电力电子技术完整版课件全套ppt教学教程电子教案讲义最全(最新)

1、第一章 绪论第二章 电力电子器件与应用 电力电子器件概述 电力二极管 晶闸管及派生器件 门极可关断晶闸管GTO 电力晶体管GTR 电力场效应晶体管Power MOSFET 绝缘栅双极型晶体管IGBT 其他新型电力电子器件 电力电子器件的保护 电力电子器件的串并联本课程主要内容第三章 交流-直流变换技术相控整流电路整流电路的谐波和功率因数大功率整流有源逆变第四章 直流-直流变换技术非隔离型DC-DC变换电路隔离的DC-DC变换电路第五章 直流-交流变换技术（逆变器）逆变电路概述电压型逆变电路电流型逆变电路逆变电路的SPWM控制技术本课程主要内容第六章 交流-交流变换 相控/斩波/整周波控制交流调

2、压电路 交交变频电路 矩阵变频电路第七章 软开关技术第八章 电力电子装置 开关电源 不间断电源 静止无功补偿装置 电力储能系统 电力电子器件的发热与散热 电力电子技术在可再生能源中的应第九章 教学实验本课程主要内容1.1 电力电子技术的概念及特点1.2 电力电子技术的发展历史1.3 电力电子技术的应用1.4 本教材的内容简介第一章 绪论 电力电子技术：应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的一门学科。 目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。 信息电子技术：主要用于信息处理 电力电子技术：主要用于电力变换。 电力电子技术的发展是以电力电子器件为核心

3、，伴随变换技术和控制技术的发展而发展的。 电子技术信息电子技术模拟电子技术数字电子技术电力电子技术1.1 电力电子技术及特点 电力电子技术可以理解为功率强大，可供诸如电力系统那样高电压、大电流场合应用的电子技术。 考虑在大功率情况下，器件发热、运行效率的问题。器件的运行都采用开关方式。 这种开关运行方式就是电力电子器件运行的特点。1.1 电力电子技术及特点1.1 电力电子技术及特点 变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。 电力电子器件制造技术电力电子技术的基础

4、，理论基础是半导体物理。1.1 电力电子技术及特点 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。 电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变换的种类 进行电力变换的技术称为 变流技术。逆变直流斩波直流(DC)交流电力控制变频、变相整流交流(AC)交流(AC)直流(DC) 输出 输入 变流技术 电力电子这一名词是60年代出现的。电力电子学可以用图1.1的倒三角来描述。 可以认为电力电子学由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。这一观点被全世界普遍接受。 图1.1描述电力电子技术的倒三角形 1.1 电力电子技术及特点与相关学

5、科的关系电力电子技术与电子学的关系 电子学: 电子器件 + 电子电路电力电子：电力电子器件+电力电子电路相同：从器件制造技术上讲两者同根同源， 电路的分析方法，不同：应用目的不同，前者用于信息处理， 后者用于电力变换。1.1 电力电子技术及特点电力电子学和电力学的关系 “电力学”就是“电工科学”或“电气工程”。 电力电子技术广泛应用于电气工程中。 因此，把电力电子技术归于电气工程学科，电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。1.1 电力电子技术及特点电力电子学和控制理论的关系 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日益优越和完善。 电力电子技术可以看作弱电控制强电

6、的技术，是弱电和强电之间的接口。 控制理论则是实现这种接口的强有力的纽带。1.1 电力电子技术及特点电力电子技术的发展史如图所示。1.2 电力电子技术的发展历史电力电子技术的发展是以电力电子器件的发展史为纲的。 1876年：硒整流器 1904年：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，从而开创了电子技术之先河。 1911年：水银整流器，它把水银封于管内，利用对其蒸气的点弧可对大电流进行有效控制，其性能与晶闸管类似。 在30年代到50年代，是水银整流器发展迅速并广泛应用时期。它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。 1.2 电力电子技术的发展历史

