电气工程概论电力电子.pptx

第三章第三章 电力电子技术电力电子技术电气工程概论电气工程概论电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术引言引言 近近年年来来基基于于相相关关技技术术的的发发展展，电电力力电电子子领领域域得得到到了了高高度度发发展展。同同时时电电力力电电子子的的市市场场也也在在迅迅速速地地扩扩张张，在在开开关关电电源源、不不间间断断电电源源、节节能能、自自动动化化、运运输输、感感应应加加热热、电电力力事事业业诸诸方方面面都都得得到到了了广广泛泛的的使使用。用。电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术第一节第一节 功率半导体器件功率半导体器件电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术u功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的功率半导体器件是电力电子系统的心脏，是电力电子电路的基础。基础。u功率集成电路是最近功率集成电路是最近1010年功率半导体器件发展的一个重要趋年功率半导体器件发展的一个重要趋势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和势，是将功率半导体开关器件与其驱动、缓冲、检测、控制和保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路保护等硬件集成一体，构成一个功率集成电路PICPIC。u智能功率模块智能功率模块IPMIPM是功率集成电路中典型的例子，近年得到了是功率集成电路中典型的例子，近年得到了较为广泛的应用。较为广泛的应用。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件一、概述一、概述（一）功率半导体器件的功能（一）功率半导体器件的功能图图3-13-1为为电电力力电电子子装装置置的的示示意意图图，功功率率输输入入经经功功率率变变换换器器后后输输出出至至负负载载。功功率率变变换换器器通通常常采采用用电电力力电电子子器器件件作作为为功功率率开开关关，应应用用不不同同拓拓扑扑组组合合构构成成，实实现现电电功功率率形形式式的的变变换换（电电压压或或频频率率等等变变换换）。此此外外，系系统统功功率率可可以以是是双双向向的的，即即电电功功率率也也可可以以从从输出端送至输入端。输出端送至输入端。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：功率半导体器件作为功率开关，其工作特点如下：1 1）功率半导体器件通常都处于在开关状态。）功率半导体器件通常都处于在开关状态。2 2）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，）功率半导体器件由断态转换成通态及由通态转换成断态时，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，在转换过程中所产生的损耗，分别称之为开通损耗和关断损耗，总称为开关损耗。总称为开关损耗。3 3）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率）大功率是功率半导体器件的特点，这就要求一个理想的功率半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。半导体器件应该是能承受高电压、大电流的器件。一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性一个理想的功率半导体器件应当具有的理想的静态和动态特性是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流是：在阻断状态，能承受高电压；在导通状态，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时密度和低的导通压降；在开关状态，转换时具有短的开、关时间，能承受高的间，能承受高的 和和 ；同时器件具有全控功；同时器件具有全控功能，即器件的通断可通过电信号控制。能，即器件的通断可通过电信号控制。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）功率半导体器件的发展（二）功率半导体器件的发展功率半导体器件的发展经历了以下阶段：功率半导体器件的发展经历了以下阶段：u大大功功率率二二极极管管产产生生于于2020世世纪纪4040年年代代，是是功功率率半半导导体体器器件件中中结结构最简单、使用最广泛的一种器件。构最简单、使用最广泛的一种器件。u2020世世纪纪7070年年代代，出出现现了了称称之之为为第第二二代代的的自自关关断断器器件件，如如门门极极可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。可关断晶闸管、大功率双极型晶体管、功率场效应晶体管等。u2020世世纪纪8080年年代代，出出现现了了的的第第三三代代复复合合导导电电机机构构的的场场控控半半导导体体器器件件，以以绝绝缘缘栅栅极极双双极极型型晶晶体体管管(IGBT(IGBT或或IGT)IGT)为为典典型型代代表表，另另外外还还有有静静电电感感应应式式晶晶体体管管、静静电电感感应应式式晶晶闸闸管管、MOSMOS控控制制晶晶闸闸管管、集成门极换流晶闸管等。集成门极换流晶闸管等。u现现已已经经出出现现了了第第四四代代电电力力电电子子器器件件集集成成功功率率半半导导体体器器件件，它它将将功功率率器器件件与与驱驱动动电电路路、控控制制电电路路及及保保护护电电路路集集成成在在一一块块芯芯片片上上，从从而而开开辟辟了了电电力力电电子子器器件件智智能能化化的的方方向向，具具有有广广阔阔的的应应用前景。用前景。