电力电子演示文稿第一章简版

电力电子技术

教师：非版权，仅供学习电话：请学习的人不要打扰老师概述一、什么是电力电子技术《电力电子技术》是利用电力电子元件，对电能进行转换的技术。电能转换：通过整流、逆变、斩波、变频等手段，得到各种不同的电源。也可以说，该课程研究的是电源技术。电力电子器件是指大功率电子器件。如：晶闸管、绝缘栅双极晶体管等；所以，该课程是弱电控制强电的桥梁。应用广泛。二、电力电子技术的发展史

1956年第一只晶闸管元件诞生于美国的贝尔实验室；1957年美国通用电气公司制成商品元件；1958年美国通用电气公司制成工业用元件；1962年我国首次制造成第一支晶闸管元件。

随着电力电子器件的诞生，新型的电力电子技术开始迅速发展，并广泛应用到生产生活的各个领域。

电力电子器件分类半控型元件：其控制极只能控制其导通而不能控制其关断的元件；以晶闸管为代表。全控型元件：其控制极既可以控制其导通又可以控制其关断的元件；以可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（MOSFET）为代表。复合型元件：由两种以上器件复合而成的新器件；例如：由MOSFET和BJT组合而成的绝缘栅双极晶体管（IGBT）集MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点于一身，性能十分优越，三、电力电子技术的应用

1、一般工业中直流电机调速：直流电动机以其良好的调速性能广泛用于各种调速场合，其大功率的可调直流电源就是由晶闸管整流电路提供的。交流电机调速：交流电机以其成本低，可靠性高等特点被工业中大量使用，如各种轧钢机，造纸机，数控机床及矿山牵引等，交流电动机控制一般采用变频装置进行调速。交流电动机的调速性能发展迅速，现在已可以与直流电动机相媲美，使交流调速技术越来越占据主导地位。电化学工业如：电解铝、电解食盐水、电镀装置都需要大容量整流电源。冶金工业中还大量使用高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等。

2、交通运输中电气机车中的直流机车采用整流装置，交流机车采用变频装置，在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。电动汽车的电机靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，高级轿车中需要许多控制电机，它们都需要变频器和斩波器驱动并控制。飞机、轮船的控制也都离不开电力电子技术。

3、电力工业中在长距离、大容量输电时直流输电有很大的优势，其送电端的整流和受电端的逆变都是晶闸管变流装置；

4、其它程控交换机、计算机及各种电子装置中使用的直流电源或不停电电源都是电力电子装置提供的。照明设备中使用电力电子的照明电源体积小、发光效率高，可节省大量能源，被称为“节能灯”。家用电器中的变频空调也是典型例证。

总之，从人类对宇宙大自然的探索，到国民经济的各个领域，再到我们的衣食住行，到处都离不开电力电子技术。由于其巨大的应用前景，激励了许多学者和工程技术人员学习和研究电力电子技术，才使其得以迅猛发展。现在自动化专业的研究生入学考试也要加试《电力电子技术》课程。四、本课程的性质和特点本课程和《电子技术基础》课程有相似之处，都是学习器件的课程，不同的是《电子技术基础》课程学习的是晶体二极管和晶体三极管及由其组成的各种典型电路；而本课程学习的是晶闸管器件和由其组成的各种典型电路。本课程是从事电类的工程技术人员的必修课；是后续《直流控制系统》《交流控制系统》等专业课程的重要基础，是我们自动化专业重要的技术基础课。

1、熟悉和掌握元件特性；2、熟练掌握各种电路的工作原理，波形特点及计算方法；特别是整流电路和有源逆变电路3、本课程的特点是利用各种波形进行原理分析，因此，学习中应理解并熟练掌握波形的特点及画法。

第一章电力电子器件本章将学习各种电力电子器件，学习的器件有：电力二极管、晶闸管、典型全控型器件及新型电力电子器件。主要应掌握各种器件的概念、工作原理、特性以及其主要参数。1．1电力二极管

电力二极管和以前学过的二极管相似，主要区别是功率大。大量应用于电气（大功率）设备中。一、

工作原理外型：分为螺栓型和平板型两种。见p11

其工作原理同二极管内部结构及工作原理：电导调制效应当二极管不导通时，二极管的电阻阻值较高，当PN结上流过较大的正向电流时，注入并积累在N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增大，使其电阻明显下降，这就是“电导调制效应”。

二、基本特性1、静态特性：同二极管相似。

2、动态特性：P13图a中If和UF，该图为由导通

转换为截止时的动态过程。当正向导通的管子外加电压突然变为反向时，该管子不能立即关断，需经过一段时间才能获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴有明显的反向电压出现。这是因为导通时正向电流较大，在PN结两侧储存的大量少子需要被清除掉的缘故。三、主要参数