7、1953年：锗功率二极管 1954年：硅二极管，普通的半导体整流器开始使用。 1957年：晶闸管诞生，一方面由于其变换能力的突破，另一方面实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，使之很快取代了水银整流器和旋转变流机组，进而使电力电子技术步入了功率领域。 变流装置由旋转方式变为静止方式，具有提高效率、缩小体积、减轻重量、延长寿命、消除噪声、便于维修等优点。因此，由于其优越的电气性能和控制性能，在工业上引起一场技术革命。1.2 电力电子技术的发展历史 在以后的20年内，晶闸管特性不断提高，晶闸管形成了从低电压小电流到高电压大电流的系列产品。 同时研制出一系列晶闸管的派生器件，如快速晶闸管F

8、ST、逆导晶闸管RCT、双向晶闸管TRIAC、光控晶闸管LTT等器件。 推动了各种电力变换器在冶金、电化学、电力工业、交通、矿山等行业中的应用，促进了工业技术的进步，形成了以晶闸管为核心的电力电子技术发展的第一阶段，即传统电力电子技术阶段。1.2 电力电子技术的发展历史20世纪70年代后期： 门极可关断晶闸管GTO 电力双极型晶体管GTR 电力场效应晶体管Power MOSFET 优点： 全控型器件，可自关断， 开关速度高， 可以用于开关频率较高的电路。 第二代：自关断全控型器件1.2 电力电子技术的发展历史80年代：绝缘栅双极型晶体管IGBT为代表的第三代复合型场控半导体器件，另外还有静电感

9、应式晶体管SIT，静电感应式晶闸管SITH，MOS 晶闸管MCT等。 这些器件有很高的开关频率，为几十到几百千赫兹，有更高的耐压，电流容量大，可以构成大功率、高频的电力电子电路。80年代后期：电力半导体器件的发展趋势是模块化、集成化、按照电力电子电路的各种拓扑结构，将多个相同的电力半导体器件或不同的电力半导体器件封装在一个模块中，这样可以缩小器件体积、降低成本、提高可靠性。1.2 电力电子技术的发展历史当今：第四代电力电子器件-集成功率半导体器件PIC。 它将电力电子器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上， 开辟了电力电子器件智能化的方向，应用前景广阔。 目前经常使用的智能化功率模

10、块IPM，除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障检测电路，并可将监测信号传送至CPU，以保证IPM自身不受损害。1.2 电力电子技术的发展历史 现代电力电子技术的主要特点是：1全控化 自关断器件实现了全控化，取消了传统复杂换相电路，使电路大大简化。2集成化 所有的全控型器件都是由许多单元器件并联在一起，集成在一个基片上。1.2 电力电子技术的发展历史3高频化 器件集成化，提高了器件的工作速度，例如GTR可工作在10KHz以下，IGBT工作在几十KHz以上，功率MOSFET可达数百KHz以上。4高效率化 高效率体现在器件和变换技术两个方面。电力电子器件的导通压降不断减少，

11、降低了导通损耗。器件开关的上升和下降过程加快，也降低了开关损耗。 变换器中采用的软开关技术使得运行效率得到进一步提高。1.2 电力电子技术的发展历史5变换器小型化 器件的高频化、多单元集成化，控制电路的高度集成化和微型化，使得主电路的体积、滤波电路和控制器的体积大大减小。6电源变换绿色化 电力电子技术中广泛采用PWM、SPWM、消除特定次谐波和多重化技术，使得变换器的谐波大为降低，同时也使变换器的功率因数得到提高，进而使得变换电源绿色化。1.2 电力电子技术的发展历史7改善和提高供电网的供电质量 静止无功发生器SVG，有源电力滤波器等新型电力电子装置，具有优越的无功功率和谐波补偿的性能，因此大

12、大提高了电网的供电质量。8电力电子器件的容量和性能的优化 近年来，碳化硅SiC、金刚石等新材料用于电力电子器件，特别是金刚石器件与硅器件相比，功率可提高到106数量级，频率提高50倍，导通压降降低一个数量级，最高结温可达600。1.2 电力电子技术的发展历史1.3 电力电子技术的应用 电力电子技术应用范围十分广泛，国防军事、工业、能源、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等乃至家用电器。1一般工业轧钢机数控机床1.3 电力电子技术的应用冶金工业电解铝1.3 电力电子技术的应用2交通运输1.3 电力电子技术的应用3电力系统静止无功发生器SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FAC

