全电力电子技术课件西交大王兆安版

全电力电子技术本课件为西安交通大学王兆安教授主讲课程全电力电子技术的课件“”课件涵盖电力电子技术基础知识、电力电子器件、电力电子电路分析、电力电子系统设计等内容课程简介电力电子技术的核心涵盖广泛的领域这门课程将深入探讨电力电子技课程内容涵盖电力电子器件、电术的核心原理、应用和最新发展路拓扑、控制策略、电能质量、趋势可靠性设计等理论与实践相结合未来发展方向通过课堂教学、案例分析、实验课程将介绍新能源、智能电网、操作等多种方式，帮助学生掌握电动汽车等领域中电力电子技术理论知识并具备实际应用能力的前沿应用课程学习目标掌握电力电子技术基础理掌握电力电子系统的分析掌握电力电子技术实验技了解电力电子技术的应用论和设计方法能领域理解电力电子器件的工作原理和能够运用电力电子技术理论分析能够独立完成电力电子系统的搭了解电力电子技术在电力系统、特性，以及电力电子转换电路的和设计各种电力电子系统，例如建、调试和测试，以及故障分析电机控制、新能源、电力电子器基本结构和工作原理直流直流变换器、直流交流和排除件等领域的应用现状和发展趋势--变换器、交流交流变换器等-课程大纲电力电子器件1•二极管和可控硅功率晶体管•电力电子转换系统2和•MOSFET IGBT•直流-直流变换器•直流-交流变换器控制技术3•交流-交流变换器•前馈控制原理•PWM控制技术•电压模式控制电力电子系统4•电流模式控制建模和分析••稳定性分析应用和发展•滤波电路设计5•电磁兼容性分析•电能质量问题•功率半导体开关的损耗•热管理和散热设计•可靠性设计•最新技术发展趋势电力电子技术发展历程现代电力电子技术1功率半导体器件、数字控制、智能化第二代电力电子技术2晶闸管、功率晶体管、控制PWM第一代电力电子技术3真空管、磁放大器、模拟控制电力电子技术从最初的真空管时代发展到如今的智能化阶段，经历了三个主要阶段每个阶段都伴随着新的器件和控制技术的出现，并推动着电力电子技术的不断进步电力电子器件基本概念定义分类特性应用电力电子器件是用来控制和转电力电子器件可以分为两大电力电子器件的特性包括导电力电子器件广泛应用于各种换电能的半导体器件它们可类二极管和晶体管二极管通电压、导通电流、开关速电力电子系统中，例如电源、以实现电压、电流、频率和相是一种单向导通器件，而晶体度、功率损耗和工作温度等电机驱动、电力系统控制等位的转换，从而实现能量的有管则是一种双向导通器件，可这些特性直接影响器件的性能效利用和控制以用于控制电流的流动和应用范围二极管和可控硅二极管可控硅特性比较

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3.123单向导电元件，常用在整流、开关和双向导电元件，可由控制信号控制其二极管结构简单，导通电压低，电流保护电路中，可分为普通二极管、肖导通和关断，常用于电力电子领域，容量小；可控硅结构复杂，导通电压特基二极管和稳压二极管可调节直流电压和电流高，电流容量大，可控性强功率晶体管结构应用封装功率晶体管通常由基极、发射极和集电极组功率晶体管在电力电子系统中广泛应用，如功率晶体管有多种封装类型，例如TO-成，它们通过半导体材料连接直流直流转换器、直流交流转换器等、、等，不同的封装--220TO-3P TO-247类型具有不同的散热性能和电流容量和MOSFET IGBTMOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管，结构简单，开关速度快，驱动功率低广泛应用于低压、中功率场合，如电源转换、电机控制等IGBT电力电子转换系统分类直流直流变换器交流直流变换器直流交流变换器交流交流变换器----将直流电压转换为另一直流电将交流电压转换为直流电压将直流电压转换为交流电压将交流电压转换为另一交流电压压直流直流变换器-变换器类型DC-DC将直流电压转换成另一种直流电压•降压型•升压型•隔离型应用优势•计算机效率高，体积小，控制方便手机••电动汽车驱动电路设计驱动信号功率放大提供合适的驱动信号，例如开关放大驱动信号，使其具有足够的信号、电压信号或电流信号，以功率，驱动电力电子器件控制电力电子器件的导通和关断隔离保护过流保护隔离驱动电路与被驱动电路，防防止驱动电路过流损坏，通常使止高压或高电流损害驱动电路用保险丝或过流保护器反激式变换器工作原理优点12反激式变换器采用变压器进行能量传递，通过开关控制能量反激式变换器具有结构简单、成本低廉、效率高的优点，适存储在变压器磁芯中，然后在开关关闭后释放到负载用于低功率应用场景应用缺点34广泛应用于计算机电源、手机充电器、驱动等反激式变换器电流纹波较大，输出电压波动也较大，难以满LED足高精度要求前馈控制原理基本概念优势前馈控制是指根据扰动信号预测系统输出前馈控制可以有效地抑制扰动的影响，提的变化趋势，并提前采取措施来抑制扰动高系统的快速性和稳定性，并减少系统对对系统的影响负荷变化的敏感度例如，在电力电子转换器中，可以通过检此外，前馈控制可以减少控制环路的复杂测负载电流的变化来预测输出电压的变度，简化系统设计化，并提前调整控制信号来保持输出电压稳定控制技术PWM脉冲宽度调制数字信号处理12通过改变脉冲宽度来控制输出使用微处理器或专用芯片生成电压或电流信号PWM控制精度高应用广泛34可以实现精确的电压和电流控应用于电力电子变换器、电机制，提高系统效率控制和电源系统电压模式控制电压反馈控制环路快速响应电压模式控制通过反馈控制环路来稳定输出环路包括误差放大器、比较器、调制通过调节占空比，实现对输出电压的快速响PWM电压器和功率级应电流模式控制电流环路控制快速动态响应电流模式控制系统中，控制器通过反馈回路实时监测输出电流，然电流模式控制能够快速响应负载变化，使输出电流保持稳定，从而后根据误差调整开关器件的占空比，以实现对输出电流的精确控制提高系统的动态性能和稳定性抗干扰能力强过载保护电流模式控制对负载变化和外部干扰的敏感度较低，因此具有较强电流模式控制可以有效地防止过载，提高系统的可靠性和安全性的抗干扰能力电力电子系统建模数学模型建立描述电力电子系统动态特性的数学模型，包括电路方程、状态方程和传递函数仿真软件利用、等仿真软件构建系统模型，进行仿真分析，验证系统性能MATLAB Simulink参数辨识通过实验测量或数据分析，确定模型参数，提高模型精度模型验证将模型预测结果与实际测量结果进行比较，验证模型的准确性和有效性小信号分析方法电路分析数字信号处理频域分析小信号分析方法可以用于分析电力电子系统通过对输入信号进行数字信号处理，可以得小信号分析可以帮助理解系统的频率特性，的动态性能，例如电压和电流的响应时间到系统的小信号模型，方便分析系统的频率例如截止频率、带宽和相位裕度特性和稳定性电力电子系统稳定性反馈控制稳定性分析仿真与优化反馈控制系统在电力电子中至关重要，以确通过分析系统参数和动态特性，可以确定系利用仿真工具可以模拟电力电子系统的动态保系统稳定性和可靠性统是否稳定，并预测其行为特性，优化系统参数以提高稳定性电力电子滤波电路电容滤波器电感滤波器电容滤波器是一种常用的滤波器，它电感滤波器通过电感的特性来阻挡高可以平滑输出电压，降低电压纹波频信号，从而抑制噪声滤波器主动滤波器LC滤波器结合电感和电容的特性，可主动滤波器使用电子电路来实现滤LC以实现更高效的滤波效果，降低输出波，可以更灵活地控制滤波频率和带电压纹波宽电磁兼容性分析电磁干扰电磁抗扰度

