电力电子基础知识大作业

《电力电子技术》课程大作业电力电子技术器件、电路和技术综述院（系）名称信息工程学院专业名称电子信息工程技术学生姓名XXX学号xxx指导教师王照平2015年6月12日黄河科技学院课程作业第2页基于电力电子技术器件、电路和技术综述的1、概述从广义来讲，电子技术应包含信息电子技术和电力电子技术两大分支，而通常所说的电子技术一般指信息电子技术。电力电子技术也称为电力电子学，它真正成为一门独立的学科始于1957年第一只晶闸管的问世。在1970年国际电气和电子工程协会（IEEE）电力电子学会上对电力电子技术作了以下定义：“电力电子技术就是有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。它包括对电压、电流频率和波形的变换。”简言之，电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。电力电子技术是电力、电子控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，它们之间的关系可用倒三角图形描述，如图1-1所示。图1-1描述电力电子学的倒三角形第一，电力电子技术是在电子技术的基础上发展起来的，它们都可可分为器件、电路和应用三个部分，且器件的材料和制造工艺基本相同，只有两者的应用目的有所不同，电黄河科技学院课程作业第3页子技术应用于信息的处理（如放大等），电力电子技术应用于电力变换和控制，它所变换的功率可大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或毫瓦数量级。第二，电力电子技术广泛应用于电器工程，如高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电器工程中，它对电器工程的现代化起着重要推动作用。第三，电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱点和强电之间的接口。而控制理论是实现这种接口的一种强有力的纽带,是电力电子技术重要理论依据。所以，也可以认为：电力电子技术是运用控制理论将电子技术应用到电力领域的综合性技术。2、电力电子常用器件2.1、电力电子器件概念可以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。2.2、电力电子器件分类按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类：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。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。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：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。2.3、不可控器件—电力二极管2.3.1电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的。由一个面积较大的PN黄河科技学院课程作业第4页结和两端引线以及封装外壳组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。如图2-1所示图2-1电力二极管的外形、结构和电气符号（a)外形（b)结构（c)电气图形符号二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征PN结的反向击穿（两种形式）：雪崩击穿、齐纳击穿。均可能导致热击穿(永久性击穿）2.3.2电力二极管与信息电子电路中的普通二极管的区别状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态--黄河科技学院课程作业第5页由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。2.4半控型器件-晶闸管晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。晶闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。这里所说的晶闸管都是指普通晶闸管。2.4.1晶闸管的结构及工作原理按照外形封装形式可分为：小电流塑封式（图a)、小电流螺拴式(图b)、大电流螺拴式额定电流在200A以上(图c)、大电流平板式额定电流在200A以上(图d)、图形符号（图e)图2-2晶闸管的外形及图形符号由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。黄河科技学院课程作业第6页图2-3晶闸管的管芯结构和等效电路按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程：IC1＝α1IA＋ICO1(2－1)IC2＝α2IK＋ICO2(2－2)IK＝IA＋IG（2－3)IA＝IC1＋IC2(2－4)α1＝IC1/IA、α2＝IC2/IK分别是晶体管V1和V2的共基极接法的电流放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。推出：（1-5）迅速增大。阻断状态：IG=01+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。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。晶闸管导通的必要条件是：必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。流过晶闸管的阳极电压IA必须大于晶闸管的维持电流IH。)(121212COCOGAIIII黄河科技学院课程作业第7页2.5晶闸管的应用已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。2.6全控型电力电子器件晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此，我们称其为半控型器件。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）、结缘栅双极型晶体管（IGBT）等。根据器件内部载流子参与导电的种类不同，全控型器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。