1、 第第6章章 电力电子器件电力电子器件及基本电力变换电路及基本电力变换电路6.1 6.1 常用电力电子器件常用电力电子器件6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路6.3 6.3 基本斩波电路基本斩波电路6.4 6.4 基本逆变电路基本逆变电路6.1 6.1 常用电力电子器件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（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（全控型器件（IGBT,MOSFET)通过控制信号既可控制通又可控制通过控制信号既可控制通又可控制 关又称自关断器件关又称自关断器件 不
2、可控器件不可控器件 (Power Diode)不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断,不需要不需要 驱动电路驱动电路按照驱动电路信号的性质分按照驱动电路信号的性质分电流驱动型电流驱动型从控制端注入或抽出电流来实现通、断从控制端注入或抽出电流来实现通、断电压驱动型电压驱动型在控制端和公共端间施加电压就可实现通、断在控制端和公共端间施加电压就可实现通、断6.1.1 晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器晶体闸流管，可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。年美国贝尔实验室发明
3、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。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。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。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。耐高电压大电流，工作可靠耐高电压大电流，工作可靠,在大容量场合具有重要地位。在大容量场合具有重要地位。AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3螺栓型螺栓型平板型平板型有三个联接端有三个联接端晶体管的结构晶体管的结构 EGEAR晶体管的工作原理晶体管的工作原理 SGCII
4、22211CCII)(122CGCIIIGGII212形成强烈正反馈形成强烈正反馈 晶闸管导通晶闸管导通IG（EG）失去作用，）失去作用，IA大小由外电路决定大小由外电路决定晶闸管承受正向电压晶闸管承受正向电压U UGKGK00I IA A I IHH晶闸管晶闸管导通条导通条件件使晶闸管的电流小于维持电流使晶闸管的电流小于维持电流晶闸管晶闸管关断？关断？增大增大R或减小或减小EA晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管特性曲线晶闸管特性曲线正向正向导通导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（1
5、）正向特性正向特性IG=0时，器件两端加正向电压，有很小时，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。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正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏，则漏 电流急剧增大，器件开通。电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值随着门极电流幅值，正向转折电压正向转折电压晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，1V左右。左右。转折电压转折电压IG2IG1IG阻断状态时，有极小反相漏电流。阻断状态时，有极小反相漏电流。反向击穿后，可能导致发热损坏反向击穿后，可能导致发热损坏（2 2）反向特性反向特性晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数通常取晶闸管
6、的通常取晶闸管的U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的标值作为中较小的标值作为该器件的该器件的额定电压额定电压。选用时，取额定电压为选用时，取额定电压为正常工作时晶闸管所承正常工作时晶闸管所承受峰值电压的受峰值电压的2323倍。倍。使用注意：使用注意：1 1）电压定额电压定额断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 门极断路而结温额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。定时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 门极断路而结温额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。定时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（
7、峰值）电压通态（峰值）电压UT某一规定倍数的额定某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通态平均电流时的瞬态峰值电压。2 2）电流定额电流定额通态平均电流通态平均电流 I IT(AVT(AV）允许长期流过的允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按。使用时应按有效值相等的有效值相等的原则原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流维持电流 I IH H 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 I IL L 刚从断态转入通态并移除触发信号后，刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需能维持导通所需的最
