǒng)是相對于調相機而言的一種利用電容器和各種類型的電抗器進行無功補償(可提供可變動的容性或感性無功),的裝置，簡稱靜補裝置(靜補)或靜止補償器。1967年，第一批靜補裝置在英國制成以后，受到世界各國的廣泛重視，西德、美國、瑞士、瑞典、比利時、前蘇聯(lián)等國竟先研制，大力推廣，使得靜止補償裝置比調相機具有更大的競爭力，廣泛用于電力、冶金、化工、鐵道、科研等部

62、門，成為補償無功、電壓調整、提高功率因數、限制系統(tǒng)過電壓，改善運行條件經濟而有效的設備。國際上幾個大的電氣公司如瑞士的勃朗-鮑威利公司(BBC) ，瑞典通用電氣公司 ，美國的通用電氣公司(GE)及西屋公司，日本的富士公司等均發(fā)展了不同,類型的靜補技術。根據提供無功的性質和方式而言，靜補裝置又分為六種組合方式，固定電容、固定感性、可變容性、可變感性、固定容性+可變感性、可變容性+可變感性，通常所指的靜補裝置是指后兩種方式。對可變感性又可分

63、為直流勵磁飽和電抗器(DCMSR)。相控閥調節(jié)電抗器(TCR)(或相控閥高阻抗變壓器) 及自飽和電抗器(SR)。高壓可控硅元件問世以來，逐步取代了有觸點開關，為實現(xiàn)感性或容性無功的連續(xù)可控調節(jié)提供了簡便、可靠、靈活的技術。目前國際上幾個主要的產品,形式有FC-TCR (固定容性+可變感性)，電感的調節(jié)也有用可控高阻抗變壓器、自飽和電抗器、直流偏磁電抗器的。另一種TSC-TCR 是八十年代初發(fā)展起采的一種新技術，oASEA首先將其應用于電

64、力系統(tǒng)的無功補償。在國外，系統(tǒng)的無功補償主要用靜補裝置和電容器，并積累了廣泛的運行經驗，取得了良好的效果。國內情況。70 年代初武漢鋼鐵公司1.7m軋機工程進口了比利時的直流勵磁飽和電抗器和日本的電容器組成的靜補裝置后，國內才對可變無功的補償問題引起了注意。,在國內，補償無功用的最多的辦法是并聯(lián)電容器。在低壓(10kv以下)供電網絡中大量地和在中壓(60kv、35kv)配電網絡中少量地裝設并聯(lián)電容器組，以滿足調壓要求，70 年代初有人

65、提出用大負荷調壓變壓器改變并聯(lián)電容器組端電壓，以調節(jié)無功出力的設想，終因調壓變壓器的操作開關壽命不能保證而未能實現(xiàn)?？勺儫o功的補償問題越來越受到有關部門的重視，電力部有關科研、設計、試驗單位對靜補裝置在電力系統(tǒng)中的作用進行了不少試驗研究工作。從國外引進的靜態(tài)補償為樞紐變電站或大型企業(yè)所用的大容量靜態(tài)補償，對于,中小型中低壓電網或中小型企業(yè)所需的無功，多采用并聯(lián)電容器組的辦法。這同時也產生了許多新的問題，首先其不能迅速連續(xù)地進行無功功率的

66、調節(jié)，其次許多電容器在夜間產生了過量的無功，使發(fā)電機換相運行，并影響系統(tǒng)經濟穩(wěn)定運行，因此，中小企業(yè)的功率因數調節(jié)也越采越引起重視。對于偏離規(guī)定功率因數較大的企業(yè)，電力部門會對其征收懲罰性的累加電費，在城市夜間、節(jié)假日期間會有大量剩余無功功率，引起電網電壓升高，危害用戶。功率因數低，損耗大，系統(tǒng)不穩(wěn)定，,效益低等問題日益突出，所以把連續(xù)可調的無功補償裝置應用到在中小型中低壓電網或中小型企業(yè)是十分必要的。采用電容器進行無功補償屬于靜態(tài)補償

67、。在上述靜態(tài)無功補償裝置中，由于容抗是固定的，因而無功補償容量也是固定不變的，它不能跟隨供電系統(tǒng)中感性負荷的變化而變化，所以不能實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補償。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，對無功功率動態(tài)補償的需求越來越迫切。使用晶閘管對電抗器進行實時投切，構成晶閘管控制電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)，可以根據電網中無功功率的狀況進行無功補償。,1977年GE公司首次在電網中進行了試驗，1978年西屋公司的產品投入實際運行，1980年以來，

68、我國已開始研制和投用晶閘管控制的靜止無功補償裝置SVC。但在實際應用中，SVC 離不開具有時滯特性的大容量儲能元件，不能做到瞬時無功控制。隨著電力電子技術的進一步發(fā)展，近年來出現(xiàn)了采用自換相變流電路的靜止無功補償裝置，通常稱為靜止無功發(fā)生器( Static Var Generator—SVG) 或高級靜止無功補償器(Advanced Static VarCompensator —ASVC)，也叫靜止調相機(Static,Condense

69、r—STATCON)。與傳統(tǒng)的以TCR為代表的SVC裝置相比，SVG的調節(jié)速度更快，運行范圍更寬，而且在采取多重化、多電平或PWM 技術等措施后可減少補償電流中諧波的含量。更重要的是，SVG使用的電抗器和電容元件遠比SVC中使用的電抗器和電容元件要小，這將大大縮小裝置的體積和成本。SVG是基于瞬時無功功率的概念和補償原理，采用全控型開關器件(如GTO 晶閘管、IGBT等)組成自換相交流器，輔之以小容量儲能元件所構成的瞬時無功功率補償。其