1、正向平均电流IF（AV）：参见后面晶闸管参数。2、正向压降UF：流过某一稳态正向电流时对应的正向压降。3、反向重复峰值电压URRM：通常是雪崩击穿电压的2/3。四、主要类型

1、普通二极管：又称整流二极管2、快恢复二极管：恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短。（一般在5μs以下）3、肖极特二极管：反向恢复时间更短（10—40ns），

1.2晶闸管的结构及其工作原理一、晶闸管的结构

1、外部结构见P16图1－6外部结构分为：螺栓式：安装方便，散热性差，100A以下平板式：安装不便，散热性好，200A以上

2、内部结构它是四层三端元件，四层为P1、N1、P2、N2（见图）；三端为阳极A、阴极K、门极G（控制极）。在电路中的符号：二、工作原理：1、晶闸管导通关断条件：以晶闸管和灯泡串联电路分析：

导通条件：

（1）主回路加正向偏置电压；

（2）控制回路加正向偏置电压（门极为正、阴极为负）。

两者缺一不可。

该特点和三极管类似，门极信号相当于三极管的基极信号。

关断条件：

主回路电流小于维持电流IH（或等于零）

管子一旦导通，控制极就失去了控制作用，欲关断晶闸管只能靠减小主回路电压使主回路电流减小，当主回路电流小于维持电流IH时管子关断。由此可见：晶闸管的控制极只能控制管子导通而不能控制管子关断。这是晶闸管和三极管的主要区别。2、从物理结构分析其内在原因：

当加Ig时BG1导通，Ic1＝α1Ib1

Ib2＝Ic1＝α1Ib1，使BG2导通，则

Ic2＝α2Ib2

＝α1α2Ib1

Ic2和

Ig同时加在BG1的基极，使BG1饱和导通，BG2也饱和导通，使两管瞬时饱和导通。导通后，两管形成正反馈，即使去掉Ig，管子也不会关断。三、晶闸管的特性

本节主要研究晶闸管的两条特性，即：静态特性、动态特性。

1、静态特性静态特性由正向特性和反向特性两部分组成；

第1象限为正向特性，分为阻断状态和导通状态两段，只加正向偏置uA，不加门极信号Ig

时为阻断状态；加Ig后，进入导通状态。

第Ⅲ象限为反向特性为加反向电压时的特性，反向特性和二极管完全相同。2、动态特性

*开通过程：晶闸管开通时外电路的电感存在，再加上正反馈需要时间，晶闸管的开通过程不可能是瞬时的。从门极加上阶跃信号开始到阳极电流上升到稳态值的10%，这段时间称为延迟时间td；阳极电流从10%到90%所需的时间称为上升时间tr；两者之和即为开通时间tgt：

tgt=td+tr

开通时间与外电路电感有关，也与阳极电压的大小有关。

*关断过程同理，由于外电感的存在，晶闸管的关断过程也需要一定的时间。和二极管的关断过程类似，当外加反向电压后，阳极电流将逐步衰减到零，在反方向会流过反向恢复电流并形成反向电压。

反向阻断恢复时间trr：反向电流对应的一段时间p18图；

正向阻断恢复时间tgr：由于载流子复合过程比较慢，反向恢复过程结束后，晶闸管要恢复其正向阻断能力还需要一段时间；晶闸管的关断时间tq定义为trr与tgr之和：

tq=trr+tgr四、晶闸管的主要参数

因晶闸管是大功率元件，过载性能较差。因此，定量地掌握其参数对保证电路的可靠工作是非常重要的。晶闸管的主要参数分为：电压参数、电流参数、动态参数。

电压参数1、正向重复峰值电压Udrm

（阻断态）定义：门极断开，在保证元件结温小于额定结温前提下，所允许重复施加的最大正向峰值电压。正向不重复峰值电压Udsm

不允许重复加在元件上的正向电压的峰值。

两者关系Udrm＝90％Udsm2、反向重复峰值电压Urrm定义：与上述类似，指反向电压时。反向不重复峰值电压

U

rsm

两者关系Urrm＝90％U

rsm3、额定电压：Ue

取两个重复电压Udrm和Urrm中的较小者定义为额定电压。即对额定电压为Ue的管子，用于交流电路时，其正反向电压都要加到Ue

实际选择晶闸管时，应取：

Ue＝（2－3）U峰

其中：U峰为电路中的峰值电压。电流参数

1、通态平均电流IT（AV）

――额定电流

定义：在环境温度为40度和规定的冷却条件下，元件通以正弦半波的电流且导通180度时，其电流在一周期内平均值。

晶闸管额定电流是以平均电流定义的，而决定管子耐受电流（发热）程度的主要是电流的有效值；一般来说，有效值和平均值是不成正比的，就是说不能直接由平均值来选择管子，应换算为有效值来选择管子，该换算过程也称为折算。要进行折算先要知道有效电流和平均电流的关系，即有效电流和额定电流的关系。

