1、1 绪绪 论论 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.本课程的内容介绍 2 1. 1. 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 3 1.11.1 数字电子数字电子 技术技术 模拟电子模拟电子 技术技术 电力电子电力电子 技术技术 信息电子信息电子 技术技术 电子技术电子技术 信息电子技术：信息处理 电力电子技术：电力变换 4 直流直流 电力电力 交流交流 交流变交流交流变交流直流变直流直流变直流直流变交流（逆流）直流变交流（逆流）交流变直流（整流）交流变直流（整流） 电力变换电力变换 5 表 0-1 电力变换的种类 交流交流 输入输入 输出输出 直流直流
2、 直流直流 交流交流 整流整流 直流斩波直流斩波 交流电力控制交流电力控制 变频、变相变频、变相 逆流逆流 6 电力电子技术电力电子技术 电力电子器件电力电子器件 制造技术制造技术 变流技术变流技术 7 1.3 1.3 与其他学科的关系与其他学科的关系 电力学电力学 电子学电子学电力学电力学 控制控制 理论理论 电力电电力电 子技术子技术 图图0-10-1描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形 8 1.3.1 1.3.1 与电子学的关系与电子学的关系 都分为器件与应用都分为器件与应用 电力电电力电 子器件制造技子器件制造技 术术 电子器件电子器件 制造技术制造技术 分析方法、分析软件
3、分析方法、分析软件 电子电路电子电路 电力电子电力电子 电路电路 9 电力电子电路电力变化和控制 电子电路信息处理 电子电路 电力电子电路 信息电子电路器件信息电子电路器件 开关状态开关状态放大状态放大状态 功率输出功率输出 功率放大功率放大 电力电子电力电子 电路器件电路器件 开关状开关状 态态 10 电力电子学和电力学关系电力电子学和电力学关系 电力电子技术广泛用于电气工程电力电子技术广泛用于电气工程 1.3.2 1.3.2 与电力学的关系与电力学的关系 电力电子技术电力电子技术 高高 压压 直直 流流 输输 电电 静静 止止 无无 功功 补补 偿偿 交交 直直 流流 电电 力力 传传 动
4、动 电电 解解 电电 镀镀 电电 加加 热热 电电 力力 机机 车车 牵牵 引引 电气工程电气工程 分支分支 高性能交直流电源高性能交直流电源 11 1.3.3 1.3.3 与控制理论的关系与控制理论的关系 控制理论控制理论 电力电子技术电力电子技术 弱电和强电接口弱电和强电接口 弱电控制强电弱电控制强电 基础基础 元件元件 支撑支撑 技术技术 实实 现现 广泛用于广泛用于 电力电子装置电力电子装置 是自动化的是自动化的 12 电力电子技术是电能变换技术，是把粗电变为适 合使用的精电的转换技术 电力电子技术是世纪后半叶诞生和发展的新技术 电力电子技术在21世纪将更加迅速发展 未来科学技术两大支
5、柱未来科学技术两大支柱 控制技术控制技术电力电子技术电力电子技术 计算机计算机 13 史前期史前期 1904-19571904-1957 1904 1904 电子管诞生电子管诞生 1970 1970 全控型器件迅速发展全控型器件迅速发展 晶体管时代晶体管时代 1 1957-1970957-1970 1957 1957 晶闸管问世晶闸管问世 1930 1930 1947 1947 水银整流器时代水银整流器时代 1947 1947 晶体管出现晶体管出现 8080年代后年代后 以以IGBTIGBT为代表的复合型器件突起，为代表的复合型器件突起，随着全控型随着全控型 电力电子器件的不断进步，一种结构紧
6、凑、体积小的电力电力电子器件的不断进步，一种结构紧凑、体积小的电力 电子装置也应运而生。把若干个电力电子器件及必要的辅电子装置也应运而生。把若干个电力电子器件及必要的辅 助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。助元件做成模块的形式，这给应用带来了很大的方便。 2.2.电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 14 3.3.电力电子技术的应用电力电子技术的应用 （1 1）一般工业）一般工业 15 电化学工业中整流变压器电化学工业中整流变压器 冶金工业中高频感应加热电源设备冶金工业中高频感应加热电源设备 电化学整流电源设计电化学整流电源设计 16 （2）交通运输 电力电子技术在汽车电力电子
