电气工程概论-第三章(修改)

1、电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术第三章第三章 电力电子技术电力电子技术v电力电子技术：使用电力电子技术：使用电力电子器件电力电子器件对对电能电能进行进行变变换和控制换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。的技术，即应用于电力领域的电子技术。v1974年，美国的W. Newell用倒三角对电力电子技术进行了描述，被全世界普遍接受。都分为都分为器件器件和和应用应用两大分支。两大分支。器件器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。应用应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。信息电子

2、电路的器件可工作在开关状态，也可工作在信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态（电力电电力电子电路的器件一般只工作在开关状态（电力电子技术的重要特征）。子技术的重要特征）。二者同根同源。二者同根同源。电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术控制理论广泛用于电力电子系统中。电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的接口；控制理论是实现这种接口的有力纽带。电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子

3、技术第三章电力电子技术电力电子技术特点： 弱电控制强电的学科交叉技术；所涉及的学科广泛，包括：基础理论（固体物理、电磁学、电路理论）、专业理论（电力系统、电子学、传热学、系统与控制、电机学及电力传动、通信理论、信号处理、微电子技术）以及专门技术（电磁测量、计算机仿真、CAD）等。 传送能量的模拟-数字-模拟转换技术； 多学科知识的综合设计技术。电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术第一节 功率半导体器件一、概述二、大功率二极管三、晶闸管四、功率场效应晶体管五、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）六、功率模块与功率集成电路七、功率半导体器件的保护第二节 电力变换技术一、换流概念

4、和变流器的分类二、相控调压电路(单相交流调压)三、可控整流电路(分单相半波、三相半波及桥式两次讲)四、有源逆变电路五、二组晶闸管整流器反并联可逆电路六、交-交直接变频器(正弦波单相交-交变频)七、单象限直流电压变换电路(直流降压变换)八、二相限直流电压变换器九、四象限直流电压变换器十、直流电压变换器的控制方式(时间比控制方式)十一、逆变电路(电压型单相半桥逆变)十二、逆变器的多重化十三、正弦脉宽调制技术（SPWM技术）电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术一、概述一、概述（一）功率半导体器件的功能（一）功率半

5、导体器件的功能图图3-13-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压或频率等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从输出端送至输入端。输出端送至输入端。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：功率半导

6、体器件作为功率开关，其工作特点如下：1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。）功率半导体器件通常都处于在开关状态。2）设计功率变换器时要考虑器件的散热。功率半导体器件）设计功率变换器时要考虑器件的散热。功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过程中由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。开关损耗。3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。功率半导体器件

7、应该是能承受高电压、大电流的器件。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件理想的功率半导体器件的特性：理想的功率半导体器件的特性：1）在阻断状态，能承受高电压；）在阻断状态，能承受高电压；2）在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；）在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；3）在开关状态，转换时间短，能承受高的）在开关状态，转换时间短，能承受高的di/dt和和du/dt；4）具有全控功能，可以通过电信号来控制器件的通断。）具有全控功能，可以通过电信号来控制器件的通断。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）功率半导体器件的发展（二）功率

8、半导体器件的发展功率半导体器件的发展经历了以下阶段：功率半导体器件的发展经历了以下阶段：u大功率二极管产生于大功率二极管产生于2020世纪世纪4040年代，是功率半导体器件中结构最简年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。单、使用最广泛的一种器件。u19571957年第一只晶闸管年第一只晶闸管也称可控硅也称可控硅(SCR)(SCR)问世后，因此问世后，因此, ,自自2020世纪世纪6060年代开始进入了晶闸管时代（无自关断能力的半控器件）。年代开始进入了晶闸管时代（无自关断能力的半控器件）。u2020世纪世纪7070年代，出现了自关断器件，如门极可关断晶闸管、大功率年代，出现

9、了自关断器件，如门极可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。双极型晶体管、功率场效应晶体管等。u2020世纪世纪8080年代，出现了场控半导体器件，以绝缘栅双极型晶体管为年代，出现了场控半导体器件，以绝缘栅双极型晶体管为典型代表。典型代表。u现已经出现了第四代电力电子器件现已经出现了第四代电力电子器件集成功率半导体器件，它将集成功率半导体器件，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，从而功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景。开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔的应用前景。电气工程概论