13、TS1.3 电力电子技术的应用4电源大型计算机的UPS高频逆变整流流焊机 1.3 电力电子技术的应用4电源 程控交换机电子装置微型计算机1.3 电力电子技术的应用5照明电子镇流器1.3 电力电子技术的应用6新能源开发和利用新能源、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。1.3 电力电子技术的应用7环境保护总之，电力电子技术的应用越来越广，其地

14、位也越来越重要。 高压静电除尘1.4 教材内容简介电力电子技术教材结构第二部分全书的主体第一部分全书的基础第三部分全书的深入第2章电力电子器件第3章整流 电路第7章软开关技术第5章逆变电路第6章交流控制电路和交交变频电路第4章直流直流电路第8章电力电子装置第9章教学实验本章完2.1 电力电子器件概述2.2 电力二极管2.3 晶闸管及派生器件2.4 门极可关断晶闸管GTO2.5 电力晶体管 GTR2.6 电力场效应晶体管Power MOSFET2.7 绝缘栅双极型晶体管IGBT2.8 其他新型电力电子器件2.9 电力电子器件的保护2.10 电力电子器件的串并联 第二章 电力电子器件与应用 本章主

15、要介绍常用电力电子器件的结构、工作原理、主要参数，基本特性及保护电路。2.1.1 电力电子器件概念和特征电力电子器件的概念 电力电子器件（Power Electronic Device）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。 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。同

16、处理信息的电子器件相比的一般特征：2.1.1 电力电子器件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2.1.1 电力电子器件概念和特征 电力电子器件在电力电子技术中作为开关元件使用，要求它具有开关速度快、承受电流和电压能力大和开关损耗小等特点。 理想的电力电子器件: 断态时能承受高电压且漏电流很小， 通态时能通过大电流且压降非常低， 通断转换时间短。 2.1.1 电力电子器件概念和特征2.1.2 电力电子器件分类不可控器件(Power Diode

17、) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：2.1.2 电力电子器件分类电流驱动型 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。 按照驱动电路信号的性质，分为两类：2.1.2 电力电子器件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

18、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。 2.2 电力二极管2.2.1 电力二极管的结构 电力二极管的基本结构和原理与信息电子电路中的二极管一样，都是具有一个PN结的两端器件。 不同的是电力二极管的PN结面积较大。PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ 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。外形2.2 电力二极管电力二极管的外形、结构和电气图形符号外形结构 电气图形符号2.2 电力二极管电力二极管的外形、结构和电气图形符号2.2 电力二极管2.2.2

19、 电力二极管的基本特性静态特性、动态特性 静态特性 电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，即器件端电压与电流的关系。UTO：门槛电压UTO UF ：与正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF即为其正向电压降。 当二极管承受反向电压时只有微小的漏电流。 动态特性 因结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这三个状态之间转换时，必然经过一个过渡过程，其电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管的动态特性。正向偏置转换为反向偏置a)iFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2.2 电力二极管 动态特性关断过程：正向偏置转换为反向偏置a)iFUFtFt0

20、trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt2.2 电力二极管t2 ：时刻电流变化率接近零， 恢复对反向阻断能力反向恢复时间：trr= td+ tf (td 延迟时间，tf电流下降时间)t1: 时刻反向电流达最大值。 此后反向电流迅速下降， 随后出现反向过冲电压URPtF：时刻突然外加反向电压t0：时刻电流下降为零。此时不能恢复反向阻断能力。开通过程： 电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值。 这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。2.2 电力二极管零偏置转换为正向偏置b)UFPuiiFuFtfrt02V2.2.3 电力二极管的主要

21、参数1 正向平均电流IF（额定电流） 指在规定的环境温度和标准散热条件下，元件结温达到额定且稳定时，允许长时间连续流过工频正弦半波电流的平均值。 在选择电力二极管时，应按元件允许通过的电流有效值来选取。对应额定电流IF的有效值为1.57IF。2正向电压降UF 电力二极管在规定温度和散热条件下，流过某一指定的正向稳态电流时，电力二极管的最大电压降。2.2 电力二极管2.2 电力二极管3反向重复峰值电压URRM（额定电压） 电力二极管在指定温度下，所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压UB的2/3。使用时，一般按照两倍的URRM来选择电力二极管。4反向漏电流IRR 对应于反向重复峰值电