7、技术在汽车42V直流总线下直流总线下 DJ型交流电力传动机车型交流电力传动机车 磁悬浮列车磁悬浮列车 直流电机斩波调速模块直流电机斩波调速模块 17 部分国内外知名公司的变频器 西门子（西门子（Siemens）公司）公司 施奈德公司施奈德公司 富士公司富士公司 18 安圣（华为电气）变频器系列安圣（华为电气）变频器系列 ABB公司公司 19 （3）电力系统 晶闸管变流装置晶闸管变流装置 无功补偿装置无功补偿装置 有源谐波调节器工作原理图有源谐波调节器工作原理图 20 滤波电抗器滤波电抗器 有源电源滤波器示意图有源电源滤波器示意图 21 （4）电子装置用电源 电子装置用电源电子装置用电源 22
8、（5）家用电器 交流变频控制器的原理框图交流变频控制器的原理框图 变频空调控制器变频空调控制器 直流变频空调的电路原理图直流变频空调的电路原理图 23 (6)(6)其它其它 不间断电源不间断电源 返回返回 YJ32双绕组双速异步风力发电机双绕组双速异步风力发电机 水泵变频、风机变频节能水泵变频、风机变频节能 第二章第二章 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.6 电力场效应晶体管（MOSFET） 2.2 功率二极管 2.3 晶闸管 2.4 可控开关的理想特征 2.5 双极结型晶体管和达林顿管 2.1 简介2.7 门极可关断晶闸管（GTO） 2.8 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.9 MOS控
9、制晶闸管（MCT） 2.10 可控开关的比较 2.11 驱动和吸收电路 2.12 半导体功率器件的选择 首 页 2.1 简简 介介 功率半导体器件的分类 功率二极管: 导通和关断均由电 路潮流决定。 晶闸管: 在器件在承受正向电压时， 由控制信号控制器件的导通， 而关断状态由电路潮流决定。 可控开关 : 由控制信号控制 器件的导通和关 断。 不可控 型 半可控型 全控型 下 页返回 下 页上 页返 回 全控型电力电 子器件 电力场效应晶体管 （MOSFET） 双极结型晶 体管（BJT） 门极可关断晶 闸管（GTO ） 绝缘栅门极换 流晶闸管 （IGCT） 绝缘栅双极晶体管（IGBT） 下 页上
10、 页返 回 2.2 功率二极管功率二极管 2.2.1 功率二极管的基本特性 AK + UD - iD Y当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降很小， 大约在1V左右。 Y当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流可通过 该器件。 反向 截止区 iD UD(I) URM UF 下 页上 页返 回 iD UD 0 Y反向偏置电压超过这一额定值时，反向漏电流迅速增加。 正常工作状态下，反向电压不允许达到截止电压。 Y关断状态下的漏电流和通态压降都很小，功率二极管的伏 安特性可被理想化。 AK + UD - iD 反向 截止区 iD UD(I) URM UF 下 页上 页返 回 trr IRM
11、 t iD Qrr 0 功率二极管处于导通状态时， 因其导通速度很快，故可当作 理想开关。 功率二极管处于关断状 态时，它将在下降到零之前，有一个电流反向恢复时间trr， 在此时间内的电流是反方向流动的。 下 页上 页返 回 2.2.2 功率二极管的主要参数 功率二极管长期运行时，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。 l正向平 均电流 设正弦半波电流的峰值为Im，则额定电流为: () 0 I1 I sin() 2 m F AVm Itdt 正向平均电流IF（AV） 1 下 页上 页返 回 额定电流有效值为： 2 0 I1 (I sin)() 22 m F
12、m Itdt 某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数: f K 电流有效值 电流平均值 根据上式求出正弦半波的波形系数为: F F AV I 1.57 I2 f K 额定电流IF(AV)=100A的电流功率二极管，其额定电流有效值 IF=Kf IF(AV)=157A。 下 页上 页返 回 正向压降越低，通态损耗越小。 功率二极管在指定温度下，流过某一指定 的稳态正向电流时对应的正向压降。 l正向压 降 正向压降UF 2 下 页上 页返 回 反向重复峰值电压URRM 3 对功率二极管所能重复施加的反向 最高峰值电压，通常是其雪崩击穿 电压UB的2/3。 l反向重复 峰值电压 使用时，
