电力电子技术

1、绪 论1. 什么是电力电子技术 2. 电力电子技术的发展历史 3. 电力电子技术的应用 4. 本课程的主要内容Power Electronics1. 什么是电力电子技术1.1 概念 1.2 两大分支 1.3 与其他学科的关系Power Electronics1.1 概念数字电子技术模拟电子技术电力电子技术信息电子技术电子技术信息电子技术：信息处理电力电子技术：电力变换电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件，应用电路理论、控制理论对电能进行变换、控制的技术。包括电压、电流、频率、波形等方面的变换、控制。Power Electronics直流电力交流交流变交流直流变直流（斩

2、波）直流变交流（逆变）交流变直流（整流）电力变换Power Electronics1.2 两大分支电力电子技术电力电子器件制造技术变流技术变流技术电力电子器件构成各种电力变换电路Power Electronics对这些电路进行控制的技术变流技术（电力电子器件应用技术）电力电子技术的核心电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础相互支持、相互促进1.3 与其他学科的关系电子学电力学控制理论电力电子技术电路、器件静止器、旋转电机连续、离散图0-1描述电力电子学的倒三角形Power Electronics边缘学科1.3.1 与电子学的关系器件、电路电力电子器件制造技术电子器件制造技术理论基础、材料、制

3、造工艺分析方法、分析软件电子电路电力电子电路Power Electronics电力电子电路电力变换电子电路信息处理Power Electronics信息电子电路器件开关状态放大状态电力电子电路器件开关状态功率损耗电力电子技术广泛用于电力工程1.3.2 与电力学的关系电力电子技术高压直流输电静止无功补偿交直流电力传动电解电镀电加热电力机车牵引电力工程分支Power Electronics高性能交直流电源1.3.3 与控制理论的关系控制理论电力电子技术弱电和强电接口弱电控制强电实现纽带广泛用于Power Electronics2. 电力电子技术的发展历史2.1 电力电子器件的发展 2.2 电力变换

4、电路的发展 2.3 控制技术的发展Power Electronics20世纪70年代 低压小电流、高压大电流晶闸管系列化 派生型晶闸管：双向、逆倒、光控半控型器件1958 工业用晶闸管问世、电力电子技术诞生 80年代后期 以IGBT为代表的复合型器件异军突起 MOSFET与GTR复合 驱动功率小、开关速度快；通态压降小、载流能力大；主导器件Power Electronics2.1 电力电子器件的发展20世纪70年代后期 全控型器件迅速发展 GTO、GTR、MOSFET 可通可断、开关速度高于晶闸管全控型器件全控复合型器件功率集成模块把若干个电力电子器件及必要的辅助元件、电路模块化，便于应用。结

5、构紧凑、体积小巧。尽管功率较小，重要发展方向。20世纪70年代以前，整流电路占有主导地位； 20世纪80年代以后，逆变电路的应用日益广泛，但整流电路仍然占有重要地位。原因？整流电路、逆变电路应用最为广泛。 常用：晶闸管相控整流电路，消耗无功功率、产生谐波污染电网。治理：补偿无功功率、抑制谐波。有源电力滤波器Power Electronics2.2 电力变换电路的发展高功率因数整流电路，采用自关断器件、PWM控制。功率因数可以达到1，基本不消耗无功功率、不产生谐波。软开关电路。降低电力电子器件的开关损耗、抑制电磁干扰。利用谐振原理，使电力电子器件在零电压或零电流的条件下开通、关断，理论上可将开关

6、损耗降至零并抑制电磁干扰。Power Electronics2.2 电力变换电路的发展新型电力变换电路：谐振型逆变电路 性能更佳晶闸管电路 相位控制方式；全控型器件 PWM控制方式；就异步电动机而言，矢量控制、直接转矩控制；就控制理论而言，自适应控制、模糊控制。 Power Electronics2.3 控制技术的发展20世纪80年代后期 高性能单片微机、数字信号处理器应用于电力电子电路控制。模拟、数字控制微机控制3.电力电子技术的应用（1）一般工业冶金工业中高频感应加热电源设备（2）交通运输Power ElectronicsDJ型交流电力传动机车磁悬浮列车国内外知名变频器 西门子（Sieme

