电力电子技术课程报告

电力电子技术课程报告内容摘要：

机电源的发展方向。 由于 IGBT 大容量模块的商用化 ,这种电源更有着广阔的应用前景。 逆变焊机电源大都采用交流 直流 交流 直流 (ACDCACDC)变换的方法。 50Hz 交流电经全桥整流变成直流 ,IGBT 组成的 PWM 高频变换部分将直流电逆变成 20kHz 的高频矩形波 ,经高频变压器耦合 , 整流 滤波后成为稳定的直流 ,供电弧使用。 由于焊机电源的工作条件恶劣 ,频繁的处于短路、燃弧、开路交替变化之中 ,因此高频逆变式整流焊机电源的工作可靠性问题成为最关键的问题 ,也是用户最关心的问题。 采用微处理器做为脉冲宽度调制 (PWM)的相关控制器 , 通过对多参数、多信息的提取与分析 ,达到预知系统各种工作状态的目的 ,进而提前对系统做出调整和处理 ,解决了目前大功率 IGBT逆变电源可靠性。 国外逆变焊机已可做到额定焊接电流 300A,负载持续率 60%,全载电压 60~75V,电流调节范围 5~300A,重量 29kg。 7 大功率开关型高压直流电源 大功率开关型高压直流电源广泛应用于静电除尘、水质改良、医用 X光机和 CT 机等大型设备。 电压高达 50~l59kV,电流达到 ,功率可达 100kW。 自从 70年代开始 ,日本的一些公司开始采用逆变技术 ,将市电整流后逆变为 3kHz左右的中频 ,然后升压。 进入 80年代 ,高频开关电源技术迅速发展。 德国西门子公司采用功率晶体管做主开关元件 ,将电源的开关频率提高到 20kHz 以上。 并将干式变压器技术成功的应用于高频高压电源 ,取消了高压变压器油箱 ,使变压器系统的体积进一步减小。 国内对静 电除尘高压直流电源进行了研制 ,市电经整流变为直流 ,采用全桥零电流开关串联谐振逆变电路将直流电压逆变为高频电压 ,然后由高频变压器升压 ,最后整流为直流高压。 在电阻负载条件下 ,输出直流电压达到 55kV,电流达到 15mA,工作频率为。 8 电力有源滤波器 传统的交流 直流 (ACDC)变换器在投运时 ,将向电网注入大量的谐波电流 ,引起谐波损耗和干扰 ,同时还出现装置网侧功率因数恶化的现象 ,即所谓 “电力公害 ”,例如 ,不可控整流加电容滤波时 ,网侧三次谐波含量可达 (70~80)%,网侧功率因数仅有 ~。 电力有源滤波器是一种能够动态抑制谐波的新型电力电子装置 ,能克服传统 LC 滤波器的不足 ,是一种很有发展前途的谐波抑制手段。 三、电力电子器件发展 众所周知，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在阻断状态能承受高电压。 在导通状态具有高的电流密度和低的导通压降。 在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的 di/dt和 dv/dt，并具有全控功能。 自从 50年代硅晶闸管问世以后的 20多年来，功率半导体器件的研究工作者为达到上述理想目标做出了不懈的努力，并已取得了世人瞩目的成就。 60 年代后期，可关断晶闸管 GTO实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到 lkHz以上。 70年代中期，高功率晶体管和功率 MOSFET 问世，功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门。 80年代，绝缘栅门控双极型晶体管（ IGBT）问世，它综合了功率 MOSFET 和双极型功率晶体管两者的功能。 IGBT 的迅速发展，又激励了入们对综合功率 MOSFET和晶闸管两者功能的新型功率器件 ——MOSFET门控晶闸管的研究。 SCR 问世似来，其功率容量已提高了近 3000 倍。 现在许多国家已能稳定生产 φ100mm，8000V/4000A的晶闸管。 日本现在已能稳定生产 8000V/4000A 和 6000V/6000A 的光触发晶闸管（ LTT）。 美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。 近十几年来，由于自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于它的高电压、大电流特性，它在 HVDC、静止无功补偿（ SVC）、大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占 有十分重要的地位。 