13、往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高 峰值电压的两倍来选定此项参数。 下 页上 页返 回 反向电流IRR 4 功率二极管对应于反向重复峰值电压时的 反向电流。 l反向电 流 管芯PN结的平均温度，而且是在PN 结不至损坏的前提下所能承受的最高 平均温度。 l最高工作 结温 最高工作结温TJM 5 TJM通常在125175范围之内。 下 页上 页返 回 在功率二极管从导通到阻断的过程中，二 极管会流过一定的负电流。从功率二极管 电流下降到零开始，直至在此回到零所需 时间。 l反向恢复 时间 反向恢复时间trr 6 下 页上 页返 回 功率二极管所能承受的最大的连续一个或 几个工频周期的过电
14、流。 l浪涌电 流 浪涌电流IFSM 7 该项参数反应了二极管抵抗短路冲击电流的能力。显然， 设计器件的保护电路时，保护电路的动作电流应小于该参 数。 下 页上 页返 回 2.2.3 几种常用的功率二极管 l肖特基二极管 用于正向压降较低(一般是0.3V)的 低压输出电路。 l快恢复二极管 用于带有可控开关且反向恢复时 间较短的高频电路中。 l工频二极管 用于工频交流电路之中，其通态电 压被限定得尽可能低，将产生一个较大的可适用于工频交流 电路的反向恢复时间trr。 下 页上 页返 回 2.3 晶闸管晶闸管 2.3.1 晶闸管的基本特性 A K + UAK - iG iA G 反向击穿区 反向
15、 截止区 反向截 止电压正向截止电压 截止状态 导通状态 UAK iA 0 主电流由阳极流向阴极。晶闸管处于断态时可阻断正 向偏置电压而不导通。 晶闸管的结构和等效电路如图所示，晶闸 管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3 个PN结J1、J2和J3。 2. 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 IGIb2IC2(Ib1)IC1 R NPN PNP A G S K EG IG EA IK Ic2 Ic1 IA V1 V2 P1 A G K N1 P2P2 N1 N2 a)b) 下 页上 页返 回 反向击穿区 反向 截止区 反向截 止电压正向截止电压 截止状态 导通状态 UAK iA 0 晶闸管
16、承受正向电压时，在 门极注入正向脉冲电流可将它 触发导通。 晶闸管一旦开始导通，门极 就失去控制作用。不 论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。 通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数 值，可使已导通的晶闸管关断。 下 页上 页返 回 当晶闸管承受正向电压时， 门极触发电流才能在某个时 间再一次控制晶闸管触发导 通。 反向击穿区 反向 截止区 反向截 止电压正向截止电压 截止状态 导通状态 UAK iA 0 通常状态下，晶闸管的正、反向阻断电压的额定值相等。 当反向偏压低于反向 击穿电压时，只有极小的漏电流流过晶闸管。 下 页上 页返 回 iA 导通状态 反向截止 正向截止 0
17、UAK 从截止 到导通 分析变流器拓扑结构时，同二极管相似，晶闸管可 由右图所示的理想化特性曲线表示。 下 页上 页返 回 + UAK - iA + US - F晶闸管通过电源电压的正半 波控制其导通。当晶闸管电流 开始反向时，电源电压变负， 晶闸管所承受的电压也同时反 向。理想晶闸管将会使其电流 在t=T/2后立即变为0 。 F波形如图所示。 t T 0 T/2 US UAK iA 下 页上 页返 回 trr tq t 0 0 t 关断时间 z在tq内，必须给晶闸管加 一个反向电压。在tq之后， 器件恢复对正向电压的阻断 能力。 l换向恢复时间l关断时间 下 页上 页返 回 z如果在tq时间
18、段内再次对晶 闸管施加正向电压，因器件还 没有恢复到原来的阻断状态， 可能使它再次导通。这样不仅 会损坏器件本身，而且还会导 致 所在电路不能正常工作，甚至破坏整个电路。 trr tq t 0 0 t 下 页上 页返 回 2.3.2 晶闸管的主要参数 2.3.2.1 晶闸管的电压参数 UDSM是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态 最大脉冲电压。UDSM值应小于正向转折电压Ub0，所留裕量 的大小由生产厂家自行规定。 晶闸管在门极开路时，施加于晶闸管 的正向阳极电压上升到正向伏安特性 曲线急剧转折处对应的电压值。 断态不重 复峰值电 压UDSM 1 下 页上 页返 回 断态重复峰
