电气工程概论电力电子学习教案

1、会计学1电气工程概论电气工程概论(giln)电力电子电力电子第一页，共73页。电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子第三章电力电子(dinz)技术技术第1页/共73页第二页，共73页。电气工程概论电气工程概论(giln) 第三章电力电子技术第三章电力电子技术第2页/共73页第三页，共73页。电气工程概论电气工程概论 第三章电力第三章电力(dinl)电子技术电子技术第3页/共73页第四页，共73页。u功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的基础。功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的基础。u功率集成电路是最近功率集成电路是最近1010年功率半导体器件发展的一个重要趋势

2、，是将功年功率半导体器件发展的一个重要趋势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲率半导体开关器件与其驱动、缓冲(hunchng)(hunchng)、检测、控制和保护等硬、检测、控制和保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路件集成一体，构成一个功率集成电路PICPIC。u智能功率模块智能功率模块IPMIPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了较为广泛是功率集成电路中典型的例子，近年得到了较为广泛的应用。的应用。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第4页/共73页第五页，共73页。一、概述一、概述(i sh)(i sh)（一）功率半导体器件的功能（一）功率半

3、导体器件的功能图图3-13-1为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输出至为电力电子装置的示意图，功率输入经功率变换器后输出至负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，应用不负载。功率变换器通常采用电力电子器件作为功率开关，应用不同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压同拓扑组合构成，实现电功率形式的变换（电压(diny)(diny)或频率或频率等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从输等变换）。此外，系统功率可以是双向的，即电功率也可以从输出端送至输入端。出端送至输入端。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第5页/共73页

4、第六页，共73页。功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：1 1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。）功率半导体器件通常都处于在开关状态。2 2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。3 3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大

5、电流的器件。件应该是能承受高电压、大电流的器件。一个理想的功率半导体器件应当一个理想的功率半导体器件应当(yngdng)(yngdng)具有的理想的静态和动态特性具有的理想的静态和动态特性是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的 和和 ；同时器件具有全控功能，即器件的通断可通过电信号控制；同时器件具有全控功能，即器件的通断可通过电信号控制。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导

6、体器件功率半导体器件第6页/共73页第七页，共73页。（二）功率（二）功率(gngl)(gngl)半导体器件半导体器件的发展的发展功率半导体器件的发展经历了以下阶段：功率半导体器件的发展经历了以下阶段：大功率二极管产生于大功率二极管产生于2020世纪世纪4040年代，是功率半导体器件中结构年代，是功率半导体器件中结构最简单、使用最广泛的一种器件。最简单、使用最广泛的一种器件。2020世纪世纪7070年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可年代，出现了称之为第二代的自关断器件，如门极可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。2

7、020世纪世纪8080年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体器年代，出现了的第三代复合导电机构的场控半导体器件，以绝缘栅极双极型晶体管件，以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT(IGBT或或IGT)IGT)为典型代表，另外还为典型代表，另外还有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、有静电感应式晶体管、静电感应式晶闸管、MOSMOS控制晶闸管、集控制晶闸管、集成门极换流晶闸管等。成门极换流晶闸管等。现已经出现了第四代电力电子器件现已经出现了第四代电力电子器件集成功率半导体器件，集成功率半导体器件，它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在一块芯它将功率器件与驱动电路、控制电路及保护电路集成在

8、一块芯片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔片上，从而开辟了电力电子器件智能化的方向，具有广阔(gungku)(gungku)的应用前景。的应用前景。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第7页/共73页第八页，共73页。图图3-23-2示出了各种功率半导体器件的工作示出了各种功率半导体器件的工作(gngzu)(gngzu)范围范围电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第8页/共73页第九页，共73页。二、大功率二极管二、大功率二极管大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路大功率二极管属不可控器件

