《电力电子技术》西安交通大学-王兆安-第五版.ppt

(第5版)第1章绪论（第4版为“概述”，无章序号）,西安交通大学电气工程学院王兆安2009.11.28,第1章绪论,1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用1.4本教材的内容简介,3,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术的概念可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”，前者则更一般些。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。,4,1.1什么是电力电子技术,具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。变流技术则是电力电子技术的核心。,表1-1电力变换的种类,5,1.1什么是电力电子技术,电力电子学美国学者W.Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。,图1-1描述电力电子学的倒三角形,6,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。电力电子技术和电力学电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。,7,1.1什么是电力电子技术,各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电图1-2电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。,8,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术和控制理论控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。,9,1.2电力电子技术的发展史,电力电子技术的发展史,图1-3电力电子技术的发展史,一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。,10,1.2电力电子技术的发展史,晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。1904年出现了电子管，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。20世纪30年代到50年代，水银整流器广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用直流发电机组来变流。1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。,11,1.2电力电子技术的发展史,晶闸管时代晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。,12,1.2电力电子技术的发展史,全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。,13,1.2电力电子技术的发展史,把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。,14,1.3电力电子技术的应用,电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。一般工业工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。,15,1.3电力电子技术的应用,图1-4AB变频器,有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。,16,1.3电力电子技术的应用,交通运输电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。直流斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。,17,1.3电力电子技术的应用,电力系统据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质量控制，改善供电质量。在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。,18,1.3电力电子技术的应用,图1-5中国南方电网公司安顺换流站,图1-6静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）,19,1.3电力电子技术的应用,电子装置用电源各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（UninterruptiblePowerSupply_UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。,20,1.3电力电子技术的应用,家用电器电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。,21,1.3电力电子技术的应用,新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。,图1-7风场,22,1.4本教材的内容简介,本教材的内容,第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件电力二极管2.3半控型器件晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结,24,引言,模拟和数字电子电路的基础晶体管和集成电路等电子器件电力电子电路的基础电力电子器件本章主要内容：对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作了简要概述。分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。,25,2.1电力电子器件概述,2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点,26,2.1.1电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。,27,2.1.1电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的特征所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。,28,2.1.1电力电子器件的概念和特征,通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。,通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,29,2.1.2应用电力电子器件的系统组成,电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。,电气隔离,图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成,30,2.1.3电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。全控型器件目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。不可控器件电力二极管（PowerDiode）不能用控制信号来控制其通断。,31,2.1.3电力电子器件的分类,按照驱动信号的性质电流驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。电平控制型必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。,32,2.1.3电力电子器件的分类,按照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。双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电。复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。,33,2.1.4本章内容和学习要点,本章内容按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。学习要点最重要的是掌握其基本特性。掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。,34,2.2不可控器件电力二极管,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型,35,2.2不可控器件电力二极管引言,电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。,整流二极管及模块,36,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。,图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号,37,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。,38,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理,PN结的电容效应称为结电容CJ，又称为微分电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。,39,2.2.2电力二极管的基本特性,静态特性主要是指其伏安特性正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。,图2-5电力二极管的伏安特性,40,2.2.2电力二极管的基本特性,u,图2-6电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置零偏置转换为正向偏置,动态特性因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。由正向偏置转换为反向偏置电力二极管并不能立即关断，而是须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。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。,t0:正向电流降为零的时刻,t1:反向电流达最大值的时刻,t2:电流变化率接近于零的时刻,41,2.2.2电力二极管的基本特性,由零偏置转换为正向偏置先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。,图2-6电力二极管的动态过程波形b)零偏置转换为正向偏置,42,2.2.3电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV)指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。