電力電子技術(shù)----緒論

Power

Electronics

一、什么是電子技術(shù)？電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)二、什么是電力電子技術(shù)？使用電力電子器件對交直流電能進行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。輸出輸入三、電力電子技術(shù)與各學科的關(guān)系四、電力電子技術(shù)的發(fā)展史五、電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子技術(shù)的應(yīng)用一、在一般工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用二、在交通運輸行業(yè)的應(yīng)用三、在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用四、電子裝置用電源五、家用電器六、其他領(lǐng)域的應(yīng)用四、電力電子技術(shù)的發(fā)展

電力電子器件的特征

一、電力電子器件的概念可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件，稱為電力電子器件。

主電路——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件的一般特征

1、能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件；2、電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)；

3、電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制；

4、不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計，在其工作時一般都要安裝散熱器。（功率損耗）。

電力電子器件的分類

按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，電力電子器件分為以下三類：1.不可控器件：不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。電力二極管2.半控型器件：通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。晶閘管及其大部分派生器件3.全控型器件：通過控制信號，既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷的器件。（1）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（2）電力場效應(yīng)晶體管（電力MOSFET）（3）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）（4）電力晶體管（GTR）按控制信號的性質(zhì)不同又可分為兩類1.電流控制型器件通過從驅(qū)動端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制的電力電子器件稱為電流控制型電力電子器件。晶閘管SCR、門極可關(guān)斷晶閘管GTO、集成門極換流晶閘管（IGCT)等。2.電壓控制型器件通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號來實現(xiàn)導(dǎo)通或關(guān)斷控制的電力電子器件稱為電壓控制型電力電子器件。電力場效應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT等。

電力二極管

一、電力二極管的概念也稱為半導(dǎo)體整流管（SR），其自身沒有導(dǎo)通，關(guān)斷控制能力，屬不可控電力電子器件。二、電力二極管的結(jié)構(gòu)

電力二極管和以前學過的二極管相似，主要區(qū)別是功率大。

大量應(yīng)用于電氣（大功率）設(shè)備中。電力二極管的基本結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)。

P型半導(dǎo)體上引出陽極A，N型半導(dǎo)體上引出陰極K。

從外形上看，有螺栓式和平板式兩種外形。

由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成。圖2-1電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號陰極陽極三、電力二極管的基本特性

1、電力二極管的伏安特性（靜態(tài)特性）

?

具有單向?qū)щ娦?/p>

?

正偏時導(dǎo)通，壓降1V左右。

?

通態(tài)損耗：（表現(xiàn)形式為發(fā)熱）

?

反偏達到擊穿電壓前，僅有很小的反向漏電流流過。

?

反偏在達到擊穿電壓UB后，

反向電流急劇增加。

圖2-2電力二極管的靜態(tài)伏安特性曲線

2、電力二極管的動態(tài)特性（開關(guān)特性）

二極管導(dǎo)通與截止狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換引起PN結(jié)電容帶電狀態(tài)調(diào)整，此過程中二極管兩端電壓、電流隨時間動態(tài)變化，反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換特性，又稱開關(guān)特性。

分為開通過程和關(guān)斷過程兩部分，其產(chǎn)生的損耗也表現(xiàn)為發(fā)熱。圖2-3電力二極管的開通過程（1）開通特性

正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值UF（如2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復(fù)時間tfr。圖2-4電力二極管的關(guān)斷過程（2）關(guān)斷特性

二極管從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷經(jīng)過一個反向恢復(fù)過程，期間有較大的反向電流與明顯的反向電壓過沖。延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1反向恢復(fù)時間：trr=td+tf四、電力二極管的主要參數(shù)

1、額定電流

IF(AV)：正向平均電流2、正向平均電壓UF

3、額定電壓URRM：反向重復(fù)峰值電壓4、最高工作結(jié)溫TJM5、反向漏電流6、浪涌電流IFSM反向恢復(fù)時間trr：關(guān)斷過程中，電流降到0起到恢復(fù)反向阻斷能力止的時間。五、電力二極管的主要類型

1、普通二極管（GeneralPurposeDiode）

又稱：整流二極管，反向恢復(fù)時間較長，一般在5毫秒以上

多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）

特征：反向恢復(fù)時間為數(shù)百納秒或更長

分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)（反向恢復(fù)時間100ns以下，甚至達到20～30ns）兩個等級。

