电力电子技术

电力电子技术

第一部分

一、电力电子技术的定义

电力电子技术是一门利用电力电子器件、电路理论和控制技术对电能进行处

理、控制和变换的学科，是现代电子学的一个重要分支，也是电工技术的分支之

O

电力电子技术是应用于电力领域的电子技术。具体地说，就是使用电力电子

器件对电能进行变换和控制的技术。

二、电力电子技术的研究内容

电力电子技术的研究内容：

1、电力电子器件

2、变流技术

3、控制技术

或者说，电力电子技术的研究内容：电子学、电力学、控制理论

三、与其它学科的关系

1、与微电子学的关系

三个相同点：（1）都分为电子器件和电子电路两大分支，二者

同根同源

（2）两类器件制造技术的理论基础相同;

（3）制造工艺也基本相同。

两个不同点：（1）应用目的不同一一前者用于电力变换，后者用于信

息处理：

（2）工作状态不同一一在微电子技术中，器件既可以处于放大状态，也可以

处于开关状态；而在电力电子技术中为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作

在开关状态。

2、与电力学（电气工程）的关系

（1）电力电子技术广泛用于电气工程中；

（2）国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支；

（3）电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。

3、与控制理论的关系

（1）控制理论广泛用于电力电子系统中；

（2）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；

（3）电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

四、电力电子技术的发展历史

美国通用电气公司研制出第一个工业用的普通品闸管，标志电力电子技术的

诞生

1、传统电力电子技术

电力电子器件以半控型的晶闸管为主，变流电路以相控电路为主，控制电路

以模拟电路为主。

2、现代电力电子技术

现代电力电子技术在器件、电路及其控制技术方面与传统电力电子技术相比

主要有如下特点：

A、集成化

B、高频化

C、全控化

D、控制电路弱电化

E、控制技术数字化

3、电力电子技术的发展展望

科学家预言，电力电子技术和运动控制一起，将和计算机技术共同成为未来

科学技术的两大支柱。

第二部分

1、电力电子器件

1.1、电力电子技术概述

(1)基本概念

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件

分为以下3类：

A、不可控型器件一一不能用控制信号来控制其通断。这类器件主要是指晶闸

管及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定

的。

B、半控型器件一一通过控制信号可以控制其导通而不

能控制其关断。主要是电力二极管，器件的导通和关断完全是由其在主电路

中承受的电压和电流决定的。

C、全控型器件一一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。目前常用的是绝缘

栅双极性晶体管（IGBT）、电力场效应晶体管（电力

MOSFET）和门极可关断晶闸管（GTO）。

1.2、不可控型器件一一电力二极管

（1）外形一一螺栓型和平板型两种封装

（2）结构

目

(3)电气图形符号

目

(4)主要参数

A、额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，

其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

B、正向压降UF一—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。

C、反向重复峰值电压URRM——对电力二极管所能重复施加

的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量

D、最高工作结温1JM——结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM

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。

1.3、半控型器件一一晶闸管(SCR)

(1)A、外形一一螺栓型和平板型两种封装

3

B、结构

0

C、电气图形符号

0

（2）导通的条件、关断的条件

A、使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电

流（脉冲）。即uAKM）且uGK〉O。其他可能导通的情况，参见（3）误导通的情

况。

B、关断的条件：，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到

接近于零的某一数值以下，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。简单

的说就是使通过晶闸管的电流小于维持电流

C、使晶闸管关断方法：

a、去掉阳极正向电压

b、给阳极加反向电压

c、降低止向阳极电压，使通过晶网管的电流小于维持电流

（3）误导通的情况

a、阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

b、阳极电压上升率

0

过高，中间结电容产生位移电流

。、结温较高，漏电流增大

d、光触发

（4）主要参数

A、额定电压UTN

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。实际选

用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为实际工作电路中可能承受到的

正向阻断重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压VRRM的最大峰值电压,再取2〜3

倍的安全裕量。

B、额定电流

叵］

（参见第三部分）

晶闸管在环境温度为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。

C、维持电流IH

维持电流IH是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百

亳安，与结温有关，结温越高，则IH越小。

D、擎住电流1L

擎住电流IL是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2〜4倍。

E、通态平均电压叮（AV）

当晶闸管流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时，元件阳极与

阴极之间电压降的平均值。

F、断态电压临界上升率

0

指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“电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使品闸管误导通”

G、通态电流临界上升率

0

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。

H、额定结温Tjm

晶闸管在正常工作时所允许的最高结温（器件内部）。

（5）派生器件

快速晶闸管（FST），一快速晶闸管、高频晶闸管

双向晶闸管（TRIAC）

0

逆导晶闸管（RCT）

J

光控晶闸管（LTT）

J

1.4,全控型器件

（1）电力晶体管（GTR,BJT）

优点一一耐高压、大电流、开关时间短、饱和压降低和安全工作区宽

缺点一一二次击穿、驱动功率大

结构及电气图形符号：（基极b、集电极c和发射极c）

日

电力电子电路中GTR工作在开关状态工作在截止区或饱和区。但开关过程

中，即在截止区和饱和区之间过渡时，经过放大区

(2)电力场效应晶体管(PowerMOSFET)

电力场效应晶体管(PowerMOSFET)分为结型和绝缘栅型。通常主要指绝缘栅

型场效应晶体管。结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(SIT)

特点一一用栅源电压来控制漏极电流

结构及电气图形符号：(栅极G、漏极D和源极S)

S

静态特性:

截止区（GTR的截止区）

饱和区（GTR的放大区）

非饱和区（GTR的饱和区）

电力场效应晶体管（PowerMOSFET）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区

之间来回转换。

（3）绝缘栅双极晶体管（IGBT）

结构及电气图形符号：（栅极G、集电极C和发射极E）

静态特性：

正向阻断区（GTR的截止区）

有源区（GTR的放大区）

饱和区（GTR的饱和区）

TGBT工作在开关状态，即在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

注：以上全控型器件的输出特性和主要参数参见P21——P31

1.5、电力电子器件的驱动

电流驱动型器件的驱动电路：GTO和GTR是电流驱动型器件

电压驱动型器件的驱动电路：电力MOSFET和1GBT是电压驱动型器件

1.6、晶闸管变流装置的保护电路

通常有五种保护电路:

过电流保护、过电压保护、

0

保护、

0

保护和门极保护

1.7、缓冲电路

缓冲电路又称为吸收电路，其作用是抑制电力电子器件的过电压、

0

或者过电流和

0

，降低电力电子开关器件的开关应力，将开关过程软化，减小器件的开关损耗并对

器件给予可靠的保护，维护系统安全运行。缓冲电路可分为关断缓冲电路、开通缓

冲电路和复合缓冲电路。

1.8、串联与并联运行

晶闸管的串联：多个器件串联以承担较大的电压

晶闸管的并联：多个器件并联来承担较大的电流

注：

本节重点：主电路和电力电子器件的基本概念。

电力电子器件的分类和电气图形符号。

晶闸管、电力晶体管和IGBT的工作原理、开关特性、主要参数以及在选择和

使用中应注意的事项。

2、变流技术

2.1、交流变直流

整流电路

(1)单相可控整流电路

主要介绍单相桥式全控整流电路

基本概念：

①控制角a——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>

②导通角0——晶闸管在一个周期中处于通态的电角度。

③移相一一改变a的大小，即改变触发脉冲出现的时刻。

④移相范围一一输出电压平均值大于0所对应的a变化范围。

⑤换流(换相)一一电流从•对桥臂转换到另外•对桥臂。

©相控变流装置一一通过控制