《电力电子技术》word版

1、电 力 电 子 技 术Power Electronics电 子 教 案自动化学院“电力电子技术”课程组编写绪 论一、教学目的与要求让学生了解电力电子技术的基本概念、发展史及其应用领域二、授课主要内容 1电力电子技术概念 2电力电子技术发展史 3应用领域、举例三、重点、难点及对学生的要求 1重点：电力电子的基本概念机器应用 2难点：电力电子技术的概念 3要求：掌握电力电子技术的基本概念 了解电力电子技术的发展史 熟悉电力电子技术的应用领域四、辅助教学情况多媒体课件、板书相结合五、复习思考题 1什么是电力电子技术？ 2电力变换的种类六、教材：电力电子技术，王兆安、黄俊主编机械工业出版社，2005年

2、1月第4版七、参考教材1. 电力电子技术 ，张友汉主编 ，北京：高等教育出版社，2002 2. 电力电子技术 ，王云亮主编 ，北京：电子工业出版社，2004.8 3. 电力电子技术基础 ，应建平等编著，北京：机械工业出版社，20034. 电力电子技术手册 ，(美)Muhammad H.Rashid主编；陈建业等译 ，北京：机械工业出版社，2004 5.电力电子技术释疑与习题解析 ，葛延津主编 ，沈阳：东北大学出版社，2003 6. Power electronics: converters, applications, and design N. Mohan, T. M. Undeland,

3、W. P. Robbins，高等教育出版社八、主要外语词汇：power electronics; information electronics; rectifier; chopper; inverter; Uninterruptible Power Supply; High-voltage dc transmission; Flexible ac transmission(FACTS)1. 什么是电力电子技术（What is power electronics）1.1电力电子与信息电子技术(power electronics and information electronics)信息电子技

4、术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.2 两大分支电力电子器件制造技术：电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。变流技术（电力电子器件应用技术）：用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术；是电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。13 变流技术的种类电力交流和直流两种：从公用

5、电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流电力变换四大类：交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变化的种类1.4 与相关学科的关系电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现；1974年，美国的W. Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受；与电子学（信息电子学）的关系都分为器件和应用两大分支器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同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电力电子电路的器件一般只工作在开关状态二者同根同源与电力学（电气工程）的关系电力电子技术广

6、泛用于电气工程中：高压直流输电静止无功补偿电力机车牵引交直流电力传动电解、电镀、电加热、高性能交直流电源国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支与控制理论（自动化技术）的关系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地位和未来电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成为未来科学技术的两大支柱计算机人脑 电力电子技术消化系统和循环系统 电力电子运动控制肌肉和四肢电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术 能源是人类社会的

7、永恒话题，电能是最优质的能源，因此，电力电子技术将青春永驻。 20世纪后半叶诞生和发展的一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展2. 电力电子技术的应用一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源： 为信息电子装置提供动力家用电器： “节能灯”、变频空调其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发了一代又一代的学者和工程技术人员学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。电力电子装置提供给负载的是各种不同的直流电源、恒频交流电源和变频交流电源，因此也可

8、以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速方面，在使用量十分庞大的照明电源等方面，电力电子技术的节能效果十分显著，因此它也被称为是节能技术。3发展史 电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的4. 教材的内容简介和使用说明4.1 教材的内容简介教材的内容可分为三大部分第一部分：电力电子器件（第1章-全书的基础)第二部分：各种电力电子电路 （第25章和第8章-全书的主体)第三部分：PWM技术和软开关技术 （第6、7两章）4.2 教材的使用说明每章的最后有小结，对全章的要点和重点进行总结。教材正文后附有“教学实验”部分，精选了

9、5个最基本的，也有较高实用价值的实验 。书末附有“术语索引”。课时分配：课内教学学时为4856学时（包含实验，每个实验2学时）。和其他课程的关系：电路/电子技术基础电力电子技术运动控制系统电力电子器件教学目的与要求通过本章的学习使学生掌握各种电力电子器件的特性和使用方法。二、授课内容电力电子器件的概念、特点和特性。各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数及选择和使用中应注意的一些问题。三、重点、难点及学生的要求1、重点晶闸管，GTO, GTR, P-MOSFET等 电力电子器件的工作原理，基本特性 及主要参数。电力电子器件的驱动及保护2、难点各类电力电子器件的基本特性。要求1) 掌握

10、电力电子器件的型号命名法医及其参数和特性曲线的使用方法。 2) 掌握各类电力电子器件驱动电路的特点。 3) 熟悉各类保护电路的作用及原理。 4) 了解电力电子器件的串并联使用方法 四、主要外语词汇Power Electronic Device ThyristorInsulated-Gate Bipolar Transistor IGBTPower MOSFETGate-Turn-off Thyristor-GTOPower DiodeSemiconductor Rectifier-SRRectifier DiodeGiant Transistor -GTR 五、辅助教学情况： 板书与多媒体课件

