现代电力电子技术第1章(Introduction4h)

1、哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所现代电力电子技术张华强张华强哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）Tel:(office) Tel:(office)(home)(home) E-mail: E-mail: 哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所参考文献参考文献陈坚陈坚、康勇，、康勇，电力电子学电力电子学-电力电子变换和控制技术电力电子变换和控制技术 第三版，高等教育出版社，第三版，高等教育出版社，2011.6.1张淼，冯垛生张淼，冯垛生. 现代

2、电力电子技术与应用现代电力电子技术与应用 中国电力出版社，中国电力出版社，2011.2李李 宏，王崇武宏，王崇武 现代电力电子技术基础现代电力电子技术基础 机械工业出版社，机械工业出版社，2010.2杨士彦杨士彦、王明彦、王明彦等等. 现代电力电子技术教案现代电力电子技术教案 哈尔滨工业大学，哈尔滨工业大学，2006.3哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所主要内容主要内容 DC-DCDC-DC（ACAC）变换器）变换器 AC-DCAC-DC（ACAC）变换器）变换器 PWMPWM整流与逆变技术整流与逆变技术 缓冲电路与谐振变换器缓冲电路与谐振变换器 零转换器与软开关技术零转换器

3、与软开关技术 风力发电报告风力发电报告哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所第第1 1章章 绪论绪论1.1 电力电子器件发展历程电力电子器件发展历程n 传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍n 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍1.2 现代电力电子技术基础现代电力电子技术基础n 现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程n 现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所第第1 1章章 绪论绪论电电子子技技术术模拟电子技术模拟电子技术数字电子技术数字电子技术信息电子技术信息电子技术信息处理技术信息处理技术电力电子技

4、术电力电子技术电能变换技术电能变换技术电力器件电力器件制造技术制造技术变流电路变流电路控制技术控制技术变换电路变换电路拓扑结构拓扑结构AC-DCAC-DC，DC-AC DC-AC DC-DCDC-DC，AC-ACAC-AC相位控制相位控制周波控制周波控制调制控制调制控制不控型器件不控型器件半控型器件半控型器件全控型器件全控型器件哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1.1 电力电子器件发展历程电力电子器件发展历程2020世纪初世纪初电子管电子管2020世纪世纪9090年代年代IGBTIGBT2020世纪世纪7070年代年代GTOGTO，GTRGTR，MOSMOS2020世纪世纪5

5、050年代年代SCRSCR现代电力电子技术现代电力电子技术逆变技术发展逆变技术发展电力电子技术诞生电力电子技术诞生整流技术发展整流技术发展电子技术电子技术诞生诞生2121世纪世纪广泛应用时代广泛应用时代哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 可控性可控性 不可控器件不可控器件, ,半控型器件半控型器件, ,全控型器件全控型器件n 控制端口信号性质控制端口信号性质 电流驱动型电流驱动型, ,电压驱动型电压驱动型n 内部导电载流子内部导电载流子 单极型单极型, ,双极型双极型, ,混合型混合型1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研

6、究所1.1.功率整流管又称为电力二极管功率整流管又称为电力二极管, ,属于不可控器件。属于不可控器件。A KA K图图1.1.外形结构外形结构图图2.2.外形结构与符号外形结构与符号1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -功率整流管功率整流管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2.2.静态特性与动态特性静态特性与动态特性图图4.4.动态特性（关断）动态特性（开通）动态特性（关断）动态特性（开通）图图3. 3. 静态特性静态特性1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -功率整流管功率整流管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所反向重复峰值电压反向重

7、复峰值电压U URRM RRM 重复施加反向峰值电压，通常是其雪崩击穿电压的重复施加反向峰值电压，通常是其雪崩击穿电压的2/32/3。3. 3. 主要参数主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV) 在指定壳温和散热条件下长期运行时，允许流过最大工频在指定壳温和散热条件下长期运行时，允许流过最大工频正弦半波电流平均值，这也是标称额定电流参数。正弦半波电流平均值，这也是标称额定电流参数。正向压降正向压降UF 在指定温度下，流过指定稳态正向电流时对应的正向压降。在指定温度下，流过指定稳态正向电流时对应的正向压降。1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -功率整流管功率整流管哈工大（威海）自

