現代電力電子及變流技術第二章電力電子器件和電力變換基本電路結構第二章電力電子器件和電力變換基本電路結構2.1電力電子器件2.1.1概述2.1.2不可控器件——二極管2.1.3半控型器件——晶閘管2.1.4典型全控型器件2.1.5其他新型電力電子器件2.1.6電力電子器件的驅動和保護2.2基本電路結構——直流斬波電路2.2.1降壓斬波電路—Buck電路2.2.2升壓斬波電路—Boost電路2.2.3DC-DC變換設計實例2.1電力電子器件

電力變換器：由控制電路、驅動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成?？刂齐娐窓z測電路驅動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行電氣隔離控制電路主電路（MainPowerCircuit）

——電力變換器中直接承擔電能的變換或控制電力電子器件（PowerElectronicDevice）——電力變換器的基礎，在主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件概述2.1.1電力電子器件概述電力電子器件一般特征具有處理電功率的能力。一般都工作在開關狀態(tài)。需要由控制電路來控制開通和關斷。自身的功率損耗較大，一般都要安裝散熱器。電力電子器件的損耗主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關損耗關斷損耗開通損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關頻率較高時，開關損耗成為器件功率損耗的主要因素。2.1.1電力電子器件概述電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷(自關斷器件)

不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅動電路。按照驅動信號的性質，分為兩類：電流驅動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現導通或者關斷。電壓驅動型

——通過在控制端和公共端之間施加電壓信號可實現導通或者關斷。電力二極管(PowerDiode)PN結的狀態(tài)

狀態(tài)參數正向導通反向截止反向擊穿電流正向大幾乎為零反向大電壓維持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——

二極管的基本原理就在于PN結的單向導電性2.1.2不可控器件—電力二極管晶閘管

(Thyristor)，以前稱為可控硅。2.1.3半控型器件—晶閘管晶閘管正常工作時的特性總結2.1.3半控型器件—晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數值以下。2.1.4典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊

門極可關斷晶閘管——GTO

電力晶體管——GTR

電力場效應晶體管——電力MOSFET

絕緣柵雙極晶體管——IGBT2.1.4典型全控型器件—GTO，GTR門極可關斷晶閘管——GTO晶閘管的一種派生器件；可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷；GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。由于是電流驅動，開關頻率不高。電力晶體管——GTR耐高電壓、大電流的雙極結型晶體管；20世紀80年代以來，在中、小功率范圍內取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。2.1.4典型全控型器件—MOSFETGSDP溝道GSDN溝道電力場效應晶體管

特點—電壓驅動型

驅動電路簡單，需要的驅動功率??；開關速度快，工作頻率高；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置開關速度和Cin充放電有很大關系；可降低驅動電路內阻Rs減小時間常數，加快開關速度；關斷過程非常迅速，開關時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的；2.1.4典型全控型器件—IGBT絕緣柵雙極晶體管—IGBTGCEGTR和GTO的優(yōu)點——雙極型，電流驅動，通流能力很強。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，驅動電路簡單。特點：

GTR和MOSFET復合，取GTR和GTO通流能力強的優(yōu)點，取MOSFET電壓驅動(開關速度快)優(yōu)點；是中小功率電力電子設備的主導器件；繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期在大功率應用中取代GTO。2.1.4典型全控型器件—IGBT絕緣柵雙極晶體管工作原理導通

—uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導通；關斷

—柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關斷。2.1.5其他新型電力電子器件集成門極換流晶閘管IGCT

——20世紀90年代后期出現，結合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當，開關速度快10倍，省去GTO復雜的緩沖電路，但驅動功率仍很大。功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）：20世紀80年代中后期開始，模塊化趨勢，將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上。

——高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）：一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成；

——智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）：一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成；

——智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）：專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）2.1.6電力電子器件的驅動電力電子器件驅動的一般知識驅動電路——主電路與控制電路之間的接口，提供控制電路與主電路之間的電氣隔離，一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器；