11、相结合 六 复习思考题： 1-1，1-2，1-3，1-9 1.1 电力电子器件的概念和特征 电力电子电路的基础 电力电子器件概念:电力电子器件（power electronic device）可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件主电路（main power circuit）电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路广义上分为两类: 电真空器件(汞弧整流器、闸流管等电真空器件) 半导体器件(采用的主要材料仍然是硅) 应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2 控制电

12、路按系统的工作要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的通或断，来完成整个系统的功能。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，而电力电子器件一般比主电路中普通的元器件要昂贵，但承受过电压和过电流的能力却要差一些，因此，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证电力电子器件和整个电力电子系统正常可靠运行，也往往是非常必要的。 电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1)半控型器件: 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。2)全控型器件: 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。3)不可控器件:不能用控制信号来控制其通断, 因此

13、也就不需要驱动电路。12 不可控器件电力二极管。Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。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。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动

14、的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷PN结的正向导通状态 电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态 PN结的单向导电性。 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿 有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式，可能导致热击穿。PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD 。势垒电容只在外加电压变化时才起作用。外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。势垒电容的大小与PN结截面积

15、成正比，与阻挡层厚度成反比。造成电力二极管和信息电子电路中的普通二极管区别的一些因素：正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略。引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大影响。为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。 电力二极管的基本特性1. 静态特性主要指其伏安特性 电力二极管的基本特性开通过程：电力二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。电导调制效应起作用需一定的时间来

16、储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。 电力二极管的动态过程波形 a) 正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置 延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示 电力二极管的主要参数1. 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用

17、时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。当用在频率较高的场合时，开关损耗造成的发热往往不能忽略当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小。 2. 正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降，有时参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时器件的最大瞬时正向压降。3.反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压UB的2/3，使用时往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定。 4. 最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。最高工

18、作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。5. 反向恢复时间trrtrr= td+ tf ，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。6. 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。在应用时，应根据不同场合的不同要求选择不同类型的电力二极管。性能上的不同是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。1. 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开

19、关频率不高（1kHz以下）的整流电路中，其反向恢复时间较长，一般在5s以上，这在开关频率不高时并不重要。正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。2. 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier DiodeSBD），简称为肖特基二极管20世纪80年代以来，由于工艺的发展得以在电力电子电路中广泛应用肖特基二极管的弱点当反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而

20、且必须更严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点：反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 13 半控器件晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器

21、件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 晶闸管的结构与工作原理外形有螺栓型和平板型两种封装引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门

22、极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。其他几种可能导通的情况：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应。阳极电压上升率du/dt过高。结温较高。光直接照射硅片，即光触发。光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，其它都因不易控制而难以应用于实践，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段。 晶闸管的基本特性 1. 静态特性 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正

23、常工作时的特性如下：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 。晶闸管的伏安特性 第I象限的是正向特性 第III象限的是反向特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1) 正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在

24、1V左右。导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。2) 反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。2. 动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1) 开通过程延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+ t

25、r （1-6）普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。晶闸管的开通和关断过程波形2) 关断过程反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq=trr+tgr , 普通晶闸管的关断时间约几百微秒。 晶闸管的主要参数1. 电压定额1)通态平均电流 IT(AV) 晶闸管

26、在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。2) 维持电流 IH : 使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，与结温有关。结温越高，则IH越小。3) 擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。4) 浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。 2. 电流定额1)通态平均电流 IT(AV) 2) 维持电流 IH 3) 擎住电流 IL 4) 浪涌电流ITSM3. 动态参数除

27、开通时间tgt和关断时间tq外，还有： (1) 断态电压临界上升率du/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。(2) 通态电流临界上升率di/dt 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏 。 晶闸管的派生器件1. 快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管。管芯结

28、构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。2.双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）3. 逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）4. 光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）1.4 典型全控型器件门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现

29、。20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代。典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor 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场合仍有较多的应用。 门极可关断晶闸管1. GTO的结构和工作原理结构：与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶

30、闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。工作原理：与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。 GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：由上述分析我们可以得到以下结论：GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则Ib2减小，使IK和Ic2减小，Ic2的减小又使 IA和Ic1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2 BUcex BUces BUcer Buceo实际使用时，为确保安

31、全，最高工作电压要比BUceo低得多。 2)集电极最大允许电流IcM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的Ic，实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。 3) 集电极最大耗散功率PcM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度 。4. GTR的二次击穿现象与安全工作区一次击穿集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变 。安

