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1、1电力电子技术电力电子技术基础基础总复习总复习教材：教材：电力电子技术电力电子技术 西安交通大学西安交通大学 王兆安王兆安 黄黄 俊俊 主编主编电力电子技术总复习总复习-2目录目录绪论绪论绪论绪论第第第第1 1 1 1章章章章 电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件 第第第第2 2 2 2章章章章 整流电路整流电路整流电路整流电路 第第第第3 3 3 3章章章章 直流斩波电路直流斩波电路直流斩波电路直流斩波电路 第第第第4 4 4 4章章章章 交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路交流电力控制电路和交交变频电路 第第第第5 5 5
2、5章章章章 逆变电路逆变电路逆变电路逆变电路 第第第第6 6 6 6章章章章 PWMPWM控制技术控制技术控制技术控制技术 第第第第7 7 7 7章章章章 软开关技术软开关技术软开关技术软开关技术 第第第第8 8 8 8章章章章 组合变流电路组合变流电路组合变流电路组合变流电路 电力电子技术总复习总复习-3 绪论电力电子技术（电力电子技术（电力电子技术（电力电子技术（电力电子器件应用技术即变流技术）电力电子器件应用技术即变流技术）电力电子器件应用技术即变流技术）电力电子器件应用技术即变流技术）使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。是研究电是研究
3、电是研究电是研究电能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括能变换原理及功率变换装置的综合性学科，包括电压、电流、电压、电流、电压、电流、电压、电流、频率和波形变换频率和波形变换频率和波形变换频率和波形变换，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术，涉及电子学、自动控制原理和计算机技术等学科。等学科。等学科。等学科。本质上就是研究本质上就是研究本质上就是研究本质上就是研究大功率可控电源大功率可控电源大功率可控电源大功率可控电源的技术的技术的
4、技术的技术。电力电子技术与信息电子技术的主要不同就是电力电子技术与信息电子技术的主要不同就是效率效率问题。大问题。大功率电力电子装置效率应高于功率电力电子装置效率应高于85%85%。信息电子主要着眼点在于。信息电子主要着眼点在于信号转换信号转换，电子器件大都工作在，电子器件大都工作在放大区放大区；电力电子着眼于；电力电子着眼于电电能变换能变换，电力电子器件工作在，电力电子器件工作在开关区开关区。电力电子技术总复习总复习-4 绪论电力电子技术（电力电子技术（电力电子技术（电力电子技术（电力电子器件应用技术即变流技术）电力电子器件应用技术即变流技术）电力电子器件应用技术即变流技术）电力电子器件应用
5、技术即变流技术）周期性高频开关型电路（周期性高频开关型电路（PWM)PWM)是提高电力电子电路工作效率是提高电力电子电路工作效率的关键。高频电路还能大大降低变压器的体积，从而有利于的关键。高频电路还能大大降低变压器的体积，从而有利于提高功率密度，降低成本。提高功率密度，降低成本。高频化使得高频化使得开关过程开关过程和和开关损耗开关损耗的控制变得更加重要，同时的控制变得更加重要，同时高频电磁噪声的抑制（高频电磁噪声的抑制（EMIEMI）也成为关键问题。也成为关键问题。电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能电力电子技术的发展方向是高频、高效、高功率密度和智能化，最终使人们进入化，最终
6、使人们进入电能变换电能变换和和频率变换频率变换更加自由的时代，更加自由的时代，并充分发挥其并充分发挥其节能节能、降耗降耗和和提高装置工作性能提高装置工作性能的作用。的作用。电力电子技术总复习总复习-5 电力电子应用技术即是电力电子应用技术即是变流技术变流技术 实现电力变换的技术称为实现电力变换的技术称为变流技术变流技术 实现电力变换的装置称为实现电力变换的装置称为功率变换器功率变换器 实现功率变换器的电路称为实现功率变换器的电路称为 电力电子电路电力电子电路n n电力变换电力变换电力变换电力变换 四大类四大类四大类四大类 交流直流交流直流交流直流交流直流 直流交流直流交流直流交流直流交流 直流
7、直流直流直流直流直流直流直流 交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流交流直流直流直流直流直流直流直流直流逆变逆变逆变逆变调压、调压、调压、调压、变频、变频、变频、变频、变相、变相、变相、变相、交流电交流电交流电交流电力控制力控制力控制力控制直流直流直流直流斩波斩波斩波斩波整流整流整流整流绪论电力电子技术总复习总复习-6 变流技术是变流技术是变流技术是变流技术是利用开关器件实现电力变换，利用开关器件实现电力变换，利用开关器件实现电力变换，利用开关器件实现电力变换，ACAC/DCDC基本整流电路基本整流电路基本整流电路基本整流电路利用开关器件利用开关器件实现电力变换实现电力变
