电力电子技术

绪

论1.什么是电力电子技术2.电力电子技术的发展历史

3.电力电子技术的应用4.本课程的主要内容PowerElectronics1.2两大分支1.3与其他学科的关系PowerElectronics1.

什

么

是

电

力

电

子

技

术信息电子技术：信息处理电力电子技术：电力变换电力电子技术是应用于电力

领域的电子技术，也就是使

用电力电子器件，应用电路

理论、控制理论对电能进行

变换、控制的技术。包括电

压、电流、频率、波形等方

面的变换、控制。电子技术信息电子

电力电子技术

技术模拟电子

数字电子技术

技术1.1概念PowerElectronics电力直流

交流电力变换交流变直流(整流)

直流变交流(逆变)

直流变直流(斩波)

交流变交流PowerElectronics电力电子器件制造技术—电力电子技术的基础变流技术(电力电子器件应用技术)—

—电力电子技术

的核心

电力电子器件构成

变

流

各种电力变换电路技术对这些电路进行

控制的技术相互支持、相互促进PowerElectronics1.2两大分支电力电子器件

制造技术电力电子技术变流技术电子学

边缘学科图0-1描述电力电子学的倒三角形PowerElectronics1.3与其他学科的关系连续、离散控制理论电力电

子技术电力学分析方法、分析软件PowerElectronics1.3.1与电子学的关系理论基础、材料、制造工艺电力电子器件制造技术器件、电路电子器件

制造技术电力电子

电路电子电路电力电子电路——电力变换电子电路——信息处理信息电子电路器件开关状态放大状态电力电子

电路器件O开关状

态功率损耗PowerElectronics高性能交直流电源电加热电

镀电

解交

直

流

电

力

传

动电力机车牵引静止无功补偿高压直流输电电力工程电力电子技术广泛用于电力工程1.3.2与电力学的关系PowerElectronics电力电子技术控制理论电力电子技术弱电和强电接口

弱电控制强电1.3.3与控制理论的关系PowerElectronics实现纽带2.

电

力

电

子

技

术

的

发

展

历

史2

.

1电力电子器件的发展2

.2电力变换电路的发展

2

.

3控制技术的发展PowerElectronics1958工业用晶闸管问世、电力电子技术诞生

20世纪70年代低压小电流、高压大电流晶

闸管系列化派生型晶闸管：双向、逆倒、光控20世纪70年代后期全控型器件迅速发展GTO

、GTR、MOSFET可通可断、开关速度

高于晶闸管80年代后期以IGBT为代表的复合型器件异

军

突

起

MOSFET与GTR复合驱动功率小、开关速度

快；通态压降小、载流能力大；主导器件功率集成模块

把若干个电力电子器件及必要的辅助元件、

电路模块化，便于应用。结构紧凑、体积小

巧。尽管功率较小，重要发展方向。Power

Electronics半控型器件全控型器件全控复合型器件2.1电力电子器件的发展2.2电力变换电路的发展整流电路、逆变电路应用最为广泛。20世纪70年代以前，整流电路占有主导地位；

20世纪80年代以后，逆变电路的应用日益广泛，

但整流电路仍然占有重要地位。原因?常

用：晶闸管相控整流电路，消耗无功功率、产生

谐波污染电网。治理：补偿无功功率、抑制谐波。

有

源

电

力

滤

波

器高功率因数整流电路，采用自关断器件、PWM

控

制。功率因数可以达到1,基本不消耗无功功率、

不

产

生

谐

波

。PowerElectronics新型电力变换电路：谐振型逆变电路性能更佳PowerElectronics2.2电力变换电路的发展软开关电路。降低电力电子器件的开关损耗、抑

制电磁干扰。利用谐振原理，使电力电子器件在

零电压或零电流的条件下开通、关断，理论上可

将开关损耗降至零并抑制电磁干扰。2.3控制技术的发展晶闸管电路相位控制方式；全控型器件PWM控

制方式；就异步电动机而言，矢量控制、直接转

矩控制；就控制理论而言，自适应控制、模糊控

制

。20世纪80年代后期高性能单片微机、数字信号

处理器应用于电力电子电路控制。模拟、数字

控制——微机控制Power

Electronics3.电力电子技术的应用(1)一般工业大型同步轧钢电机

隐极同步电机直流电动机异步电动机冶金工业中高频感应加热电源设备磁悬浮列车PowerElectronicsDJ

型交流电力传动机车施奈德公司

富士公司PowerElectronics国内外知名变频器西门子(

Siemens)

公

司安圣(华为电气)变频器系列Power

ElectronicsABB公司晶闸管变流装置

无功补偿装置PowerElectronics(3)电力系统电子装置用电源PowerElectronics(4)电子装置用电源开关、

UPS电源变频交流电(40V~180V20~120H2)V变频模块A+

压缩机ACB-交流直流变频模块B+

压缩机AC交流直流通电转换

位置检测电路控制电路部分直流变频空调的电路原理图(5)家用电器PowerElectronics交流变频控制器的原理框图变频空调控制器直流电310V左右交流电源

220V/50Fz变频压

缩机整流泥波逆变驱动水泵变频、风机变频节能PowerElectronicsYJ32双绕组双速异步风力发电机不间断电源4.本课程的主要内容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：电力电子电路

