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电力电子技术电力电子技术概述概述电力半导体器件电力半导体器件可控整流可控整流PWM变频技术变频技术电力电子器件的保护电力电子器件的保护参考题解参考题解电力电子电力电子一、概述一、概述电力电子技术是一门新兴技术，是由电力学、电电力电子技术是一门新兴技术，是由电力学、电子学和控制理论三门学科综合而成，现已成为电气工子学和控制理论三门学科综合而成，现已成为电气工程与自动化工程中的技术支柱。

程与自动化工程中的技术支柱。

电力电子技术诞生于电力电子技术诞生于1957年，美国通用电气公年，美国通用电气公司研制出第一个晶闸管，用于生产实践，从此，电力司研制出第一个晶闸管，用于生产实践，从此，电力电子技术的概念被确定。

电子技术的概念被确定。

70年代相继研究出年代相继研究出:

普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）、可）、可关断晶闸管（关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（）、电力双极型晶体管（BJT）、电力场效应管（、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体）、绝缘栅双极型晶体管（管（IGBT）等电力电子器件。

等电力电子器件。

电力电子电力电子二、电力电子器件二、电力电子器件1.晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）1.1普通晶闸管普通晶闸管工作特性：

反向截止，正向导通；工作特性：

反向截止，正向导通；导通条件导通条件:

阳极阳极A加正电位，控制极加正电位，控制极G加正向脉冲；加正向脉冲；截止条件：

阳极截止条件：

阳极A电位低于阴极电位低于阴极K电位；阳极电流小于电位；阳极电流小于阴极电流；阳极电流为零。

满足其中之一均可关断可控硅。

阴极电流；阳极电流为零。

满足其中之一均可关断可控硅。

平板型螺旋型电力电子电力电子1.2普通晶闸管的缺点：

普通晶闸管的缺点：

变频器早期使用的电子元件是晶闸管，但晶闸变频器早期使用的电子元件是晶闸管，但晶闸管开关速度很慢，很难实现交流变频；管开关速度很慢，很难实现交流变频；晶闸管可以用晶闸管可以用mA级电流控制级电流控制200A阳极电流阳极电流，但仍觉得，但仍觉得mA的门极电流太大；的门极电流太大；晶闸管阳极开通后，不易关闭，使应用受到很晶闸管阳极开通后，不易关闭，使应用受到很大的阻碍；大的阻碍；晶闸管导通时管压降可达晶闸管导通时管压降可达1V以上，自身消耗很以上，自身消耗很大，效率很难提高；大，效率很难提高；消耗功率：

消耗功率：

P=1V200A=200W电力电子电力电子2.逆导晶闸管逆导晶闸管是在普通晶闸管上反并联一个二极管而成是在普通晶闸管上反并联一个二极管而成如下图所示，在如下图所示，在400Hz中频炉中得到广泛应中频炉中得到广泛应用。

用。

电力电子电力电子3.双向晶闸管双向晶闸管晶闸管适用于交流调压，早期用两只普通晶闸管适用于交流调压，早期用两只普通晶闸管反向并联使用。

有了双向晶闸管，电晶闸管反向并联使用。

有了双向晶闸管，电路制作就方便了许多。

路制作就方便了许多。

阳极的两个方向都能被触发而导通；阳极的两个方向都能被触发而导通；门极电流可正、可负；门极电流可正、可负；A1-第一阳极第一阳极Ig电流应电流应G-A2电力电子电力电子4.全控型电力电子器件全控型电力电子器件既可以控制器件既可以控制器件的开通，又可以控制器件的关断。

的开通，又可以控制器件的关断。

4.1电力晶体管电力晶体管GTR（如图（如图4所示）所示）实际上是大功率达林顿三极管，利用了复合管实际上是大功率达林顿三极管，利用了复合管减小了基极驱动电流；减小了基极驱动电流；利用了三极管的低饱和压降（利用了三极管的低饱和压降（0.3V），克服了），克服了晶闸管的高饱和压降（晶闸管的高饱和压降（1V），达到降低功耗的），达到降低功耗的目的。