10、电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件图图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围示出了各种功率半导体器件的工作范围电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件SCR：可控硅整流器（晶：可控硅整流器（晶闸管）闸管）GTO：门极可关断晶闸：门极可关断晶闸管管BJT：大功率双极型晶体：大功率双极型晶体管管MCT：MOS控制晶闸管控制晶闸管IGBT：绝缘栅极双极型：绝缘栅极双极型晶体管晶体管MOSFET：功率场效应：功率场效应晶体管晶体管半控型器件（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。如晶闸管及其大部分派生器件l全控型器件全控型

11、器件 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。GTO，MOSFET，IGBT不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。如电力二极管按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：（三）功率半导体器件的分类（三）功率半导体器件的分类电流驱动型电流驱动型 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。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电关断的控制。这类电力电子器件称为电流驱动型电力电子器件或电流控制型电力电子器件子器件或电流控制型

12、电力电子器件。如晶闸管，。如晶闸管，GTOGTO，MCTMCT，IGCTIGCT。电压驱动型电压驱动型 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。这类电力电子器件称号就可实现导通或者关断的控制。这类电力电子器件称为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。为电压驱动型电力电子器件或电压控制型电力电子器件。也称为场控器件或场效应器件。也称为场控器件或场效应器件。如如MOSFETMOSFET，IGBTIGBT 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：单极性器件（单极性器件（MOSFET，SIT

13、） 有一种载流子参与导电。双极性器件（电力二极管，晶闸管，双极性器件（电力二极管，晶闸管，GTO，GTR，SITH，），） 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件（复合型器件（IGBT，MCT，IGCT） 由单极性器件和双极性器件集成混合而成的器件 按照载流子参与导电的情况，分为三类：按照载流子参与导电的情况，分为三类：二、大功率二极管二、大功率二极管大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路的续流、电压源型逆变电路等场合均得到广泛使用。的续流、电压源型逆变电路等场合均得到广泛使用。（一）大功率二极管的结构（一）大功率二

14、极管的结构大功率二极管的内部结构是一个大功率二极管的内部结构是一个PN结，其符号如图结，其符号如图3-3(a)所示。所示。一般情况下，一般情况下，200A以下的管芯采用螺旋式以下的管芯采用螺旋式(图图3-3(b) )，以上则采，以上则采用平板式用平板式(图图3-3(c) )。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）大功率二极管的特性（二）大功率二极管的特性1.大功率二极管的伏安特性大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压二极管阳极和阴极间的电压Uak与阳极电流与阳极电流ia 间的关系称为伏安间的关系称为伏安特性，如图特性，如图3-4所示，忽略通态压降和反向漏电

15、流的理想伏安特所示，忽略通态压降和反向漏电流的理想伏安特性如图性如图3-4(b)所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2. 大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管的开通、关断特性图图3-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件图图3-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时间必须考虑。间必须考虑。电

16、气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件 低频整流电路中，一般不考虑大功率二极管的动态过程。低频整流电路中，一般不考虑大功率二极管的动态过程。 在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的应用在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的应用场合，必须考虑大功率二极管的动态过程。场合，必须考虑大功率二极管的动态过程。 电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件常用的二极管有三种常用的二极管有三种:普通二极管（反向恢复时间：普通二极管（反向恢复时间：25s）快速恢复二极管：反向恢复的电流小且恢复时间很短快速恢复二极管：反向恢复的电流小且恢复时间很短（20

17、0500ns）肖特基二极管：几乎没有反向恢复时间。肖特基二极管：几乎没有反向恢复时间。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。三、晶闸管三、晶闸管(thyristor，或，或SCR：silicon controlled rectifier) 晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装

18、置中仍占主导地位。主导地位。（一）晶闸管的结构（一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，结构如图晶闸管是大功率的半导体器件，结构如图3-7及图及图3-8所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）晶闸管的静态特性（二）晶闸管的静态特性 晶闸管内部结构上有三个晶闸管内部结构上有三个PN结。当阳极电源使晶闸管阳极电位高于阴结。当阳极电源使晶闸管阳极电位高于阴极电位时，晶闸管承受正向阳极电压，反之承受反向阳极电压。当门极控极电位时，晶闸管承受正向阳极电压，反之承受反向阳极电压。当门极控制电源使晶闸管门极电位高于阴极电位时，晶闸管为正向门极电压，反之制电源使晶

