现代电力电子技术第1章(Introduction 4h)

现代电力电子技术张华强哈尔滨工业大学（威海）Tel(office(home)E-mail:zhq0027@126.com参考文献☆陈坚、康勇，《电力电子学-电力电子变换和控制技术》

第三版，高等教育出版社，2011.6.1☆张淼，冯垛生.《现代电力电子技术与应用》

中国电力出版社，2011.2☆李宏，王崇武．

《现代电力电子技术基础》

机械工业出版社，2010.2☆杨士彦、王明彦等.《现代电力电子技术》教案

哈尔滨工业大学，2006.3主要内容

DC-DC（AC）变换器

AC-DC（AC）变换器

PWM整流与逆变技术缓冲电路与谐振变换器零转换器与软开关技术风力发电报告第1章绪论§1.1电力电子器件发展历程

传统电力电子器件介绍

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发展过程现代电力电子技术研究内容第1章绪论电子技术模拟电子技术数字电子技术信息电子技术信息处理技术电力电子技术电能变换技术电力器件制造技术变流电路控制技术变换电路拓扑结构AC-DC，DC-ACDC-DC，AC-AC相位控制周波控制调制控制不控型器件半控型器件全控型器件§1.1电力电子器件发展历程20世纪初电子管20世纪90年代IGBT20世纪70年代GTO，GTR，MOS20世纪50年代SCR现代电力电子技术逆变技术发展电力电子技术诞生整流技术发展电子技术诞生21世纪广泛应用时代可控性

不可控器件,半控型器件,全控型器件控制端口信号性质

电流驱动型,电压驱动型内部导电载流子

单极型,双极型,混合型1传统电力电子器件介绍1.功率整流管又称为电力二极管,属于不可控器件。AK图1.外形结构图2.外形结构与符号1.1传统电力电子器件介绍---功率整流管2.静态特性与动态特性图4.动态特性（关断）动态特性（开通）图3.静态特性1.1传统电力电子器件介绍---功率整流管反向重复峰值电压URRM重复施加反向峰值电压，通常是其雪崩击穿电压的2/3。3.主要参数正向平均电流IF(AV)在指定壳温和散热条件下长期运行时，允许流过最大工频正弦半波电流平均值，这也是标称额定电流参数。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。1.1传统电力电子器件介绍---功率整流管最高工作结温TJM指管芯PN结在不损坏前提下承受最高平均温度，通常在125-175℃范围内。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。浪涌（Surge）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。1.1传统电力电子器件介绍---功率整流管肖特基二极管反向恢复时间很短（10-40nS），开关损耗和正向导通损耗比快速二极管小,用于200V以下场合。4.主要类型普通二极管又称整流二极管，用于开关频率不高（1kHz以下）整流电路中。反向恢复时间较长，在5S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。快恢复二极管简称快速二极管，反向恢复过程很短,在5S以下.快恢复外延二极管反向恢复时间更短（低于50nS），正向压降低（0.9V左右），反向耐压400V以下。1.1传统电力电子器件介绍---功率整流管1.外型与电路符号图5.外型与电路符号1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管2.伏安特性图6.静态伏安特性图7.动态伏安特性(开关过程)1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管3.主要参数断态重复峰值电压；反向重复峰值电压；通态(峰值)电压；通态峰值电流；维持电流；擎住电流；浪涌电流；开通时间；关断时间；断态电压临界上升率；通态电流临界上升率。1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管4.主要派生器件

(1)快速晶闸管FST

包括快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用于400Hz和10kHZ以上斩波或逆变电路；开关时间及du/dt和di/dt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10微秒）；与普通晶闸管相比，高频晶闸管电压和电流定额不高；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。1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管(2)双向晶闸管TRIAC一对反并联联接的普通晶闸管的集成；主电极的正反两方向均可触发导通。图8.双向晶闸管符号和伏安特性1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管(3)逆导晶闸管RCT

同一管芯：晶闸管反并联一个二极管；没有承受反向电压能力，用于不需要阻断反向电压电路；正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高；额定电流有两个：晶闸管电流和反并联的二极管的电流。图9.逆导晶闸管符号和伏安特性1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管(4)光控晶闸管LTT