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件图图3-23-2示出了各种功率半导体器件的工作范围示出了各种功率半导体器件的工作范围电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件二、大功率二极管二、大功率二极管大大功功率率二二极极管管属属不不可可控控器器件件，在在不不可可控控整整流流、电电感感性性负负载载回回路路的续流等场合均得到广泛使用。的续流等场合均得到广泛使用。（一）大功率二极管的结构（一）大功率二极管的结构大大功功率率二二极极管管的的内内部部结结构构是是一一个个具具有有P P型型、N N型型半半导导体体、一一个个PNPN结结和和阳阳极极A A、阴阴极极K K的的两两层层两两端端半半导导体体器器件件，其其符符号号表表示示如如图图3-3-3(a)3(a)所示。所示。从从外外部部构构成成看看，也也分分成成管管芯芯和和散散热热器器两两部部分分。一一般般情情况况下下，200A200A以以下下的的管管芯芯采采用用螺螺旋旋式式(图图3-3(b)3-3(b)，200A200A以以上上则则采采用用平平板板式式(图图3-3(c)3-3(c)。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）大功率二极管的特性（二）大功率二极管的特性1.1.大功率二极管的伏安特性大功率二极管的伏安特性二极管阳极和阴极间的电压二极管阳极和阴极间的电压U Uakak与阳极电流与阳极电流i ia a 间的关系称为伏安间的关系称为伏安特性，如图特性，如图3-43-4所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电所示。由于大功率二极管的通态压降和反向漏电流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如流数值都很小，可忽略，于是大功率二极管的理想伏安特性如图图3-4(b)3-4(b)所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2.2.大功率二极管的开通、关断特性大功率二极管的开通、关断特性图图3-53-5为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较为大功率二极管的开通过程。大功率二极管的开通过程较短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。短，导通压降很小，通常可视为一理想开关。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件图图3-63-6为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时为大功率二极管关断过程，其截止时的反向电流恢复时间必须考虑。间必须考虑。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件u在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过在应用低频整流电路时，一般不考虑大功率二极管的动态过程，程，t trrrr=25=25微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电微秒。但在高频逆变器、高频整流器、缓冲电路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、路等频率较高的电力电子电路中必须考虑大功率二极管的开通、关断等动态过程，通常使用快恢复二极管关断等动态过程，通常使用快恢复二极管(反向恢复时间很短反向恢复时间很短的大功率二极管，的大功率二极管，t trrrr=200500nm)=200500nm)。快恢复二极管具有开通。快恢复二极管具有开通压降低、反向快速恢复性能好的优点。压降低、反向快速恢复性能好的优点。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件三、晶闸管三、晶闸管(SCR)(SCR)晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠尽管开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导地位。地位。（一）晶闸管的结构（一）晶闸管的结构晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管芯及散热器两大部分，分别如图芯及散热器两大部分，分别如图3-73-7及图及图3-83-8所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）晶闸管的基本特性（二）晶闸管的基本特性通过理论分析和实验验证表明：通过理论分析和实验验证表明：1)1)只只有有当当晶晶闸闸管管同同时时承承受受正正向向阳阳极极电电压压和和正正向向门门极极电电压压时时晶晶闸管才能导通，两者不可缺一。闸管才能导通，两者不可缺一。2)2)晶晶闸闸管管一一旦旦导导通通后后门门极极将将失失去去控控制制作作用用，门门极极电电压压对对管管子子随随后后的的导导通通或或关关断断均均不不起起作作用用，故故使使晶晶闸闸管管导导通通的的门门极极电电压压不不必必是是一一个个持持续续的的直直流流电电压压，但但必必须须是是一一个个具具有有一一定定宽宽度度和和幅幅度度的的正正向向脉脉冲冲电电压压，其其脉脉冲冲宽宽度度与与晶晶闸闸管管开开通通特特性性及及负负载载性性质质有有关。这个脉冲常称之为触发脉冲。关。这个脉冲常称之为触发脉冲。3)3)要要使使已已导导通通的的晶晶闸闸管管关关断断，必必须须使使阳阳极极电电流流降降低低到到某某一一数数值值之之下下(晶晶闸闸管管维维持持电电流流，约约几几十十毫毫安安)。通通常常通通过过降降低低阳阳极极电电压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。