8、动化研究所哈工大（威海）自动化研究所最高工作结温最高工作结温TJM 指管芯指管芯PN结在不损坏前提下承受最高平均温度，通常在结在不损坏前提下承受最高平均温度，通常在125-175范围内。范围内。反向恢复时间反向恢复时间trr 关断时正向电流降为零到完全恢复对反向电压阻断能力时间。关断时正向电流降为零到完全恢复对反向电压阻断能力时间。浪涌（浪涌（Surge）电流）电流IFSM 指电力二极管承受最大连续一个或几个工频周期过电流。指电力二极管承受最大连续一个或几个工频周期过电流。1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -功率整流管功率整流管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所

9、 肖特基二极管肖特基二极管 反向恢复时间很短（反向恢复时间很短（10-40nS10-40nS），开关损耗和正向导通损耗比快速二），开关损耗和正向导通损耗比快速二极管小极管小, ,用于用于200V200V以下场合。以下场合。4. 主要类型主要类型 普通二极管普通二极管 又称整流二极管，用于开关频率不高（又称整流二极管，用于开关频率不高（1kHz1kHz以下）整流电路中。反以下）整流电路中。反 向恢复时间较长，在向恢复时间较长，在5 5 S S以上，正向电流定额和反向电压定额分别以上，正向电流定额和反向电压定额分别 可达数千安和数千伏以上。可达数千安和数千伏以上。 快恢复二极管快恢复二极管 简称快

10、速二极管，反向恢复过程很短简称快速二极管，反向恢复过程很短, ,在在5 5 S S以下以下. .快恢复外延二极管快恢复外延二极管 反向恢复时间更短（低于反向恢复时间更短（低于50nS50nS），正向压降低（），正向压降低（0.9V0.9V左右），反向左右），反向 耐压耐压400V400V以下。以下。1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -功率整流管功率整流管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1.1.外型与电路符号外型与电路符号 图图5. 5. 外型与电路符号外型与电路符号 1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究

11、所哈工大（威海）自动化研究所2.2.伏安特性伏安特性 图图6.6.静态伏安特性静态伏安特性图图7.7.动态伏安特性动态伏安特性( (开关过程开关过程) )1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所3.3.主要参数主要参数n 断态重复峰值电压；断态重复峰值电压； 反向重复峰值电压；反向重复峰值电压；n 通态通态( (峰值峰值) )电压；电压； 通态峰值电流；通态峰值电流；n 维持电流；维持电流； 擎住电流；擎住电流； 浪涌电流；浪涌电流；n 开通时间；开通时间； 关断时间；关断时间；n 断态电压临界上升率；断态电压临

12、界上升率；n 通态电流临界上升率。通态电流临界上升率。1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所4.4.主要派生器件主要派生器件 (1)(1)快速晶闸管快速晶闸管FSTFST n 包括快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用于包括快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用于400Hz400Hz和和10kH10kHZ Z以上斩波或逆变电路；以上斩波或逆变电路；n 开关时间及开关时间及du/dtdu/dt和和di/dtdi/dt耐量明显改善：关断时间（普耐量明显改善：关断时间（普通晶闸管数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管通晶闸管数

13、百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管1010微秒）；微秒）；n 与普通晶闸管相比，高频晶闸管电压和电流定额不高；与普通晶闸管相比，高频晶闸管电压和电流定额不高；n 工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管通态平均工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管通态平均电流时，不能忽略其开关损耗发热效应。电流时，不能忽略其开关损耗发热效应。1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所(2)(2)双向晶闸管双向晶闸管TRIACTRIACn 一对反并联联接的普通晶闸管的集成；一对反并联联接的普通晶闸管的集成；n 主电极的正反两方