利用一定波长的光照信号触发导通；光缆装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器；保证主控电路的绝缘，避免电磁干扰影响；高压大功率场合，如HVDC输电和HV核聚变装置占重要地位。图10.光控晶闸管符号和伏安特性1.1传统电力电子器件介绍---普通晶闸管图11.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1.GTR基本结构和特性三层半导体材料,两个PN结；PNP和NPN型，常用NPN型；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。图12.GTR结构和符号1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR2．达林顿GTR电流增益低给驱动电路造成负担，达林顿结构是提高电流增益的有效方式；达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型或NPN型，其性质由驱动管决定；达林顿GTR电流增益可为几十至几千倍；图13.达林顿GTR符号1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR达林顿GTR开关速度慢，因为无论是开通或关断，总是先要驱动管动作，而后输出管才动作，开关时间长；为加快V2管开关速度，必须使V2与V1同时动作。加入二极管VD1，当输入信号反向关断晶体管时，输入反向驱动信号经VD1加到V2基极，VD1提供反向IB2通路，加速V2关断过程。1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR达林顿连接提高了电流增益，增加了饱和压降；3.GTR模块将GTR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。大大提高器件集成度，使其小型轻量，性价比大大提高。目前GTR模块可将多达6个互相绝缘单元电路做在同一模块内，可很方便地组成三相桥。图14.GTR模块等效电路1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR4.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4个区域：阻断区、线性区、准饱和区和饱和区。图15.GTR静态特性1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR阻断区又称截止区，类似开关处于断态，该区基极电流为零，GTR承受高压而仅有极小漏电流存在。发射结和集电结处于反偏状态。图16.GTR静态特性阻断区1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR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为正偏状态，应当尽量避免工作于线性区，否则功耗很大。图17.GTR静态特性线性区1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR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调制效应，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，仍保持集电结反偏、发射结正偏。图18.GTR静态特性准饱和区1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR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。GTR发射结和集电结处于正偏状态。图19.GTR静态特性饱和区1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR2.GTR动态特性与参数GTR常工作于开关状态，用导通、截止、开通、关断表示。导通和截止表示GTR接通和断开两种稳定工作状态，开通和关断表示GTR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---功率晶体管GTRPN结承受正偏时表现为两个电容：势垒电容和扩散电容；PN结承受反偏时只表现为势垒电容；稳态时，这些电容对GTR特性无影响；瞬态时，因电容充放电作用影响GTR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---功率晶体管GTR工作过程分为开通过程，导通状态，关断过程和阻断状态4个阶段。在开通与关断状态转换过程中，GTR工作点尽量避开或尽快通过其伏安特性线性工作区，以减小功耗。开通时间ton对应GTR由截止到饱和的开通过程，关断时间toff对应GTR由饱和到截止的关断过程。图20.GTR开通关断过程1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR

开通时间ton，包括延迟时间td和上升时间tr。

关断时间toff，包括存储时间ts和下降时间tf。1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR

延迟时间td：从输入基极电流正跳变瞬时开始，到集电极电流上升到最大（稳态）值10％所需时间叫延迟时间，它相应于基极电流向发射结电容充电过程，延迟时间的大小取决于发射结势垒电容的大小、初始正向驱动电流和上升率以及跳变前反向偏置电压大小。图21.GTR开通关断过程1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR上升时间tr：

集电极电流由稳态值的10％上升到90％所需的时间叫做上升时间，它与过驱动系数及稳态电流值有关，过驱动系数越大，上升时间越短；稳态值越小，上升时间越短。图22.GTR开通关断过程1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR

存储时间tS：从撤消正向驱动信号到集电极电流下降到最大（稳态）值90％所需时间为存储时间，它随过驱动系数增加而增加，随反向驱动电流增加而减小。存贮时间对应过剩载流子从体内抽走过程，想降低tS应使GTR工作于准饱和区。图23.GTR开通关断过程1.2现代电力电子器件介绍---功率晶体管GTR下降时间tf：集电极电流由其最大值90％下降到10％所需的时间称为下降时间，它主要取决于结电容和正向集电极电流。一般开通时间为纳秒级，比关断时间小得多，手册一般不给出该参数。关断时间数值都在微秒数量级。为缩短关断时间可采取以下措施：选择电流增益小的器件，防止深饱和，增加反向驱动电流。图24.GTR开通关断过程1.2现代电力电子器件介绍---功率场效应晶体管GTR1.MOSFET内部结构与电路符号

D:漏极；S:源极；G:栅极图25.MOSFET内部结构与电路符号1.2现代电力电子器件介绍---功率场效应晶体管MOSFET2.开关过程图26.MOSFET开关过程1.2现代电力电子器件介绍---功率场效应晶体管MOSFET1.结构四层结构：PNPN；三端器件：A-阳极，G-门极，K-阴极；多元集成：多个共阳极的GTO元。图27.GTO内部结构与电路符号1.2现代电力电子器件介绍---可关断晶闸管GTO2.GTO开通原理正向阳极电压+正向门极电压-- IG↑→IC2↑→IA↑→IC1↑