压至接近于零或施加反向阳极电压来实现。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件1.1.静态特性静态特性（1 1）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与）阳极伏安特性。晶闸管的阳极伏安特性表示晶闸管阳极与阴极之间的电压阴极之间的电压U Uakak与阳极电流与阳极电流i ia a 之间的关系曲线，如图之间的关系曲线，如图3-93-9所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件阳极伏安特性可以划分为两个区域，第阳极伏安特性可以划分为两个区域，第I I象限为正向特性区，第象限为正向特性区，第IIIIII象限为反向特性区。象限为反向特性区。第第I I象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。象限的正向特性又可分为正向阻断状态及正向导通状态。u正向阻断状态随着不同的门极电流，正向阻断状态随着不同的门极电流，IgIg大小呈现不同的分支。大小呈现不同的分支。u正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时正向导通状态下的特性与一般二极管的正向特性一样，此时晶闸管流过很大的阳极电流而管子本身只承受约晶闸管流过很大的阳极电流而管子本身只承受约1V1V左右的管压左右的管压降，特性曲线靠近并几乎平行于纵轴。降，特性曲线靠近并几乎平行于纵轴。晶闸管在第晶闸管在第IIIIII象限的反向特性与二极管的反向特性类似。象限的反向特性与二极管的反向特性类似。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2.2.动态特性动态特性晶晶闸闸管管常常应应用用于于低低频频的的相相控控电电力力电电子子电电路路，有有时时也也在在高高频频电电力力电电子子电电路路中中得得到到应应用用，如如逆逆变变器器等等。在在高高频频电电路路应应用用时时，需需要要严严格格地地考考虑虑晶晶闸闸管管的的开开关特性，即开通特性和关断特性。关特性，即开通特性和关断特性。（1 1）开通特性）开通特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图3-113-11给出了给出了晶闸管的开关特性。晶闸管的开关特性。延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升延迟时间随门极电流的增大而减少，延迟时间和上升时间随阳极电压上升而下降，一般为而下降，一般为15微秒。微秒。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（2 2）关断特性）关断特性通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用通常采用外加反压的方法将已导通的晶闸管关断。反压可利用电源、负载和辅助换流电路来提供。电源、负载和辅助换流电路来提供。普通晶闸管的关断时间为几百微秒。要使已导通的晶闸管完全普通晶闸管的关断时间为几百微秒。要使已导通的晶闸管完全恢复正向阻断能力，加在晶闸管上的反向阳极电压时间必须大恢复正向阻断能力，加在晶闸管上的反向阳极电压时间必须大于于晶闸管的关断时间晶闸管的关断时间，否则晶闸管无法可靠关断。，否则晶闸管无法可靠关断。（三）晶闸管的主要参数（三）晶闸管的主要参数1.1.电压参数电压参数（1 1）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压U UDRMDRM取断态不重复峰值电压取断态不重复峰值电压U UDSMDSM的的9090定义为断态重复峰值电压定义为断态重复峰值电压U UDRMDRM，“重复重复”表示这个电压可以以每秒表示这个电压可以以每秒5050次，每次持续时间不大次，每次持续时间不大于于1010msms的重复方式施加于元件上。的重复方式施加于元件上。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压U URRMRRM取反向不重复峰值电压取反向不重复峰值电压U URSMRSM的的9090为定义为反向重复峰值电压为定义为反向重复峰值电压U URRMRRM，这个电压允许重复施加。，这个电压允许重复施加。（3 3）晶闸管的额定电压）晶闸管的额定电压U UR R取取U UDRMDRM和和U URRMRRM中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电中较小的一个，并整化至等于或小于该值的规定电压等级上做为晶闸管的额定电压压等级上做为晶闸管的额定电压U UR R。由于晶闸管工作中可能会。由于晶闸管工作中可能会遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值U UTMTM的的2-3倍，倍，以作安全余量。以作安全余量。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2.2.电流参数电流参数（1 1）通态平均电流）通态平均电流I IT(AV)TAV)选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定选用晶闸管时应根据有效电流相等的原则来确定晶闸管的额定电流。选用晶闸管的额定电流电流。选用晶闸管的额定电流I IT(AV)T(AV)应使其对应有效值电流为实应使其对应有效值电流为实际流过电流有效值的际流过电流有效值的1.51.52 2倍。倍。（2 2）维持电流）维持电流I IH H维持电流维持电流I IH H是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十是指晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。