电子技术（第5版）课件 第6章 电力电子技术

第6章电力电子技术6.1电力电子器件6.2单相可控整流电路6.3逆变电路6.4交流调压和斩波电路第6章电力电子技术本章要求1.了解晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、双极晶体管等基本结构、工作原理、特性和主要参数2.理解可控整流电路的工作原理、掌握电压平均值与控制角的关系3.了解单结晶体管及其触发电路的工作原理第6章电力电子技术6.1

电力电子器件

1.电力电子器件分类（3）控制电路（ControlCircuit）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（4）按器件能够被控制电路信号控制程度1）半控型器件

Δ

晶闸管（Thyristor）及其派生器件Δ关断由主电路承受电压和电流决定2）全控型器件Δ

绝缘栅双极晶体管（IGBT）Δ

电力场效应晶体管（MOSFET）Δ

门极可关断晶闸管（GTO）3）不可控型器件Δ

电力二极管（PowerDiode）Δ

只有两个端子，通和断由主电路电压和电流决定（1）电力电子器件（PowerElectronicDevice）

可直接用于主电路中，实现电能的变换或

控制的电子器件（2）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

优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）KGA符号实物结构G（控制极）（1）结构K（阴极）A（阳极）N2N1P1P2（SiliconControlledRectifier，SCR---也称可控硅）6.1

电力电子器件

2.晶闸管（2）等效模型（PNP与NPN组合）+KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGP1N1N2KGP2A（3）发展过程∆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6.1

电力电子器件

2.晶闸管GPPNNNPAK（4）工作原理KGA+-+-S开关S断开，灯不亮KGA+-+-S开关S合上，灯亮，这时再断开S，灯仍亮KGA+-+-S无论开关S

断开还是合上，灯都不亮注意：1）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2）承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用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

6.1

电力电子器件

（导通压降约1V）UAIA正向特性IG0=0UBO正向转折电压导通IG1IG2IG2>IG1>IG0URRMUBR反向特性+_IH正向平均电流-+反向转折电压I=f（U）曲线1）UDRM（正向重复峰值电压，或称晶闸管耐压值）

晶闸管控制极开路且正向阻断时，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压2）URRM（反向重复峰值电压）

控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压3）IF（正向平均电流）环境温度为40

C和标准散热条件下，可连续通过的工频正弦半波电流的平均值

4）IH（维持电流）在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流（6）技术参数（5）伏安特性6.1

电力电子器件

OIF△U维持电流（1）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）GT1T2符号1）可为是一反向并联连结的普通晶闸管2）有两个主电极T1和T2，一个门极G3）正反两方向均可触发导通，特性曲线在第Ⅰ和第III象限有对称的伏安特性4）与一对反并联晶闸管相比经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（SSR）和交流电机调速等领域应用较多5）通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值6.1

电力电子器件

3.晶闸管派生器件IOUIG=0特性曲线可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（2）可关断晶闸管（GateTurnOffThyristor，GTO）KGA1）GTO导通过程与普通晶闸管一样，有同样的正反馈过程，只是导通时饱和程度较浅2）设计

2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO3）导通时

1+

2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大4）多元集成结构，使P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流

（3）SCR与GTO区别6.1

电力电子器件

3.晶闸管派生器件应用：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（1）结构符号（GiantTransistor，GTR）

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电力晶体管实物ebc结构符号6.1

电力电子器件

4.电力晶体管ibIb1Ib2O90%Ib110%Ib1tt0tt3tdtdIcsicO90%Ics10%Ics1t2t4t5ttofftstftontr1）开通过程延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton增大ib幅值并增大dib/dt，可加快开题过程2）关断过程

储存时间ts和下降时间tf，二者之和为

关断时间toff

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多GTR通断过程电流波形注意：GTR电压超过规定值时会发生击穿使用时最高工作电压要远低于BUceo（2）通断过程（GiantTransistor，GTR）6.1

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4.电力晶体管（PowerMOSFET）（1）结构符号1）导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管2）导电机理与小功率MOS管相同但结构上有较大区别3）电力MOSFET的多元集成结构不同厂家采用了不同设计4）MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET5）按垂直导电结构的差异，由分为

VVMOSFET（V型槽垂直导电）和VDMOSFET（垂直导电双扩散MOS结构）

6.1

电力电子器件

5.电力场效应晶体管（2）通断特性1）开通过程*开通延迟时间td(on)

*上升时间tr*开通时间ton---开通延迟时间与上升时间之和2）关断过程

*关断延迟时间td(off)*下降时间tf*关断时间toff---关断延迟时间和下降时间之和RsRGRFRLiDuGSupiD+UEiDOOOuptttuGSuGSPuTtd(on)trtd(off)tf注意：