7、ns）公司施奈德公司 富士公司 Power Electronics安圣（华为电气）变频器系列ABB公司Power Electronics（3）电力系统Power Electronics晶闸管变流装置无功补偿装置（4）电子装置用电源 开关、UPS电源电子装置用电源Power Electronics（5）家用电器交流变频控制器的原理框图 变频空调控制器Power Electronics直流变频空调的电路原理图 (6)其它不间断电源Power ElectronicsYJ32双绕组双速异步风力发电机水泵变频、风机变频节能教材的内容可分为三大部分第一部分：电力电子器件 （第1章-全书的基础)第二部分：电

8、力电子电路 （第24章-全书的主体)第三部分：PWM控制技术 （第5章）第四部分：电力电子应用（拓展） （第69两章）Power Electronics4.本课程的主要内容Power Electronics第1章 电力电子器件1.1 电力电子器件概述1.2 电力二极管1.3 晶闸管及其派生器件1.4 门极可关断晶闸管 1.5 电力晶体管 1.6 功率场效应晶体管 1.7 绝缘栅双极性晶体管 1.8 其他新型电力电子器件 本章小结Power Electronics1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化

9、1.1.4 电力电子器件的应用领域Power Electronics1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.概念主电路（Power Circuit） 在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路。电力电子器件（Power Electronic Device) 直接用于处理电能的主电路中，以开关方式实现电能的变换或控制的电子器件。Power Electronics电力电子器件是功率半导体器件。 1）电力电子器件所能处理电功率的大小，是其最重要的 参数。其处理电功率的能力一般远大于处理信息的电 子器件。2）电力电子器件因处理电功率较大，为了减小本身的损 耗、提高效率，一般都工作在开关

10、状态。3）电力电子器件在实际应用中往往由信息电子电路来控 制。信息电子电路是电力电子器件的驱动电路。4）电力电子器件尽管工作在开关状态，但是自身的功率 损耗通常仍远大于信息电子器件，为了保证不至于因 损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器 件封装上考虑散热设计，而且在其工作时一般都还需 要设计安装散热器。2 .特征Power Electronics1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.2 电力电子器件的基本类型1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化1.1.4 电力电子器件的应用领域Power Electronics1.1.2 电力电子器件的基本类型1.按

11、照电力电子器件的可控程度半控型器件全控型器件通过控制信号可控制其导通而不能控制其关断晶闸管及其派生器件关 断主电路电流电压通过控制信号即可控制其导通又能控制其关断绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管门极可关断晶闸管自关断器件门极可关断晶闸管处理兆瓦级大功率电能Power Electronics不能用控制信号控制其通断，不需要驱动电路电力二极管不控型器件主电路通 断电流电压只有两个端子2. 按照驱动电路加在电力电子器件上驱动信号的性质电流驱动型电压驱动型控制端通 断注入电流 抽出电流电压信号公共端控制端Power Electronics3.按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况单极型器件由一

12、种载流子参与导电的器件双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件复合型器件单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件Power Electronics1.1.3 电力电子器件的模块化与集成化电力电子器件 最初是单管结构、分立器件电力电子设备 电力电子器件及其散热器、驱动、保护等电路结构松散、体积大、可靠性差、成本高电力电子器件的模块化与集成化 结构紧凑、体积小、可靠性高、成本低Power Electronics功率模块由若干功率开关器件与快速二极管组合而成单片集成式模块功率器件、驱动、保护等电路集成于一个硅片智能功率模块将具有驱动、自保护、自诊断功能的集成芯片再度与电力电子器件集成Power

13、 Electronics表1-1 电力电子器件类 型名称中文名称英文名称分立器件不可控器件电力二极管Power Diode半控型器件晶闸管(可控硅)Thyristor (SCR)全控型器件电流控制器件电力晶体管(双极型晶体管)GTR (BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管Power MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块功率模块Power Module单片集成模块System on a Chip智能功率模块IPM以上各种类型器件的特点为：Power Electronics1.1.4 电力电子器件的应用领域电

14、力电子器件 应用广泛电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域Power Electronics1.2 电力二极管结构和原理简单工作可靠现在仍大量应用于许多电气设备电力二极管（半导体整流管）20世纪50年代初获得应用应用快恢复二极管肖特基二极管斩波、逆变高频低压仪表、开关电源Power Electronics1.2.1 PN结的工作原理 电力二极管在本质上是一个PN节，只是加上电极引线、管壳封装。PN节的工作原理已经在模拟电子技术课程中涉及，不再展开讨论。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号Power ElectronicsP