正向?qū)▔航翟?V左右或更大3、肖特基二極管

金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管，稱為肖特基勢壘二極管，簡稱肖特基二極管

特點：反向恢復(fù)時間10～40ns，正向恢復(fù)過程無明顯電壓過沖

正向壓降一般在0.5V左右

開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗比快速二極管小，效率高

反向耐壓一般較低，多用于200V以下

反向漏電流較大且對溫度敏感，須嚴格限制其工作溫度晶閘管

一、晶閘管的概念硅晶體閘流管的簡稱，又可稱為可控硅整流管（SCR），屬于半控型電力電子器件。

晶閘管還包括其許多類型的派生器件，如快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管，光控晶閘管和可關(guān)斷晶閘管等。應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓和直流變換等領(lǐng)域，成為特大功率、低頻裝置中的主要器件。陰極陽極門極二、晶閘管的結(jié)構(gòu)陽極A和陰極K，門極G（也稱控制極）。螺栓式平板式圖2-1晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和圖形符號散熱效果差，用于100Ａ以下安裝不便，散熱效果好，用于200Ａ以上三、晶閘管的工作原理

可等效為兩個晶體管

VT1

和

VT2

串級圖2-2晶閘管工作原理等效電路當晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門極電流，仍能維持導(dǎo)通開關(guān)S閉合→產(chǎn)生

IG→VT2導(dǎo)通→產(chǎn)生IC2→VT1導(dǎo)通→IC1↑→IC2↑，出現(xiàn)強烈的正反饋VT1和VT2完全飽和，SCR導(dǎo)通圖2-2晶閘管工作原理等效電路三、晶閘管的工作原理

可等效為兩個晶體管

VT1

和

VT2

串級

?

工作過程：圖2-2晶閘管工作原理等效電路當晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門極電流，仍能維持導(dǎo)通開關(guān)S閉合→產(chǎn)生

IG→VT2導(dǎo)通→產(chǎn)生IC2→VT1導(dǎo)通→IC1↑→IC2↑，出現(xiàn)強烈的正反饋VT1和VT2完全飽和，SCR導(dǎo)通三、晶閘管的工作原理

可等效為兩個晶體管

VT1

和

VT2

串級

?

工作過程：圖2-2晶閘管工作原理等效電路當晶閘管導(dǎo)通后，即使去掉門極電流，仍能維持導(dǎo)通開關(guān)S閉合→產(chǎn)生

IG→VT2導(dǎo)通→產(chǎn)生IC2→VT1導(dǎo)通→IC1↑→IC2↑，出現(xiàn)強烈的正反饋VT1和VT2完全飽和，SCR導(dǎo)通三、晶閘管的工作原理

可等效為兩個晶體管

VT1

和

VT2

串級

?

工作過程：動畫演示結(jié)論：

1）導(dǎo)通條件:

（1）陽極-陰極間加正向電壓

（2）門極-陰極間加正向電壓2）晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，門極失去控制作用。因此，常在門極只要加上一個正向脈沖電壓即可。3）關(guān)斷條件：

使流過晶閘管的電流小于維持電流，即使陽極電流降低到某一數(shù)值之下（幾十毫安）三、晶閘管的伏安特性

圖2-3晶閘管伏安特性曲線1、正向伏安特性

（第I象限）

?

IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。（高阻區(qū)）

正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。(非正常導(dǎo)通，低阻區(qū))

Ubo

------正向轉(zhuǎn)折電壓/雪崩擊穿導(dǎo)通正向阻斷

?IG增大時，轉(zhuǎn)折電壓降低，即導(dǎo)通壓降減小，IG足夠大，轉(zhuǎn)折電壓接近二極管，在1V左右。2、反向伏安特性

（第III象限）

圖2-3晶閘管伏安特性曲線

?

反向特性類似二極管的反向特性。

?

反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。正向阻斷

?

