第9章电力电子技术

1、第第9章章 电力电子技术电力电子技术 范国伟范国伟 安徽工业大学安徽工业大学 电力电子技术电力电子技术 l电力电子技术是使用电力电子器件对电能电力电子技术是使用电力电子器件对电能 进行变换和控制的技术，它可以看成是弱进行变换和控制的技术，它可以看成是弱 电控制强电的技术。电力电子器件是电力电控制强电的技术。电力电子器件是电力 电子技术的基础，目前的电力电子器件均电子技术的基础，目前的电力电子器件均 是由半导体材料制成的，故也称电力半导是由半导体材料制成的，故也称电力半导 体器件。因此，电力电子器件也往往专指体器件。因此，电力电子器件也往往专指 电力半导体器件。现代电力电子技术发展电力半导体器件

2、。现代电力电子技术发展 与电力半导体器件的发展密不可分，随新与电力半导体器件的发展密不可分，随新 型控制器件的诞生，新型变换电路也有新型控制器件的诞生，新型变换电路也有新 突破。突破。 9.1 电力半导体器件电力半导体器件 l电力电子器件发展非常迅速，品种也非常电力电子器件发展非常迅速，品种也非常 多，但目前最常用的主要有：电力二极管、多，但目前最常用的主要有：电力二极管、 晶闸管（晶闸管（SCR）及晶闸管派生器件、可关）及晶闸管派生器件、可关 断晶闸管（断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管）、双极型功率晶体管 （BJT或或GTR）、功率场效应晶体管（）、功率场效应晶体管（P- MOSFET）

3、、绝缘栅双极型功率晶体管）、绝缘栅双极型功率晶体管 （IGBT），以及新型的功率集成模块），以及新型的功率集成模块PIC、 智能功率模块智能功率模块IPM等。等。 9.1.1 晶闸管晶闸管 l晶闸管又称可控硅（晶闸管又称可控硅（Silicon Controlled Rectifier）是实现大容量功率变换和控制）是实现大容量功率变换和控制 的半导体器件，在整流、逆变、变频、调的半导体器件，在整流、逆变、变频、调 压和开关控制等方面得到了广泛的应用。压和开关控制等方面得到了广泛的应用。 20世纪世纪60年代以来，晶闸管研制和应用年代以来，晶闸管研制和应用 发展很快，特别是近年来在电力牵引、交发展

4、很快，特别是近年来在电力牵引、交 流传动与控制技术中，晶闸管器件都起着流传动与控制技术中，晶闸管器件都起着 十分关键的作用，晶闸管变流技术正向着十分关键的作用，晶闸管变流技术正向着 集成化、模块化方向发展。集成化、模块化方向发展。 1、晶闸管的结构和工作原理、晶闸管的结构和工作原理 l晶闸管有三个电极：阳极晶闸管有三个电极：阳极A、阴极、阴极K、门极、门极G。 l晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻 断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶 闸管的正向导通必须有一定的条件闸管的正向导通必须有一定的条件阳极加阳极加

5、正向电压，同时门极还必须加正向触发电压。正向电压，同时门极还必须加正向触发电压。 l晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。要晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。要 使晶闸管关断，必须做到亮点：一是将阳极电使晶闸管关断，必须做到亮点：一是将阳极电 流减小到小于其维持电流流减小到小于其维持电流IH，二是将阳极电压，二是将阳极电压 减小到零或使之反向。减小到零或使之反向。 2、晶闸管的派生器件、晶闸管的派生器件 l1）快速晶闸管（）快速晶闸管（FST）和高频晶闸管）和高频晶闸管 l快速晶闸管和高频晶闸管主要用于斩波电路和高频逆变电路中。普通快速晶闸管和高频晶闸管主要用于斩波电路和高频逆变电路中。普通

6、晶闸管的关断时间为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒，而高频晶闸晶闸管的关断时间为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒，而高频晶闸 管为管为10s左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管的不足在于其电压和左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管的不足在于其电压和 电流定额都不易做高。电流定额都不易做高。 l2）双向晶闸管（）双向晶闸管（TRIAC） l双向晶闸管是由一对反并联连接的普通晶闸管构成，电路简单，工作双向晶闸管是由一对反并联连接的普通晶闸管构成，电路简单，工作 稳定可靠，常用在交流电路中进行调压，稳定可靠，常用在交流电路中进行调压， l3）逆导晶闸管（）逆导晶闸管（RCT） l逆导晶闸管是将普通晶闸管与一

