电力电子技术

什么是电力电子技术（Whatispowerelectronics）(powerelectronicsandinformationelectronics)电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术模拟电子技术——信息处理——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。——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。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：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。变流技术的种类电力——交流和直流两种：从公用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、交流变交流入 出 流 流流 波1电力变化的种类

与相关学科的关系电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现；遍接受；电子学电子学电力学器,电件静止器电力电子学旋转连续,离散控制理论与电子学（信息电子学）的关系①都分为器件和应用两大分支②器件的材料、工艺基本相同，都采用微电子技术③应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同电力电子电路的器件一般只工作在开关状态⑤二者同根同源与电力学（电气工程）的关系电力电子技术广泛用于电气工程中：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计算机——人脑电力电子＋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电力电子技术的应用一般工业：交通运输：电力系统：电子装置电源：家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS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。频交流电源，因此也可以说，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。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一、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1、电力电子器件的概念、特点和特性。注意的一些问题。三、重点、难点及学生的要求1、重点主要参数。电力电子器件的驱动及保护2、难点3、要求掌握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。掌握各类电力电子器件驱动电路的特点。熟悉各类保护电路的作用及原理。了解电力电子器件的串并联使用方法电力电子器件的概念和特征概念:电力电子器件（powerelectronicdevice）——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（mainpowercircuit）——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:(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控检测电路V1制 LR电路驱动电路V2主电路控制电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，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：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。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。不可控器件不可控器件—电力二极管。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。场合，具有不可替代的地位。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N型半导体和P型半导体结合后构成PN结。内电场内电场----------P型区------+···+ + +--++···+ + +···++ +-+···+ + +-+++ +空间电荷区···N型区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AKAKAIPNJb)KAc)向偏置的PN结表现为低阻态。PN结的反向截止状态 a)PN结的单向导电性。PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿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C，又称为微分J电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容C和扩散电容C。B D势垒电容势垒电容的大小与PN结截面积成正比，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：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。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静态特性主要指其伏安特性IIFO U U UTO F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U，经过一段时间才趋于接近稳态压FP降的某个值（2V）t。电导调制效应fr起作用需一定的时间来储存大量少子，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，UFPFUFFUFtdtrrtft tF 0t1ditt2URtIiiU FFPu2V F0 t tRPU frRPb)电力二极管)动态过程波形 a)正向偏置转换为反向偏置b)延迟时间：t=t-t,d 1 0电流下降时间：t=t-f 2t1反向恢复时间：t=t+rr dtf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值t/t，或称恢复系数，用S表示f d r电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV)额定电流——在指定的管壳温度（简称壳温，用T表示）和散热条件下，其C有效值相等的原则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。正向压降UF时正向压降。反向重复峰值电压URRMU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B倍来选定。最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用T表示。J最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。T通常JM在125~175C范围之内。反向恢复时间trrt=t+t，关断过程中，电流降到零起到恢复反响阻断能力止的时间。rr d f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。普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（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。快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）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（SchottkyBarrierDiode——SBD），简称为肖特基二极管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以下限制其工作温度。肖特基二极管的优点：反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。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。半控器件—晶闸管晶闸管（Thyristor）：（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）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80年代以来，开始被性能更好的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三个联接端平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间AGAGKKP1NGP1J1JJ322AAGN2KGAb) c)APNPN1N1 1P P2 2N2IGIGISEAV1PNPIc2GIc1NPNV2IKGEAK K晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) a)双晶体管模型b)工作b)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：I=0，+很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。G 1 2开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致+趋近于1的1 2话，流过晶闸管的电流I（阳极电流）I实际由外A A电路决定。其他几种可能导通的情况：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（LightTriggeredThyristor——LTT）。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。静态特性

晶闸管的基本特性总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：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IA正向导通U-U

URRM

I H

I I=0G1 GO U U +UA DM bo ADSM晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG-IA正向特性I=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G向电压超过临界极限即正向转折电压U，则漏电流急剧增大，器件开通。bo晶闸管本身的压降很小，在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I以下，则H晶闸管又回到正向阻断状态。I称为维持电流。H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。流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。动态特性iA100%90%10%0 t t tu d rAKIRMO t1-9晶闸管的开通和关断过程波形t U trr RRM gr开通过程延迟时间t：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。d上升时间t：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。r开通时间tgt

以上两者之和，t=t+t （1-6）gt d r普通晶闸管延迟时为0.5~1.5s，上升时间为0.5~3s。晶闸管的开通和关断过程波形关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr

