科创学院-电力电子技术培训课件

电力电子技术刘静主要内容：电力电子器件：电力电子器件的分类；电能变换的基本类型（AC/DC变换、DC/AC变换、AC/AC变换和DC/DC变换）；变流技术的发展及其应用；常用电力电子器件的结构和特点；整流电路结构和工作原理；试题讲解。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）半可控器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）、巨型晶体管GTR3）不控型器件电力二极管（PowerDiode）常见的有大功率二极管、快速恢复二极管及肖特基二极管。只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。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。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定2）全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。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。1.1电力电子器件的分类按电力电子器件的驱动性质可以将器件分为电压型和电流型器件。1、电流型器件必须有足够的驱动电流才能使器件导通，因而一般情况下需要较大的驱动功率，这类器件有SCR、GTR、GTO等。2、电压型器件的导通只需要有足够的电压和很小的驱动电流，因而电压型器件只需很小的驱动功率，这类器件有IGBT、MOSFET、MCT等。基本分类按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1、双极型电力电子器件：是指器件内部电子和空穴两种载流子都参与导电过程的半导体器件,这类器件具有通态压降低、阻断电压高、电流容量大等优点,适用于中大容量的变流装置和电动机的驱动控制。这类器件有巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)等。2、单极型电力电子器件：是指器件内只有多数载流子参与导电过程的半导体器件,这类器件具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全工作区宽、电流负温度系数良好的电流自动调节能力、良好的热稳定性和较高的抗干扰能力等优点,适用于中小功率、开关频率高的变流装置和电动机的驱动控制,如高保真度的音频放大,多种通讯设备和宇航空间技术等领域。这类器件包括有功率场效应晶体管(MOSFET)和静电感应晶体管(SIT)等。3、混合型电力电子器件：是由双极型和单极型两种器件混合集成。利用耐高压、电流容量大的双极型器件(如SCR、GTR、GTO)作为输出级;利用输入阻抗高、频率响应快的单极型器件(如MOSFET)作为输入级。从而具备双极和单极器件的优点。这类器件有绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS晶体管(MCT)、功率集成电路(PIC)等,其中功率集成电路PIC分为高压集成电路(HVIC)和智能功率集成电路(SPIC)。1.2电能变换的四种类型交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接无源负载时，称之为无源逆变。交流-交流(AC-AC)变换：将交流电能的参数加以变换。其中：改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。直流-直流(DC-DC)变换：将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。常见的电力变换种类

1.3电力电子变流技术的应用1、电机传动与控制轧钢机数控机床冶金工业2、电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机3、电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS4、交通运输5、家用电器6、其他大型计算机的UPS航天技术新型能源PowerDiode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。1.4.1不可控器件—电力二极管整流二极管及模块基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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。图1-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号1.2.1PN结与电力二极管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK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——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。

PN结的状态1.4.2半控器件—晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司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，开始被全控型器件取代。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（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号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。有三个联接端。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。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管的封装形式：还有塑封和模块式两种封装。〔解释〕当SCR的阳极和阴极电压UAK<0，即EA下正上负，无论门极G加什么电压，SCR始终处于关断状态；UAK>0时，只有EGk>0，SCR才能导通。说明SCR具有正向阻断能力；SCR一旦导通，门极G将失去控制作用，即无论EG如何，均保持导通状态。SCR导通后的管压降为1V左右，主电路中的电流I由R和RW以及EA的大小决定；当UAK<0时，无论SCR原来的状态，都会使R熄灭，即此时SCR关断。其实，在I逐渐降低（通过调整RW）至某一个小数值时，刚刚能够维持SCR导通。如果继续降低I，则SCR同样会关断。该小电流称为SCR的维持电流。综上所述：SCR导通条件：UAK>0同时UGK>0由导通→关断的条件：使流过SCR的电流降低至维持电流以下。(一般通过减小EA,直至EA<0来实现。）〔简单描述〕晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。晶闸管的双晶体管模型IG（IB2）IC2（IB1）IC1（IB2）导通的过程是一个正反馈过程。V1、V2饱和。晶闸管通断规律：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。（反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）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。（反向阻断）承受正向电压时，无门极正向触发电压时处于正向阻断状态。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用（不可控）。要使晶闸管关断，只有使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流IH）以下。承受正向电压时，仅在门极有正向触发电压的情况下晶闸管才能开通。（正向导通）晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。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，不能忽略其开关损耗的发热效应。1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST)2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。晶闸管的型号、选择原则

1、普通晶闸管的型号2、普通晶闸管的选择原则

（1）选择额定电流的原则在规定的室温和冷却条件下，只要所选管子的额定电流有效值大于等于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值即可。考虑元件的过载能力，实际选择时应有1.5~2倍的安全裕量。计算公式为：然后取相应标准系列值。（2）选择额定电压的原则选择普通晶闸管额定电压的原则应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压的2~3倍，即然后取相应标准系列值。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。一、门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）1.4.3典型全控型器件结构：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。和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图1-13GTO的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形b)并联单元结构断面示意图c)电气图形符号1）GTO的结构和工作原理c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK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。

图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理门极可关断晶闸管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关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。由上述分析我们可以得到以下结论：二、电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。