19、值电压 UDRM 2 晶闸管在门极开路且结温为额定值时， 允许每秒50次、每次持续时间不大于 10ms，重复加于晶闸管上的正向断态 最大脉冲电压。 规定UDRM为UDSM的90%。 下 页上 页返 回 反向不重 复峰值电 压URSM 3 晶闸管门极开路，晶闸管承受反向电压 时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折 处的反向峰值电压。 URSM是一个不能重复施加，且持续时间不大于10ms的反向脉 冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击穿电压，所 留裕量大小由生产厂家自行规定。 下 页上 页返 回 反向重复峰 值电压 URRM 4 晶闸管在门极开路且结温为额定值时， 允许每秒50次，每次持续时间
20、不大于 10ms，重复加于晶闸管上的反向最大脉 冲电压。 规定URRM为URSM的90%。 下 页上 页返 回 额定电 压UR 5 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值 电压URRM两者中，较小的一个电压值。 选用晶闸管时，应使其额定电压为正常工作电压峰值UM的23 倍，以作为安全裕量。 UR=(23)UM 额定电压在1000V以下时，每100V以下是一个电压等级；在 10003000V时，则每200V为一个电压等级。 下 页上 页返 回 通态峰值 电压UTM 6 额定电流时管子导通的管压降峰值，一 般为1.52.5V，且随阳极电流的增加而 略微增加。 额定电流时的通态平均电压降一般为1V左
21、右。 下 页上 页返 回 2.3.2.2 晶闸管的电流参数 在环境温度为+40C和规定的散热冷却条件 下，晶闸管在导通角不小于170电阻性负载 的单相、工频半波导电，结温稳定在额定值 125C时，所 允许通过的电流平均值，将该电流按晶闸管标准电流系列取 整数值。 1通态平 均电流 IT(AV) 晶闸管的额定电流 下 页上 页返 回 根据所使用具体电流波形来计算出允许使用的电流平均值选 用晶闸管时，设三相工频半波电流峰值为Im时的波形，通态 平均电流为： m0 0 m T(AV) 1 )cos( 2 1 )(sin 2 1 It ttdI I 下 页上 页返 回 正弦半波电流有效值为： mm 0
22、 m 0 2 mT 2 1 )0 2 ( 2 1 )( 2 2cos1 2 1 )()sin( 2 1 II td t I tdtII 下 页上 页返 回 晶闸管有效值与通态平均电流的比值为： AV I 1.57 I2 T 有效值与平均值的比为： f d I K I 波形系数 () 1.57 fdT AV IK II 由上式可知，额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电 流有效值为157A。 下 页上 页返 回 实际电路中，由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此 在实际选择时，一般取1.52倍的安全系数，故在给定晶闸 管的额定电流后，可计算出该晶闸管的任意波形时允许的 电流平均值为： ()
23、1.57 (1.5 2) T AV d f I I K 下 页上 页返 回 2维持电流IH 晶闸管维持导通所必需的最小电流，一 般为几十到几百毫安。 维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管 越难关断。 3擎住电流IL 闸管刚从阻断状态转化为导通状态并除 掉门极触发信号时，能维持器件导通所 需要的最小电流。 擎住电流比维持电流大24倍。 下 页上 页返 回 4浪涌电流 ITSM 指在规定条件下，工频正弦半周期内所 允许的最大过载峰值电流。 晶闸管所承受的浪涌过载能力是有限的，在设计晶闸管电 路时，必须考虑到电路中电流产生的波动。 下 页上 页返 回 2.3.2.3 晶闸管的动态参数
24、1断态电压临 界上升率 du/dt 在结温为额定值和门极开路的情况下， 不会导致晶闸管从断态转换到通态所 允许的最大正向电压上升速度。 实际应用中，实际电压上升率必须小于此临界值。 下 页上 页返 回 2通态电流临 界上升率 di/dt 在规定条件下，晶闸管从阻断状态转 换到导通状态时，晶闸管所能承受的 通态电流上升率最大值。 晶闸管刚导通时，电流主要分布在门极附近的小区域内， 电流上升过快，有可能造成局部过热而损坏器件。 下 页上 页返 回 3开通时间ton 普通晶闸管的开通时间ton约为6s。 开通时间与触发脉冲的陡度、电压 大小、结温以及主回路中的电感量 有关。 4关断时间toff 普通