：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间实际应用中，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t与t之和即 t=t+t

,普通晶闸管的关断时间约几百微秒。q rr gr q rr gr晶闸管的主要参数电压定额1)通态平均电流T(AV)40C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。IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几IH越小。ILILIH2~4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。电流定额1) 通态平均电流IT(AV)2) 维持电流IH3) 擎住电流IL4)浪涌电流ITSM动态参数tgttq外，还有：(1)断态电压临界上升率du/dtJ2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 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。晶闸管的派生器件快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST）结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。双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）典型全控型器件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。—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-OffThyristor—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。合仍有较多的应用。1.4.1门极可关断晶闸管 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。G K G K G AN2 P N22GN1KP1A和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚b)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：

图1-13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。I

减小，使b2I和I减小，I的减小又使 I和I减小，又进一步减小V的基极电流。当I和K c2 c2 A c1 2 AI的减小使+<1时，器件退出饱和而关断。K 1 2多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dtGTO的动态特性开通过程：与普通晶闸管类似，需经过延迟时间t和上升时间t关断过程：与普通晶闸管有所不同

d r。抽取饱和导通时储存的大量载流子——储存时间t，使等效晶体管退出饱和。s等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小——下降时间t。f残存载流子复合——尾部时间t。t通常t比t小得多，而t比t要长。f s t s门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，抽走储存载流子的速度越快，t越短。s门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在t。tGTO的主要参数最大可关断阳极电流IATO术语用法：电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）英文有时候也称为PowerBJT。GTR与BJT这两个名称等效。应用20世纪80IGBT和电力MOSFET取代。GTR的结构和工作原理在应用中，GTR一般采用共发射极接法。当考虑到集电极和发射极间的漏电流I时，i和i的关系为i=i+I

，产品ceo c b c b ceo说明书中通常给直流电流增益h——在直流工作情况下集电极电流与基极电流之

FE单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，FE采用达林顿接法可有效增大电流增益。GTR的基本特性静态特性共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区开通过程延迟时间t和上升时间t，二者之和为开通时间t。t主要是由发射结势垒电容d r on d和集电结势垒电容充电产生的。增大i的幅值并增大di/dt，可缩短延迟时间，b b关断过程储存时间t和下降时间t，二者之和为关断时间t。s f offt是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。sI的幅b2值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度。负面作用是会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。GTR的主要参数hFE

、集射极间漏电流Iceo

、集射极间饱和压降Uces

、开通时间ton

和关断时间toff

(此外还有)：最高工作电压还与外电路接法有关。BUcbo

>BUcex

>BUces

>BUcer

>Buceo实际使用时，为确保安全，最高工作电压要比BUceo

低得多。集电极最大允许电流IcMhFE

下降到规定值的1/2~1/3Ic，

实际使用时要留有裕量，只能用到IcM

的一半或稍多一点。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T，间接表示了最高工作温度。CGTR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，I迅速增大，出现雪崩击穿。只要I不超过c c一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿一次击穿发生时I增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然c安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）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FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxide SemiconductorFET）简称电力MOSFET（PowerMOSFET）（StaticInductionTransistor——SIT）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N沟道增强型电力MOSFET的结构小功率MOS管是横向导电器件大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。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（VerticalDouble-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漂移区之间形成的PN结J1导电：在栅源极间加正电压UGSP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U大于U（开启电压或阈值电压）P区表面的电子浓度将超过空GS T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J消失，漏极和源极导电。1静态特性漏极电流I和栅源间电压U的关系称为MOSFET的转移特性。D GSI较大时，I与U的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导GD D GS fs。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GTR的放大区）（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。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。开通过程开通延迟时间t ——u前沿时刻到u=U并开始出现i的时刻间的时间段。d(on) p GS T D上升时间t——u从u上升到MOSFET进入非饱和区的栅压U

的时间段。r GS T GSPi稳态值由漏极电源电压U和漏极负载电阻决定。DUGSP

E的大小和i的稳态值有关DU达到U后，在u作用下继续升高直至达到稳态，但i已不变。GS GSP p D开通时间ton

——开通延迟时间与上升时间之和。关断过程关断延迟时间t ——u下降到零起，C通过R和R放电，u

按指数曲线下降到d(off) p in s G GSUGSP

时，i开始减小止的时间段。D下降时间t——u从U

继续下降起，i减小，到u

<U时沟道消失，i下降到零f 为止的时间段。

GSP

D GS T D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R减小时间常数，加快开关速度。sMOSFET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。10~100ns100kHz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。1．4.2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（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点，具有好的特性。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。IGBT的结构和工作原理G、集电极C和发射极EIGBT的结构图1-22a—N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。RNIGBT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u

