《工学电力电子》PPT课件.ppt

电力电子技术 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 本章参考书 电力电子器件及其应用 李序葆 赵永健编著机械工业出版社 2003 电力电子技术与电气传动 廖晓钟编著北京理工大学出版社 2000 第一章电力电子器件 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 电力电子器件 PowerElectronicDevice 开关 Switch 电力电子器件的主要特征 1 功率处理 而非信号处理 2 器件工作在开关状态 3 需要弱电信号通过驱动电路进行控制 4 开关损耗比较大 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 主电路 PowerCircuit 开关拓扑 SwitchTopology Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 主电路开关拓扑吸收网络 驱动保护 信号检测 控制电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 Filter Capacitor Converter 220Vor380V Inverter MotorDrive Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 爻 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 注 IPM IntelligentPowerModule PEBB PowerElectronicsBuildingBlock Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一节电力电子器件概述 第一节电力电子器件概述 4xIGBT 4xDiode PowerexCM300DY 24H Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第二节功率二极管 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第二节功率二极管 静态特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第二节功率二极管 动态特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第二节功率二极管 1 正向平均电流2 正向压降3 反向重复峰值电压4 最高工作结温5 方向恢复时间6 浪涌电流 主要参数 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第二节功率二极管 普通二极管 GeneralPurposeDiode 快恢复二极管 FastRecoveryDiode 肖特基二极管 SchottkyBarrierDiode Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 晶闸管 Thyristor SRC1957年贝尔实验室发明晶闸管1958年GE开发出第一只产品 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 门极 G A阳极 K阴极 P1 N1 P2 N2 PNPN四层三端结构 符号 国标 G A K G A K J1 J2 J3 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 G A K P1 P2 N2 N1 N1 P2 A K G IA IC1 IG IC2 IK V1 V2 EG R EA IB2 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 触发条件 加门极电流阳极电压过高 雪崩效应阳极电压上升率du dt过大结温过高光照 光触发 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 晶闸管的关断过程 晶闸管导通后 UAK很小 IA由电路负载R和外加电源E决定 调节E R可以使IA减小 当减小到小于维持电流时 晶闸管关断 A K G IA IC1 IG IC2 IK V1 V2 IB2 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管特性 晶闸管伏安特性 门极伏安特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管参数 1 断态不重复峰值电压UDSMURSM 门极开路时 阳极特性上对应的曲线急剧弯曲处的最大正向与反向阳极电压 2 断态重复峰值电压UDRMURRM 门极开路时 可以重复施加的最大正反向电压 约为UDSMURSM的90 3 额定电压 它是用UDRMURRM中的较小值表示的 并用标准电压等级表示 例如 经测试UDRMURRM中较小的电压为810V 则把这个电压归为800V等级上 在使用时留有一定的裕量 2 3倍 4 额定电流 它是用单相半波整流时流过电阻负载上的最大通态平均电流来表示 也可转换为等效的电流有效值 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节晶闸管 5 门极触发电压和门极触发电流UGTIGT 6 通态平均电压UT用平均电压表示 也归结到电压等级上来 7 开通时间ton关断时间toff晶闸管的开通与关断不是瞬间完成的 要经过一定的时间 8 临界电流上升率di dt 临界电压上升率du dt 9 掣住电流IL维持电流IHIL 晶闸管从断态转入通态时 要移除触发信号 而能够维持晶闸管导通的最小电流 IH 指晶闸管导通后 要维持导通的最小电流 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节特殊晶闸管 双向晶闸管 TRIAC Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节特殊晶闸管 双向晶闸管伏安特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节特殊晶闸管 双向晶闸管 TRIAC 的触发方式 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 快速晶闸管 FST 主要特点 高频特性好关断时间短 3us 重复阻断电压比较低 约800 1000V承受直通电流能力差 第三节特殊晶闸管 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节特殊晶闸管 逆导晶闸管 RCT Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节特殊晶闸管 逆导晶闸管 RCT 伏安特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第三节特殊晶闸管 光控晶闸管 LTT Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 门极可关断晶闸管 GTO Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTO的特点 2设计的比较大 V2控制灵敏易于关断 