8、换 同一种电路拓扑结构，不同的输入，不同的控制规同一种电路拓扑结构，不同的输入，不同的控制规同一种电路拓扑结构，不同的输入，不同的控制规同一种电路拓扑结构，不同的输入，不同的控制规律，可实现不同的输出律，可实现不同的输出律，可实现不同的输出律，可实现不同的输出绪论电力电子技术总复习总复习-7利用开关器件利用开关器件实现电力变换实现电力变换 DC DC/ACAC基本基本基本基本逆变逆变逆变逆变电路电路电路电路 变流技术变流技术变流技术变流技术利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换绪论电力电子技术总复习总复习-8利用开关器件利用开关器件实现
9、电力变换实现电力变换 DC DC/DCDC直流降压直流降压直流降压直流降压电路电路电路电路 变流技术变流技术变流技术变流技术利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换绪论绪论电力电子技术总复习总复习-9 AC AC/ACAC直接变频、变压直接变频、变压直接变频、变压直接变频、变压电路电路电路电路利用开关器件利用开关器件实现电力变换实现电力变换 变流技术变流技术变流技术变流技术利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换利用开关器件实现电力变换绪论电力电子技术总复习总复习-10绪论和其他课程的关系：和其他课程的关系
10、：和其他课程的关系：和其他课程的关系：电路电路电路电路电子技术基础电子技术基础电子技术基础电子技术基础电力电电力电电力电电力电子技术子技术子技术子技术电力拖动自电力拖动自电力拖动自电力拖动自动控制系统动控制系统动控制系统动控制系统课程学习要求课程学习要求课程学习要求课程学习要求：掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术；掌握典型电力半导体器件的运行特性和应用技术；掌握典型电力电子变换器的主电路掌握典型电力电子变换器的主电路 拓扑结构、电路原理、工作波形、控制要求；拓扑结构、电路原理、工作波形、控制要求；掌握常用的电力电子变换电路的分析方法；掌握常用的电力电子变换电路的分析方法；了解电力电子变
11、换器的应用领域；了解电力电子变换器的应用领域；了解电力电子变换器的电路仿真软件如了解电力电子变换器的电路仿真软件如MATLAB、PSPICE、PSIM等的应用；等的应用；电力电子学是一门实践性很强的专业课程，应主动对待电力电子学是一门实践性很强的专业课程，应主动对待实验，培养实际工作能力。实验，培养实际工作能力。电机拖电机拖电机拖电机拖动基础动基础动基础动基础+自动控自动控自动控自动控制原理制原理制原理制原理电力电子技术总复习总复习-11课程考核分为三部分：期末闭卷考试（50%)、平时考勤实验(20%)、专题研究报告(30%)电力电子技术自主学习-电力电子技术专题研究自主选择一个课题或自拟一课
12、题（不能同一题目），3个同学一组，分工合作完成方案设计、电路设计及参数设计、仿真研究（或电路原理图设计及印刷电路板设计）内容应与电力电子技术有关。要求同大学生电子竞赛要求，应有性能指标设计。有书面报告并作好PPT,组织专题讨论会。选择比较优秀的课题作为进一步实验研究。绪论电力电子技术总复习总复习-12专题1-三相晶闸管整流电路数字触发控制专题2开关稳压电源电路设计专题3三相正弦波变频电源专题4DC-DC PWM 升降压(Cuk)变换电路设计专题5DC-DC变换器应用直流电机速度控制专题6DC-DC 单端反激式变换电路设计专题7DC-DC 单端正激式变换电路设计专题8DC-AC SPWM单相全桥
13、逆变电路设计专题9智能功率模块（IPM）变频调速电路设计专题10变频器光电隔离驱动电路设计专题11电力电子电路闭环控制（稳态和动态分析）专题12电力电子电路闭环动态特性专题13晶闸管整流电路谐波和功率因数分析专题14移相全桥零电压开关电路实验专题15电力电子电路滤波器设计专题16电力电子电路功率因数分析专题17电力电子电路中信号的频谱分析电力电子技术总复习总复习-13专题18-变频器电路原理图设计专题19带功率因数校正（PFC）的整流电路设计专题20谐振软开关电路实验专题21-单相交流电源自动稳压器专题22-24V交流单相在线式不间断电源电路设计专题23-三相交流在线式不间断电源电路设计专题2