32、全工作区（Safe Operating AreaSOA）最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定。也分为结型和绝缘栅型（类似小功率Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）1. 电力MOSFET的结构和工作原理 电力MOSFET的种类按导电沟道可分为P沟道和N沟道 耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存

33、在导电沟道 增强型对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道电力MOSFET主要是N沟道增强型电力MOSFET的结构小功率MOS管是横向导电器件电力MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要以VDMOS器件为例进行讨论电力MOSFET的工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂

34、移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流过。但栅极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子电子吸引到栅极下面的P区表面。当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。1)静态特性漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性。ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs。MOSFET的漏极伏安特性：截止区（对应于GTR的截止区）饱和区（对应于G

35、TR的放大区）非饱和区（对应于GTR的饱和区）电力MOSFET工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。电力MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通。电力MOSFET的通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。2) 动态特性开通过程开通延迟时间td(on) up前沿时刻到uGS=UT并开始出现iD的时刻间的时间段。上升时间tr uGS从uT上升到MOSFET进入非饱和区的栅压UGSP的时间段。iD稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定。UGSP的大小和iD的稳态值有关UGS达到UGSP后，在up作用下继续升高直至达到稳态，但iD已不变。开通时间ton开

36、通延迟时间与上升时间之和。关断过程关断延迟时间td(off) up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，uGS按指数曲线下降到UGSP时，iD开始减小止的时间段。下降时间tf uGS从UGSP继续下降起，iD减小，到uGSUT时沟道消失，iD下降到零为止的时间段。关断时间toff关断延迟时间和下降时间之和。MOSFET的开关速度 MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。使用者无法降低Cin，但可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件

37、中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。 14.2 绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱 动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。1986

38、年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,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，以期再取代GTO的地位。1. IGBT的结构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极EIGBT的结构图1-22aN沟道VDMOSFET与GTR组合N沟道IGBT（N-IGBT）IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N结J1。使IGBT导通时由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。RN为晶体管基区内

39、的调制电阻。IGBT的原理 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降小。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. IGBT的基本特性 1)IGBT的静态特性转移特性IC与UGE间的关系，与MOSFET转移特性类似。开启电压UGE(th)IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)的值一般

40、为26V。输出特性（伏安特性）以UGE为参考变量时，IC与UCE间的关系。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。uCEE时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。导通之后，ud=u2， 直至|u2|=E，id即降至0使晶闸管关断，此后ud=E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机 的机械特性将很软 。为了克服此缺点，一般在 主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。这时整流电压ud的波形和负载电流

41、id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。为保证电流连续所需的电感量L可求出单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。单相全波与单相全控桥的区别 （1）单相全波中变压器结构较复杂，绕组及铁芯对铜、铁等材料的消耗多。 （2）单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压为，是单相全控桥的2倍。 （3）单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。从上述（2）、（3）考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管

42、，为了对每个导电回路进行控制，只需1个晶闸管就可以了，另1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。单相半控桥带阻感负载的情况 假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态在u2正半周，触发角a处给晶闸管VT1加触发脉冲，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，VD4关断，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a 时刻触发VT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，

43、u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。续流二极管的作用若无续流二极管，则当a 突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。单相桥式半控整流电路的另一种接法 相当于把图2-4a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VD

44、R，续流由VD3和VD4来实现。三相可控整流电路交流测由三相电源供电负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。三相半波可控整流电路1. 电阻负载电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法 。自然换相点：假设将电路中的晶闸管换作二极管，成为三相半波不可控整流电路。 一周期中，在t1-t2期间， VD1导通，ud=ua 在t2-t3期间， VD2导通，ud=ub 在t3-t4期间，VD3导通，ud=uc二极管换相时刻为自然换相

45、点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a =0。a =0时的工作原理分析，变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成：第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0。第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。 a30的情况（图2-14 ） 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。整流电压平均值的计算: (1)a30时，负载电流连续，有： 当a=0时，Ud最大，为 。 （2）a

46、30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载负载电流平均值为晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即 2. 阻感负载特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a 30时（如a=60时的波形如图2-16所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似

47、为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。数量关系由于负载电流连续， Ud可由式（218）求出，即Ud/U2与a 成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，则当a30后，ud中负的部分减少， Ud略为增加，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路1.带电阻负载时的工作情况当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续波形图： a =0 （图218 ） a =30 （图219）

48、 a =60 （图220）当a60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图： a =90 （ 图221）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120三相桥式全控整流电路的特点:（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。(3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波