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTO的特点 1 2接近于1 易于关断导通压降增大 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 多元结构阴极面积小P2区横向电阻小 GTO的特点 门极可以抽出较大电流 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTO的开通过程 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved A K G IA IC1 IG IC2 IK V1 V2 EG R EA IB2 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTO的关断过程 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTO的动态特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO作为额定电流参数 与晶闸管额定电流定义不同电流关断增益 off IATO IGM会有比较大的损耗开通时间ton关断时间toff Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 电力晶体管 GTR Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的工作原理 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 达林顿结构GTR Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的静态特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的动态特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 开通时间ton td tr包括延迟时间和上升时间 关断时间toff ts tf包括储存时间和下降时间 延迟时间由发射结和集电结存在的势垒电容充电引起的 储存时间是除去基区过剩的载流子的时间 缩短开通时间 增大iB幅值 增加diB dt 缩短关断时间 减小导通时的饱和深度 增大反向驱动电流iB Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的主要参数 1 最高工作电压 2 集电极允许最大电流ICM 3 集电极最大耗散功率PCM 4 最高工作结温Tj Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的二次击穿现象与安全工作区 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的二次击穿现象与安全工作区 集电极最大允许电流 最高工作电压 最大耗散功率 二次击穿功率 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR的温度特性与散热 功率损耗 结温升高 静态导通功耗 动态开关损耗 基极驱动功耗 降低开关频率 缓冲电路 散热器冷却 降低导通压降 减小开关时间 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 纯电阻负载 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 1 GTR开关过程分析及开关损耗 阻感负载 T1 Lc Rc T UCE Us UL UR UB Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 阻感负载 T1 Lc Rc T UCE Us UL UR UB Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 二极管续流的阻感负载 T1 Lc Rc T Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 功率损耗 饱和导通损耗 开关损耗 基极驱动功耗 截止功率损耗 动态损耗是开关工作的电力晶体管的主要损耗 ton td trtoff ts tf动态损耗主要是tr和tf两段时间内的开关损耗 开关损耗与负载性质有关 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 1 纯电阻负载开通过程 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 1 纯电阻负载关断过程 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 1 纯电阻负载一个周期的动态开关损耗 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 2 带续流二极管的电感性负载 开通过程 关断过程 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 2 带续流二极管的电感性负载一个周期的动态开关损耗 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 GTR开关过程分析及开关损耗 结论 1 开关工作状态的电力晶体管的损耗主要是动态损耗 2 动态开关损耗与开关时间和开关频率成正比 晶体管能够容许的开关损耗是对开关频率的主要限制 3 该结论也适用于其它的工作于开关状态的电力电子器件 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一周 下周一交给助教 1 什么叫电力电子技术 2 什么叫变流技术 变流技术主要包括那些技术 3 电力变换有哪几种 4 电力电子器件有什么特征 5 晶闸管的导通条件是什么 导通后流过晶闸管的电流由什么决定 负载上电压等于什么 晶闸管的关断条件是什么 6 晶闸管的主要参数有哪些 7 什么叫全控型器件 8 工作在开关状态的电力电子器件的主要损耗有哪些 如何减小损耗 第一周作业 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率场效应晶体管 PowerMOSFET 优点 电压驱动 驱动功率小开关频率高无二次击穿问题安全工作区宽 缺点 电流容量小耐压低 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET的结构和工作原理 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET的结构合工作原理 沟道 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET的结构合工作原理 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET的结构和工作原理 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET基本特性 1 静态特性输出特性 ID UDS工作在截止区和非饱和区 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET基本特性 转移特性ID UG 开启电压 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 