19、闸管门极电位高于阴极电位时，晶闸管为正向门极电压，反之承受反向门极电压。承受反向门极电压。 通过理论分析和实验验证表明：通过理论分析和实验验证表明：1)只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。两者不可缺一。2)晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度的

20、正向脉冲电压，称之为但必须是一个具有一定宽度和幅度的正向脉冲电压，称之为。3)要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到维持电流(约几十毫安约几十毫安)之下，通常通过降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。之下，通常通过降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件 晶闸管的静态特性即阳极伏安特性，表示晶闸管阳极与阴极晶闸管的静态特性即阳极伏安特性，表示晶闸管阳极与阴极之间的电压之间的电压Uak与阳极电流与阳极电流ia 之间的关系曲线，如图之间的关系曲线，如图3-9所示

21、。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件 晶闸管的阳极伏安特性可以划分为两个区域，第晶闸管的阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I象限为正向特性区，象限为正向特性区，第第III象限为反向特性区。象限为反向特性区。 第第I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。u正向阻断状态随着不同的门极电流，正向阻断状态随着不同的门极电流，Ig大小呈现不同的分支。大小呈现不同的分支。u正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很大的阳极电流

22、而管子本身只承受约大的阳极电流而管子本身只承受约1V左右的管压降，特性曲线靠近并几乎左右的管压降，特性曲线靠近并几乎平行于纵轴。平行于纵轴。 晶闸管在第晶闸管在第III象限的反向特性与二极管的反向特性类似。象限的反向特性与二极管的反向特性类似。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2. 动态特性动态特性（1）开通特性）开通特性：晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。（2）关断特性：）关断特性：晶闸管由导通转为截止的过程为关断过程。晶闸管由导通转为截止的过程为关断过程。普通晶闸管的关断时间为几百微秒。普通晶闸管的关断时间为几百微秒。电

23、气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（三）晶闸管的主要参数（三）晶闸管的主要参数1. 电压参数电压参数（1）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压UDRM 门极开路，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的门极开路，从晶闸管阳极伏安特性正向阻断高阻区漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称为断态不重复峰值电压拐弯处所决定的电压称为断态不重复峰值电压UDSM。取断态不重复峰值电。取断态不重复峰值电压压UDSM的的90定义为断态重复峰值电压定义为断态重复峰值电压UDRM，“重复重复”表示每秒表示每秒50次、每次、每次持续时间不大于次持续时间不大于10ms。电气工程概论电气

24、工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（三）晶闸管的主要参数（三）晶闸管的主要参数1. 电压参数电压参数电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM 门极开路，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长门极开路，从晶闸管阳极伏安特性反向阻断高阻区反向漏电流急剧增长的拐弯处所决定的电压称为反向不重复电压的拐弯处所决定的电压称为反向不重复电压URSM。取反向不重复峰值电压。取反向不重复峰值电压URSM的的90为定义为反向重复峰值电压为定义为反向重复峰值电压URRM。（3）晶闸管的额定电压）晶闸管的额定电压UR 取取

25、UDRM和和URRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上做为晶闸管的额定电压级上做为晶闸管的额定电压UR。为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时。为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值应使其额定电压为正常工作电压峰值UTM的的23倍，以作安全余量。倍，以作安全余量。（三）晶闸管的主要参数（三）晶闸管的主要参数电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2. 电流参数电流参数（1）通态平均电流）通态平均电流IT(AV) 选用晶闸管时应根据选用晶闸管时应根据有效电流相等有效电流相等的原则来

26、确定晶闸管的额定电流。选用的原则来确定晶闸管的额定电流。选用晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流IT(AV)应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的1.52倍。倍。（2）维持电流）维持电流IH 维持电流维持电流IH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。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。（3）擎住电流）擎住电流IL 晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流通所需的最小阳极电流称为擎住电流IL。一