14、向均可触发导通。主电极的正反两方向均可触发导通。 图图8.8.双向晶闸管符号和伏安特性双向晶闸管符号和伏安特性1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所(3)(3)逆导晶闸管逆导晶闸管RCTRCT n 同一管芯：晶闸管反并联一个二极管；同一管芯：晶闸管反并联一个二极管； n 没有承受反向电压能力，用于不需要阻断反向电压电路；没有承受反向电压能力，用于不需要阻断反向电压电路；n 正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高；正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高； n 额定电流有两个：晶闸管电流和反并联的二

15、极管的电流。额定电流有两个：晶闸管电流和反并联的二极管的电流。 图图9.9.逆导晶闸管符号和伏安特性逆导晶闸管符号和伏安特性1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所(4)(4)光控晶闸管光控晶闸管LTTLTT n 利用一定波长的光照信号触发导通；利用一定波长的光照信号触发导通；n 光缆装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器；光缆装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器；n 保证主控电路的绝缘，避免电磁干扰影响；保证主控电路的绝缘，避免电磁干扰影响；n 高压大功率场合，如高压大功率场合，如HVDCHVDC输电

16、和输电和HVHV核聚变装置占重要地位。核聚变装置占重要地位。 图图10.10.光控晶闸管符号和伏安特性光控晶闸管符号和伏安特性1.1传统电力电子器件介绍传统电力电子器件介绍 -普通晶闸管普通晶闸管哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所图图11.11.发展趋势（高电压、大电流、低损耗、高开关频率）发展趋势（高电压、大电流、低损耗、高开关频率）1.2现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1.GTR1.GTR基本结构和特性基本结构和特性n 三层半导体材料三层半导体材料, ,两个两个PNPN结；结；PNPPNP和和NPNNPN型，常用

17、型，常用NPNNPN型；型；n 三重扩散结构；可靠性高，改善器件的二次击穿特性，三重扩散结构；可靠性高，改善器件的二次击穿特性，易于提高耐压能力，并且易于耗散内部热量。易于提高耐压能力，并且易于耗散内部热量。 图图12. GTR12. GTR结构和符号结构和符号1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2 2达林顿达林顿GTRGTRn 电流增益低给驱动电路造电流增益低给驱动电路造成负担，达林顿结构是提成负担，达林顿结构是提高电流增益的有效方式；高电流增益的有效方式；n 达林顿结构由两个或多个达林顿结构由两个

18、或多个晶体管复合而成，可以是晶体管复合而成，可以是PNPPNP型或型或NPNNPN型，其性质由型，其性质由驱动管决定；驱动管决定；n 达林顿达林顿GTRGTR电流增益可为电流增益可为几十至几千倍；几十至几千倍； 图图13. 13. 达林顿达林顿GTRGTR符号符号1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 达林顿达林顿GTRGTR开关速度慢，因为无论是开通或关断，总是开关速度慢，因为无论是开通或关断，总是先要先要驱动管驱动管动作，而后动作，而后输出管输出管才动作，开关时间长；才动作，开关时间长；n 为加快

19、为加快V2管开关速度，管开关速度，必须使必须使V2与与V1同时同时 动作。加入二动作。加入二 极管极管VD1，当输入信号反向关断晶体管当输入信号反向关断晶体管 时，输入反向驱时，输入反向驱 动信号经动信号经VD1加到加到V2基极，基极，VD1提供反向提供反向IB2通路，加速通路，加速 V2关断过程。关断过程。1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTRn 达林顿连接提高了电流增益，增加了饱和压降；达林顿连接提高了电流增益，增加了饱和压降；哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所3.GTR3.GTR模块模块n 将将GTRGTR管芯、稳定电阻、加速二极

