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绪 论,1. 什么是电力电子技术 2. 电力电子技术的发展历史 3. 电力电子技术的应用 4. 本课程的主要内容,Power Electronics,1. 什么是电力电子技术,1.1 概念 1.2 两大分支 1.3 与其他学科的关系,Power Electronics,1.1 概念,数字电子 技术,模拟电子 技术,电力电子 技术,信息电子 技术,电子技术,信息电子技术：信息处理 电力电子技术：电力变换 电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件，应用电路理论、控制理论对电能进行变换、控制的技术。包括电压、电流、频率、波形等方面的变换、控制。,Power Electronics,直流,电力,交流,交流变交流,直流变直流（斩波）,直流变交流（逆变）,交流变直流（整流）,电力变换,Power Electronics,1.2 两大分支,变流 技术,电力电子器件构成各种电力变换电路,Power Electronics,对这些电路进行控制的技术,变流技术（电力电子器件应用技术）电力电子技术的核心,电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础,相互支持、相互促进,1.3 与其他学科的关系,电子学,电力学,控制理论,电力电子技术,电路、器件,静止器、旋转电机,连续、离散,图0-1描述电力电子学的倒三角形,Power Electronics,边缘学科,1.3.1 与电子学的关系,器件、电路,电力电 子器件制造技术,电子器件 制造技术,理论基础、材料、制造工艺,分析方法、分析软件,电子电路,电力电子电路,Power Electronics,电力电子电路电力变换 电子电路信息处理,Power Electronics,信息电子电路器件,开关状态,放大状态,电力电子电路器件,开关状态 功率损耗,电力电子技术广泛用于电力工程,1.3.2 与电力学的关系,电力电子技术,高 压 直 流 输 电,静 止 无 功 补 偿,交 直 流 电 力 传 动,电 解,电 镀,电 加 热,电 力 机 车 牵 引,Power Electronics,高性能交直流电源,1.3.3 与控制理论的关系,控制理论,电力电子技术,弱电和强电接口,弱电控制强电,实 现 纽 带,广泛用于,Power Electronics,2. 电力电子技术的发展历史,2.1 电力电子器件的发展 2.2 电力变换电路的发展 2.3 控制技术的发展,Power Electronics,20世纪70年代 低压小电流、高压大电流晶闸管系列化 派生型晶闸管：双向、逆倒、光控,半控型器件,1958 工业用晶闸管问世、电力电子技术诞生,80年代后期 以IGBT为代表的复合型器件异军突起 MOSFET与GTR复合 驱动功率小、开关速度快；通态压降小、载流能力大；主导器件,Power Electronics,2.1 电力电子器件的发展,20世纪70年代后期 全控型器件迅速发展 GTO、GTR、MOSFET 可通可断、开关速度高于晶闸管,全控型器件,全控复合型器件,功率集成模块,把若干个电力电子器件及必要的辅助元件、电路模块化，便于应用。结构紧凑、体积小巧。尽管功率较小，重要发展方向。,20世纪70年代以前，整流电路占有主导地位； 20世纪80年代以后，逆变电路的应用日益广泛，但整流电路仍然占有重要地位。原因？,整流电路、逆变电路应用最为广泛。,常用：晶闸管相控整流电路，消耗无功功率、产生谐波污染电网。治理：补偿无功功率、抑制谐波。有源电力滤波器,Power Electronics,2.2 电力变换电路的发展,高功率因数整流电路，采用自关断器件、PWM控制。功率因数可以达到1，基本不消耗无功功率、不产生谐波。,软开关电路。降低电力电子器件的开关损耗、抑制电磁干扰。利用谐振原理，使电力电子器件在零电压或零电流的条件下开通、关断，理论上可将开关损耗降至零并抑制电磁干扰。,Power Electronics,2.2 电力变换电路的发展,新型电力变换电路：谐振型逆变电路 性能更佳,晶闸管电路 相位控制方式；全控型器件 PWM控制方式；就异步电动机而言，矢量控制、直接转矩控制；就控制理论而言，自适应控制、模糊控制。,Power Electronics,2.3 控制技术的发展,20世纪80年代后期 高性能单片微机、数字信号处理器应用于电力电子电路控制。模拟、数字控制微机控制,3.电力电子技术的应用,（1）一般工业,冶金工业中高频感应加热电源设备,（2）交通运输,Power Electronics,DJ型交流电力传动机车,磁悬浮列车,国内外知名变频器,西门子（Siemens）公司,施奈德公司,富士公司,Power Electronics,安圣（华为电气）变频器系列,ABB公司,Power Electronics,（3）电力系统,Power Electronics,晶闸管变流装置,无功补偿装置,（4）电子装置用电源 开关、UPS电源,电子装置用电源,Power Electronics,（5）家用电器,交流变频控制器的原理框图,变频空调控制器,Power Electronics,直流变频空调的电路原理图,(6)其它,不间断电源,Power Electronics,YJ32双绕组双速异步风力发电机,水泵变频、风机变频节能,教材的内容可分为三大部分 第一部分：电力电子器件 （第1章-全书的基础) 第二部分：电力电子电路 （第24章-全书的主体) 第三部分：PWM控制技术 （第5章） 第四部分：电力电子应用（拓展） （第69两章）,Power Electronics,4.本课程的主要内容,Power Electronics,第1章 电力电子器件,1.1 电力电子器件概述 1.2 电力二极管 1.3 晶闸管及其派生器件 1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管 1.8 其他新型电力电子器件 本章小结,Power Electronics,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域,Power Electronics,1.1.1 电力电子器件的概念和特征,1.概念 主电路（Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。 