现代电工电子技术 第3版 课件 第11章 电力电子器件及基本电力变换电路

第11章电力电子器件及基本电力变换电路第11章电力电子器件及基本电力变换电路11.1

常用电力电子器件11.2

可控整流电路11.4

基本逆变电路11.3

基本斩波电路11.1

常用电力电子器件按照器件被控制信号所控制的程度，可做如下分类半控型器件

(Thyristor)

通过控制信号可控制通，不能控制关全控型器件(

IGBT,MOSFET)

通过控制信号既可控制通又可控制

关又称自关断器件不可控器件

(Power

Diode)不能用控制信号来控制其通断，不需要

驱动电路按照驱动电路信号的性质分电流驱动型从控制端注入或抽出电流来实现通、断电压驱动型在控制端和公共端间施加电压就可实现通、断晶闸管

(Thyristor)

:

晶体闸流管，可控硅整流器(Silicon

Controlled

Rectifier——SCR)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。耐高电压大电流，工作可靠，在大容量场合具有重要地位。螺栓型平板型a)有三个联接端合P₁KN,

J₁

GP₂

J₂N₂

J₃kb)

c)11.1.1

晶闸管形成强烈正反馈晶闸管导通Ic(EG)失去作用，IA大小由外电路决定晶闸管

晶闸管承受正向电压

A导通条

R件

UGK>0

GIA>H晶闸管

K关断?

使晶闸管的电流小于维持电流增大R或减小EA晶体管的工作原理Ic₂=β₂·IGIc₁=β·Ic₂Ic₂=β₂(Ig+Ic₁)=β₂·Ig+ββ₂IGIAR

V₁

G

ISEA÷E。P₁N₁

P₂

P₂N₂KPNPI₂NPN↓k晶闸管的结构与工作原理SEGL晶体管的结构AAKR晶闸管特性曲线(1)

正向特性G=0

时，器件两端加正向电压，有很小

的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ub,则漏

电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值个，正向转折电压↓晶闸管本身的压降很小，1V

左右。

UA(2)

反向特性阻断状态时，有极小反相漏电流。正向导通Ic₂

I₆=0UDRM

U

+UAUosMURsMURRM0雪崩击穿反向击穿后，可能导致发热损坏

IG₂>IG₁>IG晶闸管的基本特性转折电压2)电流定额通态平均电流IT(AV)允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按有效值相等

的原则来选取晶闸管。维持电流IH——

使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流

I——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I约为I的2~4倍。浪涌电流ITsM——使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流1)

电压定额断态重复峰值电压UDRM—门极断路而结温额

定时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM——

门极断路而结温额

定时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通

态(

峰

值

)

电

压U₁——某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。●通常取晶闸管的UDRM和

URM中较小的标值作

为

该器件的额定电压。●选用时，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。晶闸管的主要参数使

用

注意

：。3)

动态参数除开通时间t₁

和关断时间t。外，还有：断态电压临界上升率du/dt额定结温、门极开路，从断态到通态转换的外加电压最大上升率。—电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt

——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

——如果电流上升太快，可能造成局部

过热而使晶闸管损坏。11.1.2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)

G

TR和MOSFET

复合，结合二者的优点。1

986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。●

IGBT的原理场控器件，原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uB

决定。导

通：ucE大于UGE(th)时

，MOSFET内形成沟道，提供基极电流，

IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻R减小，使通态压降减小。·IGBT

比

VDMOSFET多

一

层P+

注入区，有很强的通流能力·是GTR与MOSFET组成的达

林顿结构·R

为

基

区

内

调

制

电

阻IGBT

的

结

构N沟道

VDMOSFETIGBT

GTR

—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E关断：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBT关断。b)

c)发射极栅极组合a)正向阻断这doff)

tetn2

tofr2)IGBT的基本特性(1)