9、，在不可控整流、电感性负载回路的续流等场合均得到广泛的续流等场合均得到广泛(gungfn)使用。使用。（一）大功率二极管的结构（一）大功率二极管的结构(jigu)(jigu)大功率二极管的内部结构是一个具有大功率二极管的内部结构是一个具有P P型、型、N N型半导体、一个型半导体、一个PNPN结和结和阳极阳极A A、阴极、阴极K K的两层两端半导体器件，其符号表示如图的两层两端半导体器件，其符号表示如图3-3(a)3-3(a)所示所示。从 外 部 构 成 看 ， 也 分 成 管 芯 和 散 热 器 两 部 分 。 一 般 情 况从 外 部 构 成 看 ， 也 分 成 管 芯 和 散 热 器 两

10、 部 分 。 一 般 情 况(qngkung)(qngkung)下，下，200A200A以下的管芯采用螺旋式以下的管芯采用螺旋式( (图图3-3(b) )3-3(b) )，200A200A以以上则采用平板式上则采用平板式( (图图3-3(c) )3-3(c) )。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第9页/共73页第十页，共73页。（二）大功率二极管的特性（二）大功率二极管的特性(txng)(txng)1.1.大功率二极管的伏安特性大功率二极管的伏安特性(txng)(txng)二极管阳极和阴极间的电压二极管阳极和阴极间的电压UakUak与阳极电流与阳极电流ia ia

11、间的关间的关系称为伏安特性系称为伏安特性(txng)(txng)，如图，如图3-43-4所示。由于大功率所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电流数值都很小，可忽略二极管的通态压降和反向漏电流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性，于是大功率二极管的理想伏安特性(txng)(txng)如图如图3-3-4(b)4(b)所示。所示。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第10页/共73页第十一页，共73页。2. 2. 大功率二极管的开通、关断特大功率二极管的开通、关断特性性图图3-53-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较为大功率二

12、极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第11页/共73页第十二页，共73页。图图3-63-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时间间(shjin)(shjin)必须考虑。必须考虑。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第12页/共73页第十三页，共73页。在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极

13、管的动态(dngti)(dngti)过程过程，trr = 25trr = 25微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、关断等动态的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、关断等动态(dngti)(dngti)过程，通常使用快恢复二极管过程，通常使用快恢复二极管( (反向恢复时间很短的大功率二极管，反向恢复时间很短的大功率二极管，trr trr = 200500nm)= 200500nm)。快恢复二极管具有开通压降低、反向快速恢复性能好的。快恢复二极管具有开通压降低、反向快速恢复性能好的

14、优点。优点。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第13页/共73页第十四页，共73页。三、晶闸管三、晶闸管(SCR)(SCR)晶闸管是硅晶体闸流管的简称晶闸管是硅晶体闸流管的简称(jinchng)，其价格低廉、工，其价格低廉、工作可靠，尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子作可靠，尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导地位。装置中仍占主导地位。（一）晶闸管的结构（一）晶闸管的结构(jigu)(jigu)晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构(jigu)(jigu)上看，可区上看，可区分为管芯及

15、散热器两大部分，分别如图分为管芯及散热器两大部分，分别如图3-73-7及图及图3-83-8所示。所示。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第14页/共73页第十五页，共73页。（二）晶闸管的基本（二）晶闸管的基本(jbn)(jbn)特性特性通过理论分析和实验验证表明：通过理论分析和实验验证表明：1) 1) 只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶只有当晶闸管同时承受正向阳极电压和正向门极电压时晶闸管才能导通，两者不可缺一。闸管才能导通，两者不可缺一。2) 2) 晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，门极电压对管子晶闸管一旦导通后门极将失去控制作用，

16、门极电压对管子随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不随后的导通或关断均不起作用，故使晶闸管导通的门极电压不必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度必是一个持续的直流电压，但必须是一个具有一定宽度和幅度的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管开通特性及负载性质有的正向脉冲电压，其脉冲宽度与晶闸管开通特性及负载性质有关关(yugun)(yugun)。这个脉冲常称之为触发脉冲。这个脉冲常称之为触发脉冲。3) 3) 要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数要使已导通的晶闸管关断，必须使阳极电流降低到某一数值之下值之下( (晶闸管维持电流，约几十毫安晶闸管维持电流，约几