电力电子器件（Power Electronic Device) 直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。,Power Electronics,电力电子器件是功率半导体器件。 1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。 2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关状态。 3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。 4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需 要设计安装散热器。,Power Electronics,1.1 电力电子器件概述,1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 电力电子器件的基本类型 1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化 1.1.4 电力电子器件的应用领域,Power Electronics,1.1.2 电力电子器件的基本类型,1.按照电力电子器件的可控程度,半控型器件,全控型器件,通过控制信号可控制 其导通而不能控制其关断,晶闸管 及其派生器件,关 断,主 电 路,电 流,电 压,通过控制信号即可控制 其导通又能控制其关断,绝缘栅双极晶体管 电力场效应晶体管 门极可关断晶闸管,自关断器件,门极可关断晶闸管,处理兆瓦级 大功率电能,Power Electronics,不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,主 电 路,通 断,电 流,电 压,只有两个端子,2. 按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,控 制 端,通 断,注 入 电 流,抽 出 电 流,电压信号,公 共 端,控 制 端,Power Electronics,3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况,单极型器件,由一种载流子参与导电的器件,双极型器件,由电子和空穴两种载流子参与导电的器件,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件,Power Electronics,1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化,电力电子器件 最初是单管结构、分立器件,电力电子设备 电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路,结构松散、体积大、可靠性差、成本高,电力电子器件的模块化与集成化 结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低,Power Electronics,功率模块,由若干功率开关器件与快速二极管组合而成,单片集成式模块,功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片,智能功率模块,将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片 再度与电力电子器件集成,Power Electronics,表1-1 电力电子器件,以上各种类型器件的特点为：,Power Electronics,1.1.4 电力电子器件的应用领域,电力电子器件 应用广泛,电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域,Power Electronics,1.2 电力二极管,结构和原理简单工作可靠,现在仍大量应用于许多电气设备,电力二极管 （半导体整流管）,20世纪50年代初获得应用,应用,快恢复二极管 肖特基二极管,斩波、逆变 高频低压仪表、 开关电源,Power Electronics,1.2.1 PN结的工作原理,电力二极管在本质上是一个PN节，只是加上电极引线、管壳封装。PN节的工作原理已经在模拟电子技术课程中涉及，不再展开讨论。,图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,Power Electronics,PN结的单向导电性：承受正向电压导通，承受反向电压截止,PN结的正向导通状态 PN结在正向电流很大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻状态。,PN结的反向截止状态 微弱的反向电流。,Power Electronics,PN结反向击穿,施加PN结反 向电压过大,反向电流 急剧增大,破坏PN结的反向截止状态,Power Electronics,1.2 电力二极管,1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,Power Electronics,Power Electronics,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.静态特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,电力二极管 静态特性,伏安特性,正向电压为零，电流为零。,正向电压较小，正向电流很小，几乎为零。,正向电压升高至UTO，正向电流明显增加。门槛、阈值电压,正向电压大于UTO，正向电流线性增长。,Power Electronics,1.2.2 电力二极管的结构与基本特性,1.静态特性,图1-4 电力二极管的伏安特性,电力二极管 静态特性,伏安特性,值定一到大压电向正,承受反向电压时,只有微小而数值恒定的反向漏电流。,正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。,Power Electronics,过渡过程中，其电压电流关系随时间而变化,2.动态特性,电力二极管的动态状态,反映通态和断态之间转换过程的开关特性,Power Electronics,电力二极管的关断 在tF时刻外加电压突然反向。