22、压URRM下的平均漏电流，也称为反向重复平均电流IRR。 2.2 电力二极管5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。 另外，还有最高结温、反向恢复时间等参数。2.2.4 电力二极管的主要类型 电力二极管用途：在AC/DC变换电路中作为整流元件在电感元件电路中作为续流元件在各种变流电路中作为隔离、篏位或保护元件。1普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高2.2 电力二极管 2快速恢复二极管反向恢复时间很短，一般在5s以下简称快速二极管快恢复外延二极管 其trr更短（可低于50

23、ns） UF也很低（0.9V左右） 其反向耐压多在1200V以下2.2 电力二极管 3肖特基二极管肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。电压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。2.2 电力二极管2.3 晶闸管及派生器件晶闸管：晶体闸流管，又称为可控硅 （Silicon Controlled RectifierSCR） 能承受的电压和电流容量高，工作可靠，在大容量的场合具有重要

24、地位。 2.3.1 晶闸管的结构和工作原理 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 晶闸管是一种四层半导体三个PN结，三端大功率电力电子器件。外形、结构、电气符号如图所示。2.3.1 晶闸管的结构和工作原理图2.4 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构2.3.1 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的管耗和散热： 管耗流过器件的电流器件两端的电压 管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热和冷却。 冷却方式： 自然冷却（散

25、热片）、风冷（风扇）、水冷2.3.1 晶闸管的结构和工作原理门极不加电压时，AK之间加正向电压:J1和J3结承受正向电压，J2结承受反向电压，因而晶闸管不导通，称为晶闸管的正向阻断状态，也成关断状态。当AK之间加反向电压时，J2结承受正向电压，J1、J3结承受反向电压，晶闸管也不导通，称为反向阻断状态。 结论：当晶闸管门极不加电压时，无论AK之间所加电压极性如何，在正常情况下晶闸管都不会导通。2.3.1 晶闸管的结构和工作原理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过高结温较高光直接照射硅片，即光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘。

26、光触发晶闸管，称为光控晶闸管。（Light Triggered ThyristorLTT）只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。2.3.1 晶闸管的结构和工作原理 为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管的四层结构等效为两个晶体管，如图5所示。2.3.1 晶闸管的结构和工作原理图2.5 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 当AK间也加正向电压， GK间加正向电压时，电流IG流入晶体管V2的基极，产生集电极电流IC2，它构成晶体管V1的基极电流，放大了的集电极电流IC1，进一步增大V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，使V1、V2进入饱和导通状态，

27、即晶闸管导通状态 此时，若去掉外加的门极电流IG，晶闸管因内部的正反馈会仍然维持导通状态。（故称为半控型器件）2.3.1 晶闸管的结构和工作原理式中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。由以上式可得 ： 按晶体管的工作原理 ，得：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）（2-5）2.3.1 晶闸管的结构和工作原理在低发射极电流下 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 时， 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。开通状态：门极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

28、话，流过晶闸管的电流IA ，将趋近于无穷大，实现饱和导通。 IA实际由外电路决定。2.3.1 晶闸管的结构和工作原理（2-5）晶闸管正常工作时的特性总结如下：1导通条件：阳极和门极同时承受正向电压时，晶闸管才能导通，两者缺一不可。2门极作用：晶闸管一旦导通后，门极将失去控制作用，故门极控制电压只要是一个有一定宽度的正向脉冲电压即可，这个脉冲称为触发脉冲。3关断条件：要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一个数值以下。（这可通过增加负载电阻降低阳极电流接近于零。另外，也可以通过施加反向阳极电压来实现。）2.3.1 晶闸管的结构和工作原理1 静态特性 静态特性又称为伏安特性，指的是器件端电

29、压与电流的关系。包括：阳极伏安特性和门极伏安特性。(1)晶闸管的阳极伏安特性1)正向特性2)反向特性2.3.2 晶闸管的基本特性2.3.2 晶闸管的基本特性1) 正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压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。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2.6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG2.3.2 晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有