(第2～4章-----全书的主体)第三部分：PWM

控制技术(第5章)第四部分：电力电子应用(拓展)(

第

6

～

9

两

章

)Power

Electronics第1章电力电子器件1.1

电力电子器件概述1.2

电力二极管1.3晶闸管及其派生器件1.4

门极可关断晶闸管

1.5电力晶体管1.6

功率场效应晶体管1.7绝缘栅双极性晶体管1.8其他新型电力电子器件

本章小结PowerElectronics1.1

电力电子器件概述1.1.I电力电子器件的概念和特征1.1.2电力电子器件的基本类型1.1.3电力电子器件的模块化与集成化1.1.4电力电子器件的应用领域PowerElectronics1.1₀

1电力电子器件的概念和特征1.概念主电路

(Power

Circuit)

在电气设备或电力

系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路

。电力电子器件

(PowerElectronicDevice)

直接

用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电

能的变换或控制的电子器件。Power

Electronics2.特征电力电子器件是功率半导体器件。1)电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的

参数。其处理电功率的能力

一般远大于处理信息的电

子器件。2)电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损

耗、提高效率，

一般都工作在开关状态。3)电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控

制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4)电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率

损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因

损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器

件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需

要设计安装散热器。PowerElectronics1.1

电力电子器件概述1.1.I电力电子器件的概念和特征1.1.2电力电子器件的基本类型1.1.3

电力电子器件的模块化与集成化1.1.4

电力电子器件的应用领域PowerElectronics通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断通过控制信号即可控制

其导通又能控制其关断自关断器件PowerElectronics晶闸管及其派生器件绝缘栅双极晶体管

电力场效应晶体管

门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管1.1.2电力电子器件的基本类型1.按照电力电子器件的可控程度关

断全控型器件处理兆瓦级

大功率电能半控型器件主

电

路电

压电

流不控型器件电

电压

流只有两个端子通

断电流驱动型

ykK2.按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路PowerElectronics电力二极管电压驱动型通断主

电路参3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况单极型器件

由一种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件Power

Electronics1.1.3电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件最初是单管结构、分立器件电力电子设备电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路结构松散、体积大、可靠性差、成本高电力电子器件的模块化与集成化结构紧凑、体积小、可靠

性高、成本低PowerElectronics由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片

再度与电力电子器件集成Power

Electronics类

型名称中文名称英文名称分立器件不可控器件电力二极管Power

Diode半控型器件晶闸管(可控硅)Thyristor(SCR)全控型器件电流控制器件电力晶体管(双极型晶体管)GTR

(BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管Power

MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块We

ron1CS功率模块Power

Module单片集成模块System

on

a

Chip智能功率模块IPM表1-1

电力电子器件1.1.4电力电子器件的应用领域电力电子器件应用广泛P/VA100M电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域Power

Electronics10M1M100k10k1k10010IGBT(电机调速、逆变器、

变频器等中等功率范围)MOSFET

(开关电源、日用电器、汽车电子等)S

C

R

(高

压

直

流

输电、静止

无

功

补

偿

等

高

压

领

域

)铁、S

V

G

等

)GT0

(

机

车

、

地调

、

冰箱

等

)GTR

(UPS、f/Hz100k10M10k100H1M1k电力二极管(半导体整流管)结

构

和

原

理

简

单现

在

仍

大

量

应

用

于

许

多

电

气

设

备工

作

可

靠斩波、逆变高频低压仪表、

开关电源1.2

电力二极管20世纪50年代

初获得应用快恢复二极管

肖特基二极管PowerElectronics应用电力二极管在本质

上是一个PN

节，只是加上电极引线、

管壳封装。PN

节的工作原理已经在

模拟电子技术课程

中涉及，不再展开

讨论。a)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Power

Electronics1.2.1

PN结的工作原理PN结的正向导通状态

PN结在正向电流很大

时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN

结表现为低阻状态。PN结的反向截止状态

微弱的反向电流。Power

ElectronicsPN结的单向导电性：承受正向

电压导通，承受反向电压截止PN结反向击穿反向电流

急剧增大PowerElectronics施加PN

结反

向电压过大破坏PN

结的反向截止状态1.2

电力二极管1.2.1

PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型PowerElectronicsPowerElectronics正向电压为零，电流为零。正向电压较小，正向电流很