目的。

目前，目前，GTR的最大容量为的最大容量为1200V/400A,最佳工最佳工作频率为作频率为110KHZ,适用于适用于500v/A的应用场合。

的应用场合。

4.2电力晶体管GTR图4电力电子电力电子5.电力场效应管电力场效应管MOSFET绝缘栅场效应管，输入阻抗极高，几乎不需要绝缘栅场效应管，输入阻抗极高，几乎不需要驱动电流，只需要施加电压就可以开通器件。

驱动电流，只需要施加电压就可以开通器件。

开关速度很快，达到开关速度很快，达到1MHz，是，是GTR的的10倍倍。

热稳定性好，没有二次击穿问题，耐压为热稳定性好，没有二次击穿问题，耐压为1000V，电流为，电流为200A,适合小功率变频器等装置。

适合小功率变频器等装置。

电力电子电力电子5.1MOSFET的驱动要求：

的驱动要求：

施加正向栅源电压，管子导通施加正向栅源电压，管子导通UGS4V，断开栅，断开栅源电压，管子关断源电压，管子关断UGS=0V。

为了提高关断速度，一般是施加负压为了提高关断速度，一般是施加负压UGS=-4V，且泄放电阻要小，以便快速抽掉栅极的电荷。

栅源，且泄放电阻要小，以便快速抽掉栅极的电荷。

栅源电容器；电容器；值得注意的是当施加正向栅源电压（值得注意的是当施加正向栅源电压（4V），管），管子导通后，漏源饱和电压子导通后，漏源饱和电压0V，势必要求栅极电压，势必要求栅极电压比电源电压还要高，才能保证比电源电压还要高，才能保证UGS4V；这就需要一个这就需要一个自举电路自举电路来抬高栅极电位，许多来抬高栅极电位，许多MOSFET专用驱动电路都具有这一自举电路。

专用驱动电路都具有这一自举电路。

电力电子电力电子6.绝缘栅双极型晶体管绝缘栅双极型晶体管IGBTIGBT综合了综合了GTR和和MOSFET的优点，具有的优点，具有MOSFET的高速、低驱动功耗；又有晶体管的低管压的高速、低驱动功耗；又有晶体管的低管压降等特点，应用更为广泛，是当今首选电力电子器降等特点，应用更为广泛，是当今首选电力电子器件。

其耐压为件。

其耐压为5001400V，电流为，电流为400A,工作频工作频率为率为1050KHZ,广泛用于各种电力电子设备中。

广泛用于各种电力电子设备中。

电力电子电力电子6.1IGBT的驱动要的驱动要求求正向开通电压正向开通电压UGE4V反向关断电压反向关断电压UGE=-5V-15V同理，上同理，上IGBT（Q1、Q3）仍需要自举电路，才）仍需要自举电路，才能保证可靠饱和能保证可靠饱和7.场控晶闸管（场控晶闸管（MCT）MCT是一种新型是一种新型MOS/双极复合器件。

它是双极复合器件。

它是在普通晶闸管中用集成电路工艺制作大量的在普通晶闸管中用集成电路工艺制作大量的MOS开关，通过开关，通过MOS开关的通断来控制晶闸开关的通断来控制晶闸管的开启和关断。

所以，管的开启和关断。

所以，MCT既有晶闸管良既有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具有好的阻断和通态特性，又具有MOS场效应管场效应管输入阻抗高，驱动功率低和开关速度快的优点输入阻抗高，驱动功率低和开关速度快的优点，同时克服了晶闸管速度慢，不能自关断和高，同时克服了晶闸管速度慢，不能自关断和高压压MOS场效应管导通压降大的缺点。

由于场效应管导通压降大的缺点。

由于MCT与与IGBT在相同的工作频率下，其关断的在相同的工作频率下，其关断的控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业化速度没有化速度没有IGBT那么快。

那么快。

电力电子电力电子电力电子电力电子7.1MCT的电路结构电力电子电力电子7.2场控晶体管场控晶体管（MCT）的特点的特点触发电压：

导通脉冲，触发电压：

导通脉冲，-5-15V；关断脉冲，；关断脉冲，+10V特点特点

（1）电压、电流容量大，）电压、电流容量大，3000V，1000A

（2）通态压降小，）通态压降小，1.3V（3）耐电压、电流上升率极高，）耐电压、电流上升率极高，2000V/s，20000V/s（4）开关速度快）开关速度快（5）工作温度高，）工作温度高，270（6）不易损坏，可以使用普通熔断器做短路保护）不易损坏，可以使用普通熔断器做短路保护电力电子电力电子8.其他功率半导体器件其他功率半导体器件