定义波形系数Kf＝有效电流/平均电流，表示两者关系。根据额定电流定义，若电流峰值为Im

，电流平均值为：有效电流应为：则：Kf意义为在定义的波形下，电流有效值和平均值（额定值）的比例关系为1.57，Kf是和波形有关的参数，当波形改变时，其值也会改变。

由此关系可得：额定电流为IT(AV)

的管子允许流过的有效电流I为:

选取晶闸管时，应严格控制晶闸管中的有效电流小于I,应使I和管子中实际流过的有效电流相等。

实际电路中若管子中流过的有效电流为IT，选择管子应按照下式折算:

其中（1.5－2）倍为安全余量。例：采用晶闸管作为单向导电开关的交流电路(如图)，已知电路中平均电流为Id＝50A，晶闸管导通了90度，电流波形如图，试问应选用多大的晶闸管元件。

解：虽然电路中平均电流为50安，但不能选择50安的管子。而应按上述公式进行折算。先求出电路中的有效电流。已知电路的平均电流为50A，它对应的有效电流应为Kf×50；

90度电路的波形系数为：电路中的有效电流为：

IT=Kf＊Id＝2.22＊50按前面的折算公式，晶闸管的额定电流应为：实选130A当实际电流波形和定义中电流波形不同时，一定要进行上述折算。否则，可能烧坏管子。

2、维持电流IH

：维持晶闸管导通所需的最小电流3、擎柱电流IL：管子从断态转到通态的瞬间，去掉门极触发信号后维持管子继续导通的最小电流。（2－4）IH4、浪涌电流：由于异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性的最大过载电流，应限制其出现次数。动态参数1、断态电压临界上升率du/dt：不导致元件由断态转到通态的最大主电压上升率正向电压的du/dt过大时，在管子的PN结J2处就会有足够的充电电流流过（PN结相当于电容），对J3此电流作用和ig相同，故使管子误导通。

iC＝Cdu/dt2、通态电流临界上升率di/dt：在通常情况下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。门级流入电流时，开始晶闸管只在门极附近的小区域内导通，然后导通区逐渐扩大至全部结面，如di/dt太大，则刚一导通时很大的电流集中在门极附近区域内，使局部过热损坏管子。

五、晶闸管的派生器件

晶闸管的派生器件包括：快速晶闸管、双向晶体管、逆导晶闸管、光控晶闸管。1、快速晶闸管：为工作在更高频率而设计的晶闸管。从关断时间来看，普通晶闸管一般为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒。而高频晶闸管仅为10微秒2、双向晶闸管

可用来代替两个反并联的晶闸管，由于是双向元件主电路无阴阳极之分。都可接正也可接负。而且，正反向都可由＋、－两种脉冲触发导通，所以触发电路设计相对比较灵活。其特性是在Ⅰ、Ⅲ象限，均为普通晶闸管导通特性。双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比比较经济，所以，广泛用于交流调压电路、固态继电器和交流调速等领域，使电路更为简化。。由于常用于交流电路中，故用有效值表示其额定电流。

3、逆导晶闸管正向同晶闸管，反向同整流管，相当于晶闸管和整流管反并联，表示符号如下图，用于逆变、斩波等电路中。其结构与等效电路如图：特点：正向压降小，关断时间短，高温特性好，元件数目减少，装置体积小。额定电流为：晶闸管电流/整流管电流

例：300/5004、光控晶闸管

利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，多用于需要进行电隔离的电路中。光控晶闸管目前在高压大功率的场合占据重要的地位。

1．3典型全控型器件既可以控制其导通又可以控制其关断的器件称为全控型器件。例如：门极可关断晶闸管、电力晶体管、绝缘栅双极晶体管是其典型代表。

1．3．1门极可关断晶闸管（GTO）

门极加负脉冲可使其关断。优点是容量较大，因而在兆瓦级以上的大功率场合应用。

1、GTO结构及工作原理

GTO结构和普通晶闸管相似，也是四层三端元件；不同的是，其内部分为数十个小GTO单元，这些小GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起。这种特殊结构是为了便于实现门极关断而设计的。