小，几乎为零。正向电压升高至UTo,

正向电

流明显增加。门槛、阈值电压正向电压大于UTo,正向电流(a)线性增长。Power

Electronics1.2.2电力二极管的结构与基本特性电力二极管

静态特性图1-4电力二极管的伏安特性1.静态特性伏安特性电力二极管

静态特性o正向电流I

对应

的电力二极管两

端的电压Up为其

正向电压降。只有微小而数

值恒定的反向

漏电流。1.2.2电力二极管的结构与基本特性PowerElectronics1.静态特性图1

-

4电力二极管的伏安特性伏安特性电力二极管的动态状态反映通态和断态之间转换过程的开关特性Power

Electronics过渡过程中，

其电压—电

流关系随时

间而变化2.动态特性反向偏置正向偏置零偏置a)电力二极管的关断在tp时刻外加电压突然反

向。经过一段短暂的时间

才能重新获得反向阻断能

力，进入截止状态。在关断之前有较大的

反向电流，伴随明显

的反向电压过冲。ta=t₁-to——延迟时间t=t₂-t₁——电流下降时间

t=ta+t—

—反向恢复时间普通：

5～几十微秒快速：

几百纳秒肖特基：几十纳秒PowerElectronics注意：电流、电压反向问题

过冲正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，

二极管看成是理想开关元件，因为它的开通

时间很短；但在关断时，它需要一个反向恢复时间(reverser-recovery

time)。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复

时间。Power

Electronics1.2

电力二极管1.2.1

PN结的工作原理1.2.2电力二极管的结构与基本特性1.2.3电力二极管的主要参数1.2.4电力二极管的主要类型PowerElectronics1.2.3电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用

时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流

额定值，应留有一定的裕量。正向压降Up

→

电力二极管在正向电流导

通时二极管上的正向压降。Power

Electronics1.2.3电力二极管的主要参数反向重复峰值电压UR

RM

对电力二极管所

能重复施加的反向最高峰值电压。

额定电压。2～3倍裕量。最高工作结温反向恢复时间浪涌电流PowerElectronics普通二极管(整流二极管)正向电流定额和反向电压定额很高，分别可达数千安和数千伏以上1.2.4电力二极管的主要类型多用于开关频率

不

高

(

1kH₂

以下)

的整流电路中反向恢复时间长

一般在5μs以

上PowerElectronics恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短(5μs以下，数百ns)

的二极管，简称快速二

极管。PowerElectronics快恢复二极管肖特基二极管导通压降只有0.3～0.6V,

反向恢复时间短，10～40ns。缺点：漏电流很大、耐压低。PowerElectronics1.3晶闸管及其派生器件PowerElectronics图1-6晶闸管外形、结构和电气图形符号a)外形

b)结构c)电气图形符号PowerElectronicsAP1N1P12NKJ₁J₂J₃GKAG1.3.1晶闸管的结构与工作原理b)

c)a)GINo晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，

可等效为可控的单向导电开关。反向承受

一

定电压，处于阻断(截止)状态。正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高

阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。PowerElectronicsa)

b)图1-7

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)Power

Electronics对晶闸管的驱动触发产生注入门极的触发

电流Ig的电路门极触发电路反向截止正向阻断晶闸管工作原理如以下方程所示Ic₁=a₁IA+ICBO1

(1-1)Ic₂=a₂Ik+ICBO2(1-2)Ik=IA+Ig

(1-3)IA=Ici+Ic₂

(1-4)a₁和a₂分别是晶体管V₁和V₂的共基极电流增

益；IcBO₁和ICBO2分别是V₁和V₂的共基极漏电

流。由式(1

-

1)～式(1

-

4)得：Power

Electronics(1-5)晶体管的特性是：

在低发射极电流下α是很小的，

而

当发射极电流建立起来之后，a

迅速增大。阻断状态：Ig=0,a₁+a₂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(门极触发):

注入触发电流使晶体管的发射极

电流增大以致a₁+a₂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。PowerElectronics晶闸管的开通、关断规律：1)承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均不导通。2)承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管开通。3)晶闸管

一

旦导通，门极就失去控制作用。即

使去除门极触发信号，仍然维持导通。

自锁、

掣

住4)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。维持电流PowerElectronics1.3晶闸管及其派生器件PowerElectronics第II

象限是反向特性Power

Electronics1.3.2晶闸管的基本特性及主要参数1.阳极伏安特性及静态参数第

I

象限是正向特性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

UDB,

则漏电流急剧增大，器

件并通。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

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，则晶闸管又回到正向阻断状态。I

称为维

持电流。PowerElectronics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，只有极小的反向漏电流

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，导致晶闸管反

向击穿、损坏。PowerElectronicsPowerElectronics晶闸管的静态参数UDB、URB

正向转折电压和反向击穿电压；UDsM

、UDRM

正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压；

URSM

、URRM

反向不重复峰值电压和重复峰值电压；不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一

般不允许多次施加。重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的

最大瞬时电压。取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。

取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。PowerElectronics晶闸管的静态参数取晶闸管的UDRM

和URRM

中较小者作为额定

电压。额定电压要留有一定裕量，

一般取额

定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压

的2～3倍。正向通态电压指晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间

的

电压降，也称管压降，该参数直接反映了器件的通态损

耗特性。若通过晶闸管的电流为通态平均电流，则电压

降为通态平均管压降。Power

Electronics额定电流、通态平均电流/T(AV晶闸管在环境温度为40°℃和规定的冷却条件下，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。晶闸管的额定电流以工作波形的平均值定义。选择晶闸管时根