经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。,td= t1-t0延迟时间 tf= t2-t1电流下降时间 trr=td+tf反向恢复时间 普通： 5几十微秒 快速： 几百纳秒 肖特基：几十纳秒,在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。,Power Electronics,注意：电流、电压反向问题 过冲 正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的开通时间很短； 但在关断时，它需要一个反向恢复时间（reverser-recovery time）。 影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。,Power Electronics,1.2 电力二极管,1.2.1 PN结的工作原理 1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型,Power Electronics,1.2.3 电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。,正向压降UF 电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。,Power Electronics,1.2.3 电力二极管的主要参数,浪涌电流,最高工作结温,反向恢复时间,反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。23倍裕量。,Power Electronics,1.2.4 电力二极管的主要类型,Power Electronics,快恢复二极管,恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5µs以下，数百ns）的二极管，简称快速二极管 。,Power Electronics,肖特基二极管,导通压降只有0.30.6V ，反向恢复时间短，1040ns。 缺点：漏电流很大、耐压低。,Power Electronics,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件,Power Electronics,1.3.1晶闸管的结构与工作原理,图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号,a),c),b),Power Electronics,晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的单向导电开关。,反向承受一定电压，处于阻断（截止）状态。,正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。,Power Electronics,图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b工作原理),产生注入门极的触发电流IG的电路,触发,门极触发电路,对晶闸管的驱动,反向截止,正向阻断,Power Electronics,晶闸管工作原理如以下方程所示,Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1),Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2),IK = IA + IG (1-3),IA = IC1 + IC2 (1-4),a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）式（1-4）得：,(1-5),Power Electronics,晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,Power Electronics,晶闸管的开通、关断规律：,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均不导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。即使去除门极触发信号，仍然维持导通。自锁、掣住 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。维持电流,Power Electronics,1.3 晶闸管及其派生器件,1.3.1 晶闸管的结构及工作原理 1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件,Power Electronics,1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数,1.阳极伏安特性及静态参数,IG2IG1 IG,第象限是正向特性 第象限是反向特性,Power Electronics,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,Power Electronics,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管反向击穿、损坏。,Power Electronics,Power Electronics,晶闸管的静态参数,UDB、URB 正向转折电压和反向击穿电压； UDSM、 UDRM 正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压； URSM、 URRM 反向不重复峰值电压和重复峰值电压； 不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一 般不允许多次施加。 重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的 最大瞬时电压。 取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。 取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。