15、N结的单向导电性：承受正向电压导通，承受反向电压截止PN结的正向导通状态 PN结在正向电流很大时压降仍然很低，维持在1V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻状态。PN结的反向截止状态 微弱的反向电流。Power ElectronicsPN结反向击穿施加PN结反向电压过大反向电流急剧增大破坏PN结的反向截止状态Power Electronics1.2 电力二极管1.2.1 PN结的工作原理1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型Power ElectronicsPower Electronics1.2.2 电力二极管的结构与基本特

16、性1.静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管静态特性伏安特性正向电压为零，电流为零。正向电压较小，正向电流很小，几乎为零。正向电压升高至UTO，正向电流明显增加。门槛、阈值电压正向电压大于UTO，正向电流线性增长。Power Electronics1.2.2 电力二极管的结构与基本特性1.静态特性图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管静态特性伏安特性值定一到大压电向正承受反向电压时只有微小而数值恒定的反向漏电流。正向电流IF对应的电力二极管两端的电压UF为其正向电压降。Power Electronics零偏置正向偏置反向偏置过渡过程中，其电压电流关系随时间而变化2.动态特性电力二极

17、管的动态状态反映通态和断态之间转换过程的开关特性Power Electronics电力二极管的关断在tF时刻外加电压突然反向。经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。td= t1-t0延迟时间tf= t2-t1电流下降时间trr=td+tf反向恢复时间普通： 5几十微秒快速： 几百纳秒肖特基：几十纳秒a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURttF t0 URP在关断之前有较大的反向电流，伴随明显的反向电压过冲。Power Electronics 注意：电流、电压反向问题 过冲正偏压时，正向偏压降约为1V左右；导通时，二极管看成是理想开关元件，因为它的开通时间很短；但在关

18、断时，它需要一个反向恢复时间（reverser-recovery time）。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。Power Electronics1.2 电力二极管1.2.1 PN结的工作原理1.2.2 电力二极管的结构与基本特性 1.2.3 电力二极管的主要参数 1.2.4 电力二极管的主要类型Power Electronics1.2.3 电力二极管的主要参数正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 正向平均电流按照电流的发热效应定义，使用时应按有效值相等的原则选取电力二极管的电流额定值，应留有一定的裕量。 正向压降UF 电

19、力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降。Power Electronics1.2.3 电力二极管的主要参数浪涌电流最高工作结温反向恢复时间反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。额定电压。23倍裕量。Power Electronics1.2.4 电力二极管的主要类型普通二极管(整流二极管）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中 反向恢复时间长一般在5s以上正向电流定额和反向电压定额很高，分别可达数千安和数千伏以上 Power Electronics快恢复二极管恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（ 5s以下，数百ns）的二极管，简称快速二极管 。Pow

20、er Electronics肖特基二极管导通压降只有0.30.6V ，反向恢复时间短，1040ns。缺点：漏电流很大、耐压低。Power Electronics1.3 晶闸管及其派生器件1.3.1 晶闸管的结构及工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件Power Electronics1.3.1晶闸管的结构与工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG图 1-6 晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 a)c)b)AGKGKAPower Electronics 晶闸管属于电流驱动、双极型、半控型器件，可等效为可控的单向导电开

21、关。 反向承受一定电压，处于阻断（截止）状态。 正向承受一定电压，两个稳定的工作状态：高阻抗的阻断工作状态和低阻抗的导通工作状态。 Power Electronics图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b工作原理)产生注入门极的触发电流IG的电路触发门极触发电路对晶闸管的驱动反向截止正向阻断Power Electronics晶闸管工作原理如以下方程所示Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4)a1和a2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流

22、增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由式（1-1）式（1-4）得：(1-5)Power Electronics晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。Power Electronics晶闸管的开通、关断规律：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管均不导通。承受正向电压时，仅在门极有触