据有效值相等的原则，在选择晶闸管定额电流时，通常需要根

据电流波形，做平均值与有效值的换算。以正弦半波为例。考虑到实际散热条件、过载现象，留有1.5～2倍的裕度。PowerElectronics维持电流lH晶闸管维持导通所必需的最小电流。若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。掣住电流lz晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持其导通所

必需的最小阳极电流。对同

一

晶闸管来说，通常

l

约为

lH的

2～4倍。是晶闸管的临界开通电流，若阳极电流A

未达到/时就去掉门

极信号，晶闸管将自动返回阻断状态。在感性负载电路中，由

于阳极电流上升到/需要一定的时间，若门极信号持续时间低

于此值，晶闸管则不能维持住导通状态。PowerElectronics2.动态特性及其参数动态特性：晶闸管在阻断、导通这两种状态变换过

程中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。开通特性：晶闸管在正向偏置并受到理想电流触发

时的导通情况。关断特性：已导通的晶闸管在施加反向电压时的关

断情况。PowerElectronics延迟时间ta从门极电流阶跃时刻开始，

阳极电流上升到额定值的10%所需时间上升时间t阳极电流从额定值10%上

到90%所需时间开通时间tgttgt=ta+tp普通晶闸管的延迟时间为0.5us,

上升时间为0.5~3us

。其延迟时间随门极电

流的增大而减小。

强触发Power

Electronics开通过程关断过程反向恢复时间t正

向电流降为零到反向恢复

电流衰减至近于零的时间。恢复对反向电压的阻断能力。门

极恢复时间tgr晶闸管完全关断至恢复阻断

能力所需时间。恢复对正向

电压的阻断能力。关断时间tqtq=trr+tgr普通晶闸管的时间约为几百

微秒PowerElectronics断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从

断态到通态转换的外加电压最大上升率。

过大，误

导通通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升

率。

过大，门极局部过热PowerElectronics1.3.3晶闸管的派生器件快速、逆倒、双向、光控晶闸管PowerElectronics1.

4

门

极

可

关

断

晶

闸

管1.4.1结构与工作原理1.4.2动态特性1.4.3主要参数PowerElectronics1.4门极可关断晶闸管晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。半控型器件，如何关断即换流?必须借助外部手段使其电流小于维持电流。为此必须附加强迫换流电路，使

电力电子装置复杂化。为满足现场实际的需要，在晶闸管基础之上研制成功门

极可关断晶闸管，GTO

。

全控型器件电压、电流容量高于其它全控型器件，但驱动技术复杂、

价位高，使其推广受到限制。PowerElectronics1.4门极可关断晶闸管1.4.1GTO的结构和工作原理Power

ElectronicsG-AKPNPN

四层半导体结构阳极A、

阴

极K、门

极G多元功率集成器件内部包含数

百个小GTO

元GTO元阳极共有GTO

元阴极、门极在器件内部

并联阴极呈岛状结构，周围被门极所

包围，以减小门极和阴极之间的

距离。阴极宽度越窄、门极与阴

极距离越短(横向电阻小),越

利于关断。与晶闸管的相同点G

KN₂

N₂

N₂P₂N₁不同点P₁APower

ElectronicsGTO导通过程与普通晶

闸管相同，如何?

