西南交大电力电子课件

西南交通大学电力电子技术PowerElectronics西南交通大学电力电子技术——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电力电子器件制造技术（基础是半导体物理）电力电子技术的基础电力电子器件应用技术（变流技术）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及系统的技术电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。西南交通大学电力电子技术的任务电能的变换:包括频率变换、幅值变换、相数变换、相位变换常用的变换有：交流到直流的变换—整流直流到交流的变换—逆变直流到直流的变换交流到交流的变换西南交通大学195770年代中引燃管闸流管二极管晶闸管80年代后GTOGTR晶闸管场效应管IGBTGTO晶闸管场效应管电力半导体开关的发展101K100K场效应管10010KIGBTIPM1MGTOGCT晶闸管西南交通大学电力电子学(PowerElectronics)名称60年代出现全世界普遍接受的对电力电子学进行描述的倒三角形电力电子学电子学电力学控制理论连续、离散与相关学科的关系电路电子技术基础电力电子技术电力、拖动、自动控制系统西南交通大学电力电子技术的应用一般工业：交直流电机、电化学、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、发电装置西南交通大学轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业西南交通大学2）交通运输西南交通大学3）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS西南交通大学4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机西南交通大学5）家用电器西南交通大学6）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源西南交通大学第1章电力电子器件电力电子技术是以电力半导体开关为基础的概述理想的电力半导体开关的特点：只有断态与通态两种状态，没有放大状态导通时，器件两端电压为零截止时，流过器件的电流为零从导通到截止或从截止到导通所需要的时间为零实际器件与理想器件有一定的差距，但可近似西南交通大学半控型器件（如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（如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(如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。电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度分为西南交通大学电流驱动型——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。如晶闸管、GTO、GTR等电压驱动型——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。如IGBT等按照驱动电路信号的性质可分为按器件内部参与导电的载流子分单极型器件，如场效应管(一种)；双极型器件，如晶闸管(电子与空穴)；复合型器件，如IGBT西南交通大学§1-1功率二极管1.结构：由一个PN结构成。A-阳极，K-阴极PNAK第一章电力电子器件AK西南交通大学2.特性A伏安特性：阳极电流与阳-阴极电压间的关系uAKiA二极管的正向电压降很小，在理论分析时可忽略不计。uAKiA理想特性实际特性西南交通大学导通特性B二极管的开关特性UFPuiiFuFtfrt0V在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大电流上升率越大，UFP越高正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间后才趋于稳态压降值。产生这一现象的原因是载流子的分布与达到一定的浓度需要时间西南交通大学关断特性载流子的抽出需要时间；当PN结反向恢复时因引线电感而产生高的电压。iFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt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。西南交通大学额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下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。1)正向平均电流IF(AV)3.二极管的主要参数在规定结温下，流过指定的稳态正向电流时的正向管压降。2）正向压降UF西南交通大学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，应当留有裕量4）反向恢复时间trrtrr=td+tf5）最高工作结温TJMTJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度6)浪涌电流IFSM指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西南交通大学4.二极管的主要类型整流二极管：工作频率低于1KHz，容量大快速恢复二极管：反向恢复过程短，工作频率高肖特基二极管：反向恢复时间短，管压降小但电压低其它：传感器(光敏、磁敏二极管)；光源(红外、激光二极管)；稳压(齐纳二极管、恒流二极管)西南交通大学§1-2普通晶闸管1.结构由三个PN结构成，为四层三端结构。A-阳极，K-阴极，G-门极。1P2P1N2NA2NGKKGKGA西南交通大学螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构西南交通大学2.双三极管理论：晶闸管＝两个三极管的复合体1P2P2P2N1N1NAKGAKG1T2TaRaEgU反偏时阻断，与门极无关正偏和有门极触发电流时导通触发导通不能用门极电流关断R+Ua-+Ug-KGA西南交通大学承受反向电压时，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晶闸管的特点：西南交通大学导通条件：晶闸管承受正向电压，同时门极有触发电流时，晶闸管导通。