到几百毫安。（3 3）擎住电流）擎住电流I IL L晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，晶闸管刚从阻断状态转变为导通状态并撤除门极触发信号时，维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流维持元件导通所需的最小阳极电流称为擎住电流I IL L。一般擎住电。一般擎住电流比维持电流大流比维持电流大2 24 4倍。倍。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件3.3.其它参数其它参数（1 1）断态电压临界上升率）断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极开路条件下，使元件从断态转入通态的最低在额定结温和门极开路条件下，使元件从断态转入通态的最低电压上升率称为断态电压临界上升率电压上升率称为断态电压临界上升率du/dtdu/dt。实际使用中，必。实际使用中，必须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于此值。须要求晶闸管断态下阳极电压的上升速度要低于此值。（2 2）通态电流临界上升率）通态电流临界上升率di/dt通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dtdi/dt是指在规定的条件下，晶闸管由门是指在规定的条件下，晶闸管由门极进行触发导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流极进行触发导通时，管子能够承受而不致损坏的通态平均电流的最大上升率。应用时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小的最大上升率。应用时，晶闸管所允许的最大电流上升率要小于这个数值。于这个数值。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（四）晶闸管的派生器件（四）晶闸管的派生器件 快速晶闸管快速晶闸管 双向晶闸管双向晶闸管 逆导晶闸管逆导晶闸管 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 光控晶闸管光控晶闸管（五）晶闸管的驱动（五）晶闸管的驱动1.1.晶闸管触发电路的基本要求：晶闸管触发电路的基本要求：1 1）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。）触发脉冲信号应有一定的功率和宽度。2 2）为使并联晶闸管元件能同时导通）为使并联晶闸管元件能同时导通,触发电路应能产生强触发脉冲。触发电路应能产生强触发脉冲。3 3）触发脉冲的同步及移相范围。）触发脉冲的同步及移相范围。4 4）隔离输出方式及抗干扰能力。）隔离输出方式及抗干扰能力。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件四、功率场效应晶体管四、功率场效应晶体管功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达功率场效应晶体管是一种单极型电压控制半导体元件，开关频率可高达500kHZ500kHZ，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，特别适合高频化的电力电子装置，但由于电流容量小、耐压低，一般只适用小功率的电力电子装置。一般只适用小功率的电力电子装置。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（一）简介（一）简介（二）工作特性（二）工作特性1.1.静态特性静态特性1 1）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图）漏极伏安特性。漏极伏安特性也称输出特性，如图3-14a)3-14(a)所示，可以所示，可以分为三个区，分别是可调电阻区分为三个区，分别是可调电阻区I I，饱和区，饱和区IIII，击穿区，击穿区IIIIII。2 2）转移特性。漏极电流）转移特性。漏极电流I ID D 与栅源电压与栅源电压U UGSGS反映了输入电压和输出电流的关反映了输入电压和输出电流的关系，称为转移特性，如图系，称为转移特性，如图3-14(b)3-14(b)所示。所示。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件UDS2.2.开关特性开关特性图图3-153-15为元件极间电容的等效电路。器件输入电容在开关过程中需要进行为元件极间电容的等效电路。器件输入电容在开关过程中需要进行充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱充、放电，影响了开关速度。同时也可看出，静态时虽栅极电流很小，驱动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一动功率小，但动态时由于电容充放电电流有一定强度，故动态驱动仍需一定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。定的栅极功率。开关频率越高，栅极驱动功率也越大。功率场效应晶体管的开关过程如图功率场效应晶体管的开关过程如图3-163-16所示，其中所示，其中U UP P 为驱动电源信号，为驱动电源信号，U UGSGS为栅极电压，为栅极电压，i iD D 为漏极电流。为漏极电流。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（三）主要参数与安全工作区（三）主要参数与安全工作区1.1.主要参数主要参数1 1）漏源电压）漏源电压U UDSDS2 2）电流定额）电流定额I ID D，I IDMDM3 3）栅源电压）栅源电压U UGSGS2.2.