當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。反向阻斷四、晶閘管的主要參數(shù)

圖2-3晶閘管伏安特性曲線1、額定電壓（1）正向重復(fù)峰值電壓UDRM：門極斷路和額定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓，一般為正向轉(zhuǎn)折電壓UbO的80％。

（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM：門極斷路和額定結(jié)溫下，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓，一般為反向擊穿電壓URO的80％。取UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。（3）通態(tài)（峰值）電壓UTM：某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓UDRM=0.8UboURRM=0.8Ubo四、晶閘管的主要參數(shù)

圖2-3晶閘管伏安特性曲線2、額定電流通態(tài)平均電流：晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。維持電流：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)，并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。浪涌電流：電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。五、晶閘管的型號

圖2-4晶閘管型號的含義例：KP10-6表示額定電流為10A，額定電壓為600V的普通型晶閘管。

晶閘管的派生器件

晶閘管的派生器件包括：快速晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管。1、快速晶閘管

為工作在更高頻率而設(shè)計的晶閘管。（400Hz,10kHz以上）

從關(guān)斷時間來看，普通晶閘管一般為幾百微秒，快速晶閘管為幾十微秒。而高頻晶閘管僅為10微秒不足：電壓和電流定額都不易做高，選擇電流時應(yīng)考慮開關(guān)損耗產(chǎn)生的熱效應(yīng)。圖2-5雙向晶閘管電氣符號2、雙向晶閘管

可用來代替兩個反并聯(lián)的晶閘管，是雙向元件主電路，無陰極、陽極之分，可接正也可接負。

正反向都可由＋、－兩種脈沖觸發(fā)導(dǎo)通，所以觸發(fā)電路設(shè)計相對比較靈活。其特性是在Ⅰ、Ⅲ象限，均為普通晶閘管導(dǎo)通特性。

比較經(jīng)濟，控制電路簡單，廣泛用于交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器和交流調(diào)速等領(lǐng)域。

用有效值表示其額定電流。圖2-5逆導(dǎo)晶閘管電氣符號3、逆導(dǎo)晶閘管

正向同晶閘管，反向同整流管，相當于晶閘管和整流管反并聯(lián)，表示符號如下圖，用于逆變、斬波等電路中。

特點：不具有承受反向電壓的能力；

與普通晶閘管相比：正向壓降小，關(guān)斷時間短，高溫特性好，元件數(shù)目減少，裝置體積小。額定電流為：晶閘管電流/整流管電流

4、光控晶閘管

利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

特

點：

由于采用光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，而且可以避免電磁干擾的影響，多用于需要進行電隔離的電路中。光控晶閘管目前在高壓大功率的場合占據(jù)重要的地位。門極可關(guān)斷晶閘管GTOGTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號如圖所示。GTO和普通的晶閘管相比較而言，其相同點；PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽極、陰極和門極；不同點：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個甚至數(shù)百個共陽極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。

導(dǎo)通過程：與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。關(guān)斷過程：強烈正反饋——門極加負脈沖,即從門極抽出電流器件退出飽和而關(guān)斷。電力晶體管GTRGTR的結(jié)構(gòu):采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，并采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極）形成的兩個PN結(jié)（集電結(jié)和發(fā)射結(jié)）構(gòu)成，多采用NPN結(jié)構(gòu)。靜態(tài)特性：在共發(fā)射極接法時的典型輸出特性分為截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個區(qū)域。

在電力電子電路中，GTR工作在開關(guān)狀態(tài)，即工作在截止區(qū)或飽和區(qū)。在開關(guān)過程中，即在截止區(qū)和飽和區(qū)之間過渡時，一般要經(jīng)過放大區(qū)。