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2.12电力电子设备工作时会产生电电力电子设备需要具备一定的磁干扰，可能影响其他设备的抗扰度，能够抵御来自其他设正常工作备的电磁干扰测试与评估抑制措施

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4.34通过测试和评估，确保电力电采用各种抑制措施，降低电力子设备符合电磁兼容性标准电子设备的电磁干扰电能质量问题电压波动谐波污染频率偏差暂态现象电压波动会影响电气设备的正谐波电流会导致电气设备发频率偏差会影响电机转速，造暂态现象是指电网电压或电流常运行，甚至导致设备损坏热、效率降低，甚至引发火成生产设备效率下降，甚至引在短时间内发生快速变化，会常见的电压波动类型包括电压灾谐波主要由非线性负载产发电力系统不稳定频率偏差导致电气设备误动作或损坏跌落、电压上升和电压暂降生，例如开关电源、变频器通常由发电厂或电力系统故障常见的暂态现象包括浪涌、短等引起路、接地故障等功率半导体开关的损耗功率半导体开关在工作过程中会产生各种损耗，降低系统效率，并影响器件的寿命这些损耗主要包括导通损耗、开关损耗、反向恢复损耗等10%50%导通损耗开关损耗器件导通时电流流过导通电阻产生的损耗器件开关过程中的能量损失20%20%反向恢复损耗其他损耗器件反向恢复过程中的能量损失如结电容充电损耗、漏电流损耗等热管理和散热设计散热需求散热方式电力电子器件在工作时会产生热常用的散热方式包括自然冷却、量为了保证器件的可靠性和寿风冷和液冷选择合适的散热方命，必须进行有效的散热设计式取决于器件的功率、工作环境等因素散热器设计热管理系统散热器的材料、形状和尺寸会影为了实现有效的热管理，需要设响散热效率合理的散热器设计计一个完整的热管理系统，包括可以有效降低器件的温度散热器、风扇、温度传感器等电力电子系统的可靠性可靠性定义故障分析电力电子系统必须在恶劣环境中了解常见故障模式，例如器件老可靠运行，持续提供高质量的电化、短路、过热，以便设计相应源的保护措施可靠性测试可靠性设计通过加速寿命测试、环境模拟测选择高品质器件，合理设计电试等手段，评估系统在实际应用路，并进行可靠性分析，以提高中的可靠性系统可靠性最新技术发展趋势宽禁带半导体人工智能技术

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2.12宽禁带半导体器件，如和人工智能技术，如机器学习和SiC，在电力电子领域具有更深度学习，可以优化电力电子GaN高的开关速度和效率，适用于系统的控制策略，提高效率和高频、高功率应用可靠性数字化和网络化电力电子系统应用扩

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4.34展电力电子系统正在与数字技术和网络技术融合，实现智能化电力电子技术在电动汽车、光管理和远程控制伏发电、新能源储能等领域得到广泛应用，推动了相关产业的发展典型应用案例分析电力电子技术在风力发电、光伏发电、电动汽车、智能电网等领域都有广泛应用例如，风力发电系统使用电力电子技术将风能转换为电能，光伏发电系统使用电力电子技术将太阳能转换为电能电动汽车的电机驱动系统、充电系统都依赖电力电子技术，智能电网的能量管理、电力传输都需要电力电子技术的支撑学习建议和总结积极参与课堂实践动手操作课外拓展学习课堂互动，及时提出问题，加深对知识的理通过实验验证理论知识，提升实际应用能阅读相关书籍和文献，拓宽知识面，提升专解力业素养。