,Power Electronics,晶闸管的静态参数,取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作为额定电压。额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,正向通态电压 指晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的 电压降，也称管压降，该参数直接反映了器件的通态损 耗特性。若通过晶闸管的电流为通态平均电流，则电压 降为通态平均管压降。,Power Electronics,额定电流、通态平均电流IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却条件下，稳定结温不超 过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,晶闸管的额定电流以工作波形的平均值定义。选择晶闸管时根 据有效值相等的原则，在选择晶闸管定额电流时，通常需要根 据电流波形，做平均值与有效值的换算。以正弦半波为例。,考虑到实际散热条件、过载现象，留有1.52倍的裕度。,Power Electronics,维持电流 IH 晶闸管维持导通所必需的最小电流。 若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。 掣住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持其导通所 必需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常 IL 约为 IH 的 24倍。 IL是晶闸管的临界开通电流，若阳极电流IA未达到IL时就去掉门 极信号，晶闸管将自动返回阻断状态。在感性负载电路中，由 于阳极电流上升到IL需要一定的时间，若门极信号持续时间低 于此值，晶闸管则不能维持住导通状态。,Power Electronics,2.动态特性及其参数,动态特性：晶闸管在阻断、导通这两种状态变换过程中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。 开通特性：晶闸管在正向偏置并受到理想电流触发时的导通情况。 关断特性：已导通的晶闸管在施加反向电压时的关断情况。,Power Electronics,Power Electronics,开通过程,延迟时间td 从门极电流阶跃时刻开始，阳极电流上升到额定值的10%所需时间 上升时间tr 阳极电流从额定值10%上到90%所需时间 开通时间tgt tgt=td+tr 普通晶闸管的延迟时间为0.5us，上升时间为0.53us。其延迟时间随门极电流的增大而减小。强触发,Power Electronics,Power Electronics,关断过程,反向恢复时间trr 正向电流降为零到反向恢复电流衰减至近于零的时间。恢复对反向电压的阻断能力。 门极恢复时间tgr 晶闸管完全关断至恢复阻断能力所需时间。恢复对正向电压的阻断能力。 关断时间tq tq=trr+tgr 普通晶闸管的时间约为几百微秒,Power Electronics,Power Electronics,断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。过大，误导通 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。过大，门极局部过热,Power Electronics,1.3.3 晶闸管的派生器件,快速、逆倒、双向、光控晶闸管,Power Electronics,1.4 门极可关断晶闸管,1.4.1 结构与工作原理 1.4.2 动态特性 1.4.3 主要参数,Power Electronics,1.4 门极可关断晶闸管,晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。,半控型器件，如何关断即换流？ 必须借助外部手段使其电流小于维持电流。为此必须附加强迫换流电路，使电力电子装置复杂化。,为满足现场实际的需要，在晶闸管基础之上研制成功门极可关断晶闸管，GTO。 全控型器件,电压、电流容量高于其它全控型器件，但驱动技术复杂、价位高，使其推广受到限制。,Power Electronics,1.4 门极可关断晶闸管,1.4.1 GTO的结构和工作原理,结构,Power Electronics,Power Electronics,与晶闸管的相同点,PNPN四层半导体结构 阳极A、阴极K、门极G,不同点,多元功率集成器件 内部包含数百个小GTO元 GTO元阳极共有 GTO元阴极、门极在器件内部并联 阴极呈岛状结构，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间的距离。阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短（横向电阻小），越利于关断。,Power Electronics,Power Electronics,Power Electronics,GTO导通过程与普通晶 闸管相同，如何？只是 导通时饱和程度较浅、 临界饱和状态。,工作原理,导通： V1、V2饱和 1+21，1+21； 关断： V1、V2是不饱和 的，1+21 临界饱和： 1+21,晶闸管导通时 1+21.15 GTO 导通时 1+21.05,Power Electronics,Power Electronics,GTO关断过程：强烈正 反馈门极加负脉冲 即从门极抽出电流，则 IB2减小，使IK和IC2减小， IC2的减小又使 IA和IC1减 小，又进一步减小V2的 基极电流。当IA和IK的减 小使1+21时，退出饱 和而关断。,工作原理,Power Electronics,1.4.2. GTO的动态特性,开通特性与普通晶闸管类似，开通时间ton由延迟时间td和上升时间tr组成 。 关断过程则与晶闸管有所不同，可用3个不同的时间来表示，即存储时间ts、下降时间tf及尾部时间tt,Power Electronics,1.4.2. GTO的动态特性,存储时间ts 从关断过程开始到阳极电流下降到90%IA为止的时间间隔。