只是

导通时饱和程度较浅、

临界饱和状态。导通：V1

、V2饱和

a₁+a₂→

1,α₁+a₂>1;关断：V1

、V2是不饱和的，a₁+a₂

<1临界饱和：

a₁+a₂=1晶闸管导通时α₁+a₂=1.15GTO导通时α₁+a₂=1.05Power

Electronics工作原理GTO关断过程：强烈正

反馈———门极加负脉冲

即从门极抽出电流，则减

小

，

使I

和

Ic2减小，的减小又使

和1

C1

减

小，又进一步减小V,的基极电流。当IA和I

的减

小使a₁+a,

1时，退出饱

和而关断。C2B2Power

Electronics工作原理开通特性与普通

晶闸管类似，开

通时间。由延

迟时间和上升

时间t组成。关断过程则与晶

闸管有所不同，

可用3个不同的

时间来表示，即

存储时间t、下降时间t及尾部

时间t1.4.2.GTO

的动态特性Power

Electronics存储时间t从关断过程开始

到阳极电流下降

到90%/为止的

时间间隔。在这

段时间内，依靠

门极负脉冲电压

从门极抽出电流，

晶体管饱和深度

变浅，由于PN结还处于正向偏

置，阳极电流变化很小，门极电流乙达负的最

大值。1.4.2.GTO

的动态特性PowerElectronics下降时间tr阳极电流从90%/A

起到下降到10%A为止的时间间隔。在这段时间里，继

续从门极抽出电流，

阳极电流逐渐减小，

当α₁+

a,≤1

后

，内部正反馈停止而

使GTO

退出饱和。1.4.2.GTO

的动态特性PowerElectronics尾部时间t阳极电流从10%lA

起减小到维持电流

为止的时间间隔。

在这段时间里，继

续从门极抽出电流，

阳极电流继续减小，

直至小于维持电流

GTO关断。关断时间PowerElectronicstff=t+t数个微秒1.4.2.GTO的动态特性1.4.3.GTO的主要参数最大可关断阳极电流/ATo

一

G

TO额定

电流。若阳极电流过大，GTO

处于深度饱和

状态，导致门极关断失败。由门极可靠关断

为决定条件的最大阳极电流称为最大可关断

阳极电流电流关断增益

βoff

最大可关断阳极电

流与门极负脉冲电流最大值IGM之比。数值低、

4～5,主要缺点。

举例PowerElectronics耐高电压、大电流的双结晶体管其基本原理是通过控制基极电流来控制集电极电流的通断。相对于GTO,GTR

具有控制方便、开关时间短等优点，主要应用于交流电机调速、不间断电源

(UPS)

以及家用电器等中小容量的变流装置中。Power

Electronics1.5电力晶体管电力晶体管集电极cPowerElectronics1.5电力晶体管CebGTR的静态特性、动态特性以及极限参数与

普通晶体管类似，不予详述。PowerElectronics功率场效应晶体管，是一种单极型电压控制器件，通

过栅极电压来控制漏极电流。显著优点：驱动电路简单，驱动功率小，同时开关速

度快(开关时间10～100ns),

工作频率可达1

MHz,不存在二次击穿问题；其缺点是电流容量小，耐压低，

通态压降大。功率场效应晶体管适用于开关电源、高频感应加热等

高频场合，但不适用于大功率装置。电力场效应晶体管

PowerMOSFET1.6功率场效应晶体管电压电流能力利用V型槽实现垂直导电

VVMOSFET具有垂直导电双扩散MOS结构VDMOSFET1.6功率场效应晶体管1.6.1

结构和工作原理小功率MOS

横向导电功率MOSFET垂直导电Power

ElectronicsUgs=0时，无导电沟道，Ip=0

UGs=0

时，存在导电沟道种类增强型

耗尽型结型——静电感应晶体管P沟

道

N沟

道空穴

电子绝缘栅型一一Power

ElectronicsP沟道当漏、源极间加正向电压，栅、源极间Ugs=0

时，漏源极之间无电流流过。

如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。

但当Ugs>UT(UT

为开启电压或阈值

电压)时，漏极和源极导电，流过漏

极电流。N

沟道GDS1.6.2特性、

1.6.3参数与MOSFET类似，

不再展开讨论。PowerElectronics1.7.4掣住效应与安全工作区PowerElectronics1

.

7

绝

缘

栅

双

极晶

体

管1.7.1结构与工作原理1.7.2特性绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。显著优点：它将MOSFET和GTR的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功

率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好。中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电

流容量的不断升高，有进一步取代GTO

的趋势。PowerElectronics1.7绝缘栅双极晶体管IGBTa)b)c)N沟道MOSFET与双极型晶体管复合而成；以GTR为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结

构。等效电路中Rdr是GTR基区内的扩展电阻。PowerElectronics1.7.1结构和工作原理发射极

栅

极IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道IGBT为例，栅极施以正电压时，MOSFET

内形成导电沟道，为

PNP晶体管提供基极电流，IGBT

导通。在栅极施以负

压

时

，MOSFET

内导电沟道消失，PNP晶体管无基极电

流

，IGBT关断。1.7.2特性静态特性——输出特性

以栅射电压UGo为参变量，反

映集电极电流Ic与集电极、发射极电压UcE间关系的曲线族PowerElectronicsIc个饱和区击穿区UGE2UGEIU截止区0当UGE<U时，IGBT处于截止状态，微弱漏电流。Power

Electronics放大区UGE3GE

增加U

CEc饱和区UGE2UGEIU截止区0CE当UGe>U时

，IGBT

处于放大区。集电极电流工大小

几乎不随ucE而变化，其大小取决于ucE,正常情况下

不会进入击穿区。PowerElectronics放大区UGE3击穿区增加GEUJ当Uc>U,集电极电流I与uc

成线性关系，不随UGE而变化

，IGBT

处于饱和区，导通压降较小。UT=2~6V,UGE=15VPowerElectronicsIc个饱和区0放大区UGE3UGE2UGEIU截止区击穿区增加GECE1.7.2特性静态特性——转移特性

集电极电流Ic和栅射电压UcE的

关系，它表征UGE对Ic的控制能力。PowerElectronics当UGE

小于开启电压时，IGBT

处于关断状态；当UGE

大

于开启电压时，IGBT

开通，导通后，Ic

与

UGE

基本呈

线性关系。动态特性输入电压(uGn)和集电极电流(Ic)、输出电

压

(uCE)

的关系1

.