决定。导通：uGE

大于开启电压UGE(th)

GE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R减小，使通态压降小。N关断MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的基本特性IGBT的静态特性转移特性——I与U间的关系，与MOSFET转移特性类似。C GE开启电压U 能实现电导调制而导通的最低栅射电压。UGE(th)

GE(th)随温度升高而略有下降，在+25C时，UGE(th)

的值一般为2~6V。输出特性（伏安特性）——以U为参考变量时，I与U

间的关系。GE C CEGTR的截止区、放大区和饱和区相对应。u<0时，IGBT为反向阻断工作状态。CE IGBT的开通过程与MOSFET的相似，因为开通过程中IGBT在大部分时间作为MOSFET运行。开通延迟时间td(on)

——从uGE

上升至其幅值10%的时刻，到iC

上升至10%I² 。CM电流上升时间t

所需时间。C CM CM开通时间ton

——开通延迟时间与电流上升时间之和。utCE

和tfv2

两段。tfv1

——IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2

和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。IGBT的关断过程关断延迟时间td(off)

uGE

后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC

下降至90%I。CM电流下降时间——i从90%I下降至10%I。C CM CM关断时间toff

——关断延迟时间与电流下降之和。电流下降时间又可分为tfi1

和tfi2

两段。tfi1

的关断过程，iC下降较快；tfi2

内部的PNP晶体管的关断过程，i下降较慢。C中双极型PNP晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET。IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数。N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，这会引起通态压降的增大和关断时间的延长。其他新型电力电子器件MOS控制晶闸管MCTMCT（MOSControlledThyristor）——MOSFET与晶闸管的复合MCT结合了二者的优点：的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程。晶闸管的高电压大电流、低导通压降。一个MCT器件由数以万计的MCTPNPN制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。曾一度被认为是一种最有发展前途的电力电子器件。因此，20世纪80年代以来和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。静电感应晶体管SITSIT（StaticInductionTransistor）——1970年，结型场效应晶体管小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SITMOSFET和高频感应加热等领域获得应用。缺点：正常导通型应用。静电感应晶闸管SITHSITH（StaticInductionThyristor）——1972年，又被称为场控晶闸管（FieldControlledThyristor——FCT）。比SIT多了一个具有少子注入功能的PN结，SITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比GTO复杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。集成门极换流晶闸管IGCTIGCT（IntegratedGate-CommutatedThyristor），也称GCT（Gate-CommutatedThyristor）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，且可省去GTO庞大而复杂的缓冲电路，只不过所需的驱动功率仍很大。IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。片上，称为功率成电路（PowerIntegratedCircuit——PIC）。类似功率集成电路的还有许多名称，但实际上各有侧重。高压集成电路（HighVoltageIC——HVIC）一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成。（SmartPowerIC——SPIC）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（IntelligentPowerModule——IPM）则专指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（IntelligentIGBT）。以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。电力电子器件驱动电路驱动电路——主电路与控制电路之间的接口置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。对器件或整个装置的一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的环节，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。电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。广义上讲，还包括对其触发时刻进行控制的相位控制电路。V1 2TM和附属电路构成脉冲输出环节VV1 2VDRVVTM释放其储存的能量而设。1 3 1 2典型全控型器件的驱动电路GTOGTO的开通控制与普通晶闸管相似，但对脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一般需在整个导通期间施加正门极电流。使GTO关断需施加负门极电流，对其幅值和陡度的要求更高，关断后还应在门阴极施加约5V的负偏压以提高抗干扰能力。GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。沿，因此目前应用较广，但其功耗大，效率较低。典型的直接耦合式GTO驱动电路GTR开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗，关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。电压驱动型器件的驱动电路阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。（数十欧左右驱动器件电流额定值的增大而减小。电力电子器件器件的保护过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压——外因过电压和内因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因。操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起。雷击过电压：由雷击引起内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。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不流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：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。过电压的产生及过电压保护外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35。电力电子装置过电压抑制电路