17、十毫安) )。通常通过降低阳极电。通常通过降低阳极电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第15页/共73页第十六页，共73页。1.1. 静态特性静态特性2.2. （1 1）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示(biosh)(biosh)晶闸管阳晶闸管阳极与阴极之间的电压极与阴极之间的电压UakUak与阳极电流与阳极电流ia ia 之间的关系曲线，如图之间的关系曲线，如图3-93-9所示所示。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率

18、半导体器件功率半导体器件第16页/共73页第十七页，共73页。阳极伏安特性可以划分为两个区域，第阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I I象限为正向特性区，第象限为正向特性区，第IIIIII象限为反向特性区。象限为反向特性区。第第I I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。正向阻断状态随着不同的门极电流，正向阻断状态随着不同的门极电流，IgIg大小呈现不同的分支。大小呈现不同的分支。正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很大的阳极电流而管子本身只承受约流

19、过很大的阳极电流而管子本身只承受约1V1V左右的管压降，特性曲左右的管压降，特性曲线靠近并几乎线靠近并几乎(jh)(jh)平行于纵轴。平行于纵轴。晶闸管在第晶闸管在第IIIIII象限的反向特性与二极管的反向特性类似。象限的反向特性与二极管的反向特性类似。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第17页/共73页第十八页，共73页。2. 2. 动态动态(dngti)(dngti)特性特性晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中得到应用晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需

20、要严格地考虑晶闸管的开关，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开关(kigun)特性，特性，即开通特性和关断特性。即开通特性和关断特性。（1 1）开通）开通(kitng)(kitng)特性特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通晶闸管由截止转为导通的过程为开通(kitng)(kitng)过程。图过程。图3-113-11给出了晶闸管的开关特性。给出了晶闸管的开关特性。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降，延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降，一般为一般为15微秒。微秒。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器

21、件功率半导体器件第18页/共73页第十九页，共73页。（2 2）关断特性）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源电源(dinyun)(dinyun)、负载和辅助换流电路来提供。、负载和辅助换流电路来提供。普通晶闸管的关断时间为几百微秒。要使已导通的晶闸管完全普通晶闸管的关断时间为几百微秒。要使已导通的晶闸管完全恢复正向阻断能力，加在晶闸管上的反向阳极电压时间必须大恢复正向阻断能力，加在晶闸管上的反向阳极电压时间必须大于晶闸管的关断时间，否则晶闸管无法可靠关断。于晶闸管的关断时间，否则晶闸管无法可靠关断。（三）晶闸

22、管的主要参数（三）晶闸管的主要参数1. 1. 电压电压(diny)(diny)参数参数（1 1）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压UDRMUDRM取断态不重复峰值电压取断态不重复峰值电压UDSMUDSM的的9090定义为断态重复峰值电压定义为断态重复峰值电压UDRMUDRM，“重复重复”表示表示(biosh)(biosh)这个电压可以以每秒这个电压可以以每秒5050次，每次，每次持续时间不大于次持续时间不大于10ms10ms的重复方式施加于元件上。的重复方式施加于元件上。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第19页/共73页第二十页，共73页。（2 2）反向重复峰值电

23、压）反向重复峰值电压URRMURRM取反向不重复峰值电压取反向不重复峰值电压URSMURSM的的9090为定义为反向重复峰值电压为定义为反向重复峰值电压URRMURRM，这个，这个电压允许重复施加。电压允许重复施加。（3 3）晶闸管的额定电压）晶闸管的额定电压URUR取取UDRMUDRM和和URRMURRM中较小的一个中较小的一个(y )(y )，并整化至等于或小于该值的规定电，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上做为晶闸管的额定电压压等级上做为晶闸管的额定电压URUR。由于晶闸管工作中可能会遭受到一些。由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管

24、时应使其意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值额定电压为正常工作电压峰值UTMUTM的的2-32-3倍，以作安全余量。倍，以作安全余量。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第20页/共73页第二十一页，共73页。2. 2. 电流电流(dinli)(dinli)参数参数（1 1）通态平均电流）通态平均电流IT(AV)IT(AV)选用选用(xunyng)(xunyng)晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。选用电流。选用(xunyng)(xu

