第2章 电力电子器件和电力变换基本电路结构-教案

1、现代电力电子及变流技术现代电力电子及变流技术第二章第二章 电力电子器件和电力变换基本电路结构电力电子器件和电力变换基本电路结构2.1 电力电子器件电力电子器件 电力变换器电力变换器：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电路主电路（主电路（Main Power Circuit） 电力变换器中直接承担电能的变换或控制电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device）电力变换器的基

2、础，在主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件概述概述2.1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件一般特征电力电子器件一般特征具有处理电功率的能力。一般都工作在开关状态。需要由控制电路来控制开通和关断。自身的功率损耗较大，一般都要安装散热器。电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗成为器件功率损耗的主要因素。2.1.1 电力电子器件概述电力电子器件概述电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够按照器件能够被控制的程度被控制的程度，分为以下三类：，分为以下三

3、类：半控型器件（半控型器件（ThyristorThyristor） 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（全控型器件（IGBT,MOSFET)IGBT,MOSFET) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断(自关断器件) 不可控器件不可控器件(Power Diode)(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。按照按照驱动信号的性质驱动信号的性质，分为两类：，分为两类：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关断。电压驱动型电压驱动型 通过在控制端和公共端之间施加电压信号可实现导通或者关断。电力二极管电力二极管(

4、 (Power Diode) )PNPN结的状态结的状态 状态 参数正向导通反向截止 反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态 二极管的基本原理二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性2.1.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管晶闸管晶闸管 ( (Thyristor) )，以前称为可控硅。，以前称为可控硅。2.1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管晶闸管正常工作时的特性总结晶闸管正常工作时的特性总结2.1.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开

5、通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。2.1.4 典型全控型器件典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管及模块 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO GTO 电力晶体管电力晶体管 GTR GTR 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 电力电力MOSFET 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT2.1.4 典型全控型器件典型全控型器件GTO，GTR门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 GTO GTO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

6、场合仍有较多的应用。由于是电流驱动，开关频率不高。电力晶体管电力晶体管 GTR GTR耐高电压、大电流的双极结型晶体管；20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。2.1.4 典型全控型器件典型全控型器件MOSFETGSDP沟道GSDN沟道电力场效应晶体管电力场效应晶体管 特点特点 电压驱动型电压驱动型 驱动电路简单，需要的驱动功率小； 开关速度快，工作频率高； 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 开关速度和Cin充放电有很大关系； 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度； 关断过程非常迅速，开关时间

7、在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的；2.1.4 典型全控型器件典型全控型器件IGBT绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT IGBTGCE GTR和GTO的优点双极型，电流驱动，通流能力很强。 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，驱动电路简单。特点：特点： GTR和MOSFET复合，取GTR和GTO 通流能力强的优点，取MOSFET电压驱动(开关速度快)优点； 是中小功率电力电子设备的主导器件； 继续提高电压和电流容量，以期在大功率应用中取代GTO。2.1.4 典型全控型器件典型全控型器件IGBT绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极

8、晶体管工作原理工作原理导通导通 uGE大于开启电压开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；关断关断 栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2.1.5 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT 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，省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。功率集成电路功率集成电路（Power Integrated CircuitPIC）： 20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将器件与逻辑、控制、保护、传感、

9、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。 高压集成电路高压集成电路（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； 智能功率模块智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM）：专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）2.1.6 电力电子器件驱动的一般知识电力电子器件驱动的一般知识驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口，提供控制电

10、路与主电路之间的电气隔离电气隔离，一般采用光隔离或磁隔离。 光隔离一般采用光耦合器； 磁隔离的元件通常是脉冲变压器。ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型注：注：目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。2.1.6 过电压保护过电压保护过电压主要来自器件的开关过程过电压主要来自器件的开关过程换相过电压换相过电压： 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。(对于高频工作

11、的器件，关断过电压没有很好的解决方案)注：注： 过电压保护主要采用缓冲电路。但对于高频大功率器件，采用缓过电压保护主要采用缓冲电路。但对于高频大功率器件，采用缓冲电路的方案解决关断过电压也存在一定的问题，因此目前并没冲电路的方案解决关断过电压也存在一定的问题，因此目前并没有很好的解决方案。有很好的解决方案。2.1.6 缓冲电路缓冲电路缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路吸收电路。抑制器件的过电压、du/dt、di/dt，减小器件的开关损耗。关断缓冲电路关断缓冲电路（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；开通缓冲电路开

12、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；按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路馈能式缓冲电路（无损吸收电路）2.1.6 过流保护过流保护快速熔断器：主要用于过载保护；检测过电流：主要用于过电流保护；驱动电路中设置过电流保护环节：主要用于短路保护。(例如：对于10kHz工作的IGBT，容许短路时间小于10us)2.2 电力变换基本电路结构电力变换基本电路结构电力变换（变流）电路的分类：DCDC变换，称为直流斩波；ACDC变换，称为整流；DCAC变换，称为逆变；ACAC变换，称为交-交变频。注： 电力变换电路是由最基本的直