25、晶闸管的关断时间toff约为几十到 几百微秒。关断时间与原件结温、关 断前阳极电流的大小以及所加反压的 大小有关。 下 页上 页返 回 2.3.2.4 门极额定参数 1门极触发电流IGT IGT是在室温下，阳极电压为直流6V时使晶闸管从断态转入 通态所需的最小门极电流。 2门极触发电压UGT UGT是产生门极触发电流所需的最小门极电压。 下 页上 页返 回 2.3.2.5 温度特性 1结温TJM 晶闸管正常工作时所能允许的最高 结温。 晶闸管的额定结温通常为125C或150C。 2结壳热阻RJC 晶闸管每瓦功率损耗导致的 内部PN结与晶闸管外壳之间 的温差 。 该参数可用于晶闸管的散热系统设计
26、。 下 页上 页返 回 2.3.3 几种常用的晶闸管 1 相控晶闸管 l换流晶闸管 l相控晶闸管 a主要用于线频电压和电流整流方面，以及高压直流输电。 a可承受较高的电压和电流，通态压降较小。 下 页上 页返 回 2 逆变晶闸管 a逆变晶闸管的通态电压较低并且关断时间tq也较短。 下 页上 页返 回 3 光控晶闸管 a通过一定的波长的光照信号触发晶闸管。 a主要用于高压线路中。 下 页上 页返 回 2.4 可控开关的理想特性可控开关的理想特性 BJT MOSFET GTO IGBT 可控 开关 通过控制端的控制信号来控 制其导通和关断 + UT - iT 开关打开时，没有电流流过 开关闭合时，
27、电流能按箭头所指 方向流过 下 页上 页返 回 理想可控开关的特性 关断时，不论正、反向阻断电压有多高，都没有电流流过 该器件。 导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。 该器件一旦被触发，立即从导通状态到关断状态，反之亦 然。 该器件只需很小的电流就能触发。 下 页上 页返 回 理想二极管 iT + UT - + - Ud I0 电流流过一个开关就必须流过 一些串联的电感。 当开关闭合，电流全部流过开 关，二极管反向偏置。 当开关断开时，I0流过二极管， 有一个等同于输入电压Ud的电压 加在开关上。 理想二极管被认为是零压降。 下 页上 页返 回 0 开关控制信号 toffton 导通 关
28、断 Ts=1/fs t Ud t I0 Uon td(on) td(off) tfi tc(off) trv tfvtri tc(on) iT 0 0 UdI0 Pr(T) Wc(on)=UdI0tc(on)/2 Wc(off)=UdI0tc(off) /2 Won t 二极管工作在一个循环周期 内，开关频率为: fs=1/ Ts Ts ：开关时间周期 当开关处于断态时，正向控 制信号将使其导通，导通过程 中，电流上升包括一个较短的 延迟时间td(on)和电流上升时间 tri。 下 页上 页返 回 0 开关控制信号 toffton 导通 关断 Ts=1/fs t Ud t I0 Uon td(
29、on) td(off) tfi tc(off) trv tfvtri tc(on) iT 0 0 UdI0 Pr(T) Wc(on)=UdI0tc(on)/2 Wc(off)=UdI0tc(off) /2 Won t 电流I0全部通过开关后，二 极管反向偏置，开关电压在 电压下降时间tfv内下降到通态 电压Uon。 导通交叉时间段tc(on)内开关 电压和电流值较大。 tc(on)= tri+tfv 导通过程中器件的能量损 耗: Wc(on)=1/2UdI0tc(on) 下 页上 页返 回 0 开关控制信号 toffton 导通 关断 Ts=1/fs t Ud t I0 Uon td(on)
30、td(off) tfi tc(off) trv tfvtri tc(on) iT 0 0 UdI0 Pr(T) Wc(on)=UdI0tc(on)/2 Wc(off)=UdI0tc(off) /2 Won t 开关完全导通，通态电压 Uon使电流I0导通，并将在开通 时间ton内持续导通。开关通态 能量消耗Won可近似为: Won=UonI0ton 式中 ton大于tc(on)和tc(off) 下 页上 页返 回 0 开关控制信号 toffton 导通 关断 Ts=1/fs t Ud t I0 Uon td(on) td(off) tfi tc(off) trv tfvtri tc(on) i
31、T 0 0 UdI0 Pr(T) Wc(on)=UdI0tc(on)/2 Wc(off)=UdI0tc(off) /2 Won t 用反向控制信号控制开 关关断。在开关关断期间， 电压上升过程包括关断延 迟时间td(off) 和电压上升时 间trv。 电压达到Ud时，二极管 正向偏置并传导电流。 下 页上 页返 回 0 开关控制信号 toffton 导通 关断 Ts=1/fs t Ud t I0 Uon td(on) td(off) tfi tc(off) trv tfvtri tc(on) iT 0 0 UdI0 Pr(T) Wc(on)=UdI0tc(on)/2 Wc(off)=UdI0t