7、个续流二极管反并联集成在同一硅片逆导晶闸管是将普通晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片 上，是一种反向导通的晶闸管。这种器件不具有承受反向电压的能力，上，是一种反向导通的晶闸管。这种器件不具有承受反向电压的能力， 一旦承受反向电压即导通。一旦承受反向电压即导通。 l4）光控晶闸管（）光控晶闸管（LTT） l光控晶闸管是利用一定波长的光照信号控制的开关器件光控晶闸管是利用一定波长的光照信号控制的开关器件. l5）门极可关断晶闸管（）门极可关断晶闸管（GTO） l可关断晶闸管也属于可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，普通晶闸管只能用门极正四层三端器件，普通晶闸管只能用门极正 信号触发其导

8、通。信号触发其导通。 9.1.2 其它电力半导体器件其它电力半导体器件 l1）电力晶体管（）电力晶体管（GTR） l电力晶体管（电力晶体管（Giant Transistor）是一种）是一种 耐高电压、大电流的双极结型晶体管耐高电压、大电流的双极结型晶体管 （Bipolar Junction Transistor,BJT），）， 应用于高电压大电流场合。它具有自关断，应用于高电压大电流场合。它具有自关断， 开关时间短，饱和压降低和安全工作区宽开关时间短，饱和压降低和安全工作区宽 等优点，被广泛应用于交直流电机调速，等优点，被广泛应用于交直流电机调速， 中频电源等电力变流装置。中频电源等电力变流装

9、置。 2）电力场效应晶体管（）电力场效应晶体管（power- MOSFET） l电力场效应晶体管是一种大功率的场效应晶体电力场效应晶体管是一种大功率的场效应晶体 管，它有源极管，它有源极S、漏极、漏极D和栅极和栅极G三个极，其基三个极，其基 本结构及其符号如图本结构及其符号如图9-9所示。它和场效应晶体所示。它和场效应晶体 管一样可以分为结型场效应管和绝缘栅型场效管一样可以分为结型场效应管和绝缘栅型场效 应管两大类：应管两大类：结型场效应管：它利用结型场效应管：它利用PN结反结反 向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏极、源极向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏极、源极 之间的导电沟道宽度，从而控制漏、

10、源极间电之间的导电沟道宽度，从而控制漏、源极间电 流的大小。流的大小。绝缘栅型场效应管：它利用栅极绝缘栅型场效应管：它利用栅极 和源极之间电压产生的电场来改变半导体表面和源极之间电压产生的电场来改变半导体表面 的感生电荷改变导电沟道的导电能力，从而控的感生电荷改变导电沟道的导电能力，从而控 制漏极和源极之间的电流。制漏极和源极之间的电流。 3）绝缘栅双极型晶体管（）绝缘栅双极型晶体管（IGT 或或IGBT） l绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT或或IGT）是由一个栅极为）是由一个栅极为MOS 结构的（绝缘栅）晶体管

11、并联一个其基极同结构的（绝缘栅）晶体管并联一个其基极同 PNP晶体管互补连接的晶体管互补连接的NPN晶体管，这种连接晶体管，这种连接 方式恰好是方式恰好是PNPN四层的晶闸管等效电路（如四层的晶闸管等效电路（如 图图9-11(a)）。其等效电路如图）。其等效电路如图9-11（b）所示。）所示。 l它综合了它综合了MOS场效应晶体管（场效应晶体管（MOSFET）和双）和双 极晶体管（极晶体管（GTR）的优点，因此，逐步取代了）的优点，因此，逐步取代了 MOSFET和和GTR的单独使用。的单独使用。IGBT具有输入阻具有输入阻 抗高，开关速度快，工作电压高，承受电流大，抗高，开关速度快，工作电压高

12、，承受电流大， 驱动电路简单，功率大等优点。驱动电路简单，功率大等优点。 4）静电感应晶体管（）静电感应晶体管（SIT） l静电感应晶体管（静电感应晶体管（Static Induction Transistor） 是一种多子导电的器件，它实际上是一种结型是一种多子导电的器件，它实际上是一种结型 场效应晶体管。将用于信息处理的小功率场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器器 件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制 成大功率的成大功率的SIT器件。其符号如图器件。其符号如图9-13所示，三所示，三 个引出极分别为源极个引出极分别为源极S、漏极、漏极D和