23、发电流的情况下晶闸管开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。即使去除门极触发信号，仍然维持导通。自锁、掣住要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。维持电流Power Electronics1.3 晶闸管及其派生器件1.3.1 晶闸管的结构及工作原理1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数 1.3.3 晶闸管的派生器件Power Electronics1.3.2 晶闸管的基本特性及主要参数1.阳极伏安特性及静态参数IG2IG1 IG 第象限是正向特性第象限是反向特性Power Electronics IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过

24、，正向电压超过临界极限即正向转折电压UDB，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。Power Electronics 晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管反向击穿、损坏。Power Electron

25、icsPower Electronics晶闸管的静态参数UDB、URB 正向转折电压和反向击穿电压；UDSM、 UDRM 正向断态不重复峰值电压和重复峰值电压；URSM、 URRM 反向不重复峰值电压和重复峰值电压；不重复峰值电压是指不造成正向转折和反向击穿的最大电压，一般不允许多次施加。重复电压是指晶闸管在开通和关断的过渡过程中，可重复经受的最大瞬时电压。取正、反向不重复峰值电压的90%作为正、反向重复峰值电压。取正、反向重复峰值电压中的较小者作为晶闸管的额定电压。 Power Electronics晶闸管的静态参数 取晶闸管的UDRM和URRM中较小者作为额定电压。额定电压要留有一定裕量，

26、一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。正向通态电压 指晶闸管通过额定电流时阳极与阴极间的电压降，也称管压降，该参数直接反映了器件的通态损耗特性。若通过晶闸管的电流为通态平均电流，则电压降为通态平均管压降。Power Electronics额定电流、通态平均电流IT(AV) 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却条件下，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。 晶闸管的额定电流以工作波形的平均值定义。选择晶闸管时根据有效值相等的原则，在选择晶闸管定额电流时，通常需要根据电流波形，做平均值与有效值的换算。以正弦半波为例。考虑到实际散热条件、过载现象，留有1

27、.52倍的裕度。Power Electronics维持电流 IH 晶闸管维持导通所必需的最小电流。若晶闸管阳极电流小于维持电流，则晶闸管进入阻断状态。掣住电流IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持其导通所必需的最小阳极电流。对同一晶闸管来说，通常 IL 约为 IH 的24倍。IL是晶闸管的临界开通电流，若阳极电流IA未达到IL时就去掉门极信号，晶闸管将自动返回阻断状态。在感性负载电路中，由于阳极电流上升到IL需要一定的时间，若门极信号持续时间低于此值，晶闸管则不能维持住导通状态。Power Electronics2.动态特性及其参数 动态特性：晶闸管在阻断、导通这两种状态变换过程

28、中所体现的特性，包括开通特性和关断特性。开通特性：晶闸管在正向偏置并受到理想电流触发时的导通情况。关断特性：已导通的晶闸管在施加反向电压时的关断情况。Power ElectronicsPower Electronics开通过程延迟时间td 从门极电流阶跃时刻开始，阳极电流上升到额定值的10%所需时间上升时间tr阳极电流从额定值10%上到90%所需时间开通时间tgt tgt=td+tr 普通晶闸管的延迟时间为0.5us，上升时间为0.53us。其延迟时间随门极电流的增大而减小。强触发Power ElectronicsPower Electronics关断过程反向恢复时间trr 正向电流降为零到反

29、向恢复电流衰减至近于零的时间。恢复对反向电压的阻断能力。门极恢复时间tgr晶闸管完全关断至恢复阻断能力所需时间。恢复对正向电压的阻断能力。关断时间tq tq=trr+tgr普通晶闸管的时间约为几百微秒Power ElectronicsPower Electronics断态电压临界上升率du/dt 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。过大，误导通通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。过大，门极局部过热Power Electronics1.3.3 晶闸管的派生器件快速、逆倒、双向、光控晶闸管Power Electr

30、onics1.4 门极可关断晶闸管1.4.1 结构与工作原理1.4.2 动态特性 1.4.3 主要参数Power Electronics1.4 门极可关断晶闸管晶闸管由于耐压高、电流大和相对较强的过载能力，在高压大功率领域将继续广泛应用。 半控型器件，如何关断即换流？ 必须借助外部手段使其电流小于维持电流。为此必须附加强迫换流电路，使电力电子装置复杂化。为满足现场实际的需要，在晶闸管基础之上研制成功门极可关断晶闸管，GTO。 全控型器件电压、电流容量高于其它全控型器件，但驱动技术复杂、价位高，使其推广受到限制。 Power Electronics1.4 门极可关断晶闸管1.4.1 GTO的结构