25、nyng)晶闸管的额定电流晶闸管的额定电流IT(AV)IT(AV)应使其对应有效值电流为应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的实际流过电流有效值的1.51.52 2倍。倍。（2 2）维持电流）维持电流IHIH维持电流维持电流IHIH是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫是指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。安。（3 3）擎住电流）擎住电流ILIL晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流通所需的最小阳极电流称为擎住电流ILIL。一般擎住电

26、流比维持电流大。一般擎住电流比维持电流大2 24 4倍。倍。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第21页/共73页第二十二页，共73页。3. 3. 其它其它(qt)(qt)参数参数（1 1）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率du/dtdu/dt在额定结温和门极开路条件下，使元件从断态转入通态的最低在额定结温和门极开路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率称为断态电压临界上升率电压上升率称为断态电压临界上升率du/dtdu/dt。实际使用中，必。实际使用中，必须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于此值。须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于

27、此值。（2 2）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率di/dtdi/dt通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt是指在规定的条件下，晶闸管由门是指在规定的条件下，晶闸管由门极进行触发极进行触发(chf)(chf)导通时，管子能够承受而不致损坏的通态导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。应用时，晶闸管所允许的最大电流上平均电流的最大上升率。应用时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。升率要小于这个数值。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第22页/共73页第二十三页，共73页。（四）晶闸管的派生（四）晶闸管的派生

28、(pishng)(pishng)器件器件 快速快速(kui s)(kui s)晶闸管晶闸管 双向晶闸管双向晶闸管 逆导晶闸管逆导晶闸管 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 光控晶闸管光控晶闸管（五）晶闸管的驱动（五）晶闸管的驱动(q (q dn)dn)1. 1. 晶闸管触发电路的基本要求：晶闸管触发电路的基本要求：1 1）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。2 2）为使并联晶闸管元件能同时导通）为使并联晶闸管元件能同时导通, ,触发电路应能产生强触发脉冲。触发电路应能产生强触发脉冲。3 3）触发脉冲的同步及移相范围。）触发脉冲的同步及移相范围。4 4）隔离输出方

29、式及抗干扰能力。）隔离输出方式及抗干扰能力。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第23页/共73页第二十四页，共73页。四、功率场效应晶体管四、功率场效应晶体管功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达500kHZ500kHZ，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，一般只适用小功率的电力电子装置。一般只适用小功率的电力电子装置。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（一）简介（一

30、）简介(jin (jin ji)ji)第24页/共73页第二十五页，共73页。（二）工作（二）工作(gngzu)(gngzu)特性特性静态特性静态特性1 1）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图3-14(a)3-14(a)所示，可以所示，可以分为三个区，分别是可调电阻分为三个区，分别是可调电阻(dinz)(dinz)区区I I，饱和区，饱和区IIII，击穿区，击穿区IIIIII。2 2）转移特性。漏极电流）转移特性。漏极电流ID ID 与栅源电压与栅源电压UGSUGS反映了输入电压和输出电流的反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如

31、图关系，称为转移特性，如图3-14(b)3-14(b)所示。所示。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件UDS第25页/共73页第二十六页，共73页。2. 2. 开关开关(kigun)(kigun)特特性性图图3-153-15为元件极间电容的等效电路。器件输入为元件极间电容的等效电路。器件输入(shr)(shr)电容在开关过程中电容在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱很小，驱动功率小，但动态时

32、由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。功率场效应晶体管的开关过程如图功率场效应晶体管的开关过程如图3-163-16所示，其中所示，其中UP UP 为驱动电源信号，为驱动电源信号，UGSUGS为栅极电压，为栅极电压，iD iD 为漏极电流。为漏极电流。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第26页/共73页第二十七页，共73页。（三）主要参数与安全（三）主要参数与安全(nqun)(nqun)工工作区作区1. 1. 主要参数主要参数1 1）漏源电压）漏