2 动态特性 功率MOSFET基本特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 功率MOSFET主要参数 漏极击穿电压栅源击穿电压最大漏极电流开启电压跨导因为为电压控制器件 所以用跨导表示其放大能力 即转移特性的斜率 通态电阻Ron极间电容 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 绝缘栅双极晶体管 IGBT GTR MOSFET IGBT Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 绝缘栅双极晶体管 IGBT 基本特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 绝缘栅双极晶体管 IGBT 动态特性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 绝缘栅双极晶体管 IGBT 主要参数 最大集射极间电压UCES最大集电极电流IC最大集电极功耗PCM Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 IGBT的擎住效应和安全工作区 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 IGBT的擎住效应和安全工作区 1 Ic太大 2 若关断时 dUCE dt过高 会使寄生晶闸管工作 栅极失去对集电极的控制作用 称为掣住效应 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第四节典型全控型器件 IGBT的擎住效应和安全工作区 FBSOA RBSOA Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第五节电力电子器件的驱动 概述 目的 弱电信号控制强电 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 功能 概述 控制 隔离 保护 第五节电力电子器件的驱动 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第五节电力电子器件的驱动 驱动电路的分类 电压型MOSFETIGBT 电流型GTOGTRSCR 形式 分立元件 集成电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 晶闸管对触发电路的基本要求 1 触发信号可以是交流 直流或脉冲 第五节电力电子器件的驱动 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 2 触发脉冲要有足够的功率 3 触发脉冲的移相范围必须满足装置的要求 4 触发脉冲的宽度 幅度和陡度 5 触发脉冲必须与主电路同步 6 触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压 电流和功率定额 7 应有良好的抗干扰能力 温度稳定性以及与主电路电气隔离 第五节电力电子器件的驱动 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第五节电力电子器件的驱动 常见晶闸管对触发电路 G K Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第五节电力电子器件的驱动 典型全控型器件的驱动电路 电流驱动型器件的驱动电路 推荐的GTO门极电压电流波形 GTO驱动电路要求 触发前沿的幅值和上升率 高整个导通器件加正门极电流关断需加负门极电流 幅值和上升率 更高关断后门极施加负偏压 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第五节电力电子器件的驱动 典型全控型器件的驱动电路 电流驱动型器件的驱动电路 理想GTR基极驱动电流波形 GTR驱动电路要求 基极驱动电流幅值和上升率 高开通后降低基极电流 进入准饱和区关断需加负基极电流 关断后基极施加负偏压 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第五节电力电子器件的驱动 典型全控型器件的驱动电路 电压驱动型器件的驱动电路 MOSFET IGBT驱动电路要求 驱动电路输出阻抗 小关断后门极施加负偏压 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 保护包括 过电压过电流过热du dtdi dt 保护目的 使电力电子器件工作在安全区 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 一 过电压的产生及电压保护1 产生原因 外因过电压和内因过电压外因过电压 网侧开关引起的冲击电压 雷击等 内因过电压 器件关断时的电流变化在电感上的感应电势 引起器件过电压 2 解决方法 一般采用RC回路抑制外界冲击电压 或用压敏电阻 第六节电力电子器件的保护 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 RC回路的过压保护 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 二 过电流的产生原因及电流保护过流会使结温升高 引起器件损坏 1 原因 过载和短路两种原因 2 解决方法 快速熔断器 断路器或过流继电器 也可以采用电子电路进行检测 输出关断器件的保护信号 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 三 di dt du dt保护缓冲电路缓冲电路又称为吸收电路 作用 将过大的电压或者电流上升率分流 减轻功率开关器件的电应力 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 缓冲电路的目的 降低浪涌电压降低dv dt di dt减少器件开关损耗避免二次击穿抑制电磁干扰提高可靠性 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 缓冲电路 耗能式缓冲电路 馈能式缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 耗能式关断缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 耗能式开通缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 耗能式复合缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 馈能式关断缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 馈能式开通缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第六节电力电子器件的保护 馈能式复合缓冲电路 Copyright 2004PEMC BIT Allrightsreserved 第一章电力电子器件 第一章小结 电力电子技术 变流技术 电力变换 电力电子学 第一章1 几个概念主电路 半控型器件 全控型器件 不可控型器件2 电力电子器件的特点 1 功率参数是主要参数 2 工作在开关状态 动态特性是主要参数 3 由弱电控制强电 4 采取散热措施 Copyright 2004PEMC BIT Al