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。a)普通型b)高速型c)高傳輸比型注：目前的趨勢是采用專用集成驅動電路。2.1.6電力電子器件的保護過電壓保護過電壓主要來自器件的開關過程換相過電壓：

——晶閘管或與全控型器件反并聯的二極管在換相結束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應出過電壓。關斷過電壓：

——全控型器件關斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應出的過電壓。(對于高頻工作的器件，關斷過電壓沒有很好的解決方案)注：過電壓保護主要采用緩沖電路。但對于高頻大功率器件，采用緩沖電路的方案解決關斷過電壓也存在一定的問題，因此目前并沒有很好的解決方案。2.1.6電力電子器件的保護緩沖電路緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路?！种破骷倪^電壓、du/dt、di/dt，減小器件的開關損耗。關斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關斷損耗；開通緩沖電路（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗；按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）2.1.6電力電子器件的保護過流保護快速熔斷器：主要用于過載保護；檢測過電流：主要用于過電流保護；驅動電路中設置過電流保護環(huán)節(jié)：主要用于短路保護。(例如：對于10kHz工作的IGBT，容許短路時間小于10us)2.2電力變換基本電路結構電力變換（變流）電路的分類：DC—DC變換，稱為直流斬波；AC—DC變換，稱為整流；DC—AC變換，稱為逆變；AC—AC變換，稱為交-交變頻。注：電力變換電路是由最基本的直流斬波電路—Buck和Boost電路組合派生、演變所形成的。直流斬波電路（DCChopper）即DC—DC變換電路；一般指直接將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{電壓的直流電，不包括直流—交流—直流變換。2.2.1降壓斬波電路—Buck電路一、電路結構

全控型器件若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續(xù)流二極管負載出現的反電動勢注：傳統(tǒng)的用途之一是拖動直流電動機。2.2.1降壓斬波電路—Buck電路二、工作原理t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，電壓uo=E，負載電流io按指數曲線上升。t=t1時控制V關斷，二極管VD續(xù)流，電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。c)

電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

電路圖動畫演示■注：下面只分析電流連續(xù)工作模式；電流斷續(xù)的情況參照教科書，不作要求2.2.1降壓斬波電路—Buck電路三、電流連續(xù)工作模式下輸入輸出關系

負載電壓平均值：ton——V導通的時間

toff——V關斷的時間

D--導通占空比

負載電流平均值：斬波電路三種調制方式T不變，變ton—脈沖寬度調制（PWM）；ton不變，變T—頻率調制(PFM)；ton和T都可調，改變占空比—混合型。此種方式應用最多2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)目標：PWM2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)1、建模兩種工作模式IGBT導通時等效電路IGBT斷開時等效電路定義開關函數2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)應用開關周期算子一半周期導通，一半周期斷開開關函數的擴展開關周期平均運算，保留原信號的低頻部分，消除開關頻率分量一半周期導通，一半周期斷開時開關函數擴展后2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)電路的數學模型等效電路令求解控制2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)2、控制求解取李雅譜諾夫函數2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)2、控制求解2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)3、控制器一、電路結構2.2.2升壓斬波電路—Boost電路保持輸出電壓儲存電能注：典型應用是單相串聯型功率因數效正器（PFC）

。2.2.2升壓斬波電路—Boost電路二、工作原理V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電容C向負載R供電，輸出電壓U0恒定；V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負載提供能量。動態(tài)演示■0iGE0ioI1a)

電路圖b)

波形假設L和C值很大——電感電流連續(xù)和負載電流平滑三、輸入輸出關系結論：輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。其中：0<D<1。2.2.2升壓斬波電路—Boost電路四、建模和控制1、電路分析u1電壓分析:IGBT導通，工作時間Ton，電壓等于0。IGBT斷開，工作時間TS-Ton，電壓等于u2。等效電壓：開關函數:等效電流：I2電流分析:IGBT導通，工作時間Ton，電流等于0。IGBT斷開，工作時間TS-Ton，電流等于i1。2.2.2升壓斬波電路—Boost電路四、建模和控制2、等效電路2.2.2升壓斬波電路—Boost電路四、建模和控制3、數學模型2.2.2升