应用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。术语用法：与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。GTR的结构图1-15GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动

a)内部结构断面示意图b)电气图形符号c)内部载流子的流动三、电力场效应晶体管电力MOSFET的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。图1-19电力MOSFET的结构和电气图形符号电力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。

特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。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。四、绝缘栅双极晶体管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-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986年投入市场，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，以期再取代GTO的地位。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。1.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT的结构三端器件：栅极G、集电极C和发射极E图1-22IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号IGBT单管及模块第2章整流电路整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。2.1单相可控整流电路

2.1.1单相半波可控整流电路

2.1.2单相桥式全控整流电路

2.1.3单相全波可控整流电路

2.1.4单相桥式半控整流电路图2-1单相半波可控整流电路及波形1）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)

VT的a移相范围为180通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。基本数量关系直流输出电压平均值为(2-1)2)带阻感负载的工作情况图2-2带阻感负载的单相半波电路及其波形阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角θ的关系。wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++续流二极管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+ab)c)d)e)f)g)iVDRa)图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。

数量关系(id近似恒为Id）（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）VT的a移相范围为180。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。单相半波可控整流电路的特点1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图2-5单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)数量关系（2-9）a角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：（2-10）(2-11)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。（2-12）（2-13）（2-14）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,42）带阻感负载的工作情况

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。

数量关系（2-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角θ与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,42.1.3单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路（SinglePhaseFullWaveControlledRectifier)，又称单相双半波可控整流电路。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。图2-9单相全波可控整流电路及波形a)wtwab)udi1OOt单相全波与单相全控桥的区别：单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。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是单相全控桥的2倍。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。从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。2.1.4单相桥式半控整流电路电路结构

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，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）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

图2-10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电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。NextBack2.2半导体二极管及整流电路电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uL整流电路滤波电路稳压电路整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。HomeNextBack第二节半导体二极管及整流电路（一）单相半波整流电路u2>0时，二极管导通。二极管导通iLu1u2aTbDRLuL忽略二极管正向压降：uL=u2HomeNextBack第二节半导体二极管及整流电路u2<0时，二极管截止,输出电流为0。二极管截止u0=0u1u2aTbDRLuLiLHomeNextBack第二节半导体二极管及整流电路uL输出电压平均值（UL）：输出电压电流波形：u1u2aTbDRLuLiL输出电流平均值（IL）：iLiLuLHomeNextBack第二节半导体二极管及整流电路二极管上承受的最高电压：二极管上的平均电流：ID=ILu1u2aTbDRLuLiLuL输出电压电流波形：iLiLuLHomeNextBack第二节半导体二极管及整流电路Home桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuL（二）单相桥式整流电路NextBack第二节半导体二极管及整流电路Home桥式整流电路-+uLu1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路（二）单相桥式整流电路1、工作原理NextBack第二节半导体二极管及整流电路Homeu2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:由+经D1RLD3-u2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:由-经D2RLD4+输出是脉动的直流电压！u2桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形uD4,uD2

uD3,uD1uLu2D4D2D1D3RLuL+-NextBack第二节半导体二极管及整流电路Home2、输出电压与输出电流的估算负载电压U0的平均值为:负载上的(平均)电流:uoiouoioNextBack第二节半导体二极管及整流电路Home平均电流()与最高反向电压(URM)是选择整流二极管的主要依据。在单相桥式整流电路中，每个二极管只在半个周期内导通。因此，流过每只整流二极管的平均电流是负载平均电流的一半。

二极管截止时两端承受的最大反向电压：3、二极管的选择NextBack第二节半导体二极管及整流电路Home（二）滤波电路滤波原理:交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成分又有交流成份。滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)，滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。NextBack第二节半导体二极管及整流电路Home1、电容滤波电路u1u2u1abD4D2D1D3RLuLCNextBack第二节半导体二极管及整流电路Homeu2tuLt由图可看出，经滤波后输出电压不仅变得平滑，而且平均值也得到提高。电容滤波电路及其波形分析NextBack第二节半导体二极管及整流电路Home使用电容滤波电路时，应注意以下问题：（1）负载变化对输出电压的影响当电容一定时，若负载电阻减小，则时间常数RLC减小，放电速度加快，因此，输出电压平均值将下降，且脉动变大。（2）电容C的选择及输出电压平均值有电容滤波的整流电路的输出电压大于无电容滤波整流电路的输出电压。为了获得较好的滤波效果，在实际工作中经常按下式选择滤波电容。滤波电容必须选用电解电容器，耐压值应大于RLCNextBack第二节半导体二极管及整流电路Home电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。结论全波及桥式整流情况下，输出电压平均值为：NextBack第三节稳压二极管及其稳压电路Home一、稳压二极管稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管，其反向击穿是可逆的，且反向电压较稳定。虽然整流滤波电路能够将正弦交流电压变换成为较为平滑的直流电压，但是其数值将随电网电压的波动而波动，随负载电阻的变化而变化，即稳定性很差。为了使负载上获得稳定的直流电压，必须采取稳压措施。二极管稳压电路就是一种常用的稳压措施。NextBack第三节稳压二极管及其稳压电路HomeUIUZIZIZmaxUZIZ-+1、稳压二极管的伏安特性曲线NextBack第三节稳压二极管及