13、栅极和栅极G。在栅。在栅 极信号时，源极和漏极之间的极信号时，源极和漏极之间的N型半导体是很型半导体是很 宽的垂直导电沟道，因此宽的垂直导电沟道，因此SIT称为正常导通型器称为正常导通型器 件。在栅源极加负电压信号时，件。在栅源极加负电压信号时，P型和型和N型层之型层之 间的间的PN结受反向电压形成了耗尽层，耗尽层不结受反向电压形成了耗尽层，耗尽层不 导电，如果反向电压足够高耗尽层很宽，垂直导电，如果反向电压足够高耗尽层很宽，垂直 导电沟道将被夹断使导电沟道将被夹断使SIT关断。关断。 5）静电感应晶闸管（）静电感应晶闸管（SITH） l静电感应晶闸管（静电感应晶闸管（Static Induc

14、tion Thyristor）是在）是在SIT的漏极层上附加一层的漏极层上附加一层 与漏极层导电类型不同的发射极层而得到与漏极层导电类型不同的发射极层而得到 的，可以看作是的，可以看作是SIT和和GTO复合而成。复合而成。 6）MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT） lMOS控制晶闸管（控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor）是将）是将MOSFET与晶闸管组合与晶闸管组合 而成的复合型器件。其电气图形符号如图而成的复合型器件。其电气图形符号如图 9-15所示。所示。MCT集集MOSFET的高输入阻的高输入阻 抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸抗、低驱动功率、快速的开关过

15、程和晶闸 管的高电压大电流、低导通压降的特点于管的高电压大电流、低导通压降的特点于 一身，具有高电压、大电流、高载流密度、一身，具有高电压、大电流、高载流密度、 低通态压降、开关损耗小的特点。低通态压降、开关损耗小的特点。 7）集成门换流晶闸管（）集成门换流晶闸管（IGCT） l集成门换流晶闸管（集成门换流晶闸管（Integrated Gate- Commutated Thyristor）是把可关断晶）是把可关断晶 闸管闸管GTO芯片与反并联二极管和门极驱芯片与反并联二极管和门极驱 动电路集成在一起，再将其门极驱动器在动电路集成在一起，再将其门极驱动器在 外围以低电感方式连接环状的门电极。外围

16、以低电感方式连接环状的门电极。 lIGCT是是20世纪世纪90年代后期出现的新型电年代后期出现的新型电 力电子器件，又称为发射极关断晶闸管力电子器件，又称为发射极关断晶闸管 ETO。它具有电流大、电压高、开关频率。它具有电流大、电压高、开关频率 较高、结构紧凑、可靠性高、损耗低、成较高、结构紧凑、可靠性高、损耗低、成 本低、成品率较高等特点。本低、成品率较高等特点。 8）集成功率模块）集成功率模块 l智能功率模块（智能功率模块（Intelligent Power Module, IPM）把功率开关器件与驱动电）把功率开关器件与驱动电 路集成在一起。路集成在一起。IPM就是就是IGBT芯片、驱芯

17、片、驱 动器、全面的传感保护以及自动识别系统动器、全面的传感保护以及自动识别系统 的集合。在变频器中相对成为一个小的独的集合。在变频器中相对成为一个小的独 立系统，这个系统所能完成的功能相当于立系统，这个系统所能完成的功能相当于 一个功率变换核心所做的全部工作。一个功率变换核心所做的全部工作。 l由于由于IPM工作频率高，电流、电压容量都工作频率高，电流、电压容量都 很大，目前，很大，目前，IPM正以强大的功能和较高正以强大的功能和较高 的可靠性赢得越来越广泛的市场。的可靠性赢得越来越广泛的市场。 9.2 电力半导体器件的驱动电路电力半导体器件的驱动电路 l电力电子器件的驱动是通过控制极加一定

18、电力电子器件的驱动是通过控制极加一定 的信号使器件导通或关断，产生驱动信号的信号使器件导通或关断，产生驱动信号 的电路称为驱动电路。驱动电路是主电路的电路称为驱动电路。驱动电路是主电路 和控制电路之间的接口，良好的驱动电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路 可使器件工作在较理想的开关状态，缩短可使器件工作在较理想的开关状态，缩短 开关时间，减小开关损耗，提高装置的运开关时间，减小开关损耗，提高装置的运 行效率。此外，器件的保护通常也通过驱行效率。此外，器件的保护通常也通过驱 动电路来实现。动电路来实现。 9.2.1 半控型电力半导体器件的半控型电力半导体器件的 驱动电路驱动电路 l晶闸管采用