IGBT的静态特性

转移特性0(2)IGBT

的动态特性IGBT的开关过程90%U

GEM10%U

GEM0Ic90%ICMd(on)输出特性分为三个区有源区10%Icm

0Uce4OURM

反向阻断区Ul

GE1MmU

CE(on)UGE(H)UeMGEMIcMUaE增

加ton

CEMUGE(h)UGEUG

个1.4

个22U₂anπR

uaVT₂VT₄2πwt@t◎电路结构●工作原理及波形分析

数量关系11.2可控整流电路1.带电阻负载的工作情况T

i2|42iaVT₁412.带阻感负载的工作情况◎电路结构

√

工

作原理及波形分析假设电路已达稳态，ia

平均值不变。电感很大，电流i连续且波形近似为水平线●数量关系

Ua=0.9U₂cosa晶闸管移相范围为90°。由承受最大正反向电压均为

√

2U₂晶闸管导通角θ与a

无关，均为180°4电流的平均值和有效值：T二次电流i₂

为正负各180°的矩形波，相位由a

角决定，有效值I₂=Ia单相全控桥阻感负载t=0时，V通，

i。指数规律上升t=t₁时

，V断

，VD

续流，

u。=0。电流↓通常串接大电感L使负载电流连续。(Buck

Chopper)V

L

。

R=E

VD

u

。

M●典型用途·

拖动直流电动机·

蓄电池负载11.3.1

降压斩波电路tai₂t:4

20

t2o。4

气Eo电流断续E○数量关系不希望电流断续□

工作原理C

电路结构动态演示i64oOu。一miEα=Tn/TM20电流连续V断态，E和L同时向C充电，并向负载提供能量●数量关系4V通时，L

上能量4V断

时

，L

释放能量出一

个

周

期T

中

：

EI₁tn=(U。-E)I₃ton化简得

：

T/tf>1,

故为升压斩波因

此

：

iGE0i。Ii0动态演示忽

略

损

耗

：

EI₁=UI。也可看作直流变压器11.3.2升压斩波电路1)升压斩波电路的基本原理

电路结构●

工作原理

假设L和C值很大(Boost

Chopper)L

VDi₁

i。E

VC

二

u。V通态，E向L充电

，I₁

恒

定

，C向

R供电

，U₀恒定

。R11.3.3升降压斩波电路

(buck

-boost

Chopper)V

I₂D●电路结构IL●

基本工作原理

E

uL

C:

RT7

吊

n

凸4

中

厶k白n4十O<a<0.5

时为降压，0.5<a<1

时为升压，故称作路tt动态演示●数量关系V通态[

4,dr=0E·t=U。·tof稳态时，一个T

内电感L两端电

压u

对时间的积分为零升降压斩波电路。也称buck-boost

变换器。i₁4

ton

IOi₂Itoffb)V

断态E开，S₂,₃

闭

合时交流电11.4.1逆变电路的基本工作原理S₁~S₄

是桥式电路的4个臂，

由器件及辅助电路组成。改变开关切换频率，可

改变输出交流电频率₃u₀=-UaS4S1,4断Udt

直流电SsU

。=UaS1oS₂S2,3断

开时S

0S₂S1,4闭合，S10S₂S3S40[SRL0RL0UdU。UdR11.4.2

换流方式分类●换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，

也称为换相。串开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断

：全控型器件可通过门极关断。◆半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断串研究换流方式主要是研究如何使器件关断。11.4.2

换流方式分类1)器件换流

(

Device

Commutation)-利用全控型器件的自关断能力进行换流。-在采用IGBT

、

电力MOSFET

、GTO

、

GTR

等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。2)

电网换流(Line

Commutation)-电网提供换流电压的换流方式。-

将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。

不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电

网的无源逆变电路。3)

负载换流

(Load

Commutation)4)强迫换流

(Forced

Commutation)缺点：输出电压幅值为U₄/2,

且

直

流

侧

需

两电容串联，要均压。

控制信号器件导通情况U₀11.4.3单相电压型逆变电路1)半桥逆变电路V₁

通

，u₀=Ua/2VD₂通

，u₀=-Ua/2V₂

通

，u₀=-U₄/2t₃开

V₂,关

V₁VD₂

V₂2

2V1和V2栅极信号在一周期内各半

周正偏、半周反偏，两者互补，VD₁

通

，u₀=Ua/2u开V₁关V₂VD₁2开V₁关V₂VD₁V₁2

2VDVD₂●工作原理UG₁UG2L慧。Ua

2UR2

12)

全桥逆变电路四个桥臂，可看成两个半桥组合而成

两对桥臂交替导通180°Ua输出电压和电流波形同半桥电路形状改变U只能通