,43,2.2.3电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。反向恢复时间trr浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。,44,2.2.4电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在5s以上。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。,45,2.2.4电力二极管的主要类型,快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。,46,2.2.4电力二极管的主要类型,肖特基二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）属于多子器件优点在于：反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。,47,2.3半控型器件晶闸管,2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件,48,2.3半控器件晶闸管引言,晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR），以前被简称为可控硅。1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。,晶闸管及模块,49,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。内部是PNPN四层半导体结构。,图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号,50,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,图2-8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,晶闸管的工作原理按照晶体管工作原理，可列出如下方程：,式中1和2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。,51,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,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。在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。如果注入触发电流使各个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，从而实现器件饱和导通。由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。,由以上式（2-1）（2-4）可得,(2-5),52,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外其他几种可能导通的情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,53,2.3.2晶闸管的基本特性,静态特性正常工作时的特性当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,54,2.3.2晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性正向特性当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，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，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。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。,图2-9晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,55,2.3.2晶闸管的基本特性,反向特性其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通过。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大，导致晶闸管发热损坏。,图2-9晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,56,2.3.2晶闸管的基本特性,动态特性开通过程由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。延迟时间td(0.51.5s)上升时间tr(0.53s)开通时间tgt=td+tr延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。,图2-10晶闸管的开通和关断过程波形,57,2.3.2晶闸管的基本特性,关断过程由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq=trr+tgr关断时间约几百微秒。在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。,图2-10晶闸管的开通和关断过程波形,100%,58,2.3.3晶闸管的主要参数,电压定额断态重复峰值电压UDRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压（见图2-9）。国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。反向重复峰值电压URRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压（见图2-8）。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。,59,2.3.3晶闸管的主要参数,通态（峰值）电压UT晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。电流定额通态平均电流IT(AV）国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，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。按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.52倍。,60,2.3.3晶闸管的主要参数,维持电流IH维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。结温越高，则IH越小。擎住电流IL擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。约为IH的24倍浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。,61,2.3.3晶闸管的主要参数,动态参数开通时间tgt和关断时间tq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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。,62,2.3.4晶闸管的派生器件,快速晶闸管（FastSwitchingThyristorFST）有快速晶闸管和高频晶闸管。快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒，而高频晶闸管则为10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。,63,2.3.4晶闸管的派生器件,双向晶闸管（TriodeACSwitchTRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第和第III象限有对称的伏安特性。双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,图2-11双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性,64,2.3.4晶闸管的派生器件,a),K,G,A,逆导晶闸管（ReverseConductingThyristorRCT）是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。,图2-12逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性,65,2.3.4晶闸管的派生器件,A,G,K,a),AK,光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在高压大功率的场合。,图2-13光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性,66,2.4典型全控型器件,2.4.1门极可关断晶闸管2.4.2电力晶体管2.4.3电力场效应晶体管2.4.4绝缘栅双极晶体管,67,2.4典型全控型器件引言,门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。,电力MOSFET,IGBT单管及模块,68,2.4.1门极可关断晶闸管,晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。GTO的结构和工作原理GTO的结构是PNPN四层半导体结构。是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。,图2-14GTO的内部结构和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形并联单元结构断面示意图电气图形符号,69,2.4.1门极可关断晶闸管,图2-8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,GTO的工作原理仍然可以用如图2-8所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。GTO与普通晶闸管的不同设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。,70,2.4.1门极可关断晶闸管,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+220V将导致绝缘层击穿。极间电容CGS、CGD和CDS。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。,90,2.4.4绝缘栅双极晶体管,GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistorIGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。