20、管及续流二极管等组装管芯、稳定电阻、加速二极管及续流二极管等组装成一个单元，根据不同用途将几个单元组装在一个模块上。成一个单元，根据不同用途将几个单元组装在一个模块上。n 大大提高器件集成度，使其小型轻量，性价比大大提高。大大提高器件集成度，使其小型轻量，性价比大大提高。n 目前目前GTRGTR模块可模块可将多达将多达6 6个互相个互相绝缘单元电路做绝缘单元电路做在同一模块内，在同一模块内，可很方便地组成可很方便地组成三相桥。三相桥。 图图14. GTR14. GTR模块等效电路模块等效电路1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所

21、哈工大（威海）自动化研究所4.4.静态特性与参数静态特性与参数共射极电路输出特性是指集电结电压一电流特性，分共射极电路输出特性是指集电结电压一电流特性，分4 4个区域：阻断区、线性区、准饱和区和饱和区。个区域：阻断区、线性区、准饱和区和饱和区。 图图15. GTR15. GTR静态特性静态特性1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 阻断区又称截止区，类似开关处于断态，该区阻断区又称截止区，类似开关处于断态，该区基极电基极电流流为零，为零，GTRGTR承受高压而仅有极小漏电流存在。发射结承受高压而仅有极

22、小漏电流存在。发射结和集电结处于反偏状态。和集电结处于反偏状态。 图图16. GTR16. GTR静态特性阻断区静态特性阻断区1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 线性区又称放大区，该区域集电极电流与基极电流间呈线线性区又称放大区，该区域集电极电流与基极电流间呈线性关系，特性曲线近似平直。集电结处于反偏而发射结改性关系，特性曲线近似平直。集电结处于反偏而发射结改为正偏状态，为正偏状态，应当尽量避免工作于线性区应当尽量避免工作于线性区，否则功耗很大。，否则功耗很大。 图图17. GTR17. GTR静

23、态特性线性区静态特性线性区1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 准饱和区指线性区与饱和区间区域，特性曲线明显弯曲，准饱和区指线性区与饱和区间区域，特性曲线明显弯曲，该区域随基极电流增加出现基区宽度该区域随基极电流增加出现基区宽度调制效应调制效应，电流增，电流增益开始下降，集电极电流与基极电流间不再呈线性关系，益开始下降，集电极电流与基极电流间不再呈线性关系，仍保持集电结反偏、发射结正偏。仍保持集电结反偏、发射结正偏。 图图18. GTR18. GTR静态特性准饱和区静态特性准饱和区1.2 现代电力电

24、子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 饱和区特征类似开关处于接通情况，该区域基极电流变饱和区特征类似开关处于接通情况，该区域基极电流变化时集电极电流不随变化，电流增益与导通电压均很小。化时集电极电流不随变化，电流增益与导通电压均很小。GTRGTR发射结和集电结处于正偏状态。发射结和集电结处于正偏状态。 图图19. GTR19. GTR静态特性饱和区静态特性饱和区1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2.GTR2.GTR动态特性

25、与参数动态特性与参数n GTRGTR常工作于开关状态，用常工作于开关状态，用导通、截止、开通、关断导通、截止、开通、关断表示。表示。n 导通和截止表示导通和截止表示GTRGTR接通和断开两种稳定工作状态，开通接通和断开两种稳定工作状态，开通和关断表示和关断表示GTRGTR由断到通或由通到断动态工作状况。由断到通或由通到断动态工作状况。1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n PNPN结承受结承受正偏正偏时表现为两个电容：时表现为两个电容：势垒电容和扩散电容；势垒电容和扩散电容；n PNPN结承受反偏时只

26、表现为势垒电容；结承受反偏时只表现为势垒电容；n 稳态时，这些电容对稳态时，这些电容对GTRGTR特性无影响；特性无影响；n 瞬态时，因电容充放电作用影响瞬态时，因电容充放电作用影响GTRGTR开关特性。为降低导开关特性。为降低导通时功率损耗，常采用过驱动方法，使基区积累大量过剩通时功率损耗，常采用过驱动方法，使基区积累大量过剩载流子，关断时这些过剩载流子的消散严重影响关断时间。载流子，关断时这些过剩载流子的消散严重影响关断时间。1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 工作过程分为开通过程，工作过程分