R C1 2R2C1过电流保护过载和短路两种情况常用措施交流断路器

电流互感器

快速熔断变流器直流快速断路器 器负载过电流继电器

电流检测开关电 触发电路路流

电子保护电路选择快熔时应考虑：

最广的一种过电流保护措施。电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。(3)快熔的I2I2值。(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性。快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种合。短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快。缓冲电路（SnubberCircuit）缓冲电路（吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（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。将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起——复合缓冲电路。其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大。有缓冲电路：V开通时：C通过R向V放电，使i先上一个台阶，以后因有L，i上升速度减s C i C慢。Vdu/dt和过电压。s s缓冲电路中的元件选取及其他注意事项C和R的取值可实验确定或参考工程手册。s sVD必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10。s尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容。du/dt抑制电路。对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容。du/dt，一般采用RC吸收电路即可。电力电子器件器件的串联和并联使用晶闸管的串联目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。件分压不等。通，失去控制作用。反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿。晶闸管的串联静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，R的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。p动态均压措施：用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异。晶闸管的并联目的：多个器件并联来承担较大的电流问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。均流措施：采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。电力MOSFET和IGBT并联运行的特点电力MOSFET并联运行的特点：R具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。on注意选用R、U、G和C尽量相近的器件并联。on T fs iss电路走线和布局应尽量对称。IGBT并联运行的特点：1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负的温度系数。在以上的区段则具有正温度系数。并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。一、教学目的与要求及负载性质对整流电路的影响。二、授课主要内容单相可控整流电路三相可控整流电路整流电路的有源逆变相控电路的驱动控制三、重点、难点及对学生的要求 重点：流电路的影响。2）整流电路的有源逆变 难点：的影响。2）有源逆变 要求：流电路的影响。掌握有源逆变电路的工作原理了解变压器漏抗对整流电路的影响熟悉晶闸管直流电动机系统了解整流电路的谐波和功率因数交流侧接单相电源

单相可控整流电路单相半波整流电路单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作情况带阻感负载的工作情况单相全波整流电路单相桥式半控整流电路重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。单相半波可控整流电路带电阻负载的工作情况T起变换电压和隔离的作用基本数量关系首先，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 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称为，用θ直流输出电压平均值为U 1

2U sintd(t) (1cos)0.45U

1cos2d 2 2 2 2 2VT的a移相范围为180° 这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大TVTuTVTuuuVTu12diTVTuuuud LR a)Ru2u0u2u0gtt120udt0tVT0tu0t2tu0tu++0it0ut0tc)c)d)d)e)ue) f)小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。带阻感负载的工作情况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。电力电子电路的一种基本分析方法 通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：VTid=0。VTVTu2VT VTu2L Lu2 R RdiL dRidt d

2U2

sint初始条件：ωt= R2R2(L)2

arctanLR（2-2）并将初始条件代入可得22Li sin()eR(t) sin(t22Ld Z Z单相半波可控整流电路为避免U太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管d当u过零变负时，VDu为零。此时为负的u通过VDVT施加反压使其关2 R d 2 RTVTTVTiuuuVTuidVDR12dVDRa)Ru2u2Oudtt1OidtIdOitVTIdO-+tVDRtOuVTOtc)d)e)if)g)断，L储存的能量保证了电流i在L-R-VD回路中流通，此过程通常称为续流。续d R流期间u为零，u中不再出现负的部分。d d数量关系 1 1 I2dt)dVT

I2 d

I dVDR

I2 dI VDR

I1 1 I2dt)d带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析VTVTu正半周承受电压uu过零1 4 2 2 2时关断。VT和VT组成另一对桥臂，在u正半周承受电压-u，得到触发脉冲即导通，当u2 3 2 2 2过零时关断。iTiTVaT1T3V2u1u2udbT2VT4VdRuud0u(i)dduV1,40i20c)d)数量关系1

2 2U 1cos 1cos22U d

2U 2

td( t) 2

0.9U2 2a180°。1 U 1cosI IdVT 2

0.45 2R 2向负载输出的平均电流值为：dI Ud

U 1cos2 2U 1cos22 2U 1cos2d R R 2 R 22.带阻感负载的工作情况为便于讨论，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。VT4id，并不关断。至ωt=π+

VT2VT3VT2VT3VT2VT3VT1VT4VT1VT4关i 1T au ub2

i3LuRua)ua)ttItIIttttOuOiOuOiOI1,4O2,3OiOI1,4Ob)uVT1VT4VT2VT3上，此过程称换相，亦称换流。带反电动势负载时的工作情况udEudEOid IdO tdudREb)了电角度δ停止导电，δ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，一般在的时间。iT1ViT 2 au