7

.2特性PowerElectronicst延迟时间ta从驱动电压UGE

的前沿上升至其

幅值10%时刻开

始，到集电极电

流ic上升至其幅

值的10%所需时间上升时间t集电极电流ic从

其幅值10%上升

至90%所需时间开通时间tonton=ta+tr集射电压UcE的

下降过程分为tv₁

和tf₂两段。tfv₁MOSFET单独工作时的电压

下降时间tfv₂MOSFET和

PNP晶体管同时

工作的电压下降

时

间只有在tfv₂段结束时

，IGBT

才

完全进入饱和状态t关断延迟时间ts从驱动电压UGE的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流ic下降至其幅值的90%所需时间电流下降时间tg

集电极电流ic从

其幅值90%下降

至10%所需时间关断时间tofto=ts+tf集电极电流ic

的

下降过程分为t

和tr₂两段。tn1对

应MOSFET

的关断过程tn₂对

应PNP晶

体

管的关断过程，

集电极电流ic下

降较慢。集射电

压UcE建立，功

耗较大开

通tfv2t1.7.3

主要参数·

集射极击穿电压UCES

决定器件的最高工作电

压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。

随温度的升高而增大。·最大栅射极电压

栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保

长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V

之内，

其最佳值一般取15V左右。Power

Electronics·

集电极连续电流Ic

、

集电极峰值电流IcM

表征电流容量，额定电流。集电极连续电流Ic主要受

结温限制。集电极峰值电流Icm为避免掣住效应而定

义。只要不超过额定结温，

IGBT可以工作在峰值电

流范围内，峰值电流大约是额定值的2倍。·

最大集电极功率PcM

在正常工作温度下允许的最大耗散功率。Power

Electronics1.7.4IGBT

的掣住效应和安全区掣住效应(自锁效应)>IGBT内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大或

duce/dt过大，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对

集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。这种电流失控现象被称为掣住效

应或自锁效应。静态、动态。温度升高动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电

流小。因此IGBT所允许的最大集电极电流实际上

根据动态掣住效应确定。限制电流容量原因之

一PowerElectronics1.7.4IGBT

的掣住效应和安全区正向偏置安全工作区

规范开通过程、通态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大

集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数

极限范围。反向偏置安全工作区

规范关断过程、断态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大

最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状

态的参数极限范围。PowerElectronics进行电路原理分析时，出于简便目的：关断时，电阻无穷大；导通时，电阻为零；忽略开通、关断时间。Power

Electronics第2章

相控整流电路器件理想化第2章

相控整流电路整流电路：出现最早、应用最广的电力电子电路。功率从电网流向负载、将交流电变换为固定或可调的

直流电称为“整流”,即AC/DC变换器；反之，功率

从负载流向电网、将直流电变换为交流电称为“有源

逆变”,即DC/AC变换器。有源逆变电路可以看成是整流电路的另外一种工作方

式，同一装置既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态。控制方式：相位控制

触发角输出直流电压平均值Power

Electronics第2章

相控整流电路整流电路的分类：按器件组成：不可控、

半控、全控按电网、交流电相数：单相、三相、多相

按接线方式：

半波、全波PowerElectronics第2章

相控整流电路整流电路形式繁杂，重点掌握：电路拓扑控制策略工作原理、波形分析数量关系PowerElectronics2.3变压器漏感对整流电路的影响

2.4有源逆变电路

重

点2.5电容滤波的不可控整流电路

2.6整流电路的谐波和功率因数

2.6其他可控整流电路2.1单相可控整流电路2.2三相可控整流电路第2章

相控整流电路重点重点Power

Electronics2

.

1

单

相

可

控

整

流

电

路2.1.I单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式可控整流电路单相桥式全控整流电路

单相桥式半控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路PowerElectronicsa)b)c)d)e)PowerElectronics2.1₀

1单相半波可控整流电路交流输入为单相，直流输

出电压波形只在交流输入

的正半周内出现，故称为

单相半波可控整流电路。特点：电压与电流波形相同2.1.1单相半波可控整流电路变换电压PowerElectronics变压器Ta)b)c)d)e)1.电阻负载隔

离工作过程1)0<wt<a

区

域2)wt=a

时刻3)wt=π时刻2.1.1单相半波可控整流电路Power

Electronicsa)b)c)d)e)重要概念触发延迟角

—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。移相范围

使输出电压从最大值到最小值

变化的触发延迟角的变化范围导通角

晶闸管在一个电源周期中处于通

态的电角度，用θ表示。PowerElectronics当触发角α=0时，直流输出电压平均值Ua最大，随着触

发角α的增大，

Ua减少，到α=π时，Ua=0。单相半波可

控整流电路的最大移相范围是0~π,相应Ua调节范围为

0.45U₂~0,θ=π-a。这种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(相控方式)Power