32、c(off) /2 Won t 开关电流在电流下降时 间tfi内下降到0，电流I0反 向，并从二极管VD中流过。 在转换时段tc(off)内，开 关电压和开关电流同时具 有较大值。 tc(off) = trv +tfi 下 页上 页返 回 0 开关控制信号 toffton 导通 关断 Ts=1/fs t Ud t I0 Uon td(on) td(off) tfi tc(off) trv tfvtri tc(on) iT 0 0 UdI0 Pr(T) Wc(on)=UdI0tc(on)/2 Wc(off)=UdI0tc(off) /2 Won t 关断过程中的开关能量 损耗为： Wc(off)
33、=1/2UdI0tc(off) 瞬时能量损耗为： PT(t)=uTiT 导通和关断期间的瞬时开 关能量损耗。 l瞬时能量损耗 下 页上 页返 回 开关开通、关断的转换所导致的能量损耗可由式 Wc(on)=1/2UdI0tc(on)和式Wc(off)=1/2UdI0tc(off )表示为: ()() 0 1 () 2 sc onc off ds PU I f tt 半导体能量损耗随着开关频率和开关时间增加呈线性 增加。 下 页上 页返 回 导通时的平均能量损耗Pon也会导致开关能量损耗，它按比例随 着通态电压而变化。其开通损耗为： 0 on onon s t PU I t 开关的通态压降应该尽可
34、能小。 可控开关断态时的漏电流比较小，可忽略不计，实际应用中 的断态能量损耗也可忽略。开关的平均能量损耗为： PT=Ps+Pon 下 页上 页返 回 可控开关的特性 器件处于断态时，漏电流很小。 较低的通态压降Uon可减少通态能量损耗。 导通和关断转换时间较短，能够使器件在较高的开关频率 下工作。 较好的正、反向电压阻断能力使得器件不需要级联许多器 件。 电流较大的电路中，可控开关通态电流额定值较高，无需 并联器件，避免了电流分配的问题。 下 页上 页返 回 通态阻抗正的温度系数能够确保并联元件平均分配总电流。 只需要较小的电流来触发可控开关，这将简化控制电路的 设计。 开关时，器件可同时承受
35、额定电压和额定电流那么大的电 压和电流。不需要外部电路保护装置。 可控开关可承受较大的电压电流变化率，因此可简化外部 电路的保护装置。 下 页上 页返 回 2.5 双极结型晶体管和达林顿管双极结型晶体管和达林顿管 2.5.1 双极结型晶体管和达林顿管的基本特性 UCE UBE - E C B iB iC + - + iB1 iB2 iB3 iB4 iB5 iB=0 uce I iD 0 U ce(sat) 伏安特性 下 页上 页返 回 iB1 iB2 iB3 iB4 iB5 iB=0 uce I iD 0 U ce(sat) 伏安特性 基极电流只有足够大才可使得 器件完全导通。控制电路必须提
36、供足够大的基极电流。两者电流 的关系为： IBIC/hFE 式中，hFE是元件的直流电流增益。 uCE 截止状态 导通状态 iC 0 FBJT理想化伏安特性曲线 下 页上 页返 回 通态时，基极电流必须保持不变。大功率晶体管的直流电流 增益hFE的值通常在5到10之间。 l双极结型晶体管 电流控制型元件 UCE UBE - E C B iB iC + - + UCE UBE - E C B iB iC + - + F得到更大 的电流增益 下 页上 页返 回 L达林顿晶体管对电压非常敏感，轻微的过电压uCE(sat)就会 导致它的损坏，且整体开关速度较慢。 L不论是单个器件或单个芯片上的达林管结
37、构，BJT在关断 期间都有一个储存时间。开关时间一般是在几百纳秒到几微 秒的范围内。 下 页上 页返 回 2.6 电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET） 2.6.1 电力场效应晶体管的基本特性 电力场效应晶体管(MOSFET) 是电压控制型器件。 UGS UDS - S D G iD + -+ 7V 6V 5V UGS=4V UDS 0 iD 伏安特性 uDS 截止状态 导通状态 iD 0 下 页上 页返 回 7V 6V 5V UGS=4V UDS 0 iD 伏安特性 当栅-源极电压低于门槛电压uGS(th) 时，MOSFET像近似断开的开关。 MOSFET供给栅源极大小合适 的持