14、4-逆变器电路及其数字控制专题25-三电平逆变电路及其数字控制专题26-光伏并网发电模拟装置专题27-PWM整流器分析与控制专题28-双PWM变换器分析与控制专题29-三相晶闸管交交变频电路谐波分析专题30-矩阵变换器分析与控制专题31-PWM控制芯片及外围电路设计专题32-电动汽车充电电路设计专题33-非接触充电电路设计电力电子技术总复习总复习-14专题专题1-1-三相晶闸管整流电路数字触发控制三相晶闸管整流电路数字触发控制专题专题2 2开关稳压电源电路设计开关稳压电源电路设计专题专题3 3DC-DC PWM DC-DC PWM 升降压升降压(Cuk)(Cuk)变换电路设计变换电路设计专题专
15、题4 4DC-DCDC-DC变换器应用变换器应用直流电机速度控制直流电机速度控制专题专题5 5DC-DC DC-DC 单端反激式变换电路设计单端反激式变换电路设计专题专题6 6DC-DC DC-DC 单端正激式变换电路设计单端正激式变换电路设计专题专题7 7电力电子电路滤波器设计电力电子电路滤波器设计专题专题8-8-单相交直交变频电路的实验研究单相交直交变频电路的实验研究专题专题9 9直流斩波电路直流斩波电路(设计性设计性)的实验研究的实验研究（sepic choppersepic chopper、zeta chopperzeta chopper）专题专题10-10-斩控式交流调压电路的实验研
16、究斩控式交流调压电路的实验研究专题专题11-PWM11-PWM整流器分析与控制整流器分析与控制专题专题12-12-锯齿波移相触发电路的实验研究（维修）锯齿波移相触发电路的实验研究（维修）专题专题13-13-电动汽车充电电路设计电动汽车充电电路设计专题专题1414逆变器电路及其驱动电路设计逆变器电路及其驱动电路设计专题专题15-15-非接触充电电路设计非接触充电电路设计专题专题16-24V16-24V交流单相在线式不间断电源电路设计交流单相在线式不间断电源电路设计专题专题17-17-三相交流在线式不间断电源电路设计三相交流在线式不间断电源电路设计电力电子技术总复习总复习-15研究课题研究课题姓名
17、姓名开关稳压电源电开关稳压电源电路设计路设计锯齿波移相锯齿波移相触发电路触发电路的实验研的实验研究（维修）究（维修）罗小慧罗小慧谢丽梁俊明佘玉儿陈爱娣三相晶闸管整流三相晶闸管整流电路数字触电路数字触发控制发控制逆变器及其逆变器及其驱动电驱动电路设计路设计吴建国吴建国张俞张樊侯云明专题专题2 2开关稳压开关稳压电源电路设电源电路设计计DC-DC 单单端反激端反激式变换式变换电路设电路设计计陈基伟陈基伟梁文君甘智华林斯扬钟航宇黄晨龙研究课题研究课题姓名姓名电力电子电路滤波电力电子电路滤波器设计器设计赖诏南赖诏南曾镇海余波欧阳焕彬三相晶闸管整流电三相晶闸管整流电路数字触发控路数字触发控制制黄景维黄景
18、维练中华蔡文豪包应星-电动汽车充电电电动汽车充电电路设计路设计单相交直交变单相交直交变频电路的频电路的实验研究实验研究冯俊杰冯俊杰李高强黎智扬黄李成专题专题2 2开关稳压开关稳压电源电路设计电源电路设计DC-DC 单端正单端正激式变激式变换电路换电路设计设计陈雅麟陈雅麟谢文思蔡洽泳肖徽扬研究课题研究课题姓名姓名专题专题32-32-电动汽电动汽车充电电路车充电电路设计设计包兴包兴李凯彬郭予灿蓝兴世冯立佳专题专题1616电力电电力电子电路功率子电路功率因数分析因数分析斩控式交流斩控式交流调压电调压电路的实路的实验研究验研究杨肇科杨肇科魏智超何权辉李源河专题专题31-PWM31-PWM控制控制芯片及
19、外围芯片及外围电路设计电路设计直流斩波电路直流斩波电路(设计性设计性)的实验研的实验研究究（sepic chopper、zeta chopper）张镇麟张镇麟严海东李郁翔赵英栋电力电子技术总复习总复习-16专题专题姓名姓名1.PWM升降压（升降压（Cuk）变换电路设计变换电路设计直流斩波电路直流斩波电路(设计性设计性)的实验研究的实验研究（sepic chopper、zeta chopper）吕耀辉吕耀辉蔡楸煜蔡楸煜黄志文黄志文黄佳胜黄佳胜刘梓杰刘梓杰2.非接触充电电路设计非接触充电电路设计曾家杰曾家杰范进锋范进锋麦淑贞麦淑贞冯雅莉冯雅莉张莹张莹3.电力电子电路滤波器电力电子电路滤波器设计设计
20、郝福龙郝福龙张稚声张稚声周树佳周树佳崔颖崔颖林涛林涛4.三相三相PWM变换器分析变换器分析与控制与控制单相交直交变频电路的实单相交直交变频电路的实验研究验研究冯展钊冯展钊郑润山郑润山陈沛伟陈沛伟黄家辉黄家辉5.单相单相PWM整流器分析整流器分析与控制与控制欧庆德欧庆德邓国顺邓国顺李灿忠李灿忠肖晓彬肖晓彬专题专题姓名姓名6PWM变换器直流电机变换器直流电机速度控制速度控制谭宜钊谭宜钊李功基李功基赖月海赖月海李耿城李耿城7.大功率整流电源触发大功率整流电源触发器的研究器的研究巫礼杰巫礼杰潘海亮潘海亮石博石博陈浩茹陈浩茹朱伟敏朱伟敏8.晶闸管整流电路谐波晶闸管整流电路谐波和功率因数分析和功率因数分析
