chapter19电力电子技术

1、什么是电力电子学？什么是电力电子学？整流整流逆变逆变直流斩波直流斩波交流变频、变相交流变频、变相电力电子技术的发展阶段电力电子技术的发展阶段电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的晶闸管问世晶闸管问世(1957年年)IGBT出现出现 功率集成器件功率集成器件晶闸管时代晶闸管时代水银（汞水银（汞弧）整流弧）整流器时代器时代电子管电子管问世问世全控型器件全控型器件迅速发展迅速发展史前期史前期（黎明期）（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年年)晶体管诞生晶体管诞生电力电子技术主要应用领域电力电子技

2、术主要应用领域u一般工业：一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业交直流电机、电化学工业、冶金工业u交通运输：交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电气化铁道、电动汽车、航空、航海u电力系统：电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿u电子装置电源：电子装置电源： 为信息电子装置提供动力为信息电子装置提供动力u家用电器：家用电器： “节能灯节能灯”、变频空调、变频空调u其他：其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置航天飞行器、新能源、发电装置电力电子学的本质电力电子学的本质 根本目的：为了更好地使用电能（节能）根本目的：为了更好地使用电

3、能（节能） 根本手段：电力电子技术是使用功率半导体器根本手段：电力电子技术是使用功率半导体器件对电能进行变换件对电能进行变换 具体方法：包括电压、电流、频率和波形等方具体方法：包括电压、电流、频率和波形等方面的交换面的交换 通过电能变换，以达到使电能更好地符合各种通过电能变换，以达到使电能更好地符合各种不同用电设备的要求。它以实现不同用电设备的要求。它以实现“高效率用电高效率用电和高品质用电和高品质用电”为目标为目标19.1 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 不控器件：导通和关断都不可控，如整流二极管不控器件：导通和关断都不可控，如整流二极管D 半控器件：导通可控、关断不可控，如硅整流管和

4、晶闸管半控器件：导通可控、关断不可控，如硅整流管和晶闸管(T或或SCR) 全控器件：导通和关断都可控，可关断晶闸管全控器件：导通和关断都可控，可关断晶闸管(GTO)、如、如功率晶体管功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管（、功率场效应晶体管（VDMOS）和绝）和绝缘栅双极晶体管缘栅双极晶体管(IGBT)等等 现代电力电子器件现代电力电子器件 ：高频化、标准模块化、集成化和智：高频化、标准模块化、集成化和智能化能化 。功率集成电路。功率集成电路(PIC)分为智能功率集成电路分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路和高压集成电路(HVIC)两类两类 G P1P2N1N2P1P2N1N2K G

5、AKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T2G2Bii G22Cii 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2i+_1Bi1BiGEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的 必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小, ,直到直到正反馈正反馈效应效应不能维持。不能维持。URRMUDRMIG2

6、 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUAIAIG0IG1IG2正向平均电流正向平均电流)(AAUfI截止截止UDRM:晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下, ,允允许重复加在许重复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取UDRM = = 80% UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UDRM 为为100V 3000V控制极开路时控制极开路时, ,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取一般取 URRM = 80% UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100V3000VURRM：)(s

7、in21m0mFIttdII 环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散热条件下，标准散热条件下，晶闸晶闸管处于管处于全导通时，全导通时，可以连续通过的工频正可以连续通过的工频正弦半波电流弦半波电流( (在一个周期内在一个周期内) )的平均值。的平均值。 IF t 2 i如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im, 则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UDRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF) 晶闸管晶闸管K P普通型普通型(1) 电路电路。uuu To, 0。0,T

8、o uuu+T t1 2 :1t tuO晶晶闸闸管管不不导导通通。,0,0g1 ut t gu tO tOuO tOuO t1 tuO tguO t22 tTuOOU )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U +TLeL tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 +LTD+(1) 电路电路iL tOu tuO tTuO 2 tguOaRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a tOu tuO tT1uO2 动画动画 tguO )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2co

9、s19 . 0 U两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。无反向电压。2. 晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D4u0RL+-+-电路电路特点特点 1. 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作用。续流二极管作用。(2)2. 由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-0 22010901801090%.%.UUAODT32I

10、IIV3102UV)()(RRMDRM930620232UUU2cos19 . 0 U)(1800 ，一旦发生过，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将电流时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只件内部短路或开路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流过电流为为400A400A时，仅允许持续时，仅允许持续0.020.02秒，否则将因过热而损秒，否则将因过热而损坏；坏； 电压超过其反电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后向电压超过转折电压时，则晶

11、闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。的电流较大，使器件受损。与晶闸与晶闸管串联管串联接在接在输入输入端端接在接在输出输出端端 RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护NPPN结结N型硅片型硅片2B1B1BBB1BRRRUU BBBBBB1BUURR 分压比分压比( (0.5 0.9) )UBB+_+_RP+_+_RB1RB2AUBB+_RP+_+_3 . 维持单结管导通的最小维持单结管导通的最小 电压、电流。电压、电流。 单结管由截止变导通单结管由截止变导通 所需发射极电压所需发射极电压。IpIVV截止区截止区P 3. 不同单结晶体管的谷点电

12、压不同单结晶体管的谷点电压谷点电流谷点电流都都 不一样。谷点电压大约在不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用之间。常选用 稍大一些，稍大一些， 稍小的单结晶体管，以增大输稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。出脉冲幅度和移相范围。Uvug。uvOORLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+C+RU2MRu2+uo+uZU2MuOouOzuOUP-UDR1R2RPCcRuZLugucuvUpRLT1D1D2T2OOUZuOO uL L单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR 输出脉冲可以直接从电阻输出脉冲可以直接从电阻R1引出引出(如前图如前图)，也可，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管变压器副边串联二极管D1, 可将反向电压隔开，而可将反向电压隔开，而并联并联D2，