27、为开通过程，导通状态，关断过程和阻导通状态，关断过程和阻断状态断状态4 4个阶段。个阶段。n 在开通与关断状态转换过在开通与关断状态转换过程中，程中，GTRGTR工作点尽量避工作点尽量避开或尽快通过其伏安特性开或尽快通过其伏安特性线性工作区，以减小功耗。线性工作区，以减小功耗。n 开通时间开通时间t tonon对应对应GTRGTR由截由截止到饱和的开通过程，关止到饱和的开通过程，关断时间断时间t toffoff对应对应GTRGTR由饱和由饱和到截止的关断过程。到截止的关断过程。 图图20. GTR20. GTR开通关断过程开通关断过程1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体

28、管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所开通时间开通时间t ton on ，包括延迟时间包括延迟时间t td d和上升时间和上升时间t tr r。关断时间关断时间t toffoff，包括存储时间包括存储时间t ts s和下降时间和下降时间t tf f。1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所延迟时间延迟时间t td d： 从输入基极电流正跳变从输入基极电流正跳变瞬时开始，到集电极电瞬时开始，到集电极电流上升到最大（稳态）流上升到最大（稳态）值值1010所需时间叫延迟所需时间叫

29、延迟时间，它相应于基极电时间，它相应于基极电流向发射结电容充电过流向发射结电容充电过程，延迟时间的大小取程，延迟时间的大小取决于发射结势垒电容的决于发射结势垒电容的大小、初始正向驱动电大小、初始正向驱动电流和上升率以及跳变前流和上升率以及跳变前反向偏置电压大小。反向偏置电压大小。 图图21. GTR21. GTR开通关断过程开通关断过程1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所 上升时间上升时间trtr： 集电极电流由稳态值集电极电流由稳态值的的1010上升到上升到9090所所需的时间叫做上升时需的时间叫做

30、上升时间，它与过驱动系数间，它与过驱动系数及稳态电流值有关，及稳态电流值有关，过驱动系数越大，上过驱动系数越大，上升时间越短；稳态值升时间越短；稳态值越小，上升时间越短。越小，上升时间越短。 图图22. GTR22. GTR开通关断过程开通关断过程1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所存储时间存储时间t tS S： 从撤消正向驱动信号到集从撤消正向驱动信号到集电极电流下降到最大（稳电极电流下降到最大（稳态）值态）值9090所需时间为存所需时间为存储时间，它随过驱动系数储时间，它随过驱动系数增加而增加，随

31、反向驱动增加而增加，随反向驱动电流增加而减小。存贮时电流增加而减小。存贮时间对应过剩载流子从体内间对应过剩载流子从体内抽走过程，想降低抽走过程，想降低t tS S应使应使GTRGTR工作于准饱和区。工作于准饱和区。 图图23. GTR23. GTR开通关断过程开通关断过程1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率晶体管功率晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所下降时间下降时间t tf f：n 集电极电流由其最大值集电极电流由其最大值9090下降到下降到1010所需的时间称为所需的时间称为下降时间，它主要取决于结下降时间，它主要取决于结电容和正向集电极电流

32、。电容和正向集电极电流。n 一般开通时间为纳秒级，比一般开通时间为纳秒级，比关断时间小得多，手册一般关断时间小得多，手册一般不给出该参数。关断时间数不给出该参数。关断时间数值都在微秒数量级。为缩短值都在微秒数量级。为缩短关断时间可采取以下措施：关断时间可采取以下措施：选择电流增益小的器件，防选择电流增益小的器件，防止深饱和，增加反向驱动电止深饱和，增加反向驱动电流。流。 图图24. GTR24. GTR开通关断过程开通关断过程1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率场效应晶体管功率场效应晶体管GTR哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1. MOSFET1. MO