21、单相交直交变频电路单相交直交变频电路的实验研究的实验研究石国鹏石国鹏何伟何伟何潇敏何潇敏焦杰桥焦杰桥赖立生赖立生9.PWM控制芯片及外控制芯片及外围电路设计围电路设计斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路的实验研究的实验研究梁毅梁毅郭刘伟坪郭刘伟坪陈眀帅陈眀帅黄仁茂黄仁茂彭志浩彭志浩10.电力电子电路功率电力电子电路功率因数分析因数分析IGBT驱动电路实验研驱动电路实验研究究贺文波贺文波苏少伟苏少伟朱豪明朱豪明梁国浩梁国浩叶伟东叶伟东电力电子技术总复习总复习-17n电阻是能量损耗器件，电阻在电力电子电路中存在于负载和寄生参数中，例如，电源的等效电阻，电感、变压器和电机中的线圈电阻，导线电阻，电容
22、的等效电阻以及联结时的接触电阻等。n电阻的大小与电流的频率无关，但导体中的线电阻与频率有关，随着流过电阻的电流频率增大，线电阻增大。具有趋肤效应，解决趋肤效应的办法就是采用多线头导体。n电阻串联和并联的方法可以推广到整个电力电子元件和电路。如电力电子元件串联可以承受更高的电压，并联可以流更大的电流。通过串联或并联还可改善电力电子电路的性能，改善输出电压或电流的波形如降低电压或电流脉动率，改善功率因数等。电力电子电路中的电阻电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-18n电感是储能器件，高频开关电路中还应考虑寄生电感的对器件及电路的影响。负载、导线、变压器和电机的漏感都可视为寄生电感。n
23、电感的电压电流关系为：n大电感具有维持动态电流不变的能力：n串联大电感的电源可视为恒流源。n电感电流的突然变化会导致电感两端产生很高的电压，也影响到电路中相关的元件。n电感中电流不会瞬间跳变，即电感中电流是连续的。因此，在电力电子开关两端须反并联一个续流二极管n电感常用于限制开关过程中瞬间过电流，还可用于维持并联支路之间电流平衡。电力电子电路中的电感连接电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-19n电容也是储能器件，高频开关电路中须考虑寄生电容的作用，变压器中的匝间和层间，二极管、晶体管、晶闸管中的PN结都存在寄生电容。电容的电压电流关系为：n即恒流源向电容充电时，电容两端电压线性增
24、加。并联大电容可维持动态电压不变，电容两端的电压是连续的。n并联大电容的电源可视为恒压源。n电容两端电压的突然变化，会导致非常大的电流。n电容和单向开关不能并接在一起，无论何时需要这种连接，开关断开时，必须提供阻塞二极管与电容串接在一起，防止万一开关闭合形成短路。n周期性的激励包含电容的电路，一个周期内流出和流入电容的平均电压为零。如果流出流入电容的平均电流非零，那么电容电压将泵升到无穷大。n电容常用来限制开关过程中瞬间过电压。还可用于串联电路的动态均压。电力电子电路中的电容连接电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-20电力电子电路中的变压器电力电子电路中的变压器nLC电路常构成谐
25、振电路。串联谐振电路电流最大。并联谐振电路总电流最小。LC电路可构成开关电路的无源滤波器，滤去高频分量。LC谐振电路常用来构成软开关电路。n变压器只能用于传输交流信号或交流电能。直流电压不能通过变压器传输。如果有直流分量流过变压器绕组会造成磁饱和，导致发热甚至烧坏。变压器是通过磁耦合把电能或电信号从一个电路传输到另一电路，只要原边电路和副边电路不共地，则原副边绕组信号电气隔离。变压器到但传输过程中电压或电流波形的频率不会改变，当然，能量守恒定律适用于变压器。n变压器可以变压也可作为变换器到负载的阻抗匹配器件。变压器不能改变频率。n变压器的体积和重量与频率成反比。高频化可减小N，S参数值,从而减
26、小了变压器的体积和重量；还可减小滤波器的参数,从而有效的降低电力电子装置的体积和重量。电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-21电力电子器件电力电子器件n 电力电子器件是在电力电子电路中是作为电力电子器件是在电力电子电路中是作为可控开关可控开关来用。来用。电力电子器件是一种半导体开关，实际上是一种电力电子器件是一种半导体开关，实际上是一种单向单极单向单极开关开关。它不是。它不是理想开关理想开关，存在，存在开关时间开关时间和和开关暂态过程开关暂态过程。开关时间也限制了电力电子器件的开关频率。开关时间也限制了电力电子器件的开关频率。n最受关注的是电力电子器件的可控性、开关时间、开关最受
27、关注的是电力电子器件的可控性、开关时间、开关过程中的特性、开关元件的最高耐压值和最大电流值。过程中的特性、开关元件的最高耐压值和最大电流值。n按照器件能够按照器件能够被控制的程度被控制的程度被控制的程度被控制的程度，分为三类：，分为三类：u 半控型器件半控型器件 通过控制信号控制其导通而不能控制其关断。通过控制信号控制其导通而不能控制其关断。u 全控型器件全控型器件 通过控制信号控制其导通又控制其关断。通过控制信号控制其导通又控制其关断。u 不可控器件不可控器件 不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。不能用控制信号来控制通断，不需驱动电路。按照按照驱动电路信号驱动电路信号驱动电路信号驱动电路