31、和工作原理结构Power ElectronicsPower Electronics与晶闸管的相同点PNPN四层半导体结构阳极A、阴极K、门极G不同点多元功率集成器件 内部包含数百个小GTO元GTO元阳极共有GTO元阴极、门极在器件内部并联阴极呈岛状结构，周围被门极所包围，以减小门极和阴极之间的距离。阴极宽度越窄、门极与阴极距离越短（横向电阻小），越利于关断。 Power ElectronicsPower ElectronicsPower ElectronicsGTO导通过程与普通晶闸管相同，如何？只是导通时饱和程度较浅、临界饱和状态。工作原理导通： V1、V2饱和1+21，1+21；关断： V

32、1、V2是不饱和的，1+21临界饱和： 1+21晶闸管导通时 1+21.15GTO 导通时 1+21.05Power ElectronicsPower ElectronicsGTO关断过程：强烈正反馈门极加负脉冲即从门极抽出电流，则IB2减小，使IK和IC2减小，IC2的减小又使 IA和IC1减小，又进一步减小V2的基极电流。当IA和IK的减小使1+2UT（UT为开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电，流过漏极电流。 Power Electronics1.6.2 特性、 1.6.3 参数与MOSFET类似，不再展开讨论。Power Electronics1.7 绝缘栅双极晶体管1.7.1 结构

33、与工作原理1.7.2 特性 1.7.3 参数1.7.4 掣住效应与安全工作区Power Electronics绝缘栅双极晶体管，是一种复合型电压控制器件。1.7 绝缘栅双极晶体管IGBT显著优点：它将MOSFET 和GTR的优点集于一身，耐压高、电流大、工作频率高、通态压降低、驱动功率小、无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好 。中小功率电力电子设备的主导器件，随着其电压和电流容量的不断升高，有进一步取代GTO的趋势 。 Power Electronics1.7.1 结构和工作原理N沟道MOSFET与双极型晶体管复合而成 ；以GTR为主导元件、N沟道MOSFET为驱动元件的达林顿结构。等效电路中

34、Rdr是GTR基区内的扩展电阻。 IGBT的开通与关断由栅极电压控制。以N沟道IGBT为例，栅极施以正电压时，MOSFET内形成导电沟道，为PNP晶体管提供基极电流，IGBT导通。在栅极施以负压时，MOSFET内导电沟道消失，PNP晶体管无基极电流，IGBT关断。 Power Electronics1.7.2 特性静态特性输出特性 以栅射电压UGE为参变量，反映集电极电流IC与集电极、发射极电压UCE间关系的曲线族 Power Electronics当UGEUT时，IGBT处于放大区。集电极电流IC大小几乎不随uCE而变化，其大小取决于uGE，正常情况下不会进入击穿区。 Power Elect

35、ronics当UGEUT，集电极电流IC与uCE成线性关系，不随uGE而变化， IGBT处于饱和区，导通压降较小。UT=26V，UGE=15VPower Electronics1.7.2 特性静态特性转移特性 集电极电流IC和栅射电压UGE的关系，它表征UGE对IC的控制能力。当UGE小于开启电压时，IGBT处于关断状态；当UGE大于开启电压时，IGBT 开通，导通后，IC 与UGE 基本呈线性关系。Power Electronics1.7.2 特性动态特性 输入电压（uGE）和集电极电流（IC）、输出电压（uCE）的关系 延迟时间td 从驱动电压uGE的前沿上升至其幅值10%时刻开始，到集电

36、极电流iC上升至其幅值的10%所需时间上升时间tr集电极电流iC从其幅值10%上升至90%所需时间开通时间ton ton=td+tr 集射电压uCE的下降过程分为tfv1和tfv2两段。tfv1 MOSFET单独工作时的电压下降时间 tfv2 MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降时间只有在tfv2段结束时，IGBT才完全进入饱和状态关断延迟时间ts 从驱动电压uGE的后沿下降至其幅值90%时刻开始，到集电极电流iC下降至其幅值的90%所需时间电流下降时间tf集电极电流iC从其幅值90%下降至10%所需时间关断时间toff toff=ts+tf 集电极电流iC的下降过程分为tfi1和tf