安全工作区安全工作区 功功率率场场效效应应晶晶体体管管的的正正向向偏偏置置安安全全工工作作区区由由四四条条边边界界包包围围而而成成，如如图图3-173-17所所示示。其其中中I I为为漏漏源源通通态态电电阻阻限限制制线线；IIII为为最最大大漏漏极极电电流流IDMIDM限限制制线线；IIIIII为为最最大大功功耗耗限限制制线线；IVIV为为最最大大漏漏源源电电压压限制线。限制线。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件五、绝缘栅双极型晶体管五、绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）（一）结构与工作原理（一）结构与工作原理图图3 319(c)19(c)是是IGBTIGBT的符号。的符号。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）工作特性（二）工作特性1.1.静态特性静态特性IGBT的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图的静态特性主要有输出特性及转移特性，如图3-203-20所示。输出特性表所示。输出特性表达了集电极电流达了集电极电流I IC C与集电极与集电极-发射极间电压发射极间电压U UCECE之间的关系。之间的关系。IGBTIGBT的转移特性表示了栅极电压的转移特性表示了栅极电压U UG G对集电极电流对集电极电流I IC C的控制关系。的控制关系。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件2.2.动态特性动态特性IGBTIGBT的动态特性即开关特性，如图的动态特性即开关特性，如图3 32121所示，其开通过程主要由其所示，其开通过程主要由其MOSFETMOSFET结构决定。结构决定。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件六、功率模块与功率集成电路六、功率模块与功率集成电路功功率率模模块块最最常常见见的的拓拓扑扑结结构构有有串串联联、并并联联、单单相相桥桥、三三相相桥桥以以及及它它们们的的子子电电路路，而而同同类类开开关关器器件件的的串串、并并联联目目的的是是要要提提高高整整体额定电压、额定电流。体额定电压、额定电流。如如将将功功率率半半导导体体器器件件与与电电力力电电子子装装置置控控制制系系统统中中的的检检测测环环节节、驱驱动动电电路路、故故障障保保护护、缓缓冲冲环环节节、自自诊诊断断等等电电路路制制作作在在同同一一芯芯片上片上,则构成功率集成电路。则构成功率集成电路。三三菱菱电电机机公公司司在在19911991年年推推出出智智能能功功率率模模块块（IPMIPM）是是较较为为先先进进的的混混合合集集成成功功率率器器件件，由由高高速速、低低功功耗耗的的IGBTIGBT芯芯片片和和优优化化的的门门极驱动及保护电路构成，其基本结构如图极驱动及保护电路构成，其基本结构如图3 32525所示。所示。IPMIPM的的特特点点为为：采采用用低低饱饱和和压压降降、高高开开关关速速度度、内内设设低低损损耗耗电流传感器的电流传感器的IGBTIGBT功率功率器件。器件。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。采用单电源、逻辑电平输入、优化的栅极驱动。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件七、功率半导体器件的保护七、功率半导体器件的保护（一）过电压保护（一）过电压保护过电压根据产生的原因可分为两大类：过电压根据产生的原因可分为两大类：1 1）操作过电压：由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作）操作过电压：由变流装置拉、合闸和器件关断等经常性操作中电磁过程引起的过电压。中电磁过程引起的过电压。2 2）浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置）浪涌过电压：由雷击等偶然原因引起，从电网进入变流装置的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。的过电压，其幅度可能比操作过电压还高。电气工程概论电气工程概论 3.1 功率半导体器件功率半导体器件（二）过电流保护（二）过电流保护由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因由于晶闸管等功率半导体器件的电流过载能力比一般电气设备差得多，因此必须对变流装置进行适当的过电流保护。此必须对变流装置进行适当的过电流保护。八、相关名词八、相关名词二次击穿：二次击穿：对于集电极电压超过对于集电极电压超过VCEO而引起的击穿，只要外电路限制而引起的击穿，只要外电路限制击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压减小到小于击穿后的电流，管子就不会损坏，待集电极电压减小到小于VCEO后，后，管子也就恢复到正常工作，因此这种击穿是可逆的，不是破坏性的，这管子也就恢复到正常工作，因此这种击穿是可逆的，不是破坏性的，这种击穿为一次击穿。如果上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极种击穿为一次击穿。如果上述击穿后，电流不加限制，就会出现集电极电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，永久失去半导体特性电压迅速减小，集电极电流迅速增大的现象，永久失去半导体特性，通常将这种现象称为二次击穿。通常将这种现象称为二次击穿。安全工作区：安全工作区：Safe operating area,SOA，是指功率半导体器件能够按，是指功率半导体器件能够按照预期正常工作而不会造成损坏时的电压电流等条件的范围。