电力电子技术第五版(王兆安)课件-全.ppt

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第1章绪论,1.1什么是电力电子技术1.2电力电子技术的发展史1.3电力电子技术的应用1.4本教材的内容简介,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术的概念电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电力电子技术中所变换的“电力”有区别于“电力系统”所指的“电力”，后者特指电力网的“电力”。

电子技术包括信息电子技术（模拟电子技术和数字电子技术）和电力电子技术两大分支。

2/21,1.1什么是电力电子技术,具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

电力电子器件是电力电子技术的基础。

变流技术则是电力电子技术的核心。

3/21,表1-1电力变换的种类,1.1什么是电力电子技术,电力电子学美国学者W.Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。

4/21,图1-1描述电力电子学的倒三角形,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术和电子学电力电子器件的制造技术的理论和工艺与用于信息变换的电子器件制造技术相同。

电力电子技术和电力学电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。

5/21,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术与电气工程学科的关系隶属于电气工程一级学科电力电子技术的应用和发展必须依赖其它学科电力电子技术促进了其他学科的发展图1-2电气工程的双三角形描述,6/21,1.1什么是电力电子技术,电力电子技术和控制理论控制理论使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。

电力电子技术是弱电和强电之间的接口而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。

控制理论是自动化技术的理论基础，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。

7/21,1.2电力电子技术的发展史,8/21,电力电子技术的发展史,图1-3电力电子技术的发展史,一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。

1.2电力电子技术的发展史,晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。

电子管（1904），在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。

水银整流器（1930s-1950s），广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。

这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。

在这一时期，也应用直流发电机组来变流。

1947年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，引发了电子技术的一场革命。

9/21,1.2电力电子技术的发展史,晶闸管时代晶闸管凭借其优越的电气性能和控制性能，很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。

电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。

晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。

对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。

晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。

这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。

10/21,1.2电力电子技术的发展史,全控型器件和电力电子集成电路（PIC）70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。

全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其开通又可使其关断。

采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。

相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简称斩控方式。

在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。

它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。

与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。

11/21,1.2电力电子技术的发展史,把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。

电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。

随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。

与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。

12/21,1.3电力电子技术的应用,电力电子技术的应用范围一般工业工业中大量应用各种交直流电动机，都是用电力电子装置进行调速的。

一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了变频装置，以达到节能的目的。

避免调速电机起动时的电流冲击的软起动装置。

电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。

电镀装置也需要整流电源电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源淬火电源及直流电弧炉电源等场合。

13/21,1.3电力电子技术的应用,交通运输电气化铁道：

电气机车中的直流机车中采用整流装置，交流机车采用变频装置。

直流斩波器也广泛用于铁道车辆。

在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。

除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源也都离不开电力电子技术。

电动汽车：

电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力电子装置。

一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。

飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。

14/21,1.3电力电子技术的应用,电力系统用户终端：

发达国家在用户使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。

直流输电：

其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。

近年发展起来的柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。

电能质量提高：

晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（TSC）、静止无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。

在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。

在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。

15/21,1.3电力电子技术的应用,16/21,图1-5中国南方电网公司安顺换流站,图1-6静止无功发生器（上）和晶闸管投切电容器（下）,1.3电力电子技术的应用,电子装置用电源各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。

通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的高频开关电源。

大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源。

在大型计算机等场合，常常需要不间断电源（UninterruptiblePowerSupply_UPS）供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。

17/21,1.3电力电子技术的应用,家用电器电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。

空调、电视机、音响设备、家用计算机，不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。

其它航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。

抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。

超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。

18/21,1.3电力电子技术的应用,19/21,新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。

当需要和电力系统联网时，更离不开电力电子技术。

核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。

科学实验或某些特殊场合，常需要一些特种电源。

图1-7风场,1.4本教材的内容简介,本教材的内容,20/21,参考书目赵良炳.现代电力电子器件基础.北京:

清华大学出版社,1995.丁道宏.电力电子技术.北京:

航空工业出版社,1992.张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:

电子工业出版社,1998.李先允,陈刚.电力电子技术习题集.北京:

中国电力出版社,2008.,网络资源http:

/http:

/,21/21,学习目标初级目标：

掌握常用电力电子器件工作原理、基本电路及控制方法。

中级目标：

能利用上述知识进行简单电力电子装置设计与开发。

高级目标：

综合利用所学知识，设计满足生产实际需要的电力电子装置。

学习方法在掌握电力电子器件和基本电路结构的基础上，利用分段线性分析方法，熟悉电路中主要器件工作波形。

充分利用教学实验，验证电路工作原理和相关器件工作波形。

发挥现代电力电子仿真软件的作用，加强对本课程的感性认识。

22/21,第2章电力电子器件2.1电力电子器件概述2.2不可控器件电力二极管2.3半控型器件晶闸管2.4典型全控型器件2.5其他新型电力电子器件2.6功率集成电路与集成电力电子模块本章小结,24/89,引言,模拟和数字电子电路的基础晶体管和集成电路等电子器件电力电子电路的基础电力电子器件本章主要内容：

概述电力电子器件的概念、特点和分类。

分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。

25/89,2.1电力电子器件概述,2.1.1电力电子器件的概念和特征2.1.2应用电力电子器件的系统组成2.1.3电力电子器件的分类2.1.4本章内容和学习要点,26/89,2.1.1电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

主电路：

在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。

广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。

27/89,2.1.1电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的特征处理电功率的大小（承受电压和电流的能力）一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数，为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。