37、i2两段。tfi1 对应MOSFET的关断过程 tfi2 对应PNP晶体管的关断过程，集电极电流iC下降较慢。集射电压uCE建立，功耗较大开通 tfv2Power Electronics1.7.3 主要参数集射极击穿电压UCES 决定器件的最高工作电压，由内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。随温度的升高而增大。最大栅射极电压 栅射极电压是由栅极氧化层的厚度和特性所限制的，为了限制故障电流、确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V之内，其最佳值一般取15V左右 。Power Electronics集电极连续电流IC 、集电极峰值电流ICM 表征电流容量，额定电流。集电极连续电流IC主

38、要受结温限制。集电极峰值电流ICM为避免掣住效应而定义。只要不超过额定结温，IGBT可以工作在峰值电流范围内，峰值电流大约是额定值的2倍。 最大集电极功率PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率 。 Power Electronics掣住效应（自锁效应） IGBT内部存在寄生晶闸管，若集电极电流过大 或duCE/dt过大 ，寄生晶闸管将开通，栅极就失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件损坏。这种电流失控现象被称为掣住效应或自锁效应。静态、动态。温度升高动态掣住效应比静态掣住效应所允许的集电极电流小。因此IGBT所允许的最大集电极电流实际上根据动态掣住效应确定。限制电流容量原

39、因之一1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区Power Electronics1.7.4 IGBT的掣住效应和安全区正向偏置安全工作区 规范开通过程、通态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定IGBT在导通工作状态的参数极限 范围。反向偏置安全工作区 规范关断过程、断态工作点最大集电极电流、最大集射极间电压和最大最大允许电压上升率确定IGBT在阻断工作状态的参数极限 范围。Power Electronics器件理想化进行电路原理分析时，出于简便目的： 关断时，电阻无穷大； 导通时，电阻为零； 忽略开通、关断时间。第2章 相控整流电路Power Electronics第2章

40、相控整流电路整流电路：出现最早、应用最广的电力电子电路。功率从电网流向负载、将交流电变换为固定或可调的直流电称为“整流”，即AC/DC变换器；反之，功率从负载流向电网、将直流电变换为交流电称为“有源逆变”，即DC/AC变换器。有源逆变电路可以看成是整流电路的另外一种工作方式，同一装置既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态。控制方式：相位控制 触发角 输出直流电压平均值Power Electronics第2章 相控整流电路整流电路的分类：按器件组成：不可控、半控、全控按电网、交流电相数：单相、三相、多相按接线方式：半波、全波Power Electronics第2章 相控整流电路整流电路形式繁杂，

41、重点掌握：电路拓扑控制策略工作原理、波形分析数量关系Power Electronics第2章 相控整流电路2.1 单相可控整流电路2.2 三相可控整流电路2.3 变压器漏感对整流电路的影响2.4 有源逆变电路2.5 电容滤波的不可控整流电路2.6 整流电路的谐波和功率因数2.6 其他可控整流电路 本章小结重点重点重点Power Electronics2.1 单相可控整流电路2.1.1 单相半波可控整流电路2.1.2 单相桥式可控整流电路 单相桥式全控整流电路 单相桥式半控整流电路2.1.3 单相全波可控整流电路Power Electronics2.1.1 单相半波可控整流电路Power Ele

42、ctronics2.1.1 单相半波可控整流电路1. 电阻负载变压器T变换电压隔离交流输入为单相，直流输出电压波形只在交流输入的正半周内出现，故称为单相半波可控整流电路。特点：电压与电流波形相同 Power Electronics2.1.1 单相半波可控整流电路工作过程 0t- Power Electronics工作过程 0t区域 t=时刻 id=0 t+区域 Power Electronics电感元件的一个重要特性：在稳态条件下，电感两端的电压平均值恒等于零。换言之，在一个周期内，电感储存的能量等于释放的能量。 Power Electronics负载阻抗角j 、触发角a 、晶闸管导通角的关系

43、若j为定值，a 越大，在u2正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，越小若a为定值，j (L) 越大，则L贮能越多，越大；且j 越大，在u2负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。Power Electronics为避免Ud太小，在整流电路的负载两端并联续流二极管Power Electronics当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为零，ud中不再出现负的