27、般擎住电流比维持电流大。一般擎住电流比维持电流大24倍。倍。3. 其它参数其它参数（1）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率称为断态电压临界上升率升率称为断态电压临界上升率du/dt。实际使用中，必须要求晶闸管断态下。实际使用中，必须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于此值。阳极电压的上升速度要低于此值。（2）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率di/dt 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt是指在规定的条件下，晶闸管由门极进行触是指在规定的

28、条件下，晶闸管由门极进行触发导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。应用发导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。应用时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（四）晶闸管的派生器件（四）晶闸管的派生器件 快速晶闸管快速晶闸管(FSI) 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC) 逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT) 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO) 光控晶闸管光控晶闸管(LTT)（五）晶闸管的驱动（五）晶闸管的驱动1. 晶闸管触发电路的基本要求：

29、晶闸管触发电路的基本要求：1）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。2）为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲。）为使并联晶闸管元件能同时导通，触发电路应能产生强触发脉冲。3）触发脉冲应与电源同步，并满足主电路的移相范围要求。）触发脉冲应与电源同步，并满足主电路的移相范围要求。4）隔离输出方式及抗干扰能力。）隔离输出方式及抗干扰能力。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2 常见的触发电路常见的触发电路图图3-12为常见的触发电路。它由为常见的触发电路。它由2个晶体管构成放大环节、脉冲变压器以及个晶体管构成放大环节、脉冲

30、变压器以及附属电路构成脉冲输出环节组成。当附属电路构成脉冲输出环节组成。当2个晶体管导通时，脉冲变压器副边个晶体管导通时，脉冲变压器副边向晶闸管的门极和阴极之间输出脉冲。脉冲变压器实现了触发电路和主电向晶闸管的门极和阴极之间输出脉冲。脉冲变压器实现了触发电路和主电路之间的电气隔离。脉冲变压器原边并接的电阻和二极管是为了脉冲变压路之间的电气隔离。脉冲变压器原边并接的电阻和二极管是为了脉冲变压器释放能量而设的。器释放能量而设的。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件四、功率场效应晶体管四、功率场效应晶体管功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达功率场效

31、应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达500kHZ，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，一般只适用小功率的电力电子装置。一般只适用小功率的电力电子装置。（一）结构与工作原理（一）结构与工作原理1. 结构结构功率场效应晶体管一般为功率场效应晶体管一般为N沟道增强型。图沟道增强型。图3-13给出了具有垂直导电双扩给出了具有垂直导电双扩散散MOS结构的结构的VD-MOSFET单元的结构图及电路符号。单元的结构图及电路符号。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件电气工程概论电气工程概论

32、3.1 功率半导体器件功率半导体器件2.工作原理工作原理功率场效应晶体管的三个极分别为栅极功率场效应晶体管的三个极分别为栅极G、漏极、漏极D和源极和源极S。当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，漏源极之间当漏极接正电源，源极接负电源，栅源极间的电压为零时，漏源极之间无电流通过。无电流通过。如在栅源极间加一正电压如在栅源极间加一正电压UGS且大于开启电压时，漏极和源极间开始导电。且大于开启电压时，漏极和源极间开始导电。UGS越大，功率场效应晶体管导电能力越强，越大，功率场效应晶体管导电能力越强，ID 也就越大也就越大。（二）工作特性（二）工作特性1. 静态特性静态特性1）漏极伏安特

33、性。漏极伏安特性也称输出特性，如图）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图3-14(a)所示，可以分所示，可以分为三个区，分别是可调电阻区为三个区，分别是可调电阻区I，饱和区，饱和区II，击穿区，击穿区III。2）转移特性。漏极电流）转移特性。漏极电流ID 与栅源电压与栅源电压UGS反映了输入电压和输出电流的关反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图系，称为转移特性，如图3-14(b)所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件DSu2. 开关特性开关特性图图3-15为元件极间电容的等效电路。器件输入电容在开关过程中需要进行为元件极间电容的等效电路

34、。器件输入电容在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。充、放电，影响了开关速度。功率场效应晶体管的开关过程如图功率场效应晶体管的开关过程如图3-16所示，其中所示，其中UP 为驱动电源信号。为驱动电源信号。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件五、绝缘栅双极型晶体管（五、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）（一）结构与工作原理（一）结构与工作原理1. 结构结构IGBT的结构如图的结构如图3-19(a)，相当于一个用，相当于一个用MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶体管。晶体管。2. 工作原理工作原理IGBT的等效电路如图的等效电路如图3-19(b)，图，图3-1

