合肥工业大学 电力电子技术 第一讲第一章绪论

电力电子技术Power Electronics

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第1章 绪论基本内容

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电力电子技术的定义 电力电子技术的发展 电力电子技术的应用

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1.1 电力电子技术的定义 电力电子技术是在电子、电力与控制技术基础上发展起来 的一门新兴交叉学科,被国际电工委员会(IEC) 命名为电 力电子学( Power Electronics) 或称为电力电子技术

1955 年美国通用电器公司(General Electronic Company) 发明第一个大功率5A 硅整流二极管(Silicon Rectifier) , 仅在两年后的1957 年, GE 公司又发明了全世界第一个晶 闸管(Thyristor) ,俗称“可控硅” 大功率硅整流二极管以及晶闸管的发明标志着现代意义上 电力电子技术的诞生。

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1.1 电力电子技术的定义 1974 年,第四届国际电 力电子会议上美国学 者 W.Newell 首 次 提 出 了电力电子技术的定 义, 并用图 1.1 所示的“ 倒三角” 图形表示 即：电力电子技术是 由电子学、电力学及 控制学组成的边缘学 科

图1.1 电力电子技术的Newell定义

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1.1 电力电子技术的定义 随着电力电子技术的发展，电力电子技术发展初期的 W.Newell定义已得到很多学者的认同 美国电气和电子工程师协会的电力电子学会则将电力电子 技术定义为：电力电子技术是有效地使用电力半导体器件、 应用电路和设计理论以及分析开发工具，实现对电能的有 效变换和控制的技术，包括电压、电流、频率和波形等方 面的变换

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1.1 电力电子技术的定义 1980年，为了使电力 电子技术定义更加具体 化，美国著名学者B. K. Bose 教授对W.Newell 的定义进行了拓展，提 出了如图所示电力电子 技术的新定义电力电子技术的新定义

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1.1 电力电子技术的定义 实际上，就其内容而言，电力电子技术主要完成各种电能 形式的变换，以电能输入-输出形式的变换来分，主要包 括以下四种基本变换： 交流-直流(AC-DC)变换：一般称为整流，完成交流-直流变换 的电力电子装臵称为整流器(Rectifier) 直流-交流(DC-AC)变换 : 一般称为逆变，这是与整流相反的变 换形式，完成直流-交流变换的电力电子装臵称为逆变器( Inverter)

交流-交流(AC-AC)变换: 主要有交流调压和交-交变频两种基本 形式 直流-直流(DC-DC)变换:主要完成直流电压幅值和极性的变换 与调节，主要包括升压、降压和升-降压变换等

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1.1 电力电子技术的定义电力电子技术是使用电力电子器件(Power Electronic Device) 对电力进行变换和控制的电子技术，主要用于电力变

换 (Power Conversion) 。 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件 (Power Semiconductor Device)。电力电子装臵(Power Electronic Equipment)的功率，可大 到数百MW甚至GW,也可小到数瓦甚至1W以下。

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1.1 电力电子技术的定义电力电子变流技术——电力电子技术的核心(Power Electronic Conversion Technique)用电力电子器件进行电力变换的技术，简称为变流技术(Power Conversion Technique)。其主要强调“变换”并包括两层含义： 1)用电力电子器件(Power Electronic Device)构成电力变换电路(Power Conversion Circuit) 。 2)用电力变换电路构成电力电子装臵(Power Electronic Equipment)和电 力电子系统(Power Electronic System) 。 理论基础：电路及控制理论(Theory of Electric circuit &control)。

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1.1 电力电子技术的定义电力电子器件制造技术——电力电子技术的基础(Manufacture Technique of Power Electronic Device)

663A/4.5kV IGCT

4kA/4.5kV IGCTIGCT分解部件 理论基础：半导体物理 (Semiconductor Physics)。

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1.1 电力电子技术的定义电力电子技术和电子技术的关系 电力电子器件和电子器件 两类器件制造技术的理论基础是一样的，大多数工艺也相同 现代电力电子器件制造大都使用集成电路(Integrate Circuit-IC) 制造工艺，采用微电子(Micro-electronics)制造技术，许多设备 都和微电子器件制造设备通用，说明二者同根同源。

器件的工作状态 信息电子 既可放大，也可开关 电力电子 为避免功率损耗过大，总在开关状态 ——电力电子 技术的一个重要特征

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1.1 电力电子技术的定义 电力电子电路和电子电路

两者分析方法一致，仅应用目的不同。 广义而言，电子电路中的功放和功率输出也可算做电力电子电

路。

电力电子电路广泛用于电视机、计算机等电子装臵中，其电源 部分都是电力电子电路。

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1.1 电力电子技术的定义电力电子技术与电气工程的关系1) 通常把电力电子技术归属于电气工程学科

2) 电力电子技术是电气工程学科中一个最为活跃的分支

3) 电力电子技术的不断进步给电气工程的现代化以巨大的 推动力

4) 电力电子技术广泛用于电气工程

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1.2 电力电子技术的发展 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用，因此， 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，其发展经历 了以低频技术为主的传统电力电子技术时期和以高频技术为主的现代电 力电子技术时期。 电力电子技术起始于20世纪50

年代末20世纪60年代初的硅整流器件， 在20世纪80年代末期和20世纪90年代初期以IGBT 和功率MOSFET为代 表发展起来的集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，表 明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。1 3

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电力电子器件的主要生产厂家

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1.2 电力电子技术的发展 进入20世纪90年代以来，电力电子技术进入了一个崭新的 快速发展时期。理论分析和实验表明：电力电子产品体积 与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，因此电力电子 技术高频化是今后电力电子技术创新与发展的主导方向。 近年来，随着能源危机的出现，电力电子技术在变频调速、 新能源发电等方面得到了快速发展，世界各国对电力电子 技术也更加重视。 一方面具有自关断能力的大功率高频新器件及其应用技术 取得了惊人的进步；另一方面，同微电子技术紧密结合的 新一代智能化功率集成电力电子技术初露锋芒 。 展望未来，随着具有高可靠性的集成电力电子模块 IPEM(Integrated Power Electronic Modules)技术以及具 有导通损耗小，耐压高、高结温等特点的新一代器件的应 用将会使电力电子技术发生新一轮革命性的变化。