13、流斩波电路Buck和Boost电路组合派生、演变所形成的。直流斩波电路（DC Chopper）即DCDC变换电路；一般指直接将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，不包括直流交流直流变换。2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路一、电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势注：传统的用途之一是拖动直流电动机。2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路二、工作原理t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较

14、大电感L使负载电流连续且脉动小。c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图动画演示注：注：下面只分析电流连续工作模式；下面只分析电流连续工作模式；电流断续的情况参照教科书，不作要求电流断续的情况参照教科书，不作要求2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路三、电流连续工作模式下三、电流连续工作模式下输入输出关系 负载电压平均值：ononoonoffttUEEDEttTREUIMoo tonV导通的

15、时间导通的时间 toffV关断的时间关断的时间 D-导通占空比导通占空比 负载电流平均值：斩波电路三种调制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T 频率调制(PFM)；ton和T都可调，改变占空比混合型。此种方式应用最多2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统ScopeRPulseGeneratorv+-MLgmCEIGBTDiodeDC C2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统目标：oRUUPWM2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统1、建模、建模两种工作模式

16、两种工作模式1IGBT0IGBT通不通IGBT导通时等效电路IGBT断开时等效电路定义开关函数定义开关函数aiuU2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统aiUUaa1dSSt TTtSuuTai0.5STuU应用开关周期算子应用开关周期算子一半周期导通，一半周期断开一半周期导通，一半周期断开开关函数的扩展开关函数的扩展开关周期平均运算，保留原信号的低频部分，消除开关频率分量一半周期导通，一半周期断开时0.501开关函数扩展后开关函数扩展后aiUU2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统电路的数学模型电路的数学模型oood

17、dddLiLiLUUtUUCitR 100iRuUUu等效电路令1LRUxiR2oRxUU12xxx0111LACRCxAxBu1001LBC求解控制求解控制u200iRkxUUu2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统2、控制求解、控制求解取李雅谱诺夫函数取李雅谱诺夫函数8T2101001019.80.2kVxxkk T10101 10VxxT01101101010111 101 1011CkLVxxkLRCCRC 1R 200iRkxUUu1mHL xAxBu100uFC 0111LACRC1001LBC8T0110110100.1 11000.1 11

18、1 101 1011kVxxk 2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统2、控制求解、控制求解8T2101001019.80.2kVxxkk 219.660.40kk21001019.80.2kkk3.8515.75k2.2.1 降压斩波电路降压斩波电路Buck电路电路四、闭环系统四、闭环系统3、控制器、控制器200iRkxUUu2oRxUUoiRRUk UUU一、电路结构一、电路结构2.2.2 升压斩波电路升压斩波电路Boost电路电路保持输保持输出电压出电压储存电能储存电能注：典型应用是单相串联型功率因数效正器（PFC） 。2.2.2 升压斩波电路升压斩

19、波电路Boost电路电路二、工作原理V处于通态时，电源E向电感L充电，电容C向负载R供电，输出电压U0恒定；V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。动态演示0iGE0ioI1a) 电路图b) 波形假设假设L和和C值很大值很大电感电流连续和负载电流平滑电感电流连续和负载电流平滑三、输入输出关系o11UED结论：输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。其中：0 D 1。2.2.2 升压斩波电路升压斩波电路Boost电路电路四、建模和控制四、建模和控制1、电路分析、电路分析01u1电压分析电压分析:IGBT导通，工作时间Ton，电压等于0。IGBT断开，工作时间TS -T

20、on，电压等于u2。等效电压：1Son2S21uTTuTu开关函数开关函数:等效电流：2Son1S11iTTi TiI2电流分析电流分析:IGBT导通，工作时间Ton，电流等于0。IGBT断开，工作时间TS -Ton，电流等于i1。2.2.2 升压斩波电路升压斩波电路Boost电路电路四、建模和控制四、建模和控制2、等效电路、等效电路1Son2S21uTTuTu2Son1S11iTTi Ti2.2.2 升压斩波电路升压斩波电路Boost电路电路四、建模和控制四、建模和控制3、数学模型、数学模型1i2221d1dd1diLUutuuCitR 12i22211ddddiLuUutuuCiitR 2.2.2 升压斩波电路升压斩波电路Boost电路电路四、建模和控制四、建模和控制4、控制问题、控制问题12i22211ddddiLuUutuuCiitR 如何设计 ，使2RuU难点难点:非线性问题；状态变量中部分变量稳定问题（系统部分稳定问题）；参数不确定的系统的稳定性问题（R不确定）。2.2.3 DC-DC变换设计实例变换设计实例一、实际需求一、实际需求1