电力电子技术.docx

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电力电子技术

绪论

信息电子技术——信息处理

电力电子技术——电力变换

　　电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术

电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即

应用于电力领域的电子技术。

目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。

电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。

1.2　两大分支

电力电子器件制造技术

电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。

变流技术（电力电子器件应用技术）

用电力电子器件构成电力变换电路和对其

进行控制的技术，以及构成电力电子装置

和电力电子系统的技术。

电力电子技术的核心，理论基础是电路理论

变流技术

电力——交流和直流两种

从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。

电力变换四大类

交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流

进行电力变换的技术称为变流技术。

1.3与相关学科的关系

与电子学（信息电子学）的关系

都分为器件和应用两大分支。

器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。

应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。

信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；

　电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。

二者同根同源。

与电力学（电气工程）的关系

电力电子技术广泛用于电气工程中

高压直流输电　　静止无功补偿

电力机车牵引　　交直流电力传动

电解、电镀、电加热、高性能交直流电源

国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。

电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。

与控制理论（自动化技术）的关系

控制理论广泛用于电力电子系统中。

电力电子技术是弱电控制强电的技术，是弱电和强电的接口；

　控制理论是这种接口的有力纽带。

电力电子装置是自动化技术的基础元件和重要支撑技术

1.4地位和未来

电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成

为未来科学技术的两大支柱。

计算机人脑

电力电子技术消化系统和循环系统

电力电子＋运动控制　　　　　肌肉和四肢

电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术，

能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源，

因此，电力电子技术将青春永驻。

一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。

2电力电子技术的发展史

历史是人类社会的一面镜子

　　分析过去、现在有助于把握未来

科学史是科学家的一面镜子

　　了解一门学科的过去、现在有助于把握未来

电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。

3电力电子技术的应用

一般工业：

交直流电机、电化学工业、冶金工业

交通运输：

电气化铁道、电动汽车、航空、航海

电力系统：

高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿

电子装置电源：

为信息电子装置提供动力

家用电器：

“节能灯”、变频空调

其他：

UPS、航天飞行器、新能源、发电装置

1）一般工业

2）交通运输

3）电力系统

4）电子装置用电源

5）家用电器

总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。

电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。

电力电子技术对节省电能有重要意义。

特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。

第一章

电力电子器件

概念:

电力电子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

主电路（MainPowerCircuit）

——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。

2）分类:

电真空器件（汞弧整流器、闸流管）

半导体器件（采用的主要材料硅）仍然

3）同处理信息的电子器件相比的一般特征：

能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。

电力电子器件一般都工作在开关状态。

电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。

电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。

电力电子器件的损耗

通态损耗是器件功率损耗的主要成因。

器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。

1.1.2应用电力电子器件系统组成

电力电子系统：

由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。

1.1.3电力电子器件的分类

按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：

半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。

全控型器件（IGBT,MOSFET）

——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。

不可控器件（PowerDiode）

——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。

按照驱动电路信号的性质，分为两类：

电流驱动型

——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。

电压驱动型

——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

1.2不可控器件—电力二极管·引言

ØPowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。

Ø快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。

1.2.1PN结与电力二极管的工作原理

PN结的电容效应：

PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。

结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。

电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。

1.2.2电力二极管的基本特性

1）静态特性

主要指其伏安特性

门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。

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，只有微小而数值恒定的反向漏电流。

图1-4电力二极管的伏安特性

2）动态特性

——二极管的电压-电流特性随时间变化的

——结电容的存在

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：

下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。

关断过程

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。

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。

开通过程：

正向压降先出现一个过冲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。

电流上升率越大，UFP越高。

1.2.3电力二极管的主要参数

1）正向平均电流IF（AV）

额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，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。

2）正向压降UF

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。

3）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。

使用时，应当留有两倍的裕量。

4）反向恢复时间trr

trr=td+tf

5）最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。

TJM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125~175C范围之内。

6）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。

1.2.4电力二极管的主要类型

1）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

其反向恢复时间较长

正向电流定额和反向电压定额可以达到很高

DATASHEET

2）快恢复二极管

（FastRecoveryDiode——FRD）

简称快速二极管

快恢复外延二极管

（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。

前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

DATASHEET123

3.肖特基二极管（DATASHEET）

以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD

肖特基二极管的弱点

反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。

反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。

肖特基二极管的优点

反向恢复时间很短（10~40ns）。

正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。

反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。

效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。

1.3半控器件—晶闸管·引言

晶闸管（Thyristor）：

晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）

1.3.1晶闸管的结构与工作原理

外形有螺栓型和平板型两种封装。

有三个联接端。

螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。

平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

按晶体管的工作原理

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。

由以上式可得：

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。

开通状态：

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，将趋近于无穷大，实现饱和导通。

IA实际由外电路决定。

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

光触发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，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段