33、源电压UDSUDS2 2）电流定额）电流定额IDID，IDMIDM3 3）栅源电压）栅源电压UGSUGS安全工作区安全工作区 功率功率(gngl)(gngl)场效应晶体管的场效应晶体管的正向偏置安全工作区由四条边正向偏置安全工作区由四条边界包围而成，如图界包围而成，如图3-173-17所示。所示。其中其中I I为漏源通态电阻限制线；为漏源通态电阻限制线；IIII为最大漏极电流为最大漏极电流IDMIDM限制线；限制线；IIIIII为最大功耗限制线；为最大功耗限制线；IVIV为最为最大漏源电压限制线。大漏源电压限制线。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第27

34、页/共73页第二十八页，共73页。五、绝缘五、绝缘(juyun)(juyun)栅双极型晶体栅双极型晶体管（管（IGBTIGBT）（一）结构与工作（一）结构与工作(gngzu)(gngzu)原理原理图图3 319(c) 19(c) 是是IGBTIGBT的符号的符号(fho)(fho)。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第28页/共73页第二十九页，共73页。（二）工作（二）工作(gngzu)(gngzu)特性特性静态特性静态特性IGBT的静态特性主要有输出特性及转移的静态特性主要有输出特性及转移(zhuny)特性，如图特性，如图3-20所示。输出特性表所示。输出特性表

35、达了集电极电流达了集电极电流IC与集电极与集电极-发射极间电压发射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。IGBT的转移的转移(zhuny)特性表示了栅极电压特性表示了栅极电压UG对集电极电流对集电极电流IC的控制关系。的控制关系。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第29页/共73页第三十页，共73页。2. 2. 动态动态(dngti)(dngti)特特性性IGBTIGBT的动态的动态(dngti)(dngti)特性即开关特性，如图特性即开关特性，如图3 32121所示，其开通过程主要由其所示，其开通过程主要由其MOSFETMOSFET结构结构决定。决定。

36、电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第30页/共73页第三十一页，共73页。六、功率模块六、功率模块(m kui)(m kui)与功率集成电路与功率集成电路功率模块最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子功率模块最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及它们的子电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体电路，而同类开关器件的串、并联目的是要提高整体(zhngt)(zhngt)额定电压额定电压、额定电流。、额定电流。如将功率半导体器件与电力电子装置控制系统中的检测环节、驱动电路、如将功率半导体器件与电力电子装置控制系统中的检测环节、

37、驱动电路、故障保护、缓冲环节、自诊断等电路制作在同一芯片上故障保护、缓冲环节、自诊断等电路制作在同一芯片上, ,则构成功率集成则构成功率集成电路。电路。三菱电机公司在三菱电机公司在19911991年推出智能功率模块（年推出智能功率模块（IPMIPM）是较为先进的混合集成）是较为先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的功率器件，由高速、低功耗的IGBTIGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成芯片和优化的门极驱动及保护电路构成，其基本结构如图，其基本结构如图3 32525所示。所示。IPMIPM的特点为：采用低饱和压降、高开关速度、内设低损耗电流传感器的特点为：采用低饱和压降、高开关速度、内设低

38、损耗电流传感器的的IGBTIGBT功率功率器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第31页/共73页第三十二页，共73页。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件第32页/共73页第三十三页，共73页。七、功率七、功率(gngl)(gngl)半导体器件半导体器件的保护的保护（一）过电压保护（一）过电压保护过电压根据产生的原因可分为两大类：过电压根据产生的原因可分为两大类：1 1）操作过电压：由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作）

39、操作过电压：由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程引起的过电压。中电磁过程引起的过电压。2 2）浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置）浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置的过电压，其幅度的过电压，其幅度(fd)(fd)可能比操作过电压还高。可能比操作过电压还高。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）过电流保护（二）过电流保护由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此必须对由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此必须对变流装置进行适当的过电流保护。变流装置进行适

40、当的过电流保护。第33页/共73页第三十四页，共73页。八、相关八、相关(xinggun)(xinggun)名词名词二次击穿：对于集电极电压超过二次击穿：对于集电极电压超过VCEO而引起的击穿，只要外电路限制击而引起的击穿，只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压减小到小于穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压减小到小于VCEO后，管子后，管子也就恢复到正常工作，因此这种击穿是可逆的，不是破坏性的，这种击穿也就恢复到正常工作，因此这种击穿是可逆的，不是破坏性的，这种击穿为一次击穿。如果上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速为一次击穿。如果上述击穿后，电流不加限制，就