GTO的多元结构除对关断有利外，使开通过程更快，承受的di/dt能力更强。

2、GTO的主要参数：

这里只介绍和晶闸管不同的参数。最大阳极可关断电流IATO

：这是GTO的额定电流参数电流关断增益βoff：最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM

之比称为电流关断增益。

βoff=IATO/IGMΒoff一般很小，只有5左右，这是GTO的主要缺点。需要指出的是，不少GTO都制成逆导型，不能承受反向电压。当需要承受反向电压时，应串二极管。

1．3．2电力晶体管GTR（BJT）

电力晶体管译为英文是巨型晶体管，是一种耐高压，耐大电流的双结型晶体管。它主要是在中、小功率范围取代晶闸管，目前，又被绝缘栅极晶体管和电力场效应管取代。其结构及工作原理与普通的晶体管类似，不再详述。主要特性是耐高压，大电流，开关特性好。

1．3．3电力场效应晶体管MOSFET电子学中场效应管分为结型和绝缘栅型，电力场效应管也分为两种，使用较多的是绝缘栅型场效应管，简称MOSFET。场效应管外端有源极、漏极和栅极。它是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的特点一是驱动电路简单，驱动功率小；二是开关速度快，工作频率高。但是，其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10KW的装置上。

导电原理和小功率MOS管类似，只是小功率MOS管的导电沟道是平行于芯片表面，为横向导电器件。而MOSFET采用垂直导电结构，所以又称为VMOSFET，这样极大的提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

P26图1-19给出了N沟道管和P沟道管的电器符号图。

1、电力MOSFET的结构和工作原理工作原理：漏源极（D,S）接为正偏栅极无电压时，漏源极之间无电流流过。栅极和源极之间加上正偏电压UGS，由于栅极是绝缘的，所以没有栅极电流流过。但栅极的正电压却会将其下面P区中的空穴推开，而将N区中的电子吸引到栅极下面的P区表面。形成反型层。使PN结消失，漏极和源极导电。电力MOSFET管分为耗尽型和增强型实际使用时主要是

N沟道增强型。

2、MOSFET管的基本特性静态特性：漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为转移特性。输入阻抗极高，输入电流非常小。见图1-20其漏极伏安特性称为输出特性。分为截止区、放大区和饱和区。饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加。电力MOSFET工作在开关状态，在截止区和饱和区之间转换。（书上错）工作频率可达100KHZ以上，是电力电子器件中最高的。MOSFET的开关时间在10—100ns之间，这是由于MOSFET只靠多子导电不存在少子储存效应；MOSFET的开关速度和输入电容的充放电有很大关系，使用者无法降低MOSFET管内部电容，但可以降低栅极驱动电路的内阻RS，加快开关速度。电力MOSFET是场控器件，静态时几乎不需要输入电流，但是在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，需要的驱动功率越大。

3、电力MOSFET的主要参数

开启电压UT：使管子导通的栅极电压。大于UT时，形成N型反型层。漏极电压UDS：是电力MOSFET的额定电压。跨导Gfs：转移特性的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs

即：Gfs=dID

/dUGS漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM：这是电力MOSFET的电流定额。栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，|UGS|>20V将导致绝缘层击穿。实际使用时应注意留有一定的裕量。

1．3．4绝缘栅双极晶体管IGBT

GTO和GTR是电流驱动器件，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而MOSFET是电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小，驱动电路简单。但功率较小。将上述两类器件相互取长补短结合而成的复合器件即为绝缘栅双极晶体管，简称为IGBT。它综合了两种器件的优点，因而具有良好的性能。成为中小功率电力电子设备的主导器件。若能继续提高电压和电流容量，还可取代GTO的地位。

1、

IGBT的结构及工作原理IGBT也是三端器件，具有栅极，集电极和发射极，如P29图1-22可以看出它是由双极型晶体管和MOSFET组合成的达林顿结构。相当于由一个MOSFET驱动的PNP晶体管。图中RN为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。开通：当UGE大于开启电压时，使IGBT导通。由于电导调制效应，使得电阻RN减小，这样IGBT的通态压降很小。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

上述PNP晶体管与N沟道

MOSFET组合而成的IGBT称为N-IGBT，实际当中使用较多。2、IGBT的基本特性静态特性图1-23a所示为IGBT的转移特性，它描述的是栅极电压UGE和电流IC之间的关系.图1-23b所示为IGBT的输出特性，也称伏安特性，此特性与GTR的输出特性相似。也分为三个区域，正向阻断区，有源区和饱和区。在电力电子电路中IGBT是工作在开关状态。动态特性与电力MOSFET的动态过程相似。但IGBT中双极型PNP的存在，虽然带来了电导调制的好处，但也引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力MOSFET管。3、

IGBT的主要参数除上面提到的参数外，IGBT的主要参数还有：最大集射极间电压UCES：由PNP晶体管的击穿电压确定；最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP；最大集电极功耗PCM：在正常的工作温度下，允许的最大耗散功率。IGBT的特性和参数总结如下：P31此外，IGBT经常制成逆导器件，使用时应加以注意。

1．4电力电子器件的驱动1．4．1驱动电路概述驱动电路是给控制极提供信号的电路；

例如:晶闸管的门极信号就是由驱动电路提供的.