35、9(c)则是则是IGBT的符号。的符号。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）工作特性（二）工作特性1. 静态特性静态特性IGBT的输出特性及转移特性如图的输出特性及转移特性如图3-20所示。所示。输出特性表达了集电极电流输出特性表达了集电极电流IC与集电极与集电极-发射极间电压发射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。转移特性表示了栅极电压转移特性表示了栅极电压UG对集电极电流对集电极电流IC的控制关系。的控制关系。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2. 动态特性动态特性IGBT的动态特性即开关特性，如图的动态特性即开关特性，如图3-

36、21所示，其开通过程主要由其所示，其开通过程主要由其MOSFET结构决定。结构决定。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术u 变流技术在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的变流技术在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小变换器的大小和重量，提高它们的效率，降低谐波失真和变换器的大小和重量，提高它们的效率，降低谐波失真和成本。成本。u 变流技术可大致分为三代：变流技术可大致分为三代： 第一代是应用二极管和晶闸管

37、，采用不控或半控强迫换流第一代是应用二极管和晶闸管，采用不控或半控强迫换流技术；技术； 第二代主要以应用自关断器件为特征，如功率第二代主要以应用自关断器件为特征，如功率MOSFET、IGBT等；等； 第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特征的。征的。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术v电力变换共有四种类型：交流-直流(AC-DC)变换直流-交流(DC-AC)变换： 有源逆变；无源逆变。交流-交流(AC-AC)变换： 交流电压控制；交-交变频。 直流-直流(DC-DC)变换电气工程概论电气工程概论 3.2 电力

38、变换技术电力变换技术一、换流概念和变流器的分类一、换流概念和变流器的分类（一）换流概念（一）换流概念换流换流是指是指电流从一条支路过渡到另一条支路的过程电流从一条支路过渡到另一条支路的过程，在换流，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。在电力电子技术中，完期间两条支路将短时同时通过电流。在电力电子技术中，完成换流的开关功能是用功率半导体器件来实现的，见图成换流的开关功能是用功率半导体器件来实现的，见图3-29。电流电流I经开关经开关S1在支路在支路1中流过中流过接通开关接通开关S2，换流开始，换流开始(假设假设L足够大足够大) 在在uk的作的作用下，将有一换流电流用下，将有一换流电流ik在支路

39、在支路1和和2之间流动，使支路之间流动，使支路1中的电流减小、支路中的电流减小、支路2中的中的电流增加电流增加当电流当电流i2达到了值达到了值I而电流而电流i1变成零时，开关变成零时，开关S1打开，换流结束打开，换流结束电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术u换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极性的换流电压存在。性的换流电压存在。u如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称之为之为自然换流自然换流。u有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则

40、称之为有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则称之为负载换流。负载换流也属于自然换流。负载换流。负载换流也属于自然换流。u由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提高被关断的电流支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功高被关断的电流支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式称之为称之为强迫换流强迫换流。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术1. 自然换流自然换流在自然换流时，变流器中的电流从支路在自然换

41、流时，变流器中的电流从支路1过渡到支路过渡到支路2是在电网电压或负载是在电网电压或负载电压的干预下完成的。电压的干预下完成的。换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间tu。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术2. 2. 强迫换流强迫换流所渭强迫换流是指借助于电容性储能元件的帮助，或者通过采用有自关断所渭强迫换流

42、是指借助于电容性储能元件的帮助，或者通过采用有自关断能力的半导体器件来实现换流。能力的半导体器件来实现换流。为了能在任意的时间点关断晶闸管中电流，必须采用一个附加的换流支路。为了能在任意的时间点关断晶闸管中电流，必须采用一个附加的换流支路。图图3 33131所示为一个典型的电容换流支路。所示为一个典型的电容换流支路。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术首先主晶闸管首先主晶闸管VT1VT1、通过电流、通过电流I I，由于外回路中的电感，由于外回路中的电感L L足够大，足够大，此电流在换流过程中认为是不变的。设电容此电流在换流过程中认为是不变的。设电容C C预先以图预先以图3