33、SFET内部结构与电路符号内部结构与电路符号 D:D:漏极；漏极；S:S:源极；源极；G:G:栅极栅极图图25. MOSFET25. MOSFET内部结构与电路符号内部结构与电路符号1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2.2.开关过程开关过程 图图26. MOSFET26. MOSFET开关过程开关过程1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 -功率场效应晶体管功率场效应晶体管MOSFET哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1.1.结构结构n 四层结构：四层结

34、构：PNPNPNPN；n 三端器件：三端器件：A-A-阳极，阳极，G-G-门极，门极，K-K-阴极；阴极；n 多元集成：多个共阳极的多元集成：多个共阳极的GTOGTO元。元。 图图27. GTO27. GTO内部结构与电路符号内部结构与电路符号1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2.GTO 2.GTO 开通原理开通原理正向阳极电压正向阳极电压+ +正向门极电压正向门极电压- I IG GI IC2C2I IA AI IC1C1 _ 图图28. GTO28. GTO开通原理开通原理1.2 现代电力

35、电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所3.GTO3.GTO关断原理关断原理n GTOGTO导通时，导通时，电流增益电流增益 1 1远小于远小于 2 2，两者之和稍大于，两者之和稍大于1 1，T1T1集电极电流占总阳极电流比例很小。集电极电流占总阳极电流比例很小。设法抽走该电流，设法抽走该电流，即可关断即可关断GTOGTO；n 门极负偏压使门极负偏压使T2T2基极电流减小，集电极电流随之减小，基极电流减小，集电极电流随之减小，引起引起T1T1集电极电流下降，导致集电极电流下降，导致T2T2基极电流进一步下降，基极电

36、流进一步下降，如此循环，使如此循环，使GTOGTO关断。关断。 图图29 a) GTO29 a) GTO关断电路及电流波形关断电路及电流波形1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所4.4.缓冲电路结构缓冲电路结构 图图29 b) GTO29 b) GTO斩波器斩波器1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所5.5.理想的门极控制信号波形理想的门极控制信号波形 图图30. GTO30. GTO门极控制信号及推

37、荐波形门极控制信号及推荐波形1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1.1.工作原理工作原理n 结构结构: :以以GTRGTR为主导元件为主导元件,MOSFET,MOSFET为驱动元件达林顿结构；为驱动元件达林顿结构；n N N沟道与沟道与P P沟道；沟道；G-G-门极门极,C-,C-集电极集电极,E-,E-发射极。发射极。 图图31.IGBT31.IGBT内部结构和符号内部结构和符号1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT哈工大（威海）自动化研

38、究所哈工大（威海）自动化研究所n 门极电压控制门极电压控制IGBTIGBT的开通和关断；的开通和关断；n 门极施以正电压门极施以正电压,MOSFET,MOSFET内形成沟道内形成沟道, ,并为并为PNPPNP晶体管提供晶体管提供基极电流基极电流, ,使使IGBTIGBT导通；导通；n 门极施以负电压门极施以负电压,MOSFET,MOSFET内沟道消失内沟道消失,PNP,PNP晶体管基极电流晶体管基极电流被切断被切断,IGBT,IGBT即为关断。即为关断。1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研

39、究所 图图32.IGBT32.IGBT封装结构和电路原理图封装结构和电路原理图1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2.2.驱动条件驱动条件 图图33. IGBT33. IGBT通态电压与门极电压关系曲线通态电压与门极电压关系曲线1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所3.3.应用举例应用举例 图图34. IGBT34. IGBT通态电压与门极电压关系曲线通态电压与门极电压关系曲线1

40、.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所4.4.驱动波形驱动波形 图图35. IGBT35. IGBT驱动波形驱动波形1.2 现代电力电子器件介绍现代电力电子器件介绍 - 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所现代电力电子变换技术现代电力电子变换技术相控整流技术相控整流技术交交变频技术交交变频技术斩波技术斩波技术逆变技术逆变技术同步整流技术同步整流技术多电平，多电平，SVPWMSVPWM技术技术PWMPWM整流技术整流技术矩阵变换技术矩阵