驱动电路一般要提供电气隔离环节，一般采用光隔离或电磁隔离。光隔离使用光耦合器,如：发光二极管，光敏晶体管组成；磁隔离的元件通常是脉冲变压器。驱动电路可以由分立元件组成，但目前趋势是采用专用的集成驱动电路，使用时应首选器件生产厂家开发的集成驱动电路。

1．4．2晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路将在“整流电路”一章中讨论。

1．4．3全控型器件的驱动电路

GTO的驱动电路：

GTO为门极可关断晶闸管，对触发脉冲的要求如下：在整个导通期间需加正向门极电流，关断时加负门极电流，关断之后还需施加负偏压，以提供抗干扰能力。下图1-29为典型的直接耦合型GTO驱动电路。其驱动电路包括开通驱动电路，关断驱动电路和门极反偏电路三部分，

倍压原理：正半波时，经VD1给C1充电，至+5V；负半波时，C1和负电源经VD2给C2充电，至10V；正半波时，C2和电源经VD3给C3供电，为15V。起到3倍电源电压作用。

电路工作原理：V1开通时，输出正强脉冲；V2开通时，输出正脉冲的平顶部分。；V3开通、V2关断时，输出负脉冲；V3关断后电阻R3R4提供负脉冲平顶部分。2、GTR的驱动电路

由于GTR工作时处于临界饱和状态，关断时须加一定的负电流（有利于减小关断时间）。

下图为GTR的驱动电路，包括电器隔离部分和晶体管放大部分。

当光电二极管导通，使V2导通。V3截止V4、V5、V6导通，发出脉冲。VD2为抗饱和嵌位电路，当V过饱和使集电极电位低于基极电位时，VD2自动导通，防止V过饱和。3、MOSFET驱动电路：使MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般为10－15V，驱动电路包括电气隔离和晶体管放大两部分。

ui工作原理：当无输入信号时，放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压；当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压，使管子导通。4、IGBT驱动电路

IGBT驱动电路常采用集成驱动器，这些电路内部都具有退饱和检测和保护环节，当发生过电流时能快速响应，并给出故障信号。

电路工作原理较简单，自行学习。1.5电力电子器件的保护

由于电力电子电路过载能力差，为保证电路可靠工作，除了合理选择参数，设计良好的驱动电路外，还应采用合适的过电压保护，过电流保护，以及du/dt保护和di/dt保护。1.5.1过电压的产生及保护过电压分为外因过电压和内因过电压。1、外因过电压有：*操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的过电压（电流突变），电网侧的过电压会由供电变压器电磁感应耦合过来。*雷击过电压：由雷击引起的过电压。2、内因过电压主要指关断过电压：当器件关断时，因正向电流的迅速下降，由线路电感感应出的过电压。

下图给出了各种过电压保护措施：

在抑制外因过电压时，常采用RC电路，其典型连接见下图：

CaCaCaCaCdcRaRaRaRaRdcRdcCdc++__网侧阀侧直流侧对大容量装置，可采用如图所示反向阻断式RC电路：由于使用了一组整流桥，故只需使用一个电容；并因为电容只承受直流电压，可采用体积小，容量大的电解电容；同时可避免晶闸管导通时由于电容放电而使晶闸管的di/dt增加。1.5.2过电流保护过电流保护分过载和短路两种。过电流保护常采用快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。在选择几种保护措施时应首先用电子电路进行过电流保护，再使过电流继电器在过载时动作，其次是直流快速熔断器和快熔短路保护。

过电流保护措施见下图：

1.5.3缓冲电路缓冲电路的作用是抑制电力电子器件的过电压、过电流、du/dt和di/dt。下图给出关断缓冲电路和开通di/dt抑制电路的电路图。V为绝缘栅双极晶体管

备注绝缘栅双极晶体管V开通时，Cs向V放电，因为有Li的存在，i上升速度缓慢（减小di/dt）。V关断时，电流突然减小，在L上会产生较大的感应电动势，这时VDi和Ri可起到抑制作用。同时V经VD