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1、第第9章章 电力电子技术电力电子技术 9.1电力半导体器件电力半导体器件 常用的电力半导体器件按控制方式来 分类： n不可控器件 n半可控器件 n全可控器件。 不可控器件 n整流二极管 n快速恢复二极管 n肖特基二极管 半可控器件 n普通晶闸管 n高频晶闸管 n双向晶闸管 n光控晶闸管 全可控器件 n功率晶体管（BJT） n功率场效应管（Power MOSFET） n绝缘栅双极型晶体管（IGBT） n静电感应晶体管（SFT） n可关断晶闸管（GTO） n静电感应晶闸管（SITH） 9.1.1 晶闸管 n晶闸管（thyristor）是硅晶体闸 流管的简称，是一种大功率半可 控元件，俗称可控硅（s

2、ilicon controlled rectifier，简称SCR）。 晶闸管的出现起到了弱电控制与 强电输出之间的桥梁作用 。 晶闸管的结构 n晶闸管是三端（阳极A、阴极K、门极G） 四层半导体开关器件 A A G G K K N2 P2 N1 P1 晶闸管的工作原理 正反 反正 Q2 Q1 EA EG EL K G A RRP 图9-2 晶闸管的导通关断实验电路 n（1）晶闸管的导通条件。在晶闸管的阳极和 阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极同 也加正向电压，两者缺一不可。 n（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用， 因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。晶 闸管从阻断变为导通的过程称

3、为触发导通。 n（3）晶闸管的关断条件。使流过晶闸管的阳 极电流小于维持电流IH。维持电流IH是保持晶 闸管导通的最小电流。 N P N P N P IB 2IG IC 1 IC 0 IK IC 2 EG V1 G A IA EA E L K 图9-3 晶闸管工作原理示意图 晶闸管的伏安特性 O IH IG=0 UR0URSMURRM UDSMUDRMUB1UB2 IG2IG1 UB0 IA UA 图9-4 晶闸管的阳极伏安特性 晶闸管的主要参数 n（1）额定电压UR n通常按照电路中晶闸管正常工作峰值电压的 23倍的电压值选定为晶闸管的额定电压，以 确保用电安全。 n（2）通态峰值电压UTM

4、 规定为额定电流时的 管压降峰值，一般为1.52.5V，且随阳极电 流的增大而略微增加。额定电流时的通态平均 电压降一般为1V左右。 n（3）额定电流IR 在环境温度不大于40和标 准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连 续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内） 的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额 定电流。 n（4）浪涌电流ITSM 晶闸管在规定的极短时间 内所允许通过的冲击电流值，通常ITSM比额定 电流IR大4倍。例如额定电流为100A的元件， 其值为（1.31.9）kA。 n（5）维持电流IH 在规定的环境温度和控制极 断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持 电流IH，一般为

5、几十mA一百多mA， n（6）擎住电流IL晶闸管在触发电流作用下被触 发导通后，只要晶闸管中的电流达到某一临界 值时，就可以把触发电流撤除，这时晶闸管仍 自动维持通态，这个临界电流值称为擎住电流 IL。通常擎住电流IL要比维持电流IH大24倍。 9.1.2 其它电力半导体器件 n1. 双向晶闸管（TRIAC） n双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似， 可直接工作于交流电源，其控制极对于 电源的两个半周均有触发控制作用，即 双方向均可由控制极触发导通，它相当 于两只普通的晶闸管反并联，故称为双 向晶闸管或交流晶闸管。 T2 G G G T1 T2 T1 图9-5 双向晶闸管电路符号与等效电路 2.

6、可关断晶闸管（GTO） A A G G K K N2 P2 N1 P1 图9-6 GTO的结构与电路符号 3. 电力晶体管（GTR） n电力晶体管是一种双极性大功率高反压晶体管， 可在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为 电力晶体管，也称功率晶体管或巨型晶体管， 简称GTR。GTR大多采用NPN型。电力晶体管 在应用中多数作为功率开关使用，主要要求其 有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增 益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。当 GTR饱和导通时，其正向压降为（0.30.8）V， 而晶闸管一般为1V左右。 4. 电力场效应晶体管（电力 MOSFET） n场效应管有三个电极，栅极G、漏极D和

7、 源极S。由栅极控制漏极和源极之间的等 效电阻，使场效应管处于截止或导通状 态。场效应管可分为结型场效应管和绝 缘栅型场效应管两大类。 UG S G D S UD S ID RLRL ID UD S UG S S G D P 导 电 沟 道 绝 缘 层 S iO2 绝 缘 层 S iO2 N2 N1 G S S D G (a)结构 (b)N沟道 (c)P沟道 图9-7 MOSFET基本结构、图形符号及外接电路 5. 绝缘栅双极晶体管（IGBT） nIGBT从结构上可以看做是一种复合器件， 图形符号和内部结构等效电路如图9-8所 示。其输入控制部分为MOSFET，输出级 为双极结型三极晶体管，因