30、极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。2）反向特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM图2.6 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG(2)晶闸管的门极伏安特性 晶闸管的门极与阴极间存在一个PN结J3，门极伏安特性是指这个PN结上正向门极电压UG与门极电流IG间的关系。2.3.2 晶闸管的基本特性2 晶闸管的动态特性 器件上电压、电流随时间变化的关系，称为动态特性。 开通过程:延迟时间td 0.51.5s上升时间tr 0.53s 开通时间tgt2.3.2 晶闸管的基本特性图2.8 晶闸管的动态特性

31、图2 晶闸管的动态特性 器件上电压、电流随时间变化的关系，称为动态特性。 关断过程:反向阻断恢 复时间trr正向阻断恢 复时间tgr 关断时间tq2.3.2 晶闸管的基本特性图2.8 晶闸管的动态特性图几百微秒1 晶闸管的电压参数(6个)(1) 断态不重复峰值电压UDSM 门极开路时，允许施加于晶闸管的阳极的最大电压值UDSM 。它是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。 UDSM值应小于转折电压Ub0。2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。 每秒50次每次持续时间不大于10ms， 规定UDRM为UD

32、SM的90%。(2) 断态重复峰值电压UDRM2.3.3 晶闸管的主要参数它是一个不能重复施加且持续时间不大于10ms的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击穿电压。 门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压值URSM 。(3) 反向不重复峰值电压URSM2.3.3 晶闸管的主要参数(4) 反向重复峰值电压URRM2.3.3 晶闸管的主要参数 晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。 每秒50次每次持续时间不大于10ms。 规定URRM为URSM的90%。 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两

33、者中较小的一个电压值规定为额定电压UR。 在选用晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作电压峰值UM的23倍，以作为安全裕量。(5) 额定电压UR2.3.3 晶闸管的主要参数 规定为额定电流时的管子导通的管压降峰值。 一般为1.52.5V，且随阳极电流的增加而略为增加。 额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。(6)通态峰值电压UTM2.3.3 晶闸管的主要参数2 晶闸管的电流参数（4个） (1) 通态平均电流IT(AV）（额定电流） 在环境温度为+40和规定的散热冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170电阻性负载的单相、工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125时，所允许通过的最大电流平均值。 允

34、许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 选用一个晶闸管时，要根据所通过的具体电流波形来计算出容许使用的电流有效值，该值要小于晶闸管额定电流对应的有效值。晶闸管才不会损坏。2.3.3 晶闸管的主要参数设单相工频正弦半波电流峰值为Im时通态平均电流为：正弦半波电流有效值为：有效值与通态平均电流比值为：则有效值为：2.3.3 晶闸管的主要参数2 晶闸管的电流参数（4个） (1) 通态平均电流IT(AV）（额定电流） 根据有效值相等原则来计算晶闸管的额定电流。若电路中实际流过晶闸管的电流有效值为I，平均值Id， 定义 波形系数：则 由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.52倍的

35、安全系数，2.3.3 晶闸管的主要参数2 晶闸管的电流参数（4个） (1) 通态平均电流IT(AV）（额定电流）例 在半波整流电路中晶闸管从/3时刻开始导通。负载电流平均值为40A，若取安全系数为2 。试选取晶闸管额定电流？解：负载电流平均值：单相半波可控整流电路及波形流过晶闸管电流有效值：2.3.3 晶闸管的主要参数 根据有效值相等原则并考虑安全系数2.0晶闸管额定电流可选取额定电流为150或100A晶闸管2.3.3 晶闸管的主要参数例 在半波整流电路中晶闸管从/3时刻开始导通。负载电流平均值为40A，若取安全系数为2 。试选取晶闸管额定电流？2 晶闸管的电流参数（4个）(2) 维持电流IH

36、 (针对关断过程) 是指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。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。(3) 擎住电流IL (针对开通过程) 晶闸管刚从阻断状态转化为导通状态并除掉门极触发信号，此时能维持器件导通所需的最小电流称为擎住电流。一般擎住电流比维持电流大24倍。(4) 浪涌电流ITSM 在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。（分L，H级）2.3.3 晶闸管的主要参数3 其他参数(1) 断态电压临界上升率du/dt 电压上升率过大，就会使晶闸管误导通。 指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