43、 33131（a a）中所示极性被充了电，那么在时间）中所示极性被充了电，那么在时间t t1 1点时，通过触发辅点时，通过触发辅助晶闸管助晶闸管VT1VT1，主晶闸管中的电流就可能被换流到辅助晶闸管，主晶闸管中的电流就可能被换流到辅助晶闸管支路中。这是第一个换流过程，将在时间支路中。这是第一个换流过程，将在时间t t2 2 时结束。时结束。之后，换流电容将在恒定电流之后，换流电容将在恒定电流I I的作用下被反向充电直至时间的作用下被反向充电直至时间t t3 3 点，此时电流点，此时电流I I开始被副支路开始被副支路2 2所接受。副支路常常是一个所接受。副支路常常是一个带续流二极管带续流二极管V

44、D2VD2的续流支路。在时间点的续流支路。在时间点t t4 4 电流电流I I全部从辅助全部从辅助支路换流到续流支路上，支路换流到续流支路上，VT1VT1自动关断，从而完成了第二次换自动关断，从而完成了第二次换流过程。流过程。当主晶闸管再次导通时，换流电容当主晶闸管再次导通时，换流电容C C可通过附加的电感回路可通过附加的电感回路 如图如图3 33131（a a）中虚线所示）中虚线所示 和主晶闸管构成振荡回路，其和主晶闸管构成振荡回路，其上的电压将被回振到主晶闸管下一次被关断所需的电压极性。上的电压将被回振到主晶闸管下一次被关断所需的电压极性。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力

45、变换技术（二）变流器的功能和分类（二）变流器的功能和分类u变流器的基本功能如下：变流器的基本功能如下：1 1）整流：将交流电转换成直流电；）整流：将交流电转换成直流电；2 2）逆变：将直流电变成一定频率和大小的交流电；）逆变：将直流电变成一定频率和大小的交流电；3 3）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电变成大小任意可调的另一直流电；变成大小任意可调的另一直流电；4 4）交流电变换：将大小和频率固定的某交流电变成大小和频）交流电变换：将大小和频率固定的某交流电变成大小和频率可变的交流电。率可变的交流电。u按内部工作方式来分类，变

46、流器分成三大类型：按内部工作方式来分类，变流器分成三大类型：1 1）不出现换流过程的变流器；）不出现换流过程的变流器；2 2）具有自然换流的变流器，其换流电压来自交流电网或负载；）具有自然换流的变流器，其换流电压来自交流电网或负载；3 3）具有强迫换流的变流器，其换流电压来自于辅助支路。）具有强迫换流的变流器，其换流电压来自于辅助支路。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术图图3 33232表明了按内部工作方式的变流器分类，对每一类型还表明了按内部工作方式的变流器分类，对每一类型还给出了有代表性的线路例子。给出了有代表性的线路例子。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换

47、技术电力变换技术二、相控调压电路二、相控调压电路（一）单相交流调压（一）单相交流调压图图3 33333所示为一单相交流调所示为一单相交流调压的基本线路。二个反并联压的基本线路。二个反并联的晶闸管周期性地触发时间的晶闸管周期性地触发时间点，相对于交流电压点，相对于交流电压u u的过零的过零点滞后一个控制角点滞后一个控制角因此半因此半导体开关阻断了电压曲线上导体开关阻断了电压曲线上阴影所示部分。在每次晶闸阴影所示部分。在每次晶闸管触发以后，通过负载的电管触发以后，通过负载的电流立刻跳跃到稳态电流瞬时流立刻跳跃到稳态电流瞬时值上，然后按正弦规律流动值上，然后按正弦规律流动直至零值，所以输出电流波直至

48、零值，所以输出电流波形是缺了一块的正弦交流电。形是缺了一块的正弦交流电。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术图图3 33434表示在不同性质负载时单相交流调压变换器的电流曲线与控制角表示在不同性质负载时单相交流调压变换器的电流曲线与控制角的关系。的关系。在电阻负载时，晶闸管触发以后的电流计算公式为在电阻负载时，晶闸管触发以后的电流计算公式为在电阻、电感混合负载时，电流曲线不再是正弦曲线，可以推得电流表达在电阻、电感混合负载时，电流曲线不再是正弦曲线，可以推得电流表达式为式为其中，其中，为电阻、电感混合负载时的负载相位角，控制角为电阻、电感混合负载时的负载相位角，控制角必须