28、信号的性质，分为两类的性质，分为两类：电流驱动型电流驱动型 驱动功率大。驱动功率大。电压驱动型电压驱动型 驱动功率小。驱动功率小。电力电子技术总复习总复习-22 电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件分类分类“树树树树”n 单极型单极型：l l 电力电力电力电力MOSFETMOSFET（电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管）l SIT（静电感应晶体管静电感应晶体管）n 双极型双极型：l l 电力二极管电力二极管电力二极管电力二极管l l 晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（SCRSCR ）l l GTOGTO （门极可关断晶闸管）门极可关断晶闸管）门极可关断晶闸管）
29、门极可关断晶闸管）l l GTRGTR（电力晶体管）电力晶体管）电力晶体管）电力晶体管）l SITH（静电感应晶闸管静电感应晶闸管）l IRIAC（双向晶闸管双向晶闸管）l RCT（逆导逆导晶闸管晶闸管）l LTT（光控晶闸管）（光控晶闸管）n 混合混合型型：l l IGBTIGBT（绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管）l MCT（MOS控制晶闸管控制晶闸管）电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳电力电子技术总复习总复习-23n二极管是不可控开关。PN结的单向导电性使它成为单向开关。结的单向导电性使它成为单向开关。PN结有
30、结有电容效应，电容效应，影响开关频率。影响开关频率。n二极管开通时间很短；但关断前有大的反向电流，伴随有明显的反向电压过冲。并且需要一个反向恢复时间t trrrr。n影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间trr。5s以以上称上称普通二极管普通二极管(整流二极管），整流二极管），开关频率在开关频率在1kHz以下以下，但电，但电流和反向电压很高，流和反向电压很高，5s以下，数百ns的称快速二极管。1040ns为肖特基二极管。肖特基二极管。n额定电流为正弦半波的平均值，器件工作按发热有效值计算。额定电流为正弦半波的平均值，器件工作按发热有效值计算。因此需换算到平均值来选择二极管。因此需换算到平均
31、值来选择二极管。电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-24晶闸管n晶闸管内部可等效为级三极管模型。正反馈原理和制造特点使之成为半控性开关。普通晶闸管的关断时间约几百微秒。选择电压和电流等级时同二极管。n晶闸管对du/dt和di/dt敏感。关断过程中应采取电路限制。n晶闸管的派生器件：快速晶闸管数10s，高频晶闸管10s左右.双向晶闸管可看作是一对反并联联接的晶闸管。但它用有效值来表示其额定电流值。逆导晶闸管反并联二极管的集成。光控晶闸管，利用光照信号触发晶闸管。可保证主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。从而大大提高了开关的可靠性，在高压大功率中应用广泛。n晶闸管阳极
32、正向电压下，控制门极触发脉冲的产生时刻就可控制晶闸管的导通。反向阳极电压是晶闸管关断的必要条件，但真正关断须电流低于维持电流时。这是分析晶闸管电路的基础。电力电子技术总复习总复习-25 常用常用常用常用全控型器件全控型器件全控型器件全控型器件符号符号符号符号门极可关断门极可关断晶闸管晶闸管（GTO）门极门极G阳极阳极 A阴极阴极 K电力晶体管电力晶体管(GTR)发射极发射极 e基极基极 b集电极集电极 c绝缘栅绝缘栅双极晶体管双极晶体管（IGBT）发射极发射极 E栅极栅极 G集电极集电极 C电力场效应晶体管电力场效应晶体管（电力电力MOSFET）P沟道沟道N沟道沟道栅极栅极 G漏极漏极 D源极
33、源极 SDGS电力电子技术总复习总复习-26全控型器件全控型器件n 全控型器件指即可控制开通又能控制关断。以门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（MOSFET）。绝缘栅双极晶体管（IGBT）可视为GTR和MOS管的复合器件。GTO和GTR为电流驱动型，而MOS和IGBT为电压驱动型。nGTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅；GTO关断过程与门极负脉冲电流波形的幅值和波形有关。幅值越大，前沿越陡，时间越短；门极负脉冲的后沿缓减，且保持适当负电压，则可缩短尾部时间。电流关断增益off一般很小，只有5左右，是GTO的主要缺点。nGTR与小功率晶体管基本原