在这段时间内，依靠门极负脉冲电压从门极抽出电流，晶体管饱和深度变浅，由于PN结还处于正向偏置，阳极电流iA变化很小，门极电流iG达负的最大值。,Power Electronics,1.4.2. GTO的动态特性,下降时间tf 阳极电流从90%IA起到下降到10%IA为止的时间间隔。在这段时间里，继续从门极抽出电流，阳极电流逐渐减小，当1+21后，内部正反馈停止而使GTO退出饱和。,Power Electronics,1.4.2. GTO的动态特性,尾部时间tt 阳极电流从10%IA起减小到维持电流为止的时间间隔。在这段时间里，继续从门极抽出电流，阳极电流继续减小，直至小于维持电流GTO关断。,关断时间 toff=ts+tf 数个微秒,Power Electronics,1.4.3. GTO的主要参数,最大可关断阳极电流IATO GTO额定电流。若阳极电流过大，GTO处于深度饱和状态，导致门极关断失败。由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电流称为最大可关断阳极电流,电流关断增益off 最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。数值低、45，主要缺点。举例,Power Electronics,1.5 电力晶体管,电力晶体管,耐高电压、大电流的双结晶体管,其基本原理是通过控制基极电流来控制集电极电流的通断。相对于GTO，GTR具有控制方便、开关时间短等优点，主要应用于交流电机调速、不间断电源（UPS）以及家用电器等中小容量的变流装置中。,Power Electronics,1.5 电力晶体管,与普通的晶体管基本原理相同。 主要区别：容量足够（耐压高、电流大）、开关速度高。 单管、达林顿管、模块。 达林顿管 电流增益提高、但饱和压降增加、开关速度降低 采用集成电路工艺将许多达林顿单元并联而成 模块 可靠性、性价比,Power Electronics,GTR的静态特性、动态特性以及极限参数与普通晶体管类似，不予详述。,功率场效应晶体管，是一种单极型电压控制器件，通过栅极电压来控制漏极电流。,1.6 功率场效应晶体管,电力场效应晶体管Power MOSFET,显著优点：驱动电路简单，驱动功率小，同时开关速度快（开关时间10100ns），工作频率可达MHz，不存在二次击穿问题；其缺点是电流容量小，耐压低，通态压降大。,功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等高频场合，但不适用于大功率装置。,Power Electronics,1.6.1 结构和工作原理,增强型 UGS=0时，无导电沟道， ID=0 耗尽型 UGS=0时，存在导电沟道,结型静电感应晶体管,种类,1.6 功率场效应晶体管,P沟道 空穴 N沟道 电子,绝缘栅型,功率MOSFET垂直导电,利用V型槽实现垂直导电 VVMOSFET 具有垂直导电双扩散MOS结构 VDMOSFET,小功率MOS横向导电,电压电流能力,Power Electronics,无反向阻断能力 无二次击穿，宽安全工作区 多元功率集成器件,当漏、源极间加正向电压，栅、源极间UGS=0时，漏源极之间无电流流过。如在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但当UGSUT（UT为开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电，流过漏极电流。,Power Electronics,1.6.2 特性、 1.6.3 参数与MOSFET类似，不再展开讨论。,Power Electronics,1.7 绝缘栅双极晶体管,1.7.1 结构与工作原理 1.7.2 特性 1.7.3 参数 1.7.4 掣住效应与安全工作区,Power Electronics,绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。,1.7 绝缘栅双极晶体管,IGBT,显著优点：它将MOSFET 和GTR的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好 。,中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电流容量的不断升高，有进一步取代GTO的趋势 。,Power Electronics,1.7.1 结构和工作原理,N沟道MOSFET与双极型晶体管复合而成 ；以GTR为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构。等效电路中Rdr是GTR基区内的扩展电阻。,IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道IGBT为例，栅极施以正电压时，MOSFET内形成导电沟道，为PNP晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极施以负压时，MOSFET内导电沟道消失，PNP晶体管无基极电流，IGBT关断。,Power Electronics,1.7.2 特性,静态特性输出特性 以栅射电压UGE为参变量，反映集电极电流IC与集电极、发射极电压UCE间关系的曲线族,Power Electronics,当UGEUT时，IGBT处于截止状态，微弱漏电流。,Power Electronics,当UGEUT时，IGBT处于放大区。集电极电流IC大小几乎不随uCE而变化，其大小取决于uGE，正常情况下不会进入击穿区。,Power Electronics,当UGEUT，集电极电流IC与uCE成线性关系，不随uGE而变化， IGBT处于饱和区，导通压降较小。 UT=26V，UGE=15V,Power Electronics,1.7.2 特性,静态特性转移特性 集电极电流IC和栅射电压UGE的关系，它表征UGE对IC的控制能力。,当UGE小于开启电压时，IGBT处于关断状态；当UGE大于开启电压时，IGBT 开通，导通后，IC 与UGE 基本呈线性关系。,Power Electronics,1.7.2 特性,动态特性 输入电压（uGE）和集电极电流（IC）、输出电压（uCE）的关系,延迟时间td 从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值10%时刻开始，到集电极电流iC上升至其幅值的10%所需时间 上升时间tr 集电极电流iC从其幅值10%上升至90%所需时间 开通时间ton ton=td+tr,集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。 