8、小电流。的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常I IL L约为约为I IH H的的2424倍倍。浪涌电流浪涌电流I ITSM TSM 使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。3 3）动态参数动态参数除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率d du u/d/dt t 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。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电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使
9、晶闸管误导通 。通态电流临界上升率通态电流临界上升率d di i/d/dt t指在规定条件下，晶闸管能承受而无有指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。过热而使晶闸管损坏。6.1.2 6.1.2 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTRGTR和和GTOGTO的特点的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力双极型，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。很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFETMOS
10、FET的优点的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热单极型，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。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两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOSBi-MOS器件器件绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorInsulated-gate Bipolar TransistorIGBTIGBT）GTRGTR和和MOSFETMOSFET复合，结合二者的优点。复合，结合二者的优点。19861986年投入市场，是中小功率电
11、力电子设备的主导器件。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，以期再取代继续提高电压和电流容量，以期再取代GTOGTO的地位。的地位。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)IGBT IGBT的结构的结构IGBTIGBT比比VDMOSFETVDMOSFET多一层多一层P P+注入区注入区,有很强的通流能力有很强的通流能力是是GTRGTR与与MOSFETMOSFET组成的达组成的达林顿结构林顿结构R RN N为基区内调制电阻为基区内调制电阻N N沟道沟道IGB
12、TIGBTVDMOSFETVDMOSFETGTRGTR组合组合场控器件，原理与电力场控器件，原理与电力MOSFETMOSFET基本相同，通断由栅射极电压基本相同，通断由栅射极电压u uGEGE决定。决定。导通导通：u uGEGE大于大于U UGE(th)GE(th)时，时，MOSFETMOSFET内形成沟道，提供基极电流，内形成沟道，提供基极电流，IGBTIGBT导通。导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻：电导调制效应使电阻R RN N减小，使通态压降减小。减小，使通态压降减小。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBTIGBT关断。关断。IGBT
13、IGBT的原理的原理1 1）IGBTIGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 三端器件：栅极三端器件：栅极G G、集电极、集电极C C和发射极和发射极E EO有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性转移特性输出特性分为三个区输出特性分为三个区(2)IGBTIGBT的动态特性的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBTIGBT的开关过程的开关过程2)IGBT
14、2)IGBT的基本特性的基本特性 (1)(1)IGBTIGBT的静态特性的静态特性T 副边电流有效值I2与输出电流有效值I相等：2II 周而复始一、一、带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况电路结构1.带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析0VT1,4承受正向电压但无触发信号关断,VT2,3承受反向电压关断 VT1,4承受正向电压有触发信号导通，VT2,3承受反向电压关断VT2,3承受正向电压无触发信号关断VT1,4承受反向电压关断，2VT2,3承受正向电压有触发信号导通VT1,4承受反向电压关断，duwt4,1VTuGuwtdi2uwt2iwt20du2uud0du2uuddi4,1VTu
15、数量关系ww)(sin212ttdUUd2cos19.02URUIdd角的移相范围为180ddVTII21流过晶闸管的电流有效值VTIww)(d)sin2(2122ttRUIVT2sin2122RUww)()sin2(1222tdtRUII2sin212RUII21VT不考虑T 的损耗时，要求T 的容量 S=U2I26.2可控整流电路2.带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 单相全控桥 阻感负载 duwt4,1VTuGuwt2uwtdiwt2wt4,1VTiwt2i3,2VTiwt假设电路已达稳态，id平均值不变。电感很大，电流id连续且波形近似为水平线电路结构工作原理及波形分析周而复始2