41、变换技术1.2 现代电力电子技术基础现代电力电子技术基础哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所电力电子技术电力电子技术-利用电力电子器件对电能进行利用电力电子器件对电能进行 ( (二二 次次) )控制与转换的技术。控制与转换的技术。技术内容：技术内容： 器件、变换电路器件、变换电路 控制策略。控制策略。电电子子控控制制电电力力电电力力电电子子（器器件件和和电电路路）（设设备备和和网网络络）（连连续续和和离离散散） 技术定位：技术定位： 电力、电子和控制三大电气工程技术领域电力、电子和控制三大电气工程技术领域 之间的交叉、综合性学科。之间的交叉、综合性学科。技术目的：技术目的： 节

42、能，降低损耗，节能，降低损耗， 提高生产效率。提高生产效率。现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-内容、目的、定位内容、目的、定位2.1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所半导体固态电子学半导体固态电子学: n 1947年晶体管诞生；年晶体管诞生；n 1956年晶闸管问世。年晶闸管问世。 微微 电电 子子 技技 术术-信息处理信息处理 特点：集成规模、功能特点：集成规模、功能 电力电子技术电力电子技术-电能控制与转换电能控制与转换 特点：器件，功率、性能提高特点：器件，功率、性能提高两两 个个 方方 向向器件是改朝换代的领袖，是电路拓扑结构发展的基础。器件是改朝换代

43、的领袖，是电路拓扑结构发展的基础。现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-两个方向两个方向2.1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所两两 个个 阶阶 段段 传统阶段传统阶段（5780）：）：SCR家族家族，应用电路相当成熟。，应用电路相当成熟。 快速快速KK、逆导、逆导RCT、双向、双向TRIAC、不对称、不对称ASCR等。等。 现代阶段现代阶段（80 ）：）：全控家族全控家族，电路拓扑结构发展迅速电路拓扑结构发展迅速。 可关断晶闸管可关断晶闸管GTO、功率晶体管、功率晶体管GTR(BJT) 功率场效应管功率场效应管MOSFET、绝缘栅极晶体管、绝缘栅极晶体管IGBT

44、(IGCT) 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管、静电感应晶闸管SITH 场控晶闸管场控晶闸管MCT等。等。全控器件全控器件电路拓扑结构发展电路拓扑结构发展30kHz现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-两个阶段两个阶段2.1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所电子技术的发展依赖于电子器件的发展；电子技术的发展依赖于电子器件的发展；电子器件的发展方向电子器件的发展方向： 大容量化、高频化、集成化、智能化。大容量化、高频化、集成化、智能化。 现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-电子器件发展方向电子器件发展方向2.1哈工大（威海）自动化研究

45、所哈工大（威海）自动化研究所电力技术的发展依赖于发电机、变压器、电动机电力技术的发展依赖于发电机、变压器、电动机和配电系统的电子电路；和配电系统的电子电路；电子电路的发展方向电子电路的发展方向： 形式弱电化、速度高频化、动作软开关化。形式弱电化、速度高频化、动作软开关化。 现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-电子电路发展方向电子电路发展方向2.1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所电力电子变换技术由电气、控制和计算机学科综合成一个交电力电子变换技术由电气、控制和计算机学科综合成一个交叉学科；叉学科；控制技术的发展方向控制技术的发展方向： 控制信号数字化、控制过程智

46、能化。控制信号数字化、控制过程智能化。现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-控制技术发展方向控制技术发展方向2.1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所相关课程相关课程1 1、电力电子器件的建模与仿真、电力电子器件的建模与仿真2 2、谐振变换技术、谐振变换技术3 3、开关电源的原理与设计、开关电源的原理与设计课程特点课程特点1 1、强调基础强调基础 2 2、注重实践、注重实践 应用领域应用领域1 1、开关型电力电子变换电源、开关型电力电子变换电源2 2、开关型电力电子补偿控制器、开关型电力电子补偿控制器现代电力电子技术发展过程现代电力电子技术发展过程-课程特点课程特点

