项目一电力电子学基础

1、1 1）概念: :电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2 2）分类: : 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。3）同处理信息的电子

2、器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行1.1.2 应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路半控型器件（Thyristor） 通过控制信号可以控制其导通

3、而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。1.1.3 电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：1.2 不可控器件电力二极管一、 半导体(sem

4、iconductor) 自然界中的物质，按其导电能力可分为三大类：导体、半导体和绝缘体。 导电性导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体

5、、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。半导体的导电特性：( (可做成温度敏感元件，如热敏电阻) )。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变( (可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 ( (可做 成各种光敏元件，如

6、光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等) )。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强2 2、本征半导体的结构由于热运动（热激发），具有足由于热运动（热激发），具有足够能量的价电子挣脱共价键的束够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为缚而成为自由电子自由电子自由电子的产生使共价键中留有一自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为个空位置，称为空穴空穴 在本征半导体中自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴在本征半导体中自由电子与空穴是成对出现的，即自由电子与空穴的数目相等。的数目相等。共价键共价键 一定温度下，一定温度下，自由电子与空穴对自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动的浓度一定

7、；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。 自由电子与空穴相碰同时消失，称为自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合复合。 在热激发下产生自由电子和空穴在热激发下产生自由电子和空穴对的现象，称为对的现象，称为本征激发本征激发。载流子载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，故导电性很差。 温度升高，热运动加剧，载流温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导

8、电性增强。子浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。在本征半导体中，在本征半导体中，自由电子和空穴自由电子和空穴都参与导电！都参与导电！3 3、本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子。4 4、杂质半导体杂质半导体5磷（磷（P） N型半导体主要靠电子（多型半导体主要靠电子（多数载流子）导电。数载流子）导电。掺入杂质越掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。强，实现导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？多了？少了？为什么？1）. N型半

9、导体型半导体-掺入五价元素掺入五价元素2 2）. . P P型半导体-掺入三价元素3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电。型半导体主要靠空穴导电。掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强导电性越强，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。 物质因浓度差而产生的运动称为物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动扩散运动。气。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。5、PN结的形成结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的

10、运动称为的运动称为漂移运动漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场。内电场一方面阻止（多子）扩散运动的进行，另一方内电场。内电场一方面阻止（多子）扩散运动的进行，另一方面使空穴（少子）从面使空穴（少子）从N区向区向P区、自由电子（少子）从区、自由电子（少子）从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加结加正向电压正向电压导通：导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩

11、散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加结加反向电压反向电压截止：截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。PNPN结的单向导电性结的单向导电性二、二极管（Diode） 1 1、二极管的组成二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许

12、的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大反向击穿电压U(BR)反向特性UIPN+PN+阴极阳极D定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，UZIZIZM UZ IZ_+UIO4、特殊二极管-稳压二极管（Stabilivolt）（4）稳定电流稳定电流IZ(Izmin)、最大稳定电流最大稳定电流Izmax（5 5）最大允许功

13、耗maxZZZMIUP （1 1）稳定电压 UZ（2 2）电压温度系数 U（%/）（3 3）动态电阻ZZIUZr 稳压管正常工作( (反向击穿) )时管子两端的电压。5 5、用万用表检测二极管在 R 100或 R 1 k 挡测量红表笔是(表内电源)负极， 黑表笔是(表内电源)正极。 正反向电阻各测量一次， 测量时手不要接触引脚。 用指针式万用表检测一般硅管一般硅管正向电阻正向电阻为几千欧，锗为几千欧，锗管正向电阻为几百欧；管正向电阻为几百欧；反向电阻反向电阻为为几百千欧。几百千欧。 正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻相差不大为劣质管。 正反向电阻都是无穷大或零则正反向电阻都是无穷大或零则二

14、极管内部断路或短路。二极管内部断路或短路。 1k 0 0 0结论： （1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。 （2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。 （3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。(Transistor) 发射区 基区 集电区半导体三极管的结构示意图如下所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。NPN型PNP型 发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。 基极，用B或b表示（Base） 发射结 集电结BECIBIEICBECIBIEIC 结构特