由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。

自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。

28/89,2.1.1电力电子器件的概念和特征,通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。

当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

通态损耗,断态损耗,开关损耗,开通损耗,关断损耗,电力电子器件的功率损耗,29/89,2.1.2应用电力电子器件的系统组成,电力电子器件实际应用：

由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

电气隔离,图2-1电力电子器件在实际应用中的系统组成,30/89,2.1.3电力电子器件的分类,按照能够被控制电路信号所控制的程度半控型器件器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。

全控型器件通过控制信号既可以控制其导通、关断。

目前最常用的是IGBT和PowerMOSFET。

不可控器件电力二极管（PowerDiode）不能用控制信号来控制其通断。

31/89,2.1.3电力电子器件的分类,按照驱动信号的性质电流驱动型从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。

电压驱动型在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器件导通或者关断的控制。

按照驱动信号的波形（电力二极管除外）脉冲触发型在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制。

电平控制型通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。

32/89,2.1.3电力电子器件的分类,按照载流子参与导电的情况单极型器件由一种载流子参与导电。

双极型器件由电子和空穴两种载流子参与导电。

复合型器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。

33/89,2.1.4本章内容和学习要点,本章内容介绍不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。

学习要点掌握其基本特性（重点）。

掌握电力电子器件的型号命名法，以及其参数和特性曲线的使用方法。

了解电力电子器件的半导体物理结构和基本工作原理。

了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。

34/89,2.2不可控器件电力二极管,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理2.2.2电力二极管的基本特性2.2.3电力二极管的主要参数2.2.4电力二极管的主要类型,35/89,2.2不可控器件电力二极管引言,电力二极管（PowerDiode）自1950s初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。

在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管。

整流二极管及模块,36/89,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理,电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。

图2-2电力二极管的外形、结构和电气图形符号a）外形b）基本结构c）电气图形符号,37/89,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理,二极管的基本原理PN结的单向导电性正向导通：

PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成自P区流入从N区流出的电流，称为正向电流IF。

反向截止：

当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。

反向击穿：

PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态。

按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。

反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。

否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

38/89,2.2.1PN结与电力二极管的工作原理,PN结的电容效应称为结电容CJ，又称为微分电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。

在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。

扩散电容仅在正向偏置时起作用。

正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。

结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。

39/89,2.2.2电力二极管的基本特性,静态特性主要是指其伏安特性正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。

承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

图2-5电力二极管的伏安特性,40/89,2.2.2电力二极管的基本特性,u,图2-6电力二极管的动态过程波形正向偏置转换为反向偏置零偏置转换为正向偏置,动态特性因为结电容的导致电压-电流随时间变化，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。

由正向偏置转换为反向偏置电力二极管并不能立即关断，而是须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。

在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

延迟时间：

td=t1-t0电流下降时间：

tf=t2-t1反向恢复时间：

trr=td+tf恢复特性的软度：

tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。

t0:

正向电流降为零的时刻,t1:

反向电流达最大值的时刻,t2:

电流变化率接近于零的时刻,41/89,2.2.2电力二极管的基本特性,由零偏置转换为正向偏置先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。

正向恢复时间tfr出现电压过冲的原因:

电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。

电流上升率越大，UFP越高。

图2-6电力二极管的动态过程波形b）零偏置转换为正向偏置,42/89,2.2.3电力二极管的主要参数,正向平均电流IF（AV）指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

IF（AV）是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。

正向压降UF指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

反向重复峰值电压URRM指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。

使用时，应当留有两倍的裕量。

43/89,2.2.3电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。

最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。

TJM通常在125175C范围之内。

反向恢复时间trr浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

44/89,2.2.4电力二极管的主要类型,按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。

普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

其反向恢复时间较长，一般在5s以上。

其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

45/89,2.2.4电力二极管的主要类型,快恢复二极管（FastRecoveryDiodeFRD）恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。

快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodesFRED），采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。

前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。

46/89,2.2.4电力二极管的主要类型,肖特基二极管（SchottkyBarrierDiodeSBD）优点：

反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

弱点：

当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

47/89,2.3半控型器件晶闸管,2.3.1晶闸管的结构与工作原理2.3.2晶闸管的基本特性2.3.3晶闸管的主要参数2.3.4晶闸管的派生器件,48/89,2.3半控器件晶闸管引言,晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR），以前被简称为可控硅。

1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。

其承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。

晶闸管及模块,49/89,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。

引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。

内部是PNPN四层半导体结构。

图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号a）外形b）结构c）电气图形符号,50/89,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,图2-8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,晶闸管的工作原理按照晶体管工作原理，可列出如下方程：

式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。

51/89,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,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。

在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。

由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。

如果注入触发电流使各个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，从而实现器件饱和导通。

由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。

由以上式（2-1）（2-4）可得,（2-5）,52/89,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,除门极触发外其他几种可能导通的情况阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

53/89,2.3.2晶闸管的基本特性,静态特性正常工作时的特性当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。

若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

54/89,2.3.2晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性正向特性当IG=0时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。

如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。

随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

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。

图2-9晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,55/89,2.3.2晶闸管的基本特性,反向特性其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通过。

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大，导致晶闸管发热损坏。

图2-9晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,56/89,2.3.2晶闸管的基本特性,动态特性开通过程阳极电流的增长不可能是瞬时：

晶闸管内部的正反馈过程需要时间；外电路电感的限制延迟时间td（0.51.5s）上升时间tr（0.53s）开通时间tgt=td+tr延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。

提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。

图2-10晶闸管的开通和关断过程波形,57/89,2.3.2晶闸管的基本特性,关断过程由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。

反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq=trr+tgr关断时间约几百微秒。

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。

图2-10晶闸管的开通和关断过程波形,100%,58/89,2.3.3晶闸管的主要参数,电压定额断态重复峰值电压UDRM是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压（见图2-9）。

国标规定断态重复峰值电压UDRM