38、续电压才能导通。 当MOSFET处在从开到关的转换过程中，或反过来从关到 开的转换过程中，在栅沟道本征电容充、放电时，栅极才会 出现电流。 下 页上 页返 回 MOSFET的开关时间非常短，通常在几十纳秒到几百纳秒 之间。 正常运行范围内，MOSFET的漏极和源极之间的导通电阻 随着它承受的截止电压的增加很快增加。 因为MOSFET的导通阻抗有正的温度系数，所以很容易并 联使用。 并联的MOSFET中若有某个器件的导通电流较大，则使导 通阻抗也相应增加，从而自动地起到平衡其它并联MOSFET 中电流的作用。 下 页上 页返 回 2.7 门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO） 2.7.1
39、门极可关断晶闸管的基本特性 A K + UAK - iG iA G uDS 0 iD 导通 关断 uDS 断 通 iD 下 页上 页返 回 GTO与晶闸管 相同之处 GTO能够通过施加短期的门极脉 冲电流而触发导通。一旦导通， 就能维持这种导通状态而不再需 要门极电流。 GTO与晶闸管 不同之处 GTO可通过施加负的门阴极电 压而被关断，并因此引起大的负 门极电流。 下 页上 页返 回 2.8 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT） 2.8.1 绝缘栅双极晶体管的基本特性 UGS UDS - S D G iD + -+ E C G + - uDS uGS iD 0 uD S 断 通 i
40、D 0 下 页上 页返 回 b像MOSFET一样，IGBT的输入阻抗高，只需很小的能 量来开关器件。 b如同BJT一样，即使当它承受较高电压时，它的导通压 降也很小。 b与GTO类似，IGBT能够被设计承受一定的反向压降。 较 比 下 页上 页返 回 l擎住效 应 IGBT管中由驱动电压UGE控制IC大到 一定的程度时，IGBT中寄生的NPN 和PNP晶体管处于饱和状态，栅极G 失去对集电极电流IC的控制作用。 S集电极电流值超过ICM时，IGBT产生擎住效应。 SIGBT在关断时电压上升率duCE/dt太大将产生擎住效应。 下 页上 页返 回 2.9 MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）
41、2.9.1 MOS控制晶闸管的基本特性 K P-MCT G A K G A N-MCT 0uAK iA 导通 关断 uAK 断 通 iA 0 E MCT像IGBT和MOSFET一样是 电压控制器件。 下 页上 页返 回 0uAK iA 导通 关断 优点: JMCT具有GTO的许多优点，包 括通过比较大的电流时通态压降 低和自锁功能。 JMCT的驱动电路更简单。 JMCT的开关速度更快。 JMCT比相同等级的IGBT的通态压降更低。 J单个MCT的额定电流明显比GTO小。 下 页上 页返 回 2.10 可控开关的比较可控开关的比较 器件 BJT/MD MOSFET GTO IGBT MCT 功率
42、容量 中等 低 高 中等 中等 开关速度 中等 快 慢 中等 中等 可控开关器件的相关性质比较 下 页上 页返 回 电压 频率 电流 2kV 3kV 4kV 5kV 1kV MOSFET IGBT 1MHz 0.5kA1kA1.5kA2kA2.5kA3kA 100KHz 10KHz 1KHz SCR GTO BJT MCT 电力半导体器件性能比较 下 页上 页返 回 2.11 驱动和吸收电路驱动和吸收电路 可控电力半导体开关的开关速度和通态损耗取决于它的 控制方式。 在设计一个合理的换流电路时，重要的是在BJT、 MOSFET、GTO或IGBT的栅极的基础上设计合理的驱动电 路。 未来的趋势是
43、把电力开关的大部分驱动电路整合到器件 封装内。 下 页上 页返 回 吸收电路的分类 l开通吸收电路 它使器件导通时产生 的过电流最小。 l关断吸收电路 它使器件关断时的过 电压最小。 l减压吸收电路 它能修正器件的开关 波形 。 下 页上 页返 回 2.12 半导体功率器件的选择半导体功率器件的选择 器件特性的影响 通态压降或导通电阻决定该器件的传导损失。 开关时间决定每次转换的能量损失和开关频率能达到多高。 器件的额定电压、额定电流决定该器件的能量控制能力。 控制电路所需的能量决定控制该器件的难易度。 下 页上 页返 回 该器件导通阻抗的温度系数决定它们并联使用的难易程度。 器件的成本也是选