16、uud2VT1,4正压导通,VT2,3反压关断2uudVT1,4正压导通,VT2,3正压关断2uudVT1,4反压关断,VT2,3正压导通流过VT1,4的电流迅速转移到VT2,3上，此过程称换相，亦称换流。数量关系晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180T 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=IdddVT21IIddVT707.021III承受最大正反向电压均为 22Uww)(dsin212dttUU电流的平均值和有效值：cos9.02U 电路结构电路结构全控型器全控型器件件续流二极管续流二极管负载负载上的上的反电反电动势动势典型用途典型用途拖动直流电
17、动机拖动直流电动机蓄电池负载蓄电池负载（Buck Chopper)Buck Chopper)6.3.1 降压斩波电路降压斩波电路电流连续电流断续工作原理工作原理vt t=t t1 1时，时，V V断，断，VDVD续流，续流，uo=0。电流电流vt t=0=0时，时，V V通，通，uo=E E，io指数规律上升指数规律上升v 通常串接大电感通常串接大电感L L使负载电流连续。使负载电流连续。数量关系数量关系EETtEtttUonoffononoREUIMoo不希望电流断续不希望电流断续TTon/动态演示动态演示（Boost Chopper）电路结构电路结构1)1)升压斩波电路的基本原理升压斩波电
18、路的基本原理6.3.2 升压斩波电路升压斩波电路工作原理工作原理假设假设L L和和C C值很大值很大0 0iG E0 0i io oI I1 1数量关系数量关系V V通时，通时，L L上能量上能量V V断时，断时，L L释放能量释放能量一个周期一个周期T T中中:off1otIEU ontEI1EtTEtttUoffoffoffonooffoontIEUtEI11)(化简得：化简得：T/toff1，故为升压斩波故为升压斩波 V V通态通态,E,E向向L L充电充电,I,I1 1恒定恒定,C,C向向R R供电供电,U,Uo o恒定。恒定。1EEU111oTtoff因此因此:也可看作直流变压器也可
19、看作直流变压器oo1IUEI 忽略损耗忽略损耗:V V断态断态,E,E和和L L同时向同时向C C充电充电,并向负载提供能量并向负载提供能量动态演示动态演示(buck-boost Chopper)电路结构电路结构6.3.3升降压斩波电路升降压斩波电路基本工作原理基本工作原理V V通通 E E向向L L供电贮能。供电贮能。C C向向R R供电供电V V断断 L L的能量向负载释放的能量向负载释放也称反极性斩波电路也称反极性斩波电路otb)oti1i2tontoffILIL 数量关系数量关系V通态uL=EV断态uL=-uooffoontUtETtu0L0d稳态时，一个稳态时，一个T T 内电感内电
20、感L L两端两端 电压电压u uL L对时间的积分为零对时间的积分为零EEtTtEttU1ononoffono00 0.50.5时为降压，时为降压，0.50.5 11时为升压，故称作时为升压，故称作升降压斩波电路。也称升降压斩波电路。也称buck-boost buck-boost 变换器。变换器。EU1o动态演示动态演示直流电交流电6.4.1 逆变电路的基本工作原理S1,4闭合，S2,3断开时S1S4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S1,4断开，S2,3闭合时uo=-Uduo=UdUduoUd-Udtt开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断
21、：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，才能关断研究换流方式主要是研究如何使器件关断。6.4.2 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。6.4.2 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
22、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）6.4.3 单相电压型逆变电路ttuG1uG2t1t2t3tiouot4t5器件导通情况控制信号u0i0开V1,关V2开V2,关V1V1VD2V2VD1VD1+-+-工作原理1）半桥逆变电路V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，2dU开V1,关V22dU2dU2dU2dUV1通，u0=Ud/2VD2通，u0=-Ud/2V2通，u0=-Ud/2VD1通，u0=Ud/2缺点：输出电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容串联，要均压。四个桥臂，可看成两
23、个半桥组合而成两对桥臂交替导通180输出电压和电流波形同半桥电路形状改变U0只能通过改变Ud来实现2)全桥逆变电路ttuG1,4uG2,3t1t2t3tiouot4t5器件导通情况控制信号u0i0V1,4导通，u0=UdVD2,3导通，u0=-UdV2,3导通，u0=-UdVD1,4导通，u0=Ud开V1,4,关V2,3开V2,3,关V1,4开V1,4,关V2,3V1,4VD2,3V2,3VD1,4VD1,4-Ud-UdUdUdUd+-+-一周期内有两个导通阶段和两个换流阶段t1t2：VT1,4稳定导通,i=Id，t2时刻前在C上建立左正右负电压。t2t4:换流阶段电容经两个放电回路同时放电6.4.4 单相电流型逆变电路工作分析t=t4时,换流结束tg-换流时间。T承受反压时间四个桥臂构成,电抗器用来限制开通时的di/dt。工作方式为负载换相。C L R构成并联谐振电路输出电流接近矩形波，ttuG1,4uG2,3iTioIdt3tfuotdtiVT2,3iVT1,4Idt2t1t7t6t5t4trttt电流型逆变电路主要特点(1)直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源(2)交流输出电流为矩形波，电压波形和相位因负载不同而不同。(3)直流侧电感起缓冲无功能量的 作用，不必反并联二极管。电路多采用半控型器件，换流方式有负载换流、强迫换流。