34、理一样。区别是耐压高、电流大、开关特性好。一般采用共发射极接法，单管GTR的值较小只为10左右。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。GTR存在二次击穿现象和最高电压UceM、集电极最大电流IcM、最大耗散功率PcM、二次击穿临界线构成的限定安全工作区。电力电子技术总复习总复习-27全控型器件全控型器件n电力场效应晶体管主要指绝缘栅N沟道增强型 MOS管。驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关时间在10-100ns之间，开关频率100kHz以上，是开关速度最快的。热稳定性优于GTR，但电流容量小，耐压低，功率不超过10kW。MOSFET的开关速度和栅极输入电容Cin充放电有很大
35、关系。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。nIGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOS驱动的厚基区PNP晶体管。开关速度低于电力MOSFET，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。存在由一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成寄生晶闸管。若动态或稳态电流过大 或duCE/dt过大 或温度过高，寄生晶闸管将开通，失去电流控制作用。称为掣住效应或自锁效应。n为避免为避免IGBT发生擎住现象发生擎住现象:1设计电路时应保证设计电路时应保证IGBT中中的的电流不超过电流不超过IDM值值；2用用加大门极电阻加大门极电阻RG的办法延长的办法延长IGBT的关断时
36、间，减小重加的关断时间，减小重加dVDS/d t。3器件制造厂家器件制造厂家也在也在IGBT的工艺与结构上想方设法的工艺与结构上想方设法尽可能提高尽可能提高IDM值值，尽，尽量避免产生擎住效应。量避免产生擎住效应。电力电子技术总复习总复习-28常用电力电子器件性能对比常用电力电子器件性能对比可控性可控性驱动信号驱动信号额定额定电压、电流电压、电流工作频率工作频率饱和压降饱和压降二极管二极管不可控不可控无无 最大最大有高有高有低有低小小晶闸管晶闸管半控半控脉冲电流脉冲电流（开通）（开通）最大最大最低最低小小GTO全控全控正、负正、负脉冲电流脉冲电流大大较低较低中中GTR全控全控正正(负负)电流电
37、流中中中中小小电力电力MOSFET全控全控正正(负负)电压电压小小最高最高大大IGBT全控全控正电压正电压较大较大较高较高较小较小 电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-29器件优点缺点应用领域GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，电流驱动型需要驱动功率大，驱动电路复杂，存在2次击穿问题UPS、空调等中小功率中频场合GTO电压、电流容量很大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低高压直流输电、高压静止无功补偿、高压电机驱动、电力机车地铁等高压大功率场合。
38、MOSFET开关速度快，开关损耗小，工作频率高，门极输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小，驱动电路简单，没有2次击穿电流容量小，耐压低，通态损耗较大，一般适合于高频小功率场合开关电源、日用电气、民用军用高频电子产品IGBT开关速度高，开关损耗小，通态压降低，电压、电流容量较高。门极输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单开关速度不及电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。电机调速，逆变器、变频器等中等功率、中等频率的场合，已取代GTR。应用最广泛的电力电子器件。电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-30电力电子器件允许的开关频率与允许功率范围及主要应用领域电力电子器件电力电子器件电力