44、择时要考虑的因素。 设计换流器考 虑的因素 电压和电流的需要 可接受的能量效率 最小的开关 频率 减小滤波器和设备 的尺寸、成本 下 页上 页返 回 晶闸管触发电路晶闸管触发电路 晶闸管触发电路要求： 触发信号采用脉冲形式(目的：减少门极损耗)； 触发脉冲应有足够功率（晶闸管为流控器件）； 触发脉冲前沿要陡（保证多个晶闸管同时工作时被同时触 发）； 触发脉冲宽度要足够大。脉冲消失前，晶闸管电流应大于 擎住电流； 触发脉冲要与阳极电压同步（需要交流电压过零检测） 触发脉冲满足变换器的移相范围。 组成： (1)同步移相 (2)脉冲形成 (3) 脉冲放大输输出 下 页上 页返 回 基本原理： 同步移
45、相环节自V1及其输入网络所组成 脉冲形成环节由V2、V3、V4组成(该环节实质上是一个单 稳态电路) V3、V4组成复合管与脉冲变压器T一起构成脉冲放大输出 环节。 电路工作时,先由同步移相环节按一定控制规律对Ut、Uk等 输入信号进行综合并产生同步移相信号,这个信号经C4输出后 加在单稳态电路输入端(v2基极),使单稳态电路翻转并产生一 宽脉冲,该脉冲经飞放大后通过脉冲变压器输出。 第三章第三章 非正弦周期电路的基本概念非正弦周期电路的基本概念 3.6 平均功率和电流有效值 3.2 正弦电压源激励下的似稳态过程 3.5 稳态的定义 3.1 正弦稳态过程的功率定义 3.7 稳态时交流正弦电压、
46、电流波形 3.8 非正弦周期电路分析 小结 3.3 似稳态过程计算中应注意的几个问题 3.4 电压换向的整流电路 首 页 l有功功率 传输功率的平均值 T LLLdttitu T P 0 )()( 1 星形连 接 U1N i1 i2 i3 U2N U3N n 交流电网 1 2 3 T N T N T NL dttitu T dttitu T dttitu T P 0 33 0 22 0 11 )()( 1 )()( 1 )()( 1 F负载吸收的有功功 率为: 下 页返回 下 页上 页返 回 3.1 正弦稳态过程的功率定义正弦稳态过程的功率定义 1 有功功率 cos3IUP cosIUP 单相
47、系统 三相对称系统 2 视在功率 单相系统 三相对称系统 IUS IUS 3 下 页上 页返 回 3 无功功率 单相系统 三相对称系统 sinIUQ sin3IUQ 4 功率因数 S P cos 三种功率之间的关系为： S2=P2+Q2 以上表达式中，U和I分别表示线电压和线电流； 表示线 电压和线电流之间的相位差。 下 页上 页返 回 3.2 正弦电压源激励下的似稳态过程正弦电压源激励下的似稳态过程 电力电子技术的应用中，即使在周期性的电子开关作用下， 系统中的电压、电流处于稳定运行状态，但此时的电压、电 流并不为理想的正弦波，而是周期性的非正弦。 l“似稳态”过程 电力电子技术的应用中非正
48、 弦的稳态运行过程。 下 页上 页返 回 交流系统的电压可近似认为是理想的正弦波，电流可认为是 畸变波，用U表示理想的正弦波电压，用下标“1”表示周期性 畸变电流基波分量，则前面的有关功率表达式可改写为： 1 有功功率 11 cos3IUP 11 cosIUP 单相系统 三相对称系统 下 页上 页返 回 2 视在功率 单相系统 三相对称系统 IUS IUS 3 3 无功功率 单相系统 三相对称系统 111 sinIUQ 111 sin3IUQ 下 页上 页返 回 4 畸变功率 2 1 22 QPSD 5 功率因数 1 cos S P 假定电压为理想的正弦波，电流发生畸变时产生畸变功 率。 畸变
49、可用基波加上若干谐波分量表示。 进行谐波分析时，常使用“正交”的术语。 下 页上 页返 回 n个周期函数f1(t)， fn(t)，当满足下列条件： 函数互为正交 0 ( )( )d t T ik t ik f tf tt const ik 由于式 所表示的各功率之间互为正交， 故其表达式也可以转换为： 2 1 22 QPSD 22 1 22 DQPS 下 页上 页返 回 将式 用电压、电流的形式表达:22 1 22 DQPS )sincos( 2 1 22 11 22 1 222 IIIUIU 式中，下标表示总的谐波。 总谐波电流还可以变换为： I =D/U 总电流I、基波电流I1、和谐波电流
50、I之间的关系为： 22 1 2 III 电流表达式为： 22 3 2 2 2 1 2 h IIIII 下 页上 页返 回 基波电流含有率为： g=I1/I 谐波电流为： 2 22 h h II I I k n n 2 2 谐波电流含有率为： 谐波电流和总功率因数的关系为： IkI 1 cos g 下 页上 页返 回 3.3 似稳态过程计算中应注意的几个问题似稳态过程计算中应注意的几个问题 3.3.1 单相负载 负 载 iL uL 设交流电的周期为T，则有： uL(t+T)=uL(t) iL(t+T)=iL(t) 电压的有效值为： 2 0 1 d T LL Uut T 2 0 1 d T LL