37、。(2) 通态电流临界上升率di/dt 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。2.3.3 晶闸管的主要参数(3) 门极触发电流IGT和门极触发电压UGT 在室温下，晶闸管阳极施加6V正向电压时，使元件从断态到完全开通所必需的最小门极电流，称为门极触发电流IGT。与此对应的门极电压，称为门极触发电压UGT。 触发电流、电压受环境和器件工作温度影响。温度高时IGT、UGT会明显降低，温度低时IGT、UGT也会有所增加。 为了保证对同类晶闸管都能正常触发，要求触发电路提供的触发电流、触发电压值略大于标准规定的IGT、UGT2

38、.3.3 晶闸管的主要参数1 快速晶闸管FST（Fast Switching Thyristor）2.3.4 晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管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，不能忽略其开关损耗的发热效应。2 逆导晶闸管RCT ( Reverse Conducting Thyristor ) 是将晶闸管反并联一个二极管集成在一个管芯上的集成器件。 适用于有能量反馈的逆变器和斩波器电路中。简化了接线，消除了大功率二极管的配线电感，使晶

39、闸管承受反压时间增加，有利于快速换流，从而可提高装置的工作频率。2.3.4 晶闸管的派生器件3 双向晶闸管TRIAC2.3.4 晶闸管的派生器件可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。用有效值来表示其额定电流值。(而不是用平均电流值。）图2.18 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4 光控晶闸管LTT （Light Triggered Thyristor） 2.3.4 晶闸管的派生器件又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可

40、避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。图2.19 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) 伏安特性门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor GTO) 2.4 门极可关断晶闸管 晶闸管的一种派生器件。可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合有较多的应用。1GTO的结构 与普通晶闸管的相同点：PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。2.4.1 GTO的结构和工作原理c)AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)

41、AGKa) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号2GTO的工作原理 GTO的等效模型和等效电路如图2.21所示。 导通过程与普通晶闸管的正反馈过程相同。 GTO需要关断时，在门极加反向触发信号，普通晶闸管之所以不能自关断，是因为不能从远离门极的阴极的区域内抽出足够大的门极电流。2.4.1 GTO的结构和工作原理1. GTO的静态特性（阳极伏安特性与普通晶闸管相似） 门极伏安特性则有很大区别。2.4.2 GTO的基本特性图2.22 GTO的门极伏安特性开通过程逐渐增加门极正向电压，门极电流随着增加，如曲线段。当门极电流增大到开通门极电流IGF时，因阳

42、极电流的出现，门极电压突增，特性由曲线段跳到曲线段，管子导通。当导通时门极电压跳变大小与阳极电流大小有关，电流越大，电压增幅越大。当门极反向电流达到一定值时，晶闸管关断。在关断点上，门极特性再次发生由曲线段到段的跃变。此时门极电压增加，门极电流下降。在完全阻断时，门极工作在反向特性曲线上。GTO的阳极电流越大，关断时所需门极的触发脉冲电流越大。关断过程图2.22 GTO的门极伏安特性1. GTO的静态特性2.4.2 GTO的基本特性2GTO的动态特性开通时间：延迟时间td和上升时间tr关断时间：储存时间tS阶段下降时间tf阶段尾部时间tt阶段 2.4.2 GTO的基本特性GTO的许多参数与普通

43、晶闸管对应的参数意义相同。不同的参数有。1）最大可关断阳极电流IATO 是表示GTO额定电流大小的参数。与普通晶闸管是不同的。 2）电流关断增益off 是指最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。2.4.3 GTO的主要参数0ff一般很小，数值为35，这是它的主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文称为Power BJT.它与晶闸管不同，具有线性放大特性，但在电力电子应用中却工