39、电子技术总复习总复习-31电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路n 驱动电路是主电路与控制电路之间的接口。驱动电路产生理想的信号波形并进行功率放大还兼有电气隔离、保护功能。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。不同的电力电子器件驱动特点不同。常采用集成驱动芯片。电气隔离有光耦隔离或变压器（磁）隔离种。控控制制电电路路检测检测电路电路驱动驱动电路电路RL主电路主电路V1V2保护保护电路电路电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-32tIIMt1t2t3t4图图-26理想的晶闸管触发脉理想的晶闸管触发脉冲流波形冲流波形n晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路要求：产生要求：产生可控
40、的移相脉冲；移相脉冲与主可控的移相脉冲；移相脉冲与主电源同步；电源同步；角恒定角恒定,有一定的移有一定的移相范围。相范围。OttOuGiG图图1-28 推荐的推荐的GTO门极门极电压电流波形电压电流波形nGTOGTO驱驱动动电电路路通通常常包包括括开开通通驱驱动动电电路路、关关断断驱驱动动电电路路和和门门极极反反偏偏电电路路三三部部分分，可可分分为为脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合式式和和直直接耦合式接耦合式两种类型。两种类型。电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-33nGTR属电流驱动型器件。开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入
41、放大区和深饱和区。关断时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。tOib 图图1-30 理想的理想的GTR基极驱动电流波形基极驱动电流波形n电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗。由于是容性输入阻抗，要保证有一条低阻抗值的放电回路。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路
42、电力电子技术总复习总复习-34电力电子电路的过电压保护电力电子电路的过电压保护图图1-34过电压抑制措施及配置位置过电压抑制措施及配置位置F避雷器避雷器D变压器静电屏蔽层变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用阀侧浪涌过电压抑制用RC电路电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路电路RV压敏电阻过电压抑制器压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用阀器件换相过电压抑制用RC电路电路RC4直流侧直流侧RC抑制电路抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用阀器件关断过电压抑制用RCD电路电路n 电力电子装置可视具体
43、情况只采用其中的几种。电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。n 其中其中RC3和和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-35电力电子电路的过电流保护电力电子电路的过电流保护负载负载触发电路触发电路开关电路开关电路过电流过电流继电器继电器交流断路器交流断路器动作电流动作电流整定值整定值短路器短路器电流检测电流检测电子保护电路电子保护电路快速熔断器快速熔断器变流器变流器直流快速断路器直流快速断路器电流互感器电流互感器变压器变压器l 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。同时采用几种过
44、电流保护措施，提高可靠性和合理性。p 电子电路电子电路作为第一保护措施，作为第一保护措施，p 快快速速熔熔断器断器仅作为短路时的部分区段的保护，仅作为短路时的部分区段的保护，p 直流快速断路器直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，整定在电子电路动作之后实现保护，p 过电流继电器过电流继电器整定在过载时动作。整定在过载时动作。图图1-37 过电流保护措施及配置位置过电流保护措施及配置位置 保护措施保护措施电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-36缓冲电路缓冲电路n关关断断缓缓冲冲电电路路（du/dt抑抑制制电电路路）吸吸收收器器件件的的关关断断过过电电压和换相过电压，抑制压和