49、大于必须大于。从从以上三式以上三式可以进一步计算出单相交流电压变换器的控制特性曲线可以进一步计算出单相交流电压变换器的控制特性曲线。图图3 33535画出了不同负载功率因数画出了不同负载功率因数coscos时的控制特性曲线时的控制特性曲线。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术（二）三相交流调压（二）三相交流调压图图3 33636所示，将三对反并联的晶闸管分别接至所示，将三对反并联的晶闸管分别接至Y Y型的三相负载型的三相负载就构成了一个典型的三相交流调压电路

50、。就构成了一个典型的三相交流调压电路。电路应满足以下要求：电路应满足以下要求：1 1）为使三相电流形成通路，要求当一相中有正向晶闸管导通）为使三相电流形成通路，要求当一相中有正向晶闸管导通时，在它的相邻相必须有反向晶闸管导通；时，在它的相邻相必须有反向晶闸管导通；2 2）为保证电路的启动工作和在小导通角情况下的正常运行，）为保证电路的启动工作和在小导通角情况下的正常运行，晶闸管应采用双脉冲或宽脉冲触发；晶闸管应采用双脉冲或宽脉冲触发；3 3）为保证输出电压对称并有相应的控制范围、要求触发信号）为保证输出电压对称并有相应的控制范围、要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。必须与交流电源有

51、一致的相序和相位差。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术u三相交流调压电路带电阻和电感混合负载时，即功率因数角三相交流调压电路带电阻和电感混合负载时，即功率因数角0 0时，分析工作很复杂。由于输出电压与电流存在相位差，时，分析工作很复杂。由于输出电压与电流存在相位差，在线电压或相电压过零瞬间，晶闸管的导电并不停止，负载中在线电压或相电压过零瞬间，晶闸管的导电并不停止，负载中仍有电流流过。此时晶闸管的导通角仍有电流流过。此时晶闸管的导通角不仅与控制角不仅与控制

52、角有关，有关，而且还与负载功率因数角而且还与负载功率因数角有关。如果负载是感应电动机，则有关。如果负载是感应电动机，则功率因数角功率因数角还要随电机运行情况的变化而变化，这更使波形还要随电机运行情况的变化而变化，这更使波形分析复杂化。分析复杂化。u图图3-373-37所示为所示为4040时的实验波形。时的实验波形。相电压、相电流的波形基本上是连续的，并且三相对称，相电相电压、相电流的波形基本上是连续的，并且三相对称，相电流滞后于相电压。在流滞后于相电压。在时刻以后，每隔时刻以后，每隔6060都出现电压波形缺都出现电压波形缺口和电流波形振荡现象，这正好是晶闸管关断时刻。口和电流波形振荡现象，这正

53、好是晶闸管关断时刻。时，因为每一相电路的导通均与时，因为每一相电路的导通均与、有关，很难准确有关，很难准确计算。但从实验波形可知，其电流波形还是符合单相电感性负计算。但从实验波形可知，其电流波形还是符合单相电感性负载电路规律的。载电路规律的。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术但三相调压电路形式很多，各有特点，表但三相调压电路形式很多，各有特点，表3-33-3对常用的三相调压电路列表加以对常用的三相调压电路列表加以比较。比较。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2

54、 电力变换技术电力变换技术（三）交流调压电路运行时的无功功率和畸变功率（三）交流调压电路运行时的无功功率和畸变功率图图3-383-38中阴影部分描述了控制角为中阴影部分描述了控制角为时在电阻负载上所出现的时在电阻负载上所出现的电流。电流。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电网中出现的电感性的基波无功功率电网中出现的电感性的基波无功功率Q Q1 1，则，则基波电流基波电流i i1 1 又可以分解为有功分量又可以分解为有功分量i i1p1p和无功分量和无功分量i i1Q1Q，它们的峰值分别是，它们的峰值分别是由此可求得基波相位角为由此可求得基波相位角为除基波无功功率除基波无