44、作在开关状态，从而减小功耗。GTR可通过基极控制其开通、关断，是典型的自关断器件。2.5 电力晶体管2.5.1 GTR的结构和工作原理2.5 电力晶体管与一般双极型晶体管相似的结构、工作原理和特性。采用集成工艺将许多这种单元并联。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。应用中，GTR一般采用共发射极接法；集电极电流ic与基极电流ib的比值为：2.5 电力晶体管2.5.1 GTR的结构和工作原理 称为GTR电流放大系数，它反映出基极电流对集电极电流的控制能力。单管电流放大系数为10左右。当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为 ic= ib +Iceo （2.13）空穴流电子

45、流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib1 静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区2.5 电力晶体管2.5.2 GTR的基本特性截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层击穿。(6)跨导gm 表征Power MOSFET栅极控制能力的参数。1 主要参数2.6.3 电力MOSFET的主要参数和安全工作区2.6.3 电力MOSFET的主要参数和安全工作区（7）极间电容 通常生产厂家提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Cos

46、s、反向转移电容Crss。它们之间的关系为： CiSSCGS CGD CossCGDCDS CrssCGD（8）漏源电压上升率 器件的动态特性还受漏源电压上升率的限制，过高的du/dt可能导致电路性能变差甚至引起器件损坏。2.6 电力场效应晶体管1 主要参数最大漏源电压极限线最大漏极电流极限线漏源通态电阻线最大功耗限制线四条边界极限所包围的区域。四种情况：直流DC，脉宽10ms、1ms、10s。 图2.23 电力MOSFET正向偏置的安全工作区2.6 电力场效应晶体管2.6.3 电力MOSFET的主要参数和安全工作区2 安全工作区GTR是双极型电流控制器件优点：通态压降低，有电导调制效应，通流

47、能力很强；缺点：开关速度低、所需驱动功率大、驱动电路复杂。 MOSFET是单极型电压控制器件优点：开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好、驱动功率小、驱动电路简单；缺点：通流能力低、通态压降大。 两类器件取长补短结合而成的复合器件。 绝缘栅双极型晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT）2.7 绝缘栅双极型晶体管2.7.1 IGBT的结构和基本原理 IGBT也是一种三端器件，它们分别是栅极G、集电极C和发射极E。2.7 绝缘栅双极型晶体管图2.40 IGBT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

48、E2.7.2 IGBT的基本特性1 IGBT的静态特性 IGBT的静态特性主要包括转移特性和输出伏安特性。2.7 绝缘栅双极型晶体管图2.41 IGBT的转移特性和输出特性a) 转移特性 b) 输出特性2 IGBT的动态特性开通延迟时间td(on) 电流上升时间tr 开通时间ton= td(on）+tr关断延迟时间td(off)电流下降时间tf关断时间toff toff=td(off)+ tf2.7 绝缘栅双极型晶体管图2.42 IGBT的动态特性2.7.3 IGBT主要参数、擎住效应和安全工作区2.7 绝缘栅双极型晶体管1 主要参数正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗PCM

49、包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2) 最大集电极电流由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压UCES2.7.3 IGBT主要参数、擎住效应和安全工作区原因：由于IGBT复合器件内有一个寄生晶闸管存在。措施：集电极电流不超过ICM，或增大栅极电阻，减缓IGBT的关断速度。 (a) IGBT内部结示意图2.7 绝缘栅双极型晶体管2 擎住效应 当IGBT集电极电流IC大到一定程度，可使寄生晶闸管导通，从而其栅极对器件失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。3 安全工作区 IGBT开通时对应的安全工作区，称为正向偏置安全工作区，即FBSOA。最大集电极电流ICM最大

50、允许集电极电压UCEO最大允许功耗三条极限线所限定的区域。导通时间增加安全工作区减小，直流工作时安全工作区最小。(a) 正向安全工作区2.7 绝缘栅双极型晶体管3 安全工作区 IGBT关断时对应的安全工作区，称为反向偏置安全工作区，即RBSOA。最大集电极电流ICM最大允许集电极电压UCEO电压上升率dUCE/dt三条极限线所限定的区域。dUCE/dt越大，安全工作区越小，可以通过适当选择栅射极电压UGE和栅极驱动电阻来控制dUCE/dt，扩大安全工作区。(b) 反向安全工作区2.7 绝缘栅双极型晶体管2.8 其他新型电力电子器件2.8.1 静电感应晶体管SIT2.8.2 静电感应晶闸管SIT