41、会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，永久失去半导体特性减小，集电极电流迅速增大的现象，永久失去半导体特性 ，通常将这种现，通常将这种现象称为二次击穿。象称为二次击穿。安全工作区：安全工作区：Safe operating area, SOA，是指功率半导体器件能够按照，是指功率半导体器件能够按照预期预期(yq)正常工作而不会造成损坏时的电压电流等条件的范围。正常工作而不会造成损坏时的电压电流等条件的范围。单极型：它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输单极型：它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小。它工作时只有一种载流子参与导电，故称

42、为单极型晶体管出电流的大小。它工作时只有一种载流子参与导电，故称为单极型晶体管。双极型：它是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，其本身。双极型：它是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，其本身具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型。称为双极型。第34页/共73页第三十五页，共73页。作业作业(zuy)P153：T3-1, 3-2, 3-3第35页/共73页第三十六页，共73页。电气工程概论电气工程概论 第三章电力第三章电力(dinl)电子技术电子技术第36页/共73页第三十七页，共

43、73页。u 变流技术在电力电子技术中是最重要(zhngyo)的，也是最基本的技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小变换器的大小和重量,提高它们的效率，降低谐波失真和成本。u 变流技术可大致分为三代：u 第一代是应用二极管和晶闸管,采用不控或半控强迫换流技术；u 第二代主要以应用自关断器件为特征；u 第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特征的。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术第37页/共73页第三十八页，共73页。一、换流概念一、换流概念(ginin)(ginin)和变流器和变流器的分类的分类（一）换流概念（一）换流概念(ginin)

44、(ginin)在电工技术中的换流是指电流从一条支路过渡到另一条支路在电工技术中的换流是指电流从一条支路过渡到另一条支路的过程，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。的过程，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。在电力电子技术中，完成换流过程的开关功能不是用机械开在电力电子技术中，完成换流过程的开关功能不是用机械开关，而是用功率半导体器件来实现的，换流过程的特点我们关，而是用功率半导体器件来实现的，换流过程的特点我们用图用图3-293-29来说明。来说明。电流电流I I首先经过接通的开关首先经过接通的开关S1S1在支路在支路1 1中流过，换流是通过开中流过，换流是通过开关关S2S2的接通而开始的

45、。的接通而开始的。S2S2接通后，在换流电压接通后，在换流电压ukuk的作用下，的作用下，将有一换流电流将有一换流电流ikik在支路在支路1 1和和2 2之间流动，如果之间流动，如果ikik的方向正确的方向正确，此电流将逐步，此电流将逐步(zhb)(zhb)减小支路减小支路1 1中的电流和增加支路中的电流和增加支路2 2中的中的电流。如总回路中电感电流。如总回路中电感L L足够大的话，则可以认为总电流足够大的话，则可以认为总电流I I在在换流过程中保持不变。在完成了过渡后，也就是电流换流过程中保持不变。在完成了过渡后，也就是电流i2i2达到达到了值了值I I和电流和电流i1i1变成零时，换流过

46、程通过打开开关变成零时，换流过程通过打开开关S1S1而结束。而结束。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术第38页/共73页第三十九页，共73页。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力电力(dinl)变换技术变换技术第39页/共73页第四十页，共73页。u换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极性的换换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极性的换流电压存在。流电压存在。u如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称之为自如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称之为自然换流。然换流。u有时也可利用负载所产生的交流电压

47、作换流电压，则称之为负载换有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则称之为负载换流。流。u负载换流也属于自然换流。负载换流也属于自然换流。u由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提高被关由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提高被关断的电流断的电流(dinli)支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功率晶支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式称之为强迫体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式称之为强迫换流。换流。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术第40页/共73

48、页第四十一页，共73页。1.1.自然自然(zrn)(zrn)换流换流在自然换流时，变流器中的电流从支路在自然换流时，变流器中的电流从支路1 1过渡到支路过渡到支路2 2是在电网电压或负载是在电网电压或负载电压的干预电压的干预(gny)(gny)下完成的。下完成的。换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间tutu。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术第4