15、点：管芯结构剖面图 发射区的掺杂浓度最高； 集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大； 基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+晶体管电流测量数据：晶体管电流测量数据：集电极电路基极电路常常数数 B)(CECIufiiC/mAuCE/V100 A80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0晶体管的输出特性曲线 对应于一个IB就有一条iC随uCE变化的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。 输出特性曲线分为三个工作区，对应晶体管的三种工作状态。iC/mAuCE/V100 A80A 60 A 40

16、 A 20 A O 3 6 9 1242.31.531IB =03DG100晶体管的输出特性曲线iC/mAuCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0截止时, 集电结也处于反向偏置( (UBC 0),),此时, IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时, IC = ICEO( (很小) )。(ICEOIC 0, UCE UCC 。iC/mAuCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0当 UCE 0) )，晶体管工作于饱和状态。输出特性三个区域的特

17、点输出特性三个区域的特点: :(1)(1)放大区：放大区：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏。 即：即： I IC C= = I IB B , , 且且 I IC C = = I IB B(2) (2) 饱和区：饱和区：发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏。 即：即：U UCECE U UBEBE ， I IB B I IC C，U UCECE 0.3V0.3V (3) (3) 截止区：截止区：发射结处于反向偏置，集电结处发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置于反向偏置. . 即即：UBE UBEIG1IG2-461.3.2 晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反反向特性类似

18、二极管的反向特性。向特性。反向阻断状态时，只有极反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管电压后，可能导致晶闸管发热损坏。发热损坏。图2-8 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性2-471.3.2 晶闸管的基本特性1)1) 开通过程开通过程延迟时间延迟时间t td d (0.51.5(0.51.5 s)s)上升时间上升时间t tr r (0.53(0.53 s)s)开通时间开通时间t tgt

19、gt以上两者之和，以上两者之和， t tgtgt= =t td d+ + t tr r （2-62-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)2) 关断过程关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间t trrrr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间t tgrgr关断时间关断时间t tq q以上两者之和以上两者之和t tq q= =t trrrr+ +t tgrgr （2-7)2-7)普通晶闸管的关断时间约普通晶闸管的关断时间约几百微秒几百微秒2） 动态特性图2-9 晶闸管的开通和关断过程波形1.3.3 晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为

20、额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额2-491.3.3 晶闸管的主要参数通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。使用时应按有

21、效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额1.3.3 晶闸管的主要参数 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 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 。 通态电流临界上升率di/dt 指在规

22、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。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3 3）动态参数动态参数1.3.4 晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)1.3.4 晶闸管的派生器件2 2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirect

23、ional triode thyristor）图2-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。1.3.4 晶闸管的派生器件3)逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图2-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、

24、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。1.3.4 晶闸管的派生器件4)光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图2-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。 电路结构特点UVWRd共阳极组共阳极组共阴极组共阴极组共阳极组共阳极组 电路结构特点UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4RdEmAeBeCeABCabc原边形接法副边Y形接法tUu

25、asin22)120_sin(202tUub)120sin(202tUuc3090区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd3090区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd3090区间区间90150区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd90150区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd90150区间区间150210区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd150210区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd150210区间区间210270区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd210270区间区间U

26、VWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd210270区间区间270330区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd270330区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd270330区间区间33030区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd33030区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4Rd33030区间区间 换流规律 2.1 2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路 。TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00图2-1 单相半波可控整流电路及波形图2-1 单相半波可控整流电路及波形TVTR0a

27、)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00工作过程和特点：（1）在U2的正半周，VT承受正向电压，0t1期间，无触发脉冲，VT处于正向阻断状态，UVTU2，Ud=0;（2） t1以后，VT由于触发脉冲UG的作用而导通，则Ud=U2, UVT=0,Id=U2/R，一直到时刻；（3） 2期间，U2反向，VT由于承受反向电压而关断,UVT=U2,Ud=0。以后不断重复以上过程。特点：为单拍电路，易出现变压器直流磁化，应用较少。 三相可控三相可控电路结构特点UVWRd共阳极组共阳极组共阴极组共阴极组共阳极组共阳极组 电路结构特点UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4R 电路结构特点 =0时电路工作分析 t1t2区间区间UVWVT1VT3VT5VT2VT6VT4R