预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。 1982年，日本日立公司首先研制成功 2500v、 1000A的 GTO。 许多生产商可提供额定开关功率 36MVA（ 6000V， 6000A）用的高压大电流 GTO。 为了折衷它的导通、开通和关断特性，传统 GTO 的典型关断增量仅为 3～ 5。 GTO 关断期闻的不均匀性引起的 “挤流效应 ”使GTO 关断期间 dv/dt 必须限制在 500～ 1000V/μs。 为此，人们不得不使用体积大、笨重、昂贵的吸收电路。 它的其他缺点是门极驱动电路较复杂和要求较大的 驱动功率。 但是，高的导通电流密度、高的阻断电压、阻断状态下高的 dv/dt耐量和有可能在内部集成一个反并二极管这些突出的优点，仍使人们对 GTO 感兴趣。 到目前为止，传统的 GTO 是在高压（ VBR＞ 3300V）、大功率（ ～ 20MVA）牵引、工业和电力逆变器中应用最为普遍的门控功率半导体器件。 目前， GTO的最高研究水平为 6in、 6000V/6000A以及 9000V/10000A。 这种 GTO采用了大直径均匀结技术和全压接式结构，通过少子寿命控制技术折衷了 GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。 由于 GTO 具有门极全 控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。 为了满足电力系统对 lGVA以上的三相逆变功率电压源的需要，近期很有可能开发出10000A、 12020V的 GTO，并有可能解决 30多个高压 GTO串联的技术，可望使电力电子技术在电力系统中的应用再上一个台阶。 当前已有两种上述常规 GTO的替代品问世：一是高功率的 IGBT 模块（包括 IEGTInjection Enhanced Gate Transistor:）。 另一是门极换流晶闸管IGCT、这是一种改进型 GTO和集成门极驱动器组成的新型 GTO组件。 （用于 ）及 （用于 ）、 275AItgqm＜ 3120A的 IGCT已研制成功。 IGCT 是由一个改进型的 GTOGCT（阳极短路型、带环状门极的逆导 GTO）和一个引线电感极低的门极驱动器组成的。 IGCT 可以较低的成本，紧凑、可靠、高效率地用于 ～ 10MVA 变流器，而不需要串联或并联。 如用串联，逆变器功率可扩展到 100MVA而用于电力设备。 虽然高功率 IGBT模块具有一些优良的特性，如能实现 di/dt和 dv/dt的有源控制、有源箝位，易于实现短路电流保护 和有源保护等，但是，高的导通损耗、低的硅有效面积利用率、损坏后造成开路以及无长期可靠运行数据等缺点，使高功率 IGBT模块在高功率低频变流器中的实际应用 受到限制。 因此我们可以认为，在大功率 MCT问世以前， IGCT 将成为高功率高电压低频变流器，特别是在电力工业应用领域中的优选大功率器件。 MOS控制晶闸管（ MCT）充分利用晶闸管良好的通态特性及 MOS管的开通和关断特性，可望具有优良的自关断动态特性和非常低的通态电压降，并易于得到高的耐压，成为将来在电力装置和电力系统中最有发展前途的大功率器件。 目前世界 上虽有十几家公司在积极开展对 MCT 的研究，但是仍然处于研制阶段，其中只有美国 HARRIS公司可生产 100A、 1000V的 MCT，离实际应用尚有相当大的距离。 大功率 MCT 的真正问世可能还需要相当长的时间。 至今，硅材料功率器件已发展得相当成熟。 为了进一步实现人们对理想功率器件特性的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了对用新型半导材料制作新型半导体功率器件的探求。 研究表明，砷化家 FET 和肖特基整流器可以获得十分优越的技术性能。 Collinsetal 用GaAsVFETs制成了 10MH： PWM变流器，其功率密度 高达 500W/in3。 在用新型半导体材料制成的功率器件中，最有希望的是碳化硅（ SiC）功率器件。 它的性能指标比砷化镓器件还要高一个数量级。 碳化硅与其它半导体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移。