45、换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。，减小关断损耗。n开开通通缓缓冲冲电电路路（di/dt抑抑制制电电路路）抑抑制制器器件件开开通通时时的的电电流过冲和流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。，减小器件的开通损耗。n复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。n按按能能量量的的去去向向分分类类法法：耗耗能能式式缓缓冲冲电电路路和和馈馈能能式式缓缓冲冲电电路路（无损吸收电路）。（无损吸收电路）。n通通常常将将缓缓冲冲电电路路专专指指关关断断缓缓冲冲电电路路，将将开开通通缓缓冲冲电电路路叫叫做做di/dt抑抑制电路。制电路。缓冲电路缓冲电路(S
46、nubber Circuit)：又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。电力电子技术总复习总复习-37缓冲电路缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路无缓冲电路有缓冲电路有缓冲电路图图1-38di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a)电路电路 b)波形波形ADCB无缓冲电路无缓冲电路有缓冲电路有缓冲电路uCEiCO 图图1-39 关断时的负载线关断时的负载线b)tuCEiCOdidt抑制电路时抑制电路时有有有缓冲电路时有缓冲电路时无缓冲电路时无缓冲电路时uCEiCdidt抑制电路时抑制电
47、路时无无电力电子技术总复习总复习-38缓冲电路缓冲电路 充放电型充放电型RCD缓冲电路，缓冲电路，适用于中等容量的场合。适用于中等容量的场合。图图1-38 di/dt抑制电路和抑制电路和充放电型充放电型RCD缓冲电路及波形缓冲电路及波形a)电路电路RC缓缓冲冲电电路路主主要要用用于于小小容容量器件；量器件；放放电电阻阻止止型型RCD缓缓冲冲电电路路用于中或大容量器件。用于中或大容量器件。图图1-40 另外两种常用的缓冲电路另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路吸收电路b)放电阻止型放电阻止型RCD吸收电路吸收电路电力电子技术总复习总复习-39电力电子器件的串联和并联电力电子器件的串联和并联n当
48、单个器件额定电压小于要求时，可以串联。串联时应当单个器件额定电压小于要求时，可以串联。串联时应注意解决注意解决均压问题均压问题：如因静态伏安特性的分散性，各：如因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等造成的器件分压不等造成的静态不均压静态不均压或由于器件动态参数或由于器件动态参数和特性的差异造成的动和特性的差异造成的动态不均压态不均压。u静态均压措施静态均压措施：选用参数和特性尽量一致的器件。采：选用参数和特性尽量一致的器件。采用电阻均压，用电阻均压，R Rp p的阻值应比器件阻断时的正、反向电的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。阻小得多。u动态均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量
49、一致的器件。：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用用RCRC并联支路作动态均压。门极强脉冲触发可显著减并联支路作动态均压。门极强脉冲触发可显著减小器件开通时间的差异小器件开通时间的差异。u当单个器件额定电流小于要求时可以并联。并联时应当单个器件额定电流小于要求时可以并联。并联时应注意注意解决因静态和动态特性参数的差异而电流不均问解决因静态和动态特性参数的差异而电流不均问题。题。均流措施均流措施：挑选特性参数尽量一致的器件。采用：挑选特性参数尽量一致的器件。采用均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。均流电抗器。用门极强脉冲触发也有助于动态均流。当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后
50、并当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。的方法联接。电力电子器件电力电子器件电力电子技术总复习总复习-40n 电力电力MOSFETMOSFET并联运行的特点并联运行的特点:RonRon有正温度系数，有电流自有正温度系数，有电流自均衡能力，容易并联。注意选用参数尽量相近的器件并联。均衡能力，容易并联。注意选用参数尽量相近的器件并联。电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感，电路走线和布局应尽量对称。可在源极电路中串入小电感，起到均流电抗器的作用。起到均流电抗器的作用。nIGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点:在在1/21/2或或1/31/3额定电流以下区段，通