1）MOSFET的开关速度和Cin充放电有很大关系。

2）可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度

3）关断过程非常快，开关时间在10~100ns，工作频率可达100kHz以上6.1

电力电子器件

4.电力晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor，IGBT）（1）结构符号三端器件：栅极G、集电极C和发射极E1）导通

uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET

内形成沟道，为管子提供基极电流，IGBT导通2）导通压降电导调制效应使电阻RN减小，使通态

压降小3）关断栅射极加反压或不加信号，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被

切断IGBT关断（2）工作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uGE决定6.1

电力电子器件

5.绝缘栅双极晶体管（3）通断过程1）IGBT开通过程与MOSFET的相似*td(on)为开通延迟时间；*Tr为电流上升时间*ton为开通时间2）uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段

tfv1为IGBT中MOSFET单独工作的电压下降过程

tfv2为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程3）IGBT的关断过程*关断延迟时间td(off)---从uGE后沿下降到其幅值90%的时刻起，到iC下降至90%ICM

*电流下降时间---iC从90%ICM下降至10%ICM；关断时间toff----关断延迟时间与电流下降之和4）电流下降时间又可分为tfi1和tfi2两段

tfi1为IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2---IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢6.1

电力电子器件

5.绝缘栅双极晶体管（4）IGBT特性分析1）IGBT中双极型PNP晶体管的存在，虽带来了电导调制效应的好处，但引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度低于电力MOSFET2）IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间也是需要折衷的参数3）高压器件的N基区必须有足够宽度和较高的电阻率，则引起通态压降的增大和关断时间的延长1）开关速度高，开关损耗小。电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当2）相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点（5）IGBT特点6.1

电力电子器件

5.绝缘栅双极晶体管（1）电阻性负载

u

>0时：若ug=0，管子不导通，u

<0时:

管子承受反向电压不导通，uo=0，

uT=u，故称可控整流控制极加触发信号，管子承受正向电压导通，1）电路组成uo=0，uT=uuo=0，uT≈0u

>0时:2）工作原理0=ωt1，ug=0，管子不导通uo=0，uT=uuo=0，uT≈0ωt1：

加触发信号，管子承受正向电压导通u

<

0时:管子承受反向电压不导通即：管子反向阻断uo=0，uT=u

t1

2

tOu

tOugio

uuoRL+–+uT+––T+–6.2

单相可控整流电路

1.单相半波可控整流电路控制角导通角

3）工作波形4）输出电压、电流平均值由公式可知：改变控制角，可改变输出电压Uo

t1

tO

t22u

tOug

tOuo

tOuT1.单相半波可控整流电路6.2

单相可控整流电路

当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，管子在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用电感性负载中，当刚管子触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势（极性如图），电流不能跃变，将由零逐渐上升2）未加续流二极管的波形

tOuo

tOug

tO

uTT

uuoR+–+uT+––+LeL+-（2）电感性负载1.单相半波可控整流电路

t1

tO

t22u

1）电路组成6.2

单相可控整流电路

u>0时：D反向截止，不影响整流电路工作u

<0时：二极管D正向导通,晶闸管承受反向电压关断，电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流)，负载电压uo波形与电阻性负载相同iL

t

tO

tO

2

tOu

uguTuo

uuoR+–+uT+––LTioDio+–2）未加续流二极管的波形（2）电感性负载1.单相半波可控整流电路1）电路组成6.2

单相可控整流电路

（1）电路结构aRLD2T1b

1）u

为正半周时（管子导通与电流路径）bRLD1T2aT1和D2均承受反向电压而截止bio+–T1T2RLuoD1D2a

u+–++––io++T1T2RLuoD1D2a

u+–b––+T1、T2为晶闸管D1、D2为二极管（2）工作原理2.单相半控桥式整流电路

2）u

为负半周时（管子导通与电流路径）T2和D1均承受反向电压而截止6.2

单相可控整流电路

（4）输出电压及电流平均值（3）工作波形2.单相半控桥式整流电路

t

tO

tO2

tOOuuguouT16.2

单相可控整流电路

（2）电路特点1）该电路只用一只晶闸管，且其

上无反向电压2）晶闸管和负载上的电流相同uTD2D1D4u0RLD3+-+-T1T2D1D2uuoRL+-+-1）电路接入电感性负载时，D1、D2便起续

流二极管作用2）由T1阳极和T2阴极相连，两管控制极必

须加独立的触发信号（2）电路特点3.其他单相可控整流电路（1）电路（1）（1）电路（2）6.2

单相可控整流电路

(2)工作原理UE<

UBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小PN结正向导通，IE迅速增加UE

UP时

–分压比(0.5~0.9)UP

–峰点电压UD–PN结正向导通压降由图可求得B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)示意图(b)符号B2EB1（1）单结晶体管结构4.单结晶体管触发电路B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1测量单结晶体管的实验电路6.2

单相可控整流电路

UV、IV（谷点电压、电流）维持单结管导通的最小电压、电流UP（峰点电压）单结管由截止变导通所需发射极电压负阻区UE>UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻OIEUEIpIVUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区P（3）单结晶体管伏安特性4.单结晶体管触发电路6.2