（1）静电感应晶体管）静电感应晶体管SIT

（2）静电感应晶闸管）静电感应晶闸管SITH（3）集成门换流晶闸管）集成门换流晶闸管IGCT（4）功率模块）功率模块电力电子电力电子8.其他功率半导体器件其他功率半导体器件单级固态继电器单级固态继电器三相固态继电器三相固态继电器电力电子电力电子三、可控整流电路三、可控整流电路

（一）单相半波可控整流电路

（一）单相半波可控整流电路1.电阻性负载电阻性负载什么是电阻性负载，如白炽灯、电炉等，纯耗什么是电阻性负载，如白炽灯、电炉等，纯耗能器件，给什么电压，就什么电流（能器件，给什么电压，就什么电流（ud、id波形一波形一致为同相）致为同相）电力电子电力电子1.1电路图电路图TR-变压器，隔离电网；获取合适的变压器，隔离电网；获取合适的U2VT-晶闸管，整流元件晶闸管，整流元件Rd-负载负载1.2原理原理（波形）（波形）分析分析电力电子电力电子1.3数量关系数量关系整流电压平均值整流电压平均值Ud负载电流平均值负载电流平均值Id元件电流平均值元件电流平均值IdT元件电压最大值元件电压最大值UTM2145.02COSUUddddRUIddTII22UUTM电力电子电力电子2.电感性负载电感性负载什么是电感性负载？

负载中既有电阻，又有电什么是电感性负载？

负载中既有电阻，又有电感，而电感的感抗为感，而电感的感抗为XLd与与Rd相当，区别于相当，区别于XLd10Rd2.1电路图电路图如右图所示如右图所示LLfXL2电力电子电力电子2.2波形分析波形分析变压器次极电压U2交流波形可控硅控制极脉冲波形整流输出到负载电压波形负载中的电流波形可控硅控制角a波形电力电子电力电子2.3负载并联二极管负载并联二极管由波形分析可见，这一电路无法正常工作由波形分析可见，这一电路无法正常工作在负载端反并联一个续流二极管就可以了在负载端反并联一个续流二极管就可以了实际上，电感性负载很少，基本上是大电感负实际上，电感性负载很少，基本上是大电感负载，即载，即XLd10Rd感抗远大于电阻。

感抗远大于电阻。

电力电子电力电子3.大电感负载大电感负载认为认为L足够大，足够大，id波波形近似为水平线形近似为水平线2145.02COSUUddddRUI22UUTMd2-dTII电力电子电力电子

（二）单相全控桥式整流电路

（二）单相全控桥式整流电路1.单相桥式整流电路单相桥式整流电路我们通过仿真，观察各电流的方向和路径我们通过仿真，观察各电流的方向和路径正半周正半周U2D1HLD4-U2负半周负半周U2-D2-HL-D3-U2电力电子电力电子仿真图见下图仿真图见下图仿真电流路径时，设置发电机频率为仿真电流路径时，设置发电机频率为0.5Hz仿真电压波形时，设置发电机频率为仿真电压波形时，设置发电机频率为100Hz电力电子电力电子上述仿真说明了上述仿真说明了

（1）交流电两个半周分别通过）交流电两个半周分别通过D1/D4和和D2/D3引引导，负载电流始终都是自上而下流过。

负载上得到的导，负载电流始终都是自上而下流过。

负载上得到的是脉动直流电。

是脉动直流电。

（2）Ud波形与波形与U2的高度一致。

的高度一致。

（3）可控整流）可控整流不难分析，控制不难分析，控制晶闸管开通时间晶闸管开通时间即可。

即可。

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（二）单相全控桥式整流电路

（二）单相全控桥式整流电路2.电阻负载电阻负载电力电子电力电子整流电压平均值，单相半波的整流电压平均值，单相半波的2倍倍0.450.9负载电流平均值负载电流平均值欧姆定律欧姆定律晶闸管电路平均值晶闸管电路平均值负载电流的一半负载电流的一半晶闸管电压最大值晶闸管电压最大值U2的最大值的最大值219.02COSUUddddRUIddTII2122UUTM