维持导通条件：流过晶闸管的电流大于维持电流。关断条件：晶闸管承受正向电压。或流过晶闸管的电流小于维持电流。这三个条件是晶闸管电路分析的基础。西南交通大学3.晶闸管的特性uAKiA理想伏安特性b.正向伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMa.反向特性伏安特性西南交通大学反向特性：反向阻断时，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。正向特性：正向阻断状态：IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流。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。西南交通大学晶闸管的开关特性晶闸管的导通时间=延迟时间+上升时间晶闸管关断时间=反向恢复时间+正向恢复时间100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA西南交通大学4.晶闸管的主要参数与意义（1）断态重复峰值电压（UDRM）：门极开路，重复率为每秒50次，持续时间不大大于10ms的断态最大脉冲电压。其值为正向转折电压的80%。（2）反向重复峰值电压（URRM）：其定义同UDRM，其值为反向转折电压的80%。（3）额定电压：选UDRM和URRM中较小的值作为额定电压。额定电压定义复杂。理解为器件安全工作(不误导通或击穿时能承受的最大工作电压。西南交通大学（4）通态平均电流：指在环境温度为+40°C和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载、导电角不小于170度的单相工频正弦半波整流电路中，当稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。)(sin210)(ttdIImAVT发热是器件电流参数的限制条件。发热量只与有效值有关。在实际工作中，电流的波形是不同的。但有效值若相等，发热量就相同。西南交通大学当散热条件确定后，要让器件发热不超过其允许值，流过它的电流有效值就不能超过额定值。定义额定电流的波形的有效值是：2)()sin(2120mmTItdtII而mmAVTIttdII)(sin210)(消去变量Im得：)()(57.12AVTAVTTIII这表明，一个额定电流为IT(AV)的晶闸管允许通过的有效值电流为其额定值的1.57倍。西南交通大学例1.流过晶闸管的电流波形如图问额定电流为100安的晶闸管允许通过的电流平均值是多少?2Im解：平均值为：2)(210mmdItdII有效值为：(A)2)(2120mmTItdII从上式解出Im为使晶闸管安全工作，必须满足：22)(mAVTII(A)14.22222)(AVTmII西南交通大学代入平均值计算式，得(A)07.111dI（5）通态平均电压：晶闸管通以额定通态平均电流时的管压降平均值。（6）维持电流：维持晶闸管导通所需要的电小阳极电流。（7）断态电压临界上升率：在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态时的最低电压上升率。（8）通态电流临界上升率：晶闸管触发导通时不致使元件损坏的通态电流最大上升率。（9）门极触发电压、门极触发电流西南交通大学晶闸管的一种派生器件；多元功率集成器件。可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通；施加负的脉冲电流使其关断。开关频率不高，关断增益小。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（如电力机车的主电路）。GTO的特点§1-3门极关断晶闸管(GTO)西南交通大学1.GTO的开通与关断原理GTO是一种共用阳极门极，阴极分离的结构。它由若干小的GTO元并联构成。GTO元与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构GTO元与普通晶闸管相同可用双晶体管模型来分析GTO的导通过程与普通晶闸管类似。注入正的门极电流时，T1T2因正反馈而迅速饱和西南交通大学1P2P2P2N1N1NAKGAKG1T2TaRaEgU也减小，于是引起IC1的进一步下降。如此不断循环，GTO元的阳极电流迅速下降到零而关断。GTO能够用门极负电流信号关断的主要原因在于其门—阴极结构。普通晶闸管在结构上是所谓的“单胞”结构，而GTO的阴极是由许多小块组成，其阴极横向宽度很小，G—K极间横向电阻远小于普通晶闸管，所以关断时在门极施加反向电压，T1管的集电极电流IC1被抽出形成门极负电流-IG，这使T2的基极电流减小进而使其集电极电流IC2也西南交通大学KAGGRgU横向电阻部分关断区GTO晶闸管GTO严格控制等效三极管的饱和度。GTO的等效三极管工作在浅饱和状态，而晶闸管为深饱和GAKgUGR可以用门极负电压抽出等效的IC1，从而使器件关断。西南交通大学小结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。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GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。多元集成结构，使GTO容易在关断过程中损坏。西南交通大学2GTO的开关特性ontaiauonpgirtdttt%90%10GTO开通西南交通大学GTO关断aiauoffpgiftsttt%90%10tt存储时间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。西南交通大学3.GTO的主要参数1）可关断峰值电流ITGQM：GTO的阳极可关断电流的最大值，即可关断峰值电流。（额定电流）2）关断时的阳极尖峰电压Vp尖峰电压是阳极电流在tf时间内的电流变化率与缓冲电路中的电感的乘积。尖峰电压Vp与阳极电流成正比，并直接决定了关断损耗。3）阳极电压上升率du/dt阳极电压上升率du/dt分为静态与动态两种。前者与晶闸管相同；后者指的是关断过程中的阳极电压上升率，又称重加du/dt。西南交通大学4）阳极电流上升率di/dtGTO能承受的极限电流上升率。5）电流关断增益最大可关断阳极电流与门极负脉冲最大值之比：off=IATO/IGMoff=3-56）开通时间与关断时间开通时间是延迟时间与上升时间