单相可控整流电路

1）UE<UP时单结管截止2）UE>UP时单结管导通3）UE<UV时恢复截止4）UP与外加UBB和

有关，UBB或

分压比

不同，则UP不同5）不同单结晶体管UV和IV都不一

样。谷点电压在2~5V之间。

常选用

稍大，UV稍小的单结

晶体管，以增大输出脉冲幅度

和移相范围（5）触发电路（振荡电路）4.单结晶体管触发电路ugR2R1RUucE+C+__+_50

100k

300

0.47F单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性和RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路（4）单结晶体管特点6.2

单相可控整流电路

uC

Uv时，单结管重新关断，使ug0*设通电前uC=0。接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高*当uC

UP时,单结管导通，电容C放电，R1

上得到一脉冲电压注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡upuvuC

tO

tugOUpUvUp-UDug

tOuC

tO4.单结晶体管触发电路（6）振荡过程分析ugR2R1RUuCE+C+__+_50

100k

300

0.47F6.2

单相可控整流电路

主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+

1）电路Ru2+–+–uo+–uZU2M削波UZ整流U2M

tOZ

tO

tO2）工作原理（整流削波）4.单结晶体管触发电路（7）带触发电路半控桥式整流电路6.2

单相可控整流电路

3）触发电路R1R2RPCuc+Rug+uZ+RLT1D1D2T2uL+4）输出电压uL4.单结晶体管触发电路（7）带触发电路半控桥式整流电路UP-UD

t

tUvUpOOUZ

tO

tOuCuouguL6.2

单相可控整流电路

逆变电路是整流电路（AC-DC）的逆变换电路，也就是用直流电向交流负载供电经过的中间电路（DC-AC）逆变电路按交流侧接电网还是负载，分有源逆变电路（交流侧接电网）和无源

逆变电路（交流侧接负载）；按换流方式，分电压型逆变电路和电流

型逆变电路单相桥式逆变电路为例说明电路工作原理。T1~T4是桥式电路4个臂，由电力电

子器件及辅助电路组成tuoiot1t2负载T1T2T3T4iouoUd+-+-电路6.3

逆变电路

波形

tuoiot1t2tuoiot1t2电路

负载T1T2T3T4iouoUd+-+-（1）T1、T4闭合、T2、T3断开（2）T1、T4断开、T2、T3闭合波形

波形

负载T1T2T3T4iouoUd+--+电路

1.逆变电路工作原理6.3

逆变电路

▼

当T1、T4导通，T2、T3截止时，uo为正▼

当T1、T4截止，T2、T3导通时，uo为负这样就将直流电压变换交流电压▼改变两组晶体管导通与截止的切换频率，即可改变输出交流电压的频率负载T1T2T3T4iouoUd+-+-（3）T1、T4断开、T2、T3闭合▼当负载为电阻时，负载电流io和电压uo波形的形状、相位均相同▼当负载为电感性时，io相位滞后于uo，波形的形状也不同，电感性负载的io波形

tuoiot1t2tuoiot1t2电阻负载电感性负载1.逆变电路工作原理6.3

逆变电路

（1）全桥逆变电路组成

1）共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成

2）两对桥臂交替导通180°

3）输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍

4）在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值

只能通过改变直流电压Ud实现其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为

5）Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得tuoiot1t22.单相电压型逆变电路6.3

逆变电路

1）阻感负载时，还可采用移相的方式来调节输出电压（移相调压）2）各栅极信号为180°正偏，180°反偏，且T1

和T2互补，T3和T4互补关系不变3）T3基极信号比T1落后q

（0＜q

＜180°）

T3、T4的栅极信号分别比T2、T1的前移180°－q。输出电压是正负各为q的脉冲4）改变q就可调节输出电压5）单相全桥逆变电路的移相调压方式（2）移相调压控制方式2.单相电压型逆变电路6.3

逆变电路

tOtOtOtOtOuG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouotOtOtOtOtO

b)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo（3）工作过程

1）t1时前T1和T4导通，

uo=Ud

2）t1时T4截止，负载电感中的电流io不能突变，T3不能立刻导通，D3导通续流，uo=0

3）t2时刻T1截止，而T2不能立刻导通，D2导通续流，和D3构成电流通道，uo=-Ud

4）负载电流过零开始反向时，D2和D3截止，T2和T3开始导通，uo仍为-Ud

5）t3时刻T3截止，而T4不能立刻导通，D4导通续流，uo再次为零☞改变

就可调节输出电压2.单相电压型逆变电路6.3

逆变电路

tOtOtOtOtOb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo4.特点

共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成

两对桥臂交替导通180°

输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍2.单相电压型逆变电路6.3

逆变电路

（1）电路组成

（三个单相逆变电路可组合而成）假想中点（2）工作方式

1）基本工作方式是180°导电方式2）同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度