49、1页/共73页第四十二页，共73页。（二）变流器的功能（二）变流器的功能(gngnng)(gngnng)和和分类分类u变流器的基本功能如下：变流器的基本功能如下：u1 1）整流：将交流电转换成直流电；）整流：将交流电转换成直流电；u2 2）逆变：将直流电变成一定频率）逆变：将直流电变成一定频率(pnl)(pnl)和大小的交流电；和大小的交流电；u3 3）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电变成）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电变成大小任意可调的另一直流电；大小任意可调的另一直流电；u4 4）交流电变换：将大小和频率）交流电变换：将大小和频率(pnl)(pnl)固

50、定的某交流电变成大小固定的某交流电变成大小和频率和频率(pnl)(pnl)可变的交流电。可变的交流电。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术第42页/共73页第四十三页，共73页。二、相控调压电路二、相控调压电路（一）单相（一）单相(dn xin)(dn xin)交流交流调压调压图图3 33333所示为一单相交流调压所示为一单相交流调压的基本的基本(jbn)(jbn)线路。二个反并线路。二个反并联的晶闸管周期性地触发时间点联的晶闸管周期性地触发时间点，相对于交流电压，相对于交流电压u u的过零点滞的过零点滞后一个控制角后一个控制角因此半因此半导体开关阻断了电

51、压曲线上阴影导体开关阻断了电压曲线上阴影所示部分。在每次晶闸管触发以所示部分。在每次晶闸管触发以后，通过负载的电流立刻跳跃到后，通过负载的电流立刻跳跃到稳态电流瞬时值上，然后按正弦稳态电流瞬时值上，然后按正弦规律流动直至零值，所以输出电规律流动直至零值，所以输出电流波形是缺了一块的正弦交流电流波形是缺了一块的正弦交流电。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术第43页/共73页第四十四页，共73页。三、可控整流三、可控整流(zhngli)(zhngli)电电路路（一）单相可控整流（一）单相可控整流(zhngli)(zhngli)在前述的单相交流调压电路中，如去

52、除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成(guchng)(guchng)了一个最简单的单相半波可控整流器（图了一个最简单的单相半波可控整流器（图3-393-39（a a）。）。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术第44页/共73页第四十五页，共73页。图图3-393-39（b b）所示）所示是单相可控整流是单相可控整流电路的电压、电电路的电压、电流波形流波形(b xn)(b xn

53、)。显然经过晶闸。显然经过晶闸管半波整流后的管半波整流后的输出电压输出电压udud是一是一个极性不变的脉个极性不变的脉动直流电压。动直流电压。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术第45页/共73页第四十六页，共73页。2.2.带电阻带电阻电感混合负载的单相电感混合负载的单相(dn (dn xin)xin)可控整流可控整流u整流电路的负载除电阻外常常还带有一定大小的电感，这就是所谓整流电路的负载除电阻外常常还带有一定大小的电感，这就是所谓的电阻的电阻电感混合电感混合(hnh)负载。负载。u电机的激磁绕组串接有平波电抗器的负载等，均属电阻电机的激磁绕组串接有平波电

54、抗器的负载等，均属电阻电感混电感混合合(hnh)负载。负载。u由于电感有反抗电流变化的特性，而使可控整流器的工作特性发生由于电感有反抗电流变化的特性，而使可控整流器的工作特性发生了明显的变化，下面以图了明显的变化，下面以图341来加以说明。来加以说明。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术第46页/共73页第四十七页，共73页。从从 波形上可以看到，由于波形上可以看到，由于(yuy)(yuy)电感的存在，延长了晶闸电感的存在，延长了晶闸管的导通时间，使管的导通时间，使 波形中出现波形中出现了正、负面积部分，从而减小了了正、负面积部分，从而减小了输出直流电压平均值