照预期正常工作而不会造成损坏时的电压电流等条件的范围。单极型：单极型：它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制它是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小。它工作时只有一种载流子参与导电，故称为单极型晶输出电流的大小。它工作时只有一种载流子参与导电，故称为单极型晶体管。体管。双极型：双极型：它是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，它是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，其本身具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电其本身具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型。过程，故称为双极型。作业作业P153：T3-1,3-2,3-3第二节第二节 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 第三章电力电子技术第三章电力电子技术u 变流技术在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的变流技术在电力电子技术中是最重要的，也是最基本的技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小变技术之一，其目标主要是节约能源、提高效率，包括减小变换器的大小和重量换器的大小和重量,提高它们的效率，降低谐波失真和成本。提高它们的效率，降低谐波失真和成本。u 变流技术可大致分为三代：变流技术可大致分为三代：第一代是应用二极管和晶闸管第一代是应用二极管和晶闸管,采用不控或半控强迫换流采用不控或半控强迫换流技术；技术；第二代主要以应用自关断器件为特征；第二代主要以应用自关断器件为特征；第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特第三代变换器是以软开关、功率因数校正和消除谐波为特征的。征的。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术一、换流概念和变流器的分类一、换流概念和变流器的分类（一）换流概念（一）换流概念在电工技术中的换流是指电流从一条支路过渡到另一条支路在电工技术中的换流是指电流从一条支路过渡到另一条支路的过程，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。的过程，在换流期间两条支路将短时同时通过电流。在电力电子技术中，完成换流过程的开关功能不是用机械开在电力电子技术中，完成换流过程的开关功能不是用机械开关，而是用功率半导体器件来实现的，换流过程的特点我们关，而是用功率半导体器件来实现的，换流过程的特点我们用图用图3-293-29来说明。来说明。电流电流I I首先经过接通的开关首先经过接通的开关S1S1在支路在支路1 1中流过，换流是通过开中流过，换流是通过开关关S2S2的接通而开始的。的接通而开始的。S2S2接通后，在换流电压接通后，在换流电压u uk k的作用下，将的作用下，将有一换流电流有一换流电流i ik k在支路在支路1 1和和2 2之间流动，如果之间流动，如果i ik k的方向正确，此的方向正确，此电流将逐步减小支路电流将逐步减小支路1 1中的电流和增加支路中的电流和增加支路2 2中的电流。如总中的电流。如总回路中电感回路中电感L L足够大的话，则可以认为总电流足够大的话，则可以认为总电流I I在换流过程中在换流过程中保持不变。在完成了过渡后，也就是电流保持不变。在完成了过渡后，也就是电流i i2 2达到了值达到了值I I和电流和电流i i1 1变成零时，换流过程通过打开开关变成零时，换流过程通过打开开关S1S1而结束。而结束。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术u换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极换流正确完成的先决条件是在换流回路中必须有一个正确极性的换流电压存在。性的换流电压存在。u如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称如果利用交流电网存在的电压作换流电压，则这样的换流称之为自然换流。之为自然换流。u有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则称之为有时也可利用负载所产生的交流电压作换流电压，则称之为负载换流。负载换流。u负载换流也属于自然换流。负载换流也属于自然换流。u由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提由储能元件提供一个辅助电压作为换流电压，也可以通过提高被关断的电流支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功高被关断的电流支路的阻抗（例如采用具有自关断能力的大功率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式率晶体管或可关断晶闸管等元件）来完成换流，这种换流方式称之为强迫换流。称之为强迫换流。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术1.1.自然换流自然换流在自然换流时，变流器中的电流从支路在自然换流时，变流器中的电流从支路1 1过渡到支路过渡到支路2 2是在电网电压或负载是在电网电压或负载电压的干预下完成的。电压的干预下完成的。