8、此兼有 MOSFET和GTR的优点，即高输入阻抗、 电压控制、驱动功率小、开关速度快、 工作频率高、饱和压降低、电压电流容 量较大、安全工作区域宽等特点。 ES T2 T1 ic R Rdr RG EG A B C G E E C G （a）结构 （b）等效电路 图9-8 IGBT符号及内部结构等效电路 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 n9.2.1 半控型电力半导体器件的驱动电路 对于触发电路的要求如下： （1）为了使器件可靠地被触发导通，触发脉 冲的数值必须大于门极触发电压UCT和门极触发 电流ICT，即具有足够的触发功率。但其数值又必 须小于门极正向峰值电压UCM和

9、门极正向峰值电 流ICM以防止晶闸管门极的损坏。 （2）为了保证控制的规律性，各晶闸管的触 发电压与其主电压之间具有较严格的相位关系， 即保持同步。 n（3）为了实现变流电路输出的电压连续可调， 触发脉冲应能在一定的范围进行移相。例如， 单相全控桥电阻负载要求触发脉冲移相范围为 180；而三相全控桥电感性负载（不接续流 管时）要求触发脉冲的移相范围是90。 n（4）多数晶闸管电路还要求触发脉冲的前沿 要陡，以实现精确的触发导通控制。当负载为 电感性时，晶闸管的触发脉冲必须具有一定的 宽度，以保证晶闸管的电流上升到擎住电流以 上，使器件可靠导通。 a）正弦波 b）尖脉冲 c）方脉冲 d）强触发脉

10、冲 e）脉冲列 图9-9 常见的触发脉冲电压波形 1. 单结晶体管的结构和特性 Rb1 Rb2 Ie Ubb Ue e A VD e b b2 P区 N b2 b b2 b （a）结构 （b） 等效电路 （c）图形符号 图9-10 单结晶体管 =常 数Ubb mAIe Ue IvIp Up Uv P V O V 谷 点 峰 点 负 阻 区饱 和 区截 止 区 图9-11单结晶体管的特性曲线 2. 单结晶体管的自振荡电路 b1 b2 e S uc uo UP UV uc uo o o t t R2 R R1 C E （a）电路图 （b）波形图 图9-12 单结晶体管的自振荡电路 3. 单结晶体管

11、触发电路 T i uD us b1 b2 e uC V2V1 V T2V T1 uR A V R1 R2 R C 图9-13 单相半控桥式整流电路的触发电路 9.2.2 全控型电力半导体器件的驱动电路 n驱动电路的具体形式可以是分立器件构 成的驱动电路，但目前的趋势是采用专 用的集成驱动电路，而且为达到参数最 佳配合，应首先选择使用电力电子器件 的生产厂家专门为其器件开发的集成驱 动电路。 1. 电流驱动型器件的驱动电路 nGTO的门极控制电路包括开通电路、关 断电路和反偏电路。GTO的触发导通过 程与普通晶闸管相似，而关断则不同， 门极控制技术关键在于关断。影响关断 的因素主要有：被关断的阳

12、极电流、负 载阻抗的性质、工作频率、缓冲电路、 关断控制信号波形及温度等。 GTO L V3 V2 V1 R4 R3 R2 R1 C4 C3C1 C2VD3 VD2 VD1 VD4 N3 N2 N1 图9-14 典型的直接耦合式GTO驱动电路 2. 电压驱动型器件的驱动电路 S D MOSFET 20V 20V G UCC RG +UCC V3 V2AV1B ui 图9-15 电力MOSFET的一种驱动电路 9.3晶闸管调压电路晶闸管调压电路 n9.3.1 直流斩波电路 1直流斩波器的工作原理 - + Udu V T1 L V DREUd u t T Uav tontoff D （a）原理电路

13、 （b）斩波后的输出电压 图9-16晶闸管直流斩波器 2斩波器电路 n（a）原理电路 （b）波形图 n图 9-17 斩波电路及其波形 T ug 2ug 1ug 2ug 1 t t O O u ud V T2 R + C Rf z V T1 ud _ E + t1 9.3.2 交流调压电路 n9.3.2.1 单相交流调压电路 图9-18 单相交流调压电路的基本形式 1电阻性负载 uG 1uG 2uG 1 t O uT io O t t O uo uG O t t O ui ui uT uo io V T2 V T1 R （a）原理电路 （b）波形图 图9-19电阻性负载 2. 电感性负载 n图9

14、-20 电感性负载原理电路 Z R u R L i VT2 VT1 u2 L u O O O i u2,ug ug1ug2 u O O O i u2,ug ug1ug2ug2ug1 u2,ug i O O O u 图9-21电感性负载波形图 n单相交流调压有如下特点： n（1）电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整 流交流侧电流一致。改变触发控制角可以连续改变负 载电压的有效值，达到交流调压的目的。 n（2）电感性负载时，不能用窄脉冲触发。否则当 时，会出现一个晶闸管无法导通，并产生很大直流 分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。 n（3）电感性负载时，最小触发控制角=。所以的 移相范围为0180