1.3.2晶闸管的基本特性

晶闸管正常工作时的特性总结如下

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。

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

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。

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。

DATASHEET

1）静态特性

（1）正向特性

IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。

正向电压超过正向转折电压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。

（2）反向特性

反向特性类似二极管的反向特性。

反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。

当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。

2）动态特性

1）开通过程

延迟时间td（0.5~1.5s）

上升时间tr（0.5~3s）

开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr（1-6）

2）关断过程

反向阻断恢复时间trr

正向阻断恢复时间tgr

关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr（1-7）

普通晶闸管的关断时间约几百微秒

1.3.3晶闸管的主要参数

1）电压定额

断态重复峰值电压UDRM

——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。

反向重复峰值电压URRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

通态（峰值）电压UT

——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

使用注意：

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。

选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。

2）电流定额

通态平均电流IT（AV）

——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，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。

标称其额定电流的参数。

——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。

维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

擎住电流IL

——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。

对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。

浪涌电流ITSM

——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

3）动态参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

断态电压临界上升率du/dt

——指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。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

通态电流临界上升率di/dt

——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。

1.3.4晶闸管的派生器件

1）快速晶闸管（FastSwitchingThyristor——FST）

有快速晶闸管和高频晶闸管。

开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。

普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。

高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。

由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。

DATASHEET

2）双向晶闸管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor

可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。

有两个主电极T1和T2，一个门极G。

在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。

不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。

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3）逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor——RCT）

将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。

具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。

4）光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）

又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。

光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。

因此目前在高压大功率的场合。

1.4典型全控型器件

1.4.1门极可关断晶闸管

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）

晶闸管的一种派生器件。

可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。

GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。

DATASHEET

1）GTO的结构和工作原理

结构：

与普通晶闸管的相同点：

PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。

和普通晶闸管的不同点：

GTO是一种多元的功率集成器件

工作原理：

与普通晶闸管一样，可以用图1-7所示的双晶体管模型来分析。

由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益1和2。

1+2=1是器件临界导通的条件

GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：

设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。

导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO。

导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

由上述分析我们可以得到以下结论：

GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。

GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。

多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强

2）GTO的动态特性

开通过程：

与普通晶闸管相同

关断过程：

与普通晶闸管有所不同

储存时间ts，使等效晶体管退出饱和。

下降时间tf

尾部时间tt—残存载流子复合。

通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。

门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。

图1-14GTO的开通和关断过程电流波形

3）GTO的主要参数

许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。

（1）开通时间ton

——延迟时间与上升时间之和。

延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。

（2）关断时间toff

——一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。

下降时间一般小于2s。

不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联。

（3）最大可关断阳极电流IATO

——GTO额定电流

（4）电流关断增益off

——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。

off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。

1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A。

1.4.2电力晶体管

术语用法：

电力晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）。

耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT。

DATASHEET12

  应用

20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。

1）GTR的结构和工作原理

与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。

主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。

通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。

采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。

集电极电流ic与基极电流ib之比为

（1-9）

——GTR的电流放大系数，反映了基极电流对集电极电流的控制能力。

当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，ic和ib的关系为ic=ib+Iceo（1-10）

单管GTR的值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可有效增大电流增益。

2）GTR的基本特性

（1） 静态特性

共发射极接法时的典型输出特性：

截止区、放大区和饱和区。

在电力电子电路中GTR工作在开关状态。

在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。

图1-16共发射极接法时GTR的输出特性

（2） 动态特性

开通过程

延迟时间td和上升时间tr，二者之和为开通时间ton。

加快开通过程的办法。

关断过程

储存时间ts和下降时间tf，二者之和为关断时间toff。

加快关断速度的办法。

GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。

3）GTR的主要参数

前已述及：

电流放大倍数、直流电流增益hFE、集射极间漏电流Iceo、集射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff（此外还有）：

1）  最高工作电压

GTR上电压超过规定值时会发生击穿。

击穿电压不仅和晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关。

BUcbo>BUcex>BUces>BUcer>Buceo。

实际使用时，最高工作电压要比BUceo低得多。

2） 集电极最大允许电流IcM

通常规定为hFE下降到规定值的1/2~1/3时所对应的Ic。

实际使用时要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一点。

3）集电极最大耗散功率PcM

最高工作温度下允许的耗散功率。

产品说明书中给PcM时同时给出壳温TC，间接表示了最高工作温度。

4）GTR的二次击穿现象与安全工作区

一次击穿：

集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大。

只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。

二次击穿：

一次击穿发生时，Ic突然急剧上升，电压陡然下降。

常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。

安全工作区（SafeOperatingArea——SOA）

最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线限定

1.4.3电力场效应晶体管

电力场效应晶体管

分为结型和绝缘栅型

通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）

简称电力MOSFET（PowerMOSFET）

结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）

 特点——用栅极电压来控制漏极电流

驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

1）电力MOSFET的结构和工作原理

电力MOSFET的种类

 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。

耗尽型——当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道。

增强型——对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道。

 电力MOSFET主要