器件内部只有一种载流子参与导电的称为单极型，如电力场控晶体管（PowerMOSFET）、静电感应晶体管（SIT）等；器件内部有电子和空穴两种载流子导电的称为双极型器件，如GTR、GTO、SITH等；由双极型器件与单极型器件复合而成的新型器件称为复合型器件，如IGBT等。2.6.1门极可关断晶闸管（GTO）门极可关断晶闸管GTO是普通晶闸管的一种派生器件，与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构。其电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因而在大功率场合仍有较多的应用。GTO主要用于直流变换和逆变等需要器件强迫关断的地方。和普通晶闸管的管芯结构基本一样，外部仍然是引出阳极、阴极和门极（控制极）。不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个电极，但内部则包含了数拾个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些小GTO单元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。如图2-3是GTO的内部结构和电气图形符号黄河科技学院课程作业第8页图2-3GTO的内部结构和电气图形符号a.各单元的阴极、门极间隔排列b.并联单元结构断面示意图c.电气图形符号2.6.2GTO工作原理GTO的工作原理仍然可以用图2－4所示的互补双晶体管模型来分析图2-4晶闸管的管芯结构和等效电路P1N1P2和N1P2N2构成的两个互补晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益（共基极放大倍数）α1和α2。由普通晶闸管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。当α1＋α21时，两个互补晶体管V1、V2进入过饱和而使器件导通；当α1＋α21时，不能维持饱和导通而关断黄河科技学院课程作业第9页2.7电力晶体管（GTR）电力晶体管（GiantTransistor）简称GTR，又称为巨型晶体管。是一种双极型大功率高耐压晶体管。因此，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，因此被广泛应用于不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。2.7.1GTR的结构和工作原理NPN三层扩散台面型结构是单管GTR的典型结构。如图（a）所示：图中掺杂浓度高的N＋区称为GTR的发射区，E为发射极。基区是一个厚度在几微米至几十微米之间的P型半导体层薄层，B为基极。集电区是N型半导体，C为集电极。图（c）是GTR的电气符号。为了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N—区。在两种不同类型的半导体交界处N+-P构成发射结J1,P-N构成集电结J2,如图（b）所示。图2-5GTR的结构及电气符号在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，我们希望它在电路中的表现接近于理想开关-----即导通时的管压降趋近于零，截止时的电流趋近于零，而且两种状态间的转换过程要足够快。如图2-6GTR的开关电路及输出特性黄河科技学院课程作业第10页图2-6GTR的开关电路及输出特性2.8绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）简称为IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT于1982年开始研制，1986年投入生产，是当前发展最快而且最有前途的一种混合型器件。目前IGBT的产品已经系列化，其最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50KHz。IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格MOSFET的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。在电机拖动控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小功率领域，IGBT大有取代GTR和MOSFET的趋势。2.8.1IGBT的工作原理在实际应用电路中IGBT的集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，它的导通和关断由栅极电压来控制。如图2-7所示是IGBT的结构、等效电路及电气符号黄河科技学院课程作业第11页图2-7IGBT的结构、等效电路及电气符号3、电力电子的变换电路变换电路可分为：整流电路、逆变电路、交流变换电路、直流斩波电路。3.1整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路的一种，也是应用最基本最广泛的电能变换电路，将交流电变为直流电。按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向。3.2单相可控整流电路3.2.1单相半波可控整流电路3.2.11带电阻负载的工作情况电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同如图3-1(a)所示为单向半波带电阻性负载可控整流电路，它由整流变压器TR、晶闸管VT和负载电阻Rd组成。图中u1、u2分别为变压器一二侧电压瞬时值，ud.id分别是负载电压和负载电流瞬时值，ut、it分别为晶闸管两端电压和通过晶闸管的电流瞬时值；i2为变压器二次绕组电流瞬时值。黄河科技学院课程作业第12页TVTR0a)u1u2uVTudidt12ttttu2uguduVT0b)c)d)e)00图3-1单相半波可控整流电路及波形触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。αud导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。移相范围:使整流电压平均值ud从最大值变到0时对应的α角的变化范围。直流输出电压平均值为VT的α移相范围为180通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。3.2.12带阻感负载的工作情况2cos145.0