tfv1 MOSFET单独工作时的电压下降时间 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降时间 只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态,关断延迟时间ts 从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流iC下降至其幅值的90%所需时间 电流下降时间tf 集电极电流iC从其幅值90%下降至10%所需时间 关断时间toff toff=ts+tf,集电极电流iC的下降过程分为tfi1和tfi2两段。 tfi1 对应MOSFET的关断过程 tfi2 对应PNP晶体管的关断过程，集电极电流iC下降较慢。集射电压uCE建立，功耗较大 开通 tfv2,Power Electronics,1.7.3 主要参数,集射极击穿电压UCES 决定器件的最高工作电压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。随温度的升高而增大。,最大栅射极电压 栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V之内，其最佳值一般取15V左右 。,Power Electronics,集电极连续电流IC 、集电极峰值电流ICM 表征电流容量，额定电流。集电极连续电流IC主要受结温限制。集电极峰值电流ICM为避免掣住效应而定义。只要不超过额定结温，IGBT可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定值的2倍。,最大集电极功率PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率 。,Power Electronics,掣住效应（自锁效应） IGBT内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大 或duCE/dt过大 ，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。这种电流失控现象被称为掣住效应或自锁效应。静态、动态。温度升高 动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因此IGBT所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效应确定。限制电流容量原因之一,1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区,Power Electronics,1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区,正向偏置安全工作区 规范开通过程、通态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限 范围。 反向偏置安全工作区 规范关断过程、断态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限 范围。,Power Electronics,器件理想化,进行电路原理分析时，出于简便目的： 关断时，电阻无穷大； 导通时，电阻为零； 忽略开通、关断时间。,第2章 相控整流电路,Power Electronics,第2章 相控整流电路,整流电路：出现最早、应用最广的电力电子电路。,功率从电网流向负载、将交流电变换为固定或可调的直流电称为“整流”，即AC/DC变换器；反之，功率从负载流向电网、将直流电变换为交流电称为“有源逆变”，即DC/AC变换器。,有源逆变电路可以看成是整流电路的另外一种工作方式，同一装置既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态。,控制方式：相位控制 触发角 输出直流电压平均值,Power Electronics,第2章 相控整流电路,整流电路的分类： 按器件组成：不可控、半控、全控 按电网、交流电相数：单相、三相、多相 按接线方式：半波、全波,Power Electronics,第2章 相控整流电路,整流电路形式繁杂，重点掌握： 电路拓扑 控制策略 工作原理、波形分析 数量关系,Power Electronics,第2章 相控整流电路,2.1 单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路 2.3 变压器漏感对整流电路的影响 2.4 有源逆变电路 2.5 电容滤波的不可控整流电路 2.6 整流电路的谐波和功率因数 2.6 其他可控整流电路 本章小结,重点,重点,重点,Power Electronics,2.1 单相可控整流电路,2.1.1 单相半波可控整流电路 2.1.2 单相桥式可控整流电路 单相桥式全控整流电路 单相桥式半控整流电路 2.1.3 单相全波可控整流电路,Power Electronics,2.1.1 单相半波可控整流电路,Power Electronics,2.1.1 单相半波可控整流电路,1. 电阻负载,变压器T,变换电压,隔离,交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现，故称为单相半波可控整流电路。,特点： 电压与电流波形相同,Power Electronics,2.1.1 单相半波可控整流电路,工作过程,0t区域,t=时刻,t=时刻,Power Electronics,重要概念 触发延迟角 从晶闸管开始承受正向阳极电 压起到施加触发脉冲止的电角度,用a 表示,也称触 发角或控制角。 移相范围 使输出电压从最大值到最小值 变化的触发延迟角的变化范围 导通角 晶闸管在一个电源周期中处于通 态的电角度，用表示 。,Power Electronics,数量关系,这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为 相位控制方