Electronics数量关系晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源

电压的峰值Power

Electronics变压器二次侧有功功率、视在功率、功率因数P=I²R=UIS=U₂Iλ是α的函数，α越大，功率因数越低。即使是电阻性负载，由于存

在谐波电流，最大功率因数小于1,为0.707。PowerElectronics2.阻感负载a)b)c)d)e)f)PowerElectronics阻感负载的特点电感对电流变化有抗拒

作用，使流过电感的电

流不发生突变。PowerElectronicsa)b)c)d)e)f)当VT处于通态时，如下方程成立：当wt=θ+a时，ia=0

θ>π-a初始条件：wt=a,i

=0。Power

Electronics工作过程1)0<wt<a

区

域2)wt=a

时刻

ia=0

3)a<wt<a+θ

区域PowerElectronicsa)b)c)d)f)Ud=UR电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端

的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电

感储存的能量等于释放的能量。Power

Electronics负载阻抗角φ、

触

发

角a

、

晶闸管导通角θ的关系●若φ为定值，a

越大，在u₂正半周L储能越少，维持导电的

能力就越弱，0越小●若α为定值，φ

(L)

越大，则L贮能越多，θ越大；且φ越

大，在u₂

负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管

在u₂正半周导通的时间，ua中负的部分越接近正的部分，

平均值U₄

越接近零，输出的直流电流平均值也越小。PowerElectronicsOL^n0a^,0PIL^,0PIp₂0VPn1oZnSOIUOJ100[EIOMOd(8(I(ə(p(o(q暴二紫季共器坐特要明話申紫我‘[¥nr

册10l20+1(eO10101010100当u₂过零变负时，VDr

导通，ua为零。此时为负的u₂通过

VDp向VT

施加反压使其关

断

，L储存的能量保证了电

流ia在L-R-VDp回路中流通，

此过程通常称为续

流。续

流期间u为

零

，ua

中不再出

现负的部分。u₂0“a0iIa0ivTIa0iDr0uvT0a)b)c)d)e)f)g)Power

Electronicsototπ十a-元

awt₁ototwtt续流二极管的作用：a.提高整流平均电压Ud。当u₂

为正时，VD

承受反向

电压呈关断状态，不起作用。当u₂进入负半周时VD

导通，负载电流通过VD继续流通，负载上的电压箱

位在零电位，u中负电压消失，使输出平均电压Ua得

以提高。b.

减轻晶闸管的负担。

u₂

负半周时段。c.

消除失控事故。在整流电路中，电感L大而储能大

时有可能使晶闸管在整个u₂负半周区域都导通，使晶

闸管不会关断，造成失控事故。加入续流二极管后，

L中的电流通过VD形成通路，晶闸管自然关断。Power

Electronics导通角是π

-a移相范围是0~π数量关系

与电阻负载相同Power

Electronics晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值Power

Electronics若近似认为i

为一条水平线，恒为I,

则有Power

Electronics单相半波可控整流电路的特点·

简单，但输出脉动大。交流回路中含有直流分量，

造成换流变压器铁芯饱和，设备利用率下降。·

分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特

点，建立起整流电路的基本概念。PowerElectronics特点：◆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。◆VT₂和VT₃组成另一对桥臂，在u₂负半周承受电压-U₂,得到触发脉冲即导通。b)c)d)Power

Electronics21.2单相桥式全控整流电路a)a)b)c)d)I)0<wt<a

区域2)wt=α

时刻至wt=π时刻VT1

、VT4导通

VT2、VT3承受反压阻断3)wt=π

时刻4)π<wt<π+a区

域5)wt=π+a时刻至wt=2π

时

刻VT2

、VT3导通

VT1

、

VT4承受反压阻断单相桥式全控电路PowerElectronics1.

电阻负载

工作过程a)b)c)d)流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即数量关系移相范围：0~πPower

Electronics变压器无直流磁化问题晶闸管在工作中可能承受的最大正向电压、反向电压分别为0.5电源电压的峰值、电源电压的峰值Power

Electronics变压器二次测电流有效值I₂与输出直流电流有效值相等：流过晶闸管的电流有效值：假设电路已工作

于稳态，ia的平均

值不变。假设负载电感很

大，负载电流ia连

续且波形近似为

一

水平线。2.

阻感负载Power

Electronicsu₂过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT₁

和VT₄

中仍流过电

流i,

并不关断。至wt=π+α

时刻，给VT₂

和VT₃

加触发脉冲，因VT2

和VT3本已

承受正电压，故两管导通。VT₂

和VT₃

导通后，u₂

通过VT₂和VT₃

分别向VT1

和VT₄

施加反

压使VT₁

和VT₄

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。PowerElectronics移相范围：0~π/2晶闸管承受的最大正反向电压均为

√2U₂晶闸管导通角θ与α无关，均为180°,平均值和有效值分别为：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α角决定，有效值I₂=Ia。Power

Electronics数量关系在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。Power

Electronics3.反电动势负载

|u₂I>E

时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。导通之后直至|u₂I=E,ia

即降至0使得晶闸管关断，此后ua=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角a)

b)Ud=U₂

,δ=arcsinEwtwtUdad0a)

b)数量关系Power

Electronics当

a<δ

时

，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当wt=δ

时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相

当于触发角被推迟为δ,即α=δ若α<δ,触发脉冲宽度足够，相当于a=δ电流断续ia波形在一周期内有部分时间为0的情况电流连续ia波形在一周期内不出现为0的情况3.反电动势负载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ua的波形和负载电流ia的波形

与电感负载电流连续时的波形相同，ua

的计

算公式亦一样。PowerElectronics2

.