19、脉冲触发，其门极触发脉冲电流的理想波形晶闸管采用脉冲触发，其门极触发脉冲电流的理想波形 如图如图9-18所示。晶闸管的驱动电路常称为触发电路，它所示。晶闸管的驱动电路常称为触发电路，它 包括触发脉冲的放大和输出环节。常见的晶闸管触发电包括触发脉冲的放大和输出环节。常见的晶闸管触发电 路如图路如图9-19所示。其脉冲放大环节由所示。其脉冲放大环节由V1、V2构成，脉构成，脉 冲输出环节是由脉冲变压器冲输出环节是由脉冲变压器TM和附属电路构成的。当和附属电路构成的。当 V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴 极之间输出触发脉冲。极之间输出触发脉冲

20、。VD1和和R3是为了使是为了使V1、V2由导由导 通变为截止时脉冲变压器通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。释放其储存的能量而设的。 为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需添加其他为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需添加其他 电路环节。强触发是为了加快晶闸管的导通速度，普通电路环节。强触发是为了加快晶闸管的导通速度，普通 要求时也可以不需要强触发。要求时也可以不需要强触发。 9.2.2 全控型电力半导体器件的全控型电力半导体器件的 驱动电路驱动电路 l1、电流驱动型器件的驱动电路、电流驱动型器件的驱动电路 lGTR是电流驱动型器件。电流驱动型器件对触发脉冲前是电流驱动型器

21、件。电流驱动型器件对触发脉冲前 沿幅值和陡度要求高，整个导通期间都要施加正门极电沿幅值和陡度要求高，整个导通期间都要施加正门极电 流，关断时施加负向电压，减小关断时间。理想的流，关断时施加负向电压，减小关断时间。理想的GTR 基极驱动电流波形如下图所示。基极驱动电流波形如下图所示。 2、电压驱动型器件的驱动电路、电压驱动型器件的驱动电路 l电力电力MOSFET和和IGBT是电压驱动型器件。电压驱动型是电压驱动型器件。电压驱动型 器件的栅源极之间具有极间电容，为快速建立驱动电压，器件的栅源极之间具有极间电容，为快速建立驱动电压， 要求驱动电路具有较小的输出电阻；通常在栅极串入低要求驱动电路具有较

22、小的输出电阻；通常在栅极串入低 值电阻有利于降低寄生振荡，关断时施加负压有利于减值电阻有利于降低寄生振荡，关断时施加负压有利于减 小关断时间和关断损耗。小关断时间和关断损耗。 9.3.1 直流斩波电路直流斩波电路 l直流斩波电路（直流斩波电路（DC Chopper）是将一个恒定）是将一个恒定 的直流电压变换成另一个固定的或可调的直流的直流电压变换成另一个固定的或可调的直流 电压，也称直流断续器、调压器或电压，也称直流断续器、调压器或DC/DC变换变换 电路。电路。 l直流斩波电路（直流斩波电路（DC Chopper）一般是指直接）一般是指直接 将直流变成直流的情况，不包括直流将直流变成直流的情

23、况，不包括直流-交流交流-直流直流 的情况；直流斩波电路的种类很多，包括：降的情况；直流斩波电路的种类很多，包括：降 压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路， Cuk斩波电路，斩波电路，Sepic斩波电路，斩波电路，Zeta斩波电路，斩波电路， 其中前两种是最基本的电路，将对其重点介绍。其中前两种是最基本的电路，将对其重点介绍。 下面本节主要介绍直流降压、升压斩波电路。下面本节主要介绍直流降压、升压斩波电路。 9.3.2 交流调压电路交流调压电路 l把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中， 通过对晶闸管的控制就可以

24、控制交流电力，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力， 这种电路不改变交流电的频率，称为交流这种电路不改变交流电的频率，称为交流 电力控制电路。在每半个周波内通过对晶电力控制电路。在每半个周波内通过对晶 闸管开通相位的控制，可以方便地调节输闸管开通相位的控制，可以方便地调节输 出电压的有效值，这种电路称为交流调压出电压的有效值，这种电路称为交流调压 电路。电路。 9.4 逆变电路逆变电路 l逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆变是把直流电转变成交流电，是整流的 逆过程。逆变电路是把直流电逆变成交流逆过程。逆变电路是把直流电逆变成交流 电的电路。逆变按照负载的性质，分为有电的电路。逆变按照负载的性质，分为有 源逆变和无源逆变。本节介绍有源逆变和源逆变和无源逆变。本节介绍有源逆变和 无源逆变电路的工作原理，重点介绍无源无源逆变电路的工作原理，重点介绍无源 逆变。有源逆变介绍以晶闸管为开关元件逆变。有源逆变介绍以晶闸管为开关元件 的相控方式。无源逆变主要介绍以可关断的相控方式。无源逆变主要介绍以可关断 器件构成的器件构成