44、部分。Power Electronics续流二极管的作用：a. 提高整流平均电压Ud。当u2为正时，VD承受反向电压呈关断状态，不起作用。当u2进入负半周时VD导通，负载电流通过VD继续流通，负载上的电压箝位在零电位，ud中负电压消失，使输出平均电压Ud得以提高。b. 减轻晶闸管的负担。u2负半周时段。c. 消除失控事故。在整流电路中，电感L大而储能大时有可能使晶闸管在整个u2负半周区域都导通，使晶闸管不会关断，造成失控事故。加入续流二极管后，L中的电流通过VD形成通路，晶闸管自然关断。 Power Electronics数量关系 与电阻负载相同移相范围是0导通角是aPower Electro

45、nics晶闸管在工作中可能承受的最大正、反向电压为电源电压的峰值 Power Electronics若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有Power Electronics单相半波可控整流电路的特点简单，但输出脉动大。交流回路中含有直流分量，造成换流变压器铁芯饱和，设备利用率下降。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。 Power Electronics 2.1.2 单相桥式全控整流电路特点： VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通。 Powe

46、r Electronics 1 . 电阻负载工作过程 0t区域 t=时刻至t=时刻 VT1、VT4导通 VT2、VT3承受反压阻断 t=时刻 t E 时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。导通之后 ud=u2 ， 直至 |u2| = E，id 即降至 0 使得晶闸管关断，此后 ud = E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度 停止导电， 称为停止导电角在 a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。Power Electronics数量关系3. 反电动势负载电流断续 id 波形在一周期内有部分时间为 0 的情况电流连续 id 波形在一周期内不出现为 0 的情况 当 a 时，触发脉冲到来时，晶闸管

47、承受负电压，不能导通。为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当 t = 时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为，即 a = 若a 30负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。基本数量关系：（1） a 30时，负载电流连续，有： 当a =0时，Ud最大，为 Ud = Ud0 = 1.17U2（2） a 30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有： 当a = 150时， Ud = 0 负载电流平均值为 晶闸管电流平均值为 晶闸管电流有效值为a 30时，负载电流连续a 30时，负载电流断续晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值晶闸管阳极与阴极间的最大正向电

48、压等于变压器二次相电压的峰值。为什么？2.阻感负载特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a 30时整流电压波形与电阻负载时相同a 30时u2过零时，VT1不关断，直到VT2 的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。 id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为902.阻感负载Power Electronics数量关系由于负载电流连续，变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为Power Electronics晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值三相半波的主要

49、缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。2. 2.2 三相桥式全控整流电路Power Electronics2.2.2 三相桥式全控整流电路共阴极组 阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组 阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）导通顺序：晶闸管编号方法 VT1VT2VT3 VT4VT5VT6自然换相（三相桥式不可控整流电路）时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。Power Electronics1. 电阻负载 假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a =0 。三相桥式不可控整

50、流电路。二极管导通与关断由外加三相电压决定 共阴极组的3个二极管、晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。 共阳极组的3个二极管、晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。 任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。Power Electronicsa =0时，各晶闸管均在自然换相点换相共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态的晶闸管对应最小的相电压输出整流电压ud为这两个相电压相减输出整流电压ud波形为线电压在正半周的包络线双脉冲触发Power Electronics时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1

51、VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb晶闸管及输出整流电压的情况如表所示6个晶闸管导通顺序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6Power Electronics当a 60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，连续 Power ElectronicsPower Electronics三相桥式全控整流电路的特点（1）2个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组 各1个，且不能为同1相器件

52、（2）对触发脉冲的要求： 按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。 共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。 共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下两个桥臂， 即VT1与VT4，VT3与VT6， VT5与VT2，脉冲相差180。Power Electronics（3）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲宽脉冲触发双脉冲触发（常用）可采用两种方法（4）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样， 故该电路为6脉波整流电路。Power Electronics（5）当0/3时，电流连续，每个晶闸管导通2/3；当/32/3时，电流断续，每个晶