1

单

相

可

控

整

流

电

路2.1.I单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式可控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路

自

学2.1.3单相全波可控整流电路自学PowerElectronics2.3变压器漏感对整流电路的影响

2.4有源逆变电路

重

点2.5电容滤波的不可控整流电路

2.6整流电路的谐波和功率因数

2.6其他可控整流电路2.1单相可控整流电路2.2三相可控整流电路第2章

相控整流电路重点重点Power

Electronics2.2三相可控整流电路单相可控整流电路简单经济、直流输出波形脉动大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

时采用。基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整

流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整

流电路等，均可在此基础上进行分析。Power

Electronics2

.

2

三

相

可

控

整

流

电

路2.2.1

三相半波可控整流电2.2.2

三相桥式全控整流电PowerElectronics2.2.1三相半波可控整流电路a)b)c)d)e)

f)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，其阴极连接在一起为共阴极接法。3个单相半波整流电路2.2.1三相半波可控整流电路PowerElectronicsTaba)i“2Aα=0b)wt“Gc)wtd)wte)wt@t“ab

“ac自然换相点：当把电路中所有的可控元

件用不可控元件代替时，

各元件的导电转换点，又

称为自然换流点。假设将电路中的晶闸管换

作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。一周期中●

在wt₁~wt₂

期间，

VD₁

导

通，ua=ua●

在

wt₂~wt₃期间，

VD₂

导

通

，ua=ub●

在

wt₃~wt₄

期间，

VD₃导通

，ua=ucPowerElectronics1.电阻负载0

ot₁Ot₂

ot3“d“

RVT₁VT₂

VT₃f)“vIubua00二极管换相时刻为自然换相点，

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°

wt₁=30

度

。单相整流电路a)b)c)d)e)

f)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Uvr₁=0●第2段，在VT₁

关断后，VT₂

导通期间，

UT₁=ua-u,=uab,

为一段线电压。●第3段，在VT₃导通期间，UT₁=ua-uc=ua

为另

一段线电压。PowerElectronicsa=30°负载电流处

于连续和断

续之间的临

界状态，各

相仍导电120°a>30°负载电流断

续，晶闸管导

通

角

小

于

120°。当a=0时，Ua最大，为Ua=Udo=1.17U₂(2)a>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：基本数量关系：(1)a

≤30°时，负载电流连续，有：当a=150°时

，Ua=0负载电流平均值为晶闸管电流平均值为

晶闸管电流有效值为a>30°时，负载电流断续a≤30°时，负载电流连续Iavr

=Ia/3晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值URM=√2×√3U₂=√6U₂=2.45U₂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。为什么?U

FM=√2U₂2.阻感负载2.阻感负载特点：阻感负载，L值很大，ia波形基本平直。●a≤30°时整流电压波形与电阻负载时相同●a>30°

时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——Ua波形中出现负的部分。●ia

波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，

可将ia近似为

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，变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为Power

Electronics晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值UFM=URM=2.45U₂三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流

中含有直流分量，为此其应用较少。PowerElectronics鄂申裂犟酐手惩些联三乙℃℃2.2.2三相桥式全控整流电路共阴极组

阴极连接在一起的3个晶闸管

(VT₁,VT₃,VT₅)共阳极组

阳极连接在一起的3个晶闸管

(VT₄,VT₆,VT₂)导通顺序：

晶闸管编号方法VT₁->VT₂->VT₃

一

>

VT₄

一>VT₅->VT₆自然换相(三相桥式不可控整流电路)时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最

高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。PowerElectronics1.电阻负载卷假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发

角α=0。三相桥式不可控整流电路。二极管导通与关断由

外加三相电压决定举共阴极组的3个二极管、晶闸管，阳极所接交流电压值最

高的一个导通。共阳极组的3个二极管、晶闸管，阴极所接交流电压值最

低的一个导通。举任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导

通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。PowerElectronicsa

=0时，各晶闸管

均在自然换相点换相共阴极组处于通态

的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态

的晶闸管对应最小

的相电压输出整流电压ua为

这两个相电压相减输出整流电压ua波

形为线电压在正半

周的包络线双脉冲触发Power

Electronics“ab“ac时

段IIIIIIVVVI共阴极组中导通的

晶闸管VT₁VT₁VT₃VT₃VT₅VT₅共阳极组中导通的

晶闸管VT₆VT₂VT₂VT₄VT₄VT₆整流输出电压uaUa-Ub=UabUa-Uc=uacUb-Uc=UbcUb-Ua