T2 iV dLu DRd V2b RD3 D4V Vu2O tudO ti Id diO I t

d tiO IVD3

d tiO IVDR dO I ti d2 tId这时整流电压ud的波形和负载电流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iVT1iVT1T1u1uu22VTu2dudOi1tOta) b)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。2111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，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（VR。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。位使得电流从VD4转移至关断电流不再流经变压器二次绕组而是由VT1和VD2续流。iTuu

1 2 iTTV VTTaLu DRVb RD3 D4V VO tuO ti IiO I ti1Oi4 I tOi 23 I tRiORO I iO tIu2aVT3，VT3导通，则向VT1加反压使之关断，u2经又为零。续流二极管的作用a180°udud为正弦，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降低损耗。单相桥式半控整流电路的另一种接法T1 D3T V Vu 负2 载2-4aVT3

T2VT4

D4VVD3

VD4

，这样可以省去续流二极管VDR续流由VDVD来实现。3 4三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电阻负载电路的特点：ababcuVTVTVTuu=0uuu RiOttttOutOt1O1Ottuuuc)d)ie)uf)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。一周期中，在t1-t2期间，

aa=0°。a=0°时的工作原理分析，变压器二次侧aVT1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：1，VT1uT1=0。（2-13）负载电流处于连续和断续之间的临界状态。的情况（2-14）120°。

a<30° 时的波形U 1d 2

666

2U sintd(t)2

3 6U2

cos1.17U2

cos3整流电压平均值的计算:°a≤30时，负载电流连续，有： 当a=0时，U°d

最大，为 。U 1

2U sintd(t)

3 2U

1cos(

)

cos(

)d 2 2

2 2

6 0.6751 6 63（2）a>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1.2

I U132dd 132d1.170.8U2/Ud 0.40 30 60 90 120 150/)线电压峰值，即2U 3U2RM 2

6U2

2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，即阻感负载 FM 2id波形基本平直。a≤30°a>30°时（如a=60°时的波形如图2-16。uVT2uVT2abVT12cVTLeuLdidRuuuuu3abcdOtiaOitbOicOidttuO tVT1Ouutacuacabu2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，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近似为一条水平线。。数量关系由于负载电流连续，Ud/U2a2-152量不是很大，则当a的关系123Ud/U2a变化的关系1.21.170.8U2/Ud0.4 1320 30 60 /)

120 1501－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VTVT1 iT aan b

VTd5 1id负 uc载 dVT4VT6VT2d2带电阻负载时的工作情况续波形图：a=0（2－18）a=30°（2－19）a=60°（2－20）>60°d60°d波形不能出现负值波形图：a=90°（图a120°三相桥式全控整流电路的特点:1，1件。（2）对触发脉冲的要求：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT660°VT1、VT3、VT5120°，共阳极组VT4、VT6、VT2120°。同一相的上下两个桥VT1VT4，VT3VT6，VT5VT2180°。(3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。(4）2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）关系也相同。阻感负载时的工作情况≤60°时（a=0°2－22；a=30°2－23•dud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a>6°时（a=90°2－24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a≤60°时）的平均值为：U 1d

333

6U sintd(t)2.34U2

cos3带电阻负载且a>60°时，整流电压平均值为：U 3d

6U sintd(t)2.34U2

cos(3

) 31212I2 (I)22d3d232

2I 0.816I3d d2-172-23120°、前沿半波电路及其波形iTiT1 T3VV2auu2dbT2VT4VTuTu1RTVTTVTuiuuVTu12dRuiuiddu(i)dd0 tuVT1,40i2t0t2b) t t0 2u 1gc)0 tdudc)d)0uVTe)

t0 t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uOutuOuttOitIOtiIO-+tRO tOtTVTiuiuuuRVDVTVTiiTa13LuLa)uuuu22a)b4Ru2b)Oc)ua)b)O d)iOIe)OIiOiOIf)Ig)ORtIttttttiiuub)载时的电路及波形b)单相全控桥带阻感负载时的电路及波形uud=0EtidOtudEudEOid IdO tdudREb)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iVT1iVT1T1u1uu22VTu2dudOi1tOtb)单相桥式全控整流电路带反电动势负载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a=0°时的波形三相半波可控整流电路，a=30°时的波形三相半波可控整流电路，uu2=30°uuua b cOtuGOudtiOVT1tt1uOVT1Otuactuuab ac三相三相半波可控整流电路Ud/U2与a的关系a)uO

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1.213132U20.8u O ti I

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120 150三相半波可控整流电路a=60°时的波形u u u2 a b cO tuGO tudO tiVT1三相桥式全控整流电路原理图O tiT n

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