,91,2.4.4绝缘栅双极晶体管,IGBT的结构和工作原理IGBT的结构是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。,图2-23IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号,RN为晶体管基区内的调制电阻。,92,2.4.4绝缘栅双极晶体管,IGBT的工作原理IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。,93,2.4.4绝缘栅双极晶体管,IGBT的基本特性静态特性转移特性描述的是集电极电流IC与栅射电压UGE之间的关系。开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。,（a）,图2-24IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性,94,2.4.4绝缘栅双极晶体管,输出特性（伏安特性）描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。当UCE1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,124,3.1.2升压斩波电路,电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。（3-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。,输出电流的平均值Io为：,(3-25),电源电流的平均值Io为：,(3-26),125,3.1.2升压斩波电路,2)升压斩波电路典型应用,一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图b）电流连续时c）电流断续时,用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。,126,3.1.2升压斩波电路,数量关系,该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。,127,3.1.2升压斩波电路,如图3-3c，当电枢电流断续时：,当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即,图3-3用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形,-电流断续的条件,128,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路(buck-boostChopper),电路结构,129,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,基本工作原理,a),图3-4升降压斩波电路及其波形a）电路图b）波形,V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。动态演示。,130,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,数量关系,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即,（3-39）,V处于通态uL=E,V处于断态uL=-uo,131,3.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路,图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：,（3-42）,由上式得：,（3-43）,结论,当0a1/2时为降压，当1/20时，V12和VD1导通，iU0时，V41和VD4导通。,188,4.4.2多电平逆变电路,线电压的电平相电压相减得到线电压。两电平逆变电路的输出线电压有Ud和0三种电平，三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和0五种电平。三电平逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路。三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为多电平逆变电路。,189,本章小结,讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理四大类基本变流电路中，AC/DC和DC/AC两类电路更为基本、更为重要。换流方式分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。,190,本章小结,逆变电路分类方法可按换流方式、输出相数、直流电源的性质或用途等分类。本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型和电流型两类。电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。与其它章的关系本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整，第7章的PWM控制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流变流电路。此外，间接直流变流电路大量用于开关电源，其中的核心电路仍是逆变电路，这些将在第10章介绍，学完第10章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。,第5章直流直流变流电路5.1基本斩波电路5.2复合斩波电路和多相多重斩波电路5.3带隔离的直流直流变流电路本章小结,192,引言,直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。直接直流变流电路也称斩波电路（DCChopper）。功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。间接直流变流电路在直流变流电路中增加了交流环节。在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路。,193,5.1基本斩波电路,5.1.1降压斩波电路5.1.2升压斩波电路5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,194,5.1.1降压斩波电路,图5-1降压斩波电路的原理图及波形a）电路图b）电流连续时的波形c）电流断续时的波形,降压斩波电路（BuckChopper）电路分析使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。,195,5.1.1降压斩波电路,基本的数量关系电流连续时负载电压的平均值为,负载电流平均值为,式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。,电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。,斩波电路有三种控制方式脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。频率调制：ton不变，改变T。混合型：ton和T都可调，改变占空比,(5-1),(5-2),196,5.1.1降压斩波电路,对降压斩波电路进行解析基于分时段线性电路这一思想，按V处于通态和处于断态两个过程来分析，初始条件分电流连续和断续。电流连续时得出,式中，I10和I20分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。,把式（5-9）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得,平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。,(5-9),(5-10),(5-11),197,5.1.1降压斩波电路,(3-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即,则,假设电源电流平均值为I1，则有,其值小于等于负载电流Io，由上式得,即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,(5-12),(5-13),(5-14),(5-15),198,5.1.1降压斩波电路,电流断续时有I10=0，且t=ton+tx时，i2=0，可以得出,电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为,输出电压平均值为,负载电流平均值为,(5-16),(5-17),(5-18),(5-19),199,5.1.1降压斩波电路,例5-1在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值极大，Em=30V，T=50s，ton=20s,计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为输出电流平均值为,200,5.1.1降压斩波电路,例5-2在图5-1a所示的降压斩波电路中，E=100V，L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，T=20s，当ton=5s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。解：由题目已知条件可得：,当ton=5s时，有,由于,所以输出电流连续。,201,5.1.1降压斩波电路,此时输出平均电压为,输出平均电流为,输出电流的最大和最小值瞬时值分别为,202,5.1.2升压斩波电路,a),b),图5-2升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形,升压斩波电路工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。基本的数量关系当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即,化简得,上式中的,(5-20),(5-21),203,5.1.2升压斩波电路,将升压比的倒数记作，即，则和导通占空比有如下关系,式（5-21）可表示为,输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即,输出电流的平均值Io为,电源电流I1为,(5-22),(5-23),(5-24),(5-25),(5-26),204,5.1.2升压斩波电路,例5-3在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和C值极大，R=20，采用脉宽调制控制方式，当T=40s，ton=25s时，计算输出电压平均值Uo，输出电流平均值Io。解：输出电压平均值为：,输出电流平均值为：,205,5.1.2升压斩波电路,a),b),图5-3用于直流电动机回馈能