51、H2.8.3 MOS控制晶闸管MCT2.8.4 集成门极换流晶闸管IGCT2.8.5 功率集成电路和智能功率模块2.8.1 静电感应晶体管(SITStatic Induction Transistor)SIT是一种结型场效应管，多子导电,单极型压控器件；工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。缺点：栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。2.8 其他新型电力电子器件2.8.2 静

52、电感应晶闸管(SITHStatic Induction Thyristor）又称场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT）属于两种载流子导电的双极型器件。 SITH有三极，即门极G、阳极A和阴极K。优点：具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强、开关速度快、损耗小、开通的电流增益大等。缺点：SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，制造工艺比GTO复杂的多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。2.8 其他新型电力电子器件2.8.3 MOS控制晶闸管(MCTMOS Controlled Thyristor)MOSFET与晶闸管的复合。结合二者的优点

53、：承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。20世纪80年代末成为研究热点问题。其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值。2.8 其他新型电力电子器件2.8.4 集成门极换流晶闸管(IGCTIntegrated Gate Commutated Thyristor)2.8 其他新型电力电子器件20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。起初电压电流容量大于IGBT很受关注，但IGBT的容量很快赶上来了。有个别厂家一直生产IG

54、CT产品，前景难以预料。2.8 其他新型电力电子器件2.8.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件硅的禁带宽度为1.12电子伏特（eV），而宽禁带半导材料是指禁带宽度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石等材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直限于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。 2.8 其他新型电力电子器件2.8.6 功率集成电路和集成

55、电力电子模块20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。高压集成电路（High Voltage ICHVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC）一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。智能功率模块（Intelligen

56、t Power ModuleIPM）一般指将IGBT或MOSFET功率器件以及辅助器件、保护电路和驱动电路集成在一个芯片上封装的电路。2.8 其他新型电力电子器件实际应用电路2.8.6 功率集成电路和集成电力电子模块2.8 其他新型电力电子器件2.8.6 功率集成电路和集成电力电子模块功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。发展现状：2.9 电力电子器件保护2.9.1 过电压的产生

57、及过电压保护2.9.2 过电流保护2.9.3 缓冲电路2.9.1 过电压的产生及过电压保护外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压2.9.1 过电压的产生及过电压保护过电压保护措施 采用器件限压和RC阻容吸收等方法。图2.28过电压抑制措施及

58、配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容 RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路2.9.1 过电压的产生及过电压保护图2.29 RC过电压抑制电路连接方式2.9 电力电子器件保护2.9.2 过电流保护 过电流有过载和短路两种。电力电子器件过载能力较差。通常采用快速熔断器、直流快速断路器、过流继电器实现。图2.30 过电流保护措施及配置位置2.9.3 缓冲电路1 缓冲电路的作用和基本类型 电力电子器件的缓冲电路也称为吸收电路。作用：内因过电压和du/d

59、t、过电流和di/dt，减少开关损耗。关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路2.9 电力电子器件保护图2.31 IGBT的缓冲电路和开关过程的电压和电流波形缓冲电路作用分析2.9.3 缓冲电路设关断前的工作点在A点。图2.32 IGBT关断过程的负载曲线2.9.3 缓冲电路缓冲电路的主要作用可归纳如下：抑制过渡过程中器件的电压和电流，将开关动作轨迹限

60、定在安全区之内。 防止因过大的di/dt、du/dt造成器件的误触发，甚至导致器件的损坏。抑制开关过渡过程中电压和电流的重叠现象，以减少器件的开关损耗。在多个器件串联的高压电路中起一定的均压作用。2.9.3 缓冲电路缓冲电路的基本结构L缓冲电路L缓冲电路负载负载(a) RC吸收缓冲电路 (b)放电阻止型RCD缓冲电路图2.33 缓冲电路的基本结构EdRsCsEdRsCsVDs2.9.3 缓冲电路目的：当器件额定电压小于要求时，可以串联。 当器件额定电流小于要求时，可以并联。 降低成本。问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使 器件电压分配不均匀。 并联会分别因静态和动态特性参数的差异而