49、形都一样，故该电路为6脉波整流电路。(4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发,另一种是双脉冲触发（常用） （5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。2阻感负载时的工作情况a60时（a =0 图222；a =30 图223）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管的通断情况,输出整流电压ud波形,晶闸管承受的电压波形。区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候， id的波形可近似为一条水平线。a 60时（ a =90图224）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的

50、部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。3定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为： 带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为： 输出电流平均值为 ：Id=Ud /R当整流变压器为图2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：单相半波可控整流电路及波形（2-5）带阻感负载的单相半波电路及其波形单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态 b) VT处于导通状态 单相半波带阻感负载有续流二极

51、管的电路及波形单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况单相全波可控整流电路及波形单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形单相桥式半控整流电路的另一接法三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形三相半波可控整流电路， 三相三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系三相半波可控整流电路阻感负载时的电路及a=60时的波形三相桥式全控整流电路原理图三相桥式全控整流电路

52、带电阻负载a=0时的波形三相桥式全控整流电路带电阻负载a=30时的波形三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60时的波形三相桥式全控整流电路带电阻负载a=90时的波形三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形 三相桥式整流电路带阻感负载，a=90时的波形第四章 斩波电路一、学习目的与要求：通过本章的教学使学生掌握基本斩波电路的工作原理及复合斩波电路的组成原理。 二、授课主要内容（详见教案及电子课件）1降压斩波电路2升压斩波电路3复合斩波电路及其应用三、重点，难点，对学生的要求1重点：1）降压斩波电路的工作原理及应用2）升压斩波电路的工作原理及应用2难

53、点：桥式可变斩波电路的工作原理分析要求：掌握降压斩波器的工作原理2）掌握升压斩波器的工作原理3）掌握复合斩波器的工作原理4）了解多重斩波电路的工作原理四、主要外语词汇：DC chopperDCLDEC converterBuck chopper Dulse chopper Boost chopper Boost converterPower Factor correctionBoost-Buck chopper五、辅助教学情况板书，多媒体课件思考题3-1，3-2，3-4，3-531 基本斩波电路3.11 降压斩波电路1.工作原理 t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电

54、流io按指数曲线上升t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大 2. 数量关系电流连续时，负载电压平均值:tonV通的时间 toffV断的时间 负载电流平均值：3.斩波电路三种3.控制方式1.T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）2.ton不变，变T 频率调制3.ton和T都可调，改变占空比混合型 4.典型应用一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中用于直流电动机传动时：用于直流电动机传动时通常是用于直流电动机再生制动时把电能回馈给直流电源，实际

55、电路中电感L值不可能为无穷大，因此该电路和降压斩波电路一样，也有电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。此时电机的反电动势相当于图3-2电路中的电源，而此时的直流电源相当于图3-2中电路中的负载。由于直流电源的电压基本是恒定的，因此不必并联电容器。3.12 升压斩波电路图3-3的电路分析V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路V通时，EL1V回路和RL2CV回路分别流过电流V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路分别流过电流输出电压的极

56、性与电源电压极性相反。等效电路如图3-5b所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。稳态时电容C的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为零，即 在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff 。 在图3-5b的等效电路中，开关S合向B点时间即V处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为V处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1 toff 。 Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其

57、基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。两种电路相比，具有相同的输入输出关系。Sepic电路中，电源电流和负载电流均连续，有利于输入、输出滤波，反之，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。另外，与前一小节所述的两种电路相比，这里的两种电路输出电压为正极性的。 Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。待V关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量

58、转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路拖动直流电动机时，如图3-1所示，电动机工作于第1象限。图3-3所示升压斩波电路中，电动机工作于第2象限。313 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，拖动直流电动机时，电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动降压斩波电路拖动直流电动机时，如图3-1所示，电动机工作于第1象限图3-3

59、所示升压斩波电路中，电动机工作于第2象限。314 桥式可逆斩波电路电流可逆斩波电路：电枢电流可逆，两象限运行，但电压极性是单向的。当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合（即四象限运行），须将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，成为桥式可逆斩波电路。使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，向电动机提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限，即正转电动和正转再生制动状态使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限 。小结本章介绍了6种基本斩波电路、2种复合斩波电路及多相多重

60、斩波电路，其中最基本的是降压斩波电路和升压斩波电路两种，对这两种电路的理解和掌握是学习本章的关键和核心，也是学习其他斩波电路的基础。因此，本章的重点是，理解降压斩波电路和升压斩波电路的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点。直流传动是斩波电路应用的传统领域，而开关电源则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用方兴未艾、欣欣向荣，是电力电子领域的一大热点。针对这样的应用趋势，希望读者将本章与第8章的间接直流变流电路部分的学习紧密结合起来，牢固建立起关于开关电源的概念。存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省网得分vrgr存在着赛车手从四川省