电子技术06第6章-电力电子器件及基本电力变换电路课件

1、 第6章 电力电子器件及基本电力变换电路6.1 常用电力电子器件6.2 可控整流电路6.3 基本斩波电路6.4 基本逆变电路6.1 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（IGBT,MOSFET) 通过控制信号既可控制通又可控制 关又称自关断器件 不可控器件 (Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 不需要 驱动电路按照驱动电路信号的性质分电流驱动型从控制端注入或抽出电流来实现通、断电压驱动型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（Thyristor）：晶体

2、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。1957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。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80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,在大容量场合具有重要地位。螺栓型平板型有三个联接端晶体管的结构 EGEAR晶体管的工作原理 S形成强烈正反馈晶闸管导通IG（EG）失去作用，IA大小由外电路决定晶闸管承受正向电压UGK0IAIH晶闸管导通条件使晶闸管的电流小于维持电流晶闸管关断？增大R或减小EA晶闸管的结构与工作原理晶闸

3、管的基本特性晶闸管特性曲线正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（1）正向特性IG=0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。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏 电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值，正向转折电压晶闸管本身的压降很小，1V左右。转折电压IG2IG1IG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（2）反向特性晶闸管的主要参数通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。使用注意：1）电压定额断态

4、重复峰值电压UDRM 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。 反向重复峰值电压URRM 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。通态（峰值）电压UT某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 2）电流定额通态平均电流 IT(AV）允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按有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 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 使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。3）动态参数

5、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 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 。 通态电流临界上升率di/dt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。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。6.1.2 绝缘栅双极晶体管GTR和GTO的特点双极型，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。MOSFET的优点单极型，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。两类器件取长补短结合而成的

6、复合器件Bi-MOS器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。1986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GTO的地位。 IGBT的结构IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区,有很强的通流能力是GTR与MOSFET组成的达林顿结构RN为基区内调制电阻N沟道IGBTVDMOSFETGTR组合场控器件，原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，提供基极电流，IGBT导通。通态压降

7、：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBT关断。 IGBT的原理1）IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极EO有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加转移特性输出特性分为三个区 (2)IGBT的动态特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的开关过程2)IGBT的基本特性 (1)IGBT的静态特性T

8、 副边电流有效值I2与输出电流有效值I相等：周而复始一、 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VT1,4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， VT2,3承受正向电压有触发信号导通VT1,4承受反向电压关断， wtwtwtwtp2p数量关系角的移相范围为180流过晶闸管的电流有效值不考虑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单相全控桥 阻感负载 wtwtwtwtp2

9、pwtwtwt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VT1,4正压导通,VT2,3反压关断VT1,4正压导通,VT2,3正压关断VT1,4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=Id承受最大正反向电压均为 电流的平均值和有效值： 电路结构全控型器件续流二极管负载上的反电动势典型用途拖动直流电动机蓄电池负载（Buck Chopper)6.3.1

10、 降压斩波电路电流连续电流断续工作原理t=t1时，V断，VD续流，uo=0。电流t=0时，V通，uo=E，io指数规律上升通常串接大电感L使负载电流连续。数量关系不希望电流断续动态演示（Boost Chopper） 电路结构1) 升压斩波电路的基本原理6.3.2 升压斩波电路工作原理假设L和C值很大0iG E0ioI1数量关系V通时，L上能量V断时，L释放能量一个周期T中:化简得： T/toff1，故为升压斩波 V通态,E向L充电,I1恒定,C向R供电,Uo恒定。因此:也可看作直流变压器忽略损耗:V断态,E和L同时向C充电,并向负载提供能量动态演示(buck -boost Chopper) 电

11、路结构6.3.3升降压斩波电路基本工作原理V通 E向L供电贮能。C向R供电V断 L的能量向负载释放也称反极性斩波电路otb)oti1i2tontoffILIL 数量关系V通态uL = EV断态uL = - uo稳态时，一个T 内电感L两端 电压uL对时间的积分为零0a 0.5时为降压，0.5a 1时为升压，故称作升降压斩波电路。也称buck-boost 变换器。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-U

12、dtt开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。关断：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

13、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，开V1,关V2V1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

14、侧需两电容串联，要均压。四个桥臂，可看成两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。Tb-承受反压时间四个桥臂构成,电抗器用来限制开