15、；电阻负载时移相范围为 0180。 A B C (b) (c) A B C (e) C B A (f) A B C (d) (a) A B C O A B C 图9-22 三相交流调压电路的基本形式 9.4逆变电路逆变电路 整流是把交流电变换成直流电供给负载，而 逆变就是整流的逆过程，也就是将直流电转换成 交流电的过程。在许多场合，同一套晶闸管或其 他可控电力电子变流电路既可作整流又可作逆变， 这种装置称为变流装置或变流器。根据逆变输出 交流电能去向的不同，又可将逆变电路分为有源 逆变和无源逆变。有源逆变是以电网为负载，将 逆变输出的交流电能回送到电网。无源逆变是以 用电器为负载，如交流电机、

16、电炉等。 n1整流状态 （02） 9.4.1 有源逆变电路 tO u2 Ud E ud u2 E R ud Id Ld M N P V T4V T3 V T2V T1 图9-23 整流工作状态 n2逆变状态 （2） tO u2 Ud E ud u2 E R ud Id Ld M N P V T4V T3 V T2V T1 图9-24 逆变工作状态 9.4.2 无源逆变电路 n1逆变器的工作原理 t T E uo uo R Q3Q4 Q2Q1 E （a）原理电路 （b）波形图 图9-25 逆变器工作原理 n换相方式主要有以下几种。 n（1）器件换相 使用全控器件，可以用控制极信号使 其关断，换相

17、控制就会更加简单。 n（2）电网换相 可控整流电路和三相交流调压电路， 无论其工作在整流状态还是有源逆变状态，都是借助 于电网电压实现换相的，都属于电网换相。在换相时， 只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使 其关断。 n（3）负载换相 凡是负载电流的相位超前于负载电压 的场合，都可以实现负载换相。 n （4）强迫换相 设置附加的换相电路，给欲关断的晶 闸管强迫施加反向电压或反向电流的换相方式称为强 迫换相。 t t t t t1 uVT4uVT1 io uo uVT iVT3iVT2 i iVT4iVT1 i O O O O uo,io _ + RL C Ld uo id io Ud

18、 VT3 VT4VT2 VT1 （a）原理电路 （b）波形图 图9-26 负载换相电路及波形 + 负 载 V TV D C Q LL 负 载 Q + C V DV T 负 载 C + Q V T 图9-27 强迫换相电路 2基本逆变器电路 n（1）半桥逆变电路 t5t6 t3t4 t2t1 V2 V1 V2 V1 VD2VD1VD2VD1 Um Um io uo O t t O LR uo io C1 C2 Ud 2 2 Ud Ud V2 V1 VD2 VD1 （a）原理电路 （b）波形图 图9-28 半桥逆变电路 （2）全桥逆变电路 t3 t2 t1 io uo O t t O O t t

19、O u , i uG4 uG3 uG2 uG1 O t uo , io LR Ud V3VD3 VD4V4V2VD2 VD1V1 （a）原理电路 （b）波形图 图9-29 全桥逆变电路及波形 9.5脉宽调制控制脉宽调制控制 n9.5.1 SPWM控制的基本原理 O O u u t t 图9-30 用PWM波代替正弦半波 脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，简称 PWM）控制技术，是通过对 一系列脉冲的宽度进行调制， 来等效地获得所需要波形 （含形状和幅值） 载波 信号波 调制 电路 uc ur C Ud uo LR VD3 VD4VD2 VD1 V2 V4 V3V1 图

20、9-31 单相桥式SPWM逆变电路图 n图9-31 单相桥式SPWM逆变电路图 载波 信号波 调制 电路 uc ur C Ud uo LR VD3 VD4VD2 VD1 V2 V4 V3V1 UD UD O uo f uo uo t t ur uc O u 图9-32 单极性SPWM控制原理 n图9-33双极性SPWM控制原理 UD UD O uof uo uo t t ur uc O u 9.5.2 三相桥式SPWM逆变电路 V1 VD1VD3 V3 VD5 V5 V2 VD2 V6 VD6VD4 V4 U V W Z N C C N Ud 2 2 Ud urU urV urW 调制 电路 图9-34 三相SPWM逆变电路 3 Ud 3 2 Ud uU N uU V Ud Ud uW N Ud 2 Ud 2 2 2 Ud Ud uV N uU N Ud 2 2 Ud ucur Uur Vur W u O t t O O t t O O t t O 图9-35 三相SPWM逆变电路波形图 9.5.3 PWM逆变电路的控制方式 n在PWM逆变电路中，载波频率fc与调制 信号频率fr之比m = fcfr称