53、闸管导通小于2/3。=/3是电阻性负载电流连续和断续的分界点。（6）同三相半波可控整流电路相比，变压器二次侧流过正、负对称的交变电流，不含直流分量，避免直流磁化。 Power Electronics2阻感负载Power ElectronicsPower Electronics当a 60时，ud波形均连续，电路的工作情况与电阻负载相似 各晶闸管的通断情况 输出整流电压ud波形 晶闸管承受的电压波形区别:负载不同时，同样的整流输出电压加在负载上，得到的负载电流id波形不同，电阻负载时id波形与的ud波形形状一样。阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流id

54、的波形可近似为一条水平线。 一样Power ElectronicsPower Electronicsa 60时， 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。 带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a 60时）的平均值为：以线电压uab过零点作为时间起点。3定量分析带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ： Id=Ud /R 当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为

55、： 晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。 三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时，在负载电感足够大足以使负载电流连续的情况下，电路工作情况与阻感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同，仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：Power Electronics2.3 变压器漏感对整流电路的影响考虑包括变压器漏感在内的交流侧电感的影响，换相过程不能瞬间完成。以三相半波为例，然后将其结论推广。Power ElectronicsVT1换相至VT2的过程： 因a、b两相均有漏感， ia、ib均不能突变。 VT1和VT2同时导通。 相当于将a、b两相短路，两相间电压差为ub u

56、a在两相组成的回路中产生环流ik。 ik=ib逐渐增大， ia=Id-ik逐渐减小。当ik增大到等于Id时，ia=0，VT1关断，换流过程结束。 Power Electronics换相压降 换相导致ud均值降低多少，用Ud 表示换相重叠角 换相过程持续的时间，用电角度g 表示。整流输出电压瞬时值为Power Electronics换重叠角g 的计算，由上式得进而得出Power Electronics当 时，ik = Id , 于是 g 随其它参数变化的规律： 1）Id越大则g 越大；2）XB越大g 越大；3）当a 90时， 越小则g 越大。各种整流电路换相压降和换相重叠角的计算注：单相全控桥电

57、路中，环流ik是从-Id变为Id。本表所列通用公式不适用； 三相桥等效为相电压等于3U2 的6脉波整流电路，故其m=6，相电压按3U2 代入。cos a-cos(a+ g)电路形式单相全波单相全控桥三相半波三相全控桥m脉波整流电路 dUDdBIXpdB2IXp2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22BddB23IXpdB3IXpdB2ImXp变压器漏感对各种整流电路的影响Power Electronics变压器漏感对整流电路影响的一些结论: 1) 出现换相重叠角g ，整流输出电压平均值Ud降低。2) 整流电路的工作状态增多。3) 晶闸管的di/dt 减

58、小，有利于晶闸管的安全开通。 有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。4) 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。5) 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。2.4 有源逆变电路2.4.1 有源逆变产生的条件2.4.2 三相桥式有源逆变电路2.4.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变将直流电转变成交流电，整流的逆过程逆变电路将直流电逆变成交流电的电路。有源逆变电路交流侧和电网联接。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。无源逆变电路交流侧不与电网联接，而直接接到负载。基本概念对于可控整流电路，满足一定条件就

59、可以工作于有源逆变状态，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路、变流器。基本概念变流器工作于整流状态能量由交流侧传递至直流侧 工作于有源逆变状态能量由直流侧传递至交流侧对于可控整流电路，有源逆变可以看作它的一种工作状态。在什么条件下可控整流电路将进入有源逆变工作状态？有源逆变产生的条件2.4.1 有源逆变产生的条件直流发电机电动机系统电能的流转2.4.1 有源逆变产生的条件直流发电机电动机系统电能的流转直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路电路过程分析。两个电动势同极性

60、相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。如果将 EG看作是整流电路的输出电压 Ud，EM是蓄电池或处于发电运行状态的直流电动机电势，则EG（Ud）EM相当于整流状态，EMEG（Ud）相当于逆变状态。但晶闸管具有单向导电性，电流方向不能改变，欲改变能量传送方向，只能改变EM极性，为防止两电源反极性连接形成电源间短路故障，Ud的极性也必须同时反向，即将Ud、EG均反向后再串接，且满足Ud/2，Ud0 ，使Ud为负值。2.4.2三相桥式有源逆变电路2.4.2三相桥式有源逆变电路逆变和整流的区别：控制角 不同 0 p /2 时，电路工作在整流状态。 p /2