换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这换流时由于换流回路中电抗的作用，换流不能瞬时完成，在一段时间内这两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间两个要替换的开关器件将同时通以电流，这段时间称为换流重叠时间t tu u。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术（二）变流器的功能和分类（二）变流器的功能和分类u变流器的基本功能如下：变流器的基本功能如下：1 1）整流：将交流电转换成直流电；）整流：将交流电转换成直流电；2 2）逆变：将直流电变成一定频率和大小的交流电；）逆变：将直流电变成一定频率和大小的交流电；3 3）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电）直流电变换（直流斩波调压）：可将某固定大小的直流电变成大小任意可调的另一直流电；变成大小任意可调的另一直流电；4 4）交流电变换：将大小和频率固定的某交流电变成大小和频）交流电变换：将大小和频率固定的某交流电变成大小和频率可变的交流电。率可变的交流电。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术二、相控调压电路二、相控调压电路（一）单相交流调压（一）单相交流调压图图3 33333所所示示为为一一单单相相交交流流调调压压的的基基本本线线路路。二二个个反反并并联联的的晶晶闸闸管管周周期期性性地地触触发发时时间间点点，相相对对于于交交流流电电压压u u的的过过零零点滞后一个控制角点滞后一个控制角因此半因此半导导体体开开关关阻阻断断了了电电压压曲曲线线上上阴阴影影所所示示部部分分。在在每每次次晶晶闸闸管管触触发发以以后后，通通过过负负载载的的电电流流立立刻刻跳跳跃跃到到稳稳态态电电流流瞬瞬时时值值上上，然然后后按按正正弦弦规规律律流流动动直直至至零零值值，所所以以输输出出电电流流波波形是缺了一块的正弦交流电。形是缺了一块的正弦交流电。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术三、可控整流电路三、可控整流电路（一）单相可控整流（一）单相可控整流在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则在前述的单相交流调压电路中，如去除反并联晶闸管中的反向晶闸管，则反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成反向电压不再能加到负载电阻上（先假设负载为纯电阻负载），这就构成了一个最简单的单相半波可控整流器（图了一个最简单的单相半波可控整流器（图3-393-39（a a）。）。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术图图3-393-39（b b）所所示示是是单单相相可可控控整整流流电电路路的的电电压压电电流流波波形形。显显然然经经过过晶晶闸闸管管半半波波整整流流后后的的输输出出电电压压u ud d是是一一个个极极性性不不变变的脉动直流电压。的脉动直流电压。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术2.2.带电阻带电阻电感混合负载的单相可控整流电感混合负载的单相可控整流u整整流流电电路路的的负负载载除除电电阻阻外外常常常常还还带带有有一一定定大大小小的的电电感感，这这就就是所谓的电阻是所谓的电阻电感混合负载。电感混合负载。u电电机机的的激激磁磁绕绕组组串串接接有有平平波波电电抗抗器器的的负负载载等等，均均属属电电阻阻电感混合负载。电感混合负载。u由由于于电电感感有有反反抗抗电电流流变变化化的的特特性性，而而使使可可控控整整流流器器的的工工作作特特性发生了明显的变化，下面以图性发生了明显的变化，下面以图3 34141来加以说明。来加以说明。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术从从 波波形形上上可可以以看看到到，由由于于电电感感的的存存在在，延延长长了了晶晶闸闸管管的的导导通通时时间间，使使 波波形形中中出出现现了了正正、负负面面积积部部分分，从从而而减减小小了了输输出出直直流流电电压压平平均均值值。这这是是电电阻阻-电电感感负负载载时时可可控控整整流流电电路路工工作作原原理理的的重重要特点。要特点。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术 LR的的大大电电感感负负载载，。此此时时，对对于于不不同同控控制制角角 ，电电压压、电电流流波形如图波形如图3 34242所示。所示。此此时时电电压压 波波形形的的正正、负负面面积积接接近近相相等等，平平均均电电压压 ，造造成成平平均均直直流流电电流流 也也接接近近零零，负载上将得不到所需功率。负载上将得不到所需功率。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路如如不不采采取取措措施施，是是不不能能直直接接带带大大电电感感负负载载正正常常工工作作的的。解解决决的的方方法法是是在在负负载载两两端端并并联联一一续续流流二二极极管管。如如图图3 34343所所示。示。可可见见，加加了了续续流流二二极极管管后后的的输输出出直直流流电电压压波波形形和和纯纯电电阻阻负负载载时时完完全全相相同同（图图3 34343（b b），输输出出直直流流电电压压平平均均值值也也相相应应增增大大到到了了电电阻阻负负载载时的大小。时的大小。电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术电气工程概论电气工程概论 3.2 电力变换技术电力变换技术七、单象限直流电压变换电路七、单象限直流电压变换电路u以以上上所所述述各各类类变变流流器器，由由于于主主开开关关元元件件上上施施加加的的都都是是交交流流电电，流流过过的的电电流流都都有有自自然