↑_____________↓图28.GTO开通原理1.2现代电力电子器件介绍---可关断晶闸管GTO3.GTO关断原理GTO导通时，电流增益1远小于2，两者之和稍大于1，T1集电极电流占总阳极电流比例很小。设法抽走该电流，即可关断GTO；门极负偏压使T2基极电流减小，集电极电流随之减小，引起T1集电极电流下降，导致T2基极电流进一步下降，如此循环，使GTO关断。图29a)GTO关断电路及电流波形1.2现代电力电子器件介绍---可关断晶闸管GTO4.缓冲电路结构图29b)GTO斩波器1.2现代电力电子器件介绍---可关断晶闸管GTO5.理想的门极控制信号波形图30.GTO门极控制信号及推荐波形1.2现代电力电子器件介绍---可关断晶闸管GTO1.工作原理结构:以GTR为主导元件,MOSFET为驱动元件达林顿结构；N沟道与P沟道；G-门极,C--集电极,E--发射极。图31.IGBT内部结构和符号1.2现代电力电子器件介绍---绝缘栅双极晶体管IGBT门极电压控制IGBT的开通和关断；门极施以正电压,MOSFET内形成沟道,并为PNP晶体管提供基极电流,使IGBT导通；门极施以负电压,MOSFET内沟道消失,PNP晶体管基极电流被切断,IGBT即为关断。1.2现代电力电子器件介绍---绝缘栅双极晶体管IGBT图32.IGBT封装结构和电路原理图1.2现代电力电子器件介绍---绝缘栅双极晶体管IGBT2.驱动条件图33.IGBT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---绝缘栅双极晶体管IGBT3.应用举例图34.IGBT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---绝缘栅双极晶体管IGBT4.驱动波形图35.IGBT驱动波形1.2现代电力电子器件介绍---绝缘栅双极晶体管IGBT现代电力电子变换技术相控整流技术交交变频技术斩波技术逆变技术同步整流技术多电平，SVPWM技术PWM整流技术矩阵变换技术§1.2现代电力电子技术基础电力电子技术---利用电力电子器件对电能进行(二次)控制与转换的技术。◆技术内容：器件、变换电路控制策略。◆技术定位：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。◆技术目的：节能，降低损耗，提高生产效率。现代电力电子技术发展过程---内容、目的、定位2.1半导体固态电子学:

1947年晶体管诞生；1956年晶闸管问世。①微电子技术----信息处理特点：集成规模、功能②电力电子技术---电能控制与转换特点：器件，功率、性能提高两个方向器件是改朝换代的领袖，是电路拓扑结构发展的基础。现代电力电子技术发展过程---两个方向2.1两个阶段①传统阶段（57~80）：SCR家族，应用电路相当成熟。

快速KK、逆导RCT、双向TRIAC、不对称ASCR等。

②现代阶段（80~）：全控家族，电路拓扑结构发展迅速。

可关断晶闸管GTO、功率晶体管GTR(BJT)

功率场效应管MOSFET、绝缘栅极晶体管IGBT(IGCT)

静电感应晶体管SIT、静电感应晶闸管SITH

场控晶闸管MCT等。全控器件→电路拓扑结构发展→30kHz现代电力电子技术发展过程---两个阶段2.1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：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---电子器件发展方向2.1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；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。现代电力电子技术发展过程---电子电路发展方向2.1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；控制技术的发展方向：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---控制技术发展方向2.1相关课程1、电力电子器件的建模与仿真2、谐振变换技术3、开关电源的原理与设计课程特点1、强调基础2、注重实践应用领域1、开关型电力电子变换电源2、开关型电力电子补偿控制器现代电力电子技术发展过程---课程特点2.11、线性晶体管串联式稳压电源☆电压调节范围小☆损耗大、效率低☆工频变压器大★有电磁隔离图37.线性晶体管串联式稳压电源现代电力电子技术研究内容---应用实例2.22、斩波式稳压电源（无滤波）★无变压器★电压调节范围大★损耗小、效率高☆无电磁隔离☆输出脉动大、电压尖峰图38.斩波式稳压电源（无滤波）现代电力电子技术研究内容---应用实例2.23、斩波式稳压电源（LC滤波）★无变压器★电压调节范围大★损耗小、效率高☆无电磁隔离☆输出脉动小图39.斩波式稳压电源（LC滤波）现代电力电子技术研究内容---应用实例2.24、半桥斩波式稳压电源（高频隔离）电力电子技术：分解→重新整合U≈4.44fsNBmS图40.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---应用实例2.25、工业加热电源利用涡流热效应进行加热--感应加热；IGBT逆变器可在几十kHZ频段,特别适用于中频感应加热；高频斩波使滤波器尺寸小；准谐振工作状态。图41.并联谐振电源主电路现代电力电子技术研究内容---应用实例2.26、逆变弧焊电源IGBT逆变器工作频率为30kHZ电弧燃烧时,采用恒流控制IC:电流门限电压检测过流保护图42.IGBT逆变弧焊电源现代电力电子技术研究内容---应用实例2.27、不间断电源逆变器交流侧滤波由变压器漏感和交流电容组成；采用测量参数控制滤波器输出电压和输出电流。图43.IGBT不间断电源现代电力电子技术研究内容---应用实例2.2现代电力电子技术应用领域家用电器电气传动特种电源交通运输电力系统感应加热风力发电现代电力电子技术研究内容---应用领域2.2调速系统风机、水泵、机床、轧机、机车