55、。这是电阻输出直流电压平均值。这是电阻- -电感负载时可控整流电路工作原电感负载时可控整流电路工作原理的重要特点。理的重要特点。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术第47页/共73页第四十八页，共73页。 LR的大电感负载， 。此时，对于(duy)不同控制角 ，电压、电流波形如图342所示。 此时电压 波形的正、负面积接近相等，平均电压 ，造成平均直流电流 也接近零，负载上将得不到所需功率。222电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术第48页/共73页第四十九页，共73页。单相半波单相半波(bn b)(bn b)可控整流电路

56、如可控整流电路如不采取措施，是不能直接带大电感不采取措施，是不能直接带大电感负载正常工作的。解决的方法是在负载正常工作的。解决的方法是在负载两端并联一续流二极管。如图负载两端并联一续流二极管。如图3 34343所示。所示。可见，加了续流二极管后的输出直可见，加了续流二极管后的输出直流电压波形和纯电阻负载时完全相流电压波形和纯电阻负载时完全相同（图同（图3 34343（b b），输出直流电），输出直流电压平均值也相应增大到了电阻负载压平均值也相应增大到了电阻负载时的大小。时的大小。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术第49页/共73页第五十页，共73页。电气工程

57、概论电气工程概论 3.2 电力电力(dinl)变换技术变换技术七、单象限直流电压变换电路七、单象限直流电压变换电路以上所述各类变流器，由于主开关元件上施加的都是以上所述各类变流器，由于主开关元件上施加的都是交流电，流过的电流都有自然过零的特点，所以都采交流电，流过的电流都有自然过零的特点，所以都采用晶闸管作开关元件。用晶闸管作开关元件。本小节开始所介绍的各类变流器，工作电源本小节开始所介绍的各类变流器，工作电源(dinyun)(dinyun)都是直流电源都是直流电源(dinyun)(dinyun)，元件电流并，元件电流并无自然过零的特点，故开关元件的切换只能通过一些无自然过零的特点，故开关元件

58、的切换只能通过一些强迫换流措施（采用晶闸管）或采用具有自关断能力强迫换流措施（采用晶闸管）或采用具有自关断能力的开关元件来实现。的开关元件来实现。由于强迫换流需要较大的换流电容器、辅助晶闸管等由于强迫换流需要较大的换流电容器、辅助晶闸管等，造成了线路的复杂化，成本提高。所以，以下所介，造成了线路的复杂化，成本提高。所以，以下所介绍的各类变流器线路以采用具有自关断能力的开关元绍的各类变流器线路以采用具有自关断能力的开关元件为主。件为主。第50页/共73页第五十一页，共73页。电气工程概论电气工程概论(giln) 3.2 电力变换技术电力变换技术（一）直流降压变换电路（一）直流降压变换电路用具有强

59、迫换流的半导体开关可以在任意的时间点接通或关断一个直流用具有强迫换流的半导体开关可以在任意的时间点接通或关断一个直流回路。回路。如果用一定的开关频率周期性地接通和关断它，并且任意地改变导通和如果用一定的开关频率周期性地接通和关断它，并且任意地改变导通和关断时间的比例，显然就有可能控制（调节）从直流电源送至负载的功关断时间的比例，显然就有可能控制（调节）从直流电源送至负载的功率。这样的变换电路人们称之为直流电压变换电路，一般称为直流斩波率。这样的变换电路人们称之为直流电压变换电路，一般称为直流斩波器。器。图图3 35555所示为一个直流降压变换电路的基本所示为一个直流降压变换电路的基本(jbn)

60、(jbn)线路和相应的电压线路和相应的电压电流波形曲线。电流波形曲线。第51页/共73页第五十二页，共73页。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换电力变换(binhun)技术技术u周期性工作的半导体开关的导通比定义为周期性工作的半导体开关的导通比定义为u式中：式中：TaTa为开关的关断时间，为开关的关断时间， Te Te为开关的导通时间。为开关的导通时间。u负载上的平均负载上的平均(pngjn)(pngjn)直流电压直流电压 可以由导通比可以由导通比 和电源电压和电源电压 来计算，公式如下来计算，公式如下u电源输出的电流电源输出的电流 是矩形的脉动电流，其平均是矩形的脉动电流，其平均(p