55、功功率Q Q1 1以外，对应于高次谐波电流的作用，还引入了所谓的畸以外，对应于高次谐波电流的作用，还引入了所谓的畸变功率的概念。变功率的概念。在正弦形电压和非正弦形电流的情况下，畸变功率的定义为在正弦形电压和非正弦形电流的情况下，畸变功率的定义为电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术三、可控整流电路三、可控整流电路（一）单相可控整流（一）单相可控整流在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成反向电压不再能加到负载电阻上（先假设

56、负载为纯电阻负载），这就构成了一个最简单的单相半波可控整流器（图了一个最简单的单相半波可控整流器（图3-393-39（a a）。）。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术图图3-393-39（b b）所示）所示是单相可控整流是单相可控整流电路的电压、电电路的电压、电流波形。显然经流波形。显然经过晶闸管半波整过晶闸管半波整流后的输出电压流后的输出电压u ud d是一个极性不变是一个极性不变的脉动直流电压。的脉动直流电压。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术1.1.纯电阻负载时的基本关系纯电阻负载时的基本关系（1 1）输出平均直流电压）输出平均直流电压U

57、Ud d一般称使输出平均直流电压从最大变至最小时的控制角一般称使输出平均直流电压从最大变至最小时的控制角变化变化范围为移相范围，故单相半波可控整流电路的移相范围为范围为移相范围，故单相半波可控整流电路的移相范围为180180。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术（2 2）直流电流有效值）直流电流有效值I I负载电流平均值为负载电流平均值为但是，从发热的观点选择晶闸管、熔断器和设计变压器时，必须进行电但是，从发热的观点选择晶闸管、熔断器和设计变压器时，必须进行电流有效值计算。流有效值计算。将不同的控制角将不同的控制角代入计算代入计算I Id d和和I I可以看到，电流的有效

58、值比平均值大得多，可以看到，电流的有效值比平均值大得多，这是由于整流后得到的是脉动电流的缘故。这是由于整流后得到的是脉动电流的缘故。越大，波形就畸变得越厉害，则在同样大小的平均电流下，其有效值将越大，波形就畸变得越厉害，则在同样大小的平均电流下，其有效值将越大。越大。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术（3 3）功率因数）功率因数coscos功率因数表明了整流电路有功功率和视在容量之间的关系功率因数表明了整流电路有功功率和视在容量之间的关系。如忽略晶闸管的如忽略晶闸管的损耗损耗，电阻负载上的有功功率为电阻负载上的有功功率为其中其中UU为整流器输出电压为整流器输出电压U U

59、d d的有效值，即的有效值，即可见，可控整流电路即使是电阻负载可见，可控整流电路即使是电阻负载, ,其功率因数也不是其功率因数也不是1 1。这主要是由于。这主要是由于经过可控整流的移相控制，负载上的电压、电流波形发生了畸变，大量的经过可控整流的移相控制，负载上的电压、电流波形发生了畸变，大量的谐波成分减小了有功输出，占据了电路的容量。此时的电路功率因数不仅谐波成分减小了有功输出，占据了电路的容量。此时的电路功率因数不仅与负载阻抗角有关，而且和电压、电流畸变的程度有关，这种情况下功率与负载阻抗角有关，而且和电压、电流畸变的程度有关，这种情况下功率因数的计算较正弦交流电路中有了新的扩展。因数的计算

60、较正弦交流电路中有了新的扩展。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术（4 4）纹波因数）纹波因数纹波因数表示了整流输出单极性的脉动直流电压（或电流）接近理想直流纹波因数表示了整流输出单极性的脉动直流电压（或电流）接近理想直流程度的物理量，定义为输出直流电压（或电流）中各次谐波总有效值与输程度的物理量，定义为输出直流电压（或电流）中各次谐波总有效值与输出直流平均值之比，即出直流平均值之比，即图图3 34040中将上述的输出平中将上述的输出平均直流电压相对值直流电流均直流电压相对值直流电流有效值相对值有效值相对值U Ud d/U/U，功率因，功率因数数coscos和纹波因数和纹