動態(tài)特性

開通過程

需要經(jīng)過延遲時間td和上升時間tr二者之和為開通時間ton。關(guān)斷過程

需要經(jīng)過儲存時間ts和下降時間tf二者之和為關(guān)斷時間toff1.最高工作電壓GTR上所加的電壓超過規(guī)定值時，就會發(fā)生擊穿。擊穿電壓不僅和晶體管本身的特性有關(guān)，還和外電路的接法有關(guān)。2.集電極最大允許電流一般為值下降到規(guī)定值的1/3至1/2時所對應(yīng)的集電極電流。實際使用時要留有較大裕量，只能用到的一半或稍多一點。3.基極最大允許電流規(guī)定為內(nèi)引線允許通過的最大電流，≈(1/6至1/2的集電極最大允許電流值)4.最高結(jié)溫最高結(jié)溫指GTR能正常工作的最高允許結(jié)溫。結(jié)溫過高時，將導(dǎo)致GTR熱擊穿而燒壞。與半導(dǎo)體材料性質(zhì)、器件制造工藝、封裝質(zhì)量等因素有關(guān)。5.集電極最大耗散功率集電極最大耗散功率指在最高工作溫度下允許的耗散功率，主要由集電極工作電壓與工作電流的乘積決定，它轉(zhuǎn)化為熱能,使管溫升高。和散熱條件以及工作環(huán)境溫度有關(guān)，如果散熱條件不好，GTR會因溫度過高而迅速損壞。產(chǎn)品說明書中在給出時總是同時給出管殼溫度,間接地表示了最高工作溫度。6.飽和壓降飽和壓降指GTR工作在飽和區(qū)時集電極和發(fā)射極間的電壓值。當不變時，隨的增加而增加；當不變時，隨管殼溫度的增加而增加。GTR的主要參數(shù)電力場效應(yīng)管P-MOSFET開關(guān)過程輸出特性曲線絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的結(jié)構(gòu)IGBT的簡化等效電路和電氣圖形符號IGBT具有開關(guān)特性好，開關(guān)速度快的特點，其開關(guān)時間是同容量GTR的1/10IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結(jié)如下：（1）開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。（2）通態(tài)壓降比電力MOSFET管低，特別是在電流較大的區(qū)域。輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。（3）與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。晶閘管的保護

1.過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護2.過電流保護

3.緩沖電路

過電壓產(chǎn)生原因——外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓：主要來自系統(tǒng)操作過程和雷擊等外因操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓：主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后，不能立即恢復(fù)阻斷能力，有較大的反向電流流過，當恢復(fù)阻斷能力后，反向電流急劇減小，會因線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。過電壓抑制措施及配置位置過電流的產(chǎn)生原因——過載和短路兩種情況負載觸發(fā)電路開關(guān)電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器過電流保護措施及配置位置對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高、很難用快速熔斷器保護的全控型器件，需采用電子電路進行過電流保護。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，這對器件過電流響應(yīng)是最快。緩沖電路：又稱吸收電路，其作用是抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt或者過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)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。復(fù)合緩沖電路——關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路的結(jié)合。通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路。

整流電路

一、整流概念出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?。整流技術(shù)在直流電機控制；電子產(chǎn)品直流電源；電解、電鍍、電加熱等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

小功率領(lǐng)域-單相整流

大功率領(lǐng)域-三相整流單相半波整流可控電路（電阻性負載）

1、工作原理動畫演示2、重要概念?

單相：交流輸入為單相。?

可控：電路中采取了可控器件晶閘管。?

控制角α：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度稱為觸發(fā)角或控制角。?

導(dǎo)通角θ：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電度角為導(dǎo)通角。?

相控方式：通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式，簡稱相控方式。?

移相范圍：使直流輸出電壓從最大至最小的控制角變化范圍。當VT處于斷態(tài)時,相當于電路在VT處斷開，id=0。當VT處于通態(tài)時，相當于VT短路3、數(shù)量關(guān)系（1）整流輸出電壓平均值

Ud

與有效值U（2）整流輸出電流平均值

Id

與有效值I三、單相半波可控整流電路（電感性負載）

1、工作原理

u1Tu2udVTuVTRL動畫演示三、單相橋式半波整流電路（電感性負載）

2、帶續(xù)流二極管

動畫演示u1Tu2udRLVDRiVDRVTuVT單相半波可控整流電路的特點：電路簡單,輸出脈動大,變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。實際應(yīng)用中很少采用這種電路。分析該電路的主要目的是利用其簡單易學的特點，建立起整流電路的基本概念。一、單相全控橋式整流電路（電阻性負載）

1、工作原理動畫演示VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷。一、單相全控橋式整流電路（電阻性負載）

1、工作原理動畫演示u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddααuVT1,4單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形2、數(shù)量關(guān)系4.2單相橋式可控整流電路pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddααuVT1,4單相全控橋式整流電路（電阻性負載）晶閘管移相范圍為0~90°。晶閘管承受的最大正反向電壓均為u2。晶閘管導(dǎo)通角θ與α無關(guān)，均為1800單相橋式半控整流電路在u2正半周，控制角α處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負載供電。u2過零變負時，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點電位低于b點電位使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負半周觸發(fā)角α時刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負載供電。u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。若無續(xù)流二極管,則當α突然增大至1800或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