47、2.1哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所1 1、线性晶体管串联式稳压电源、线性晶体管串联式稳压电源 电压调节范围小电压调节范围小 损耗大、效率低损耗大、效率低 工频变压器大工频变压器大驱动误差放大AC220VUzUoRLUiUceIo 有电磁隔离有电磁隔离tUououce 图图37.37.线性晶体管串联式稳压电源线性晶体管串联式稳压电源现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所2 2、斩波式稳压电源（无滤波）、斩波式稳压电源（无滤波） 无变压器无变压器 电压调节范围大电压调节范围大 损耗小、效率

48、高损耗小、效率高 无电磁隔离无电磁隔离 输出脉动大、输出脉动大、 电压尖峰电压尖峰TiiONOODUUTtdtuTU01tUouotONtOFFRLAC220VUiUo 图图38.38.斩波式稳压电源（无滤波）斩波式稳压电源（无滤波）现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所3、斩波式稳压电源（、斩波式稳压电源（LC滤波）滤波）tUouoUoRLAC220VUiLDC2C1 无变压器无变压器 电压调节范围大电压调节范围大 损耗小、效率高损耗小、效率高 无电磁隔离无电磁隔离 输出脉动小输出脉动小 图图39.39.斩

49、波式稳压电源（斩波式稳压电源（LCLC滤波）滤波）现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所4 4、半桥斩波式稳压电源（高频隔离）、半桥斩波式稳压电源（高频隔离）电力电子技术：分解电力电子技术：分解重新整合重新整合TUoS2S1Ui /2Ui /2AC220VD1D2U4.44fsNBmS 图图40.40.半桥斩波式稳压电源（高频隔离）半桥斩波式稳压电源（高频隔离）现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所5 5、工业加热电源、工业

50、加热电源n利用涡流热效应进行加热利用涡流热效应进行加热-感应加热；感应加热；nIGBTIGBT逆变器可在几十逆变器可在几十kHkHZ Z频段频段, ,特别适用于中频感应加热；特别适用于中频感应加热；n高频斩波使滤波器尺寸小；高频斩波使滤波器尺寸小；n准谐振工作状态。准谐振工作状态。 图图41.41.并联谐振电源主电路并联谐振电源主电路现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所6 6、逆变弧焊电源、逆变弧焊电源nIGBTIGBT逆变器工逆变器工作频率为作频率为30kH30kHZ Zn电弧燃烧时电弧燃烧时, ,采用恒

51、流控制采用恒流控制nI IC C: :电流门限电流门限n电压检测过流电压检测过流保护保护 图图42.IGBT42.IGBT逆变弧焊电源逆变弧焊电源现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所7 7、不间断电源、不间断电源n逆变器交流侧滤波逆变器交流侧滤波由变压器漏感和交由变压器漏感和交流电容组成；流电容组成；n采用测量参数控制采用测量参数控制滤波器输出电压和滤波器输出电压和输出电流。输出电流。 图图43.IGBT43.IGBT不间断电源不间断电源现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用实例应用实例2.

52、2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所现代电力电子现代电力电子技术应用领域技术应用领域家用电器家用电器电气传动电气传动特种电源特种电源交通运输交通运输电力系统电力系统感应加热感应加热风力发电风力发电现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-应用领域应用领域2.2哈工大（威海）自动化研究所哈工大（威海）自动化研究所n 调速系统调速系统风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动、空调风机、水泵、机床、轧机、机车牵引、电梯、传动、空调n 伺服系统伺服系统机器人、数控加工机器人、数控加工n 有源逆变有源逆变电气传动系统的制动电气传动系统的制动n 直流斩波直流斩波高性能直流传动系统。高性能直流传动系统。现代电力电子技术研究内容现代电力电子技术研究内容-电气传动