电力电子基础知识培训XXXX0915

电力电子基础知识培训2011-08-29目录整流电路及逆变电路电力半导体器件123开关电源概述变频器硬件体系4-2/47电力半导体器件变频器中常见的电力半导体器件：1、电力二极管（PowerDiode）2、功率晶体管（GTR--GiantTransistor）也称双极型晶体管（BJT--BipolarJunctionTransistor）3、场效应管（MOSFET--Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）4、绝缘栅门极双极性晶体管(IGBT—InsulatedGateBipolarTransistor)5、智能功率模块（IPM—IntelligentPowerModule）6、PIM7、晶闸管（SCR—SillconControlledRectifier）-3/47电力半导体器件分类按照器件能够被电路信号控制的程度，可分为三类：1、不可控型器件不能用控制型号控制其通断，不需要驱动电路（二极管）2、半控型器件控制信号可控制其开通但不能控制其关断（SCR）3、全控型器件控制信号既可以控制开通也可以控制其关断（IGBT、MOSFET…）按照驱动电路加在控制器件控制端和公共端之间信号的性质可分为：1、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（GTR、SCR）2、电压驱动型通过在控制端施加一定的电压信号就可以实现导通或者关断的控制（MOSFET、IGBT）分类：-4/47电力二极管特性：单向导电性不可控伏安特性-5/47电力二极管的主要参数额定电流——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)——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。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。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反向恢复时间trrtrr=td+tf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125~175C范围之内。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。-6/47电力二极管的主要作用-7/47功率晶体管GTR20世纪80年代以来，在中小功率范围内取代晶闸管，但目前又被IGBT和电力MOSFET取代。常用的有NPN和PNP两种类型，电流全控型器件。主要特点有开关频率低、关断时间长、开关容量大、导通压降低…-8/47GTR基本知识-9/47GTR基本知识-10/47GTR基本知识-11/47GTR主要参数电流放大倍数β;β=Ic/Ib直流电流增益hFE;一般认为：hFE=β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最高工作电压集电极最大允许电流IcM：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的一半或稍多一点集电极最大耗散功率PcM：最高工作温度下允许的耗散功率-12/47GTR主要参数-13/47GTR主要参数-14/47MOSFET功率场效应管（MOSFET）是压控型器件，具有高输入阻抗、驱动功率小、控制电路简单、工作频率高、无二次击穿现象等优点主要品牌有：IR、Fairchild、ON、ST、IXYS、Vishay……按导电沟道可分为P沟道和N沟道。按栅极电压幅值可分为：耗尽型和增强型；功率MOSFET主要为N沟道增强型-15/47MOSFET-16/47MOSFET-17/47MOSFET-18/47MOSFET-19/47主要参数1、漏极击穿电压BUDBUD是不使器件击穿的极限参数，它大于漏极电压额定值BUD随结温的升高而升高，这点正好与GTR和GTO相反。2、漏极额定电压UDUD是器件的标称额定值。3、漏极电流ID和IDMID是漏极直流电流的额定参数；IDM是漏极脉冲电流幅值4、栅极开启电压UTUT又称阀值电压，是开通PowerMOSFET的栅-源电压，它为转移特性的特性曲线与横轴的交点。施加的栅源电压不能太大，否则将击穿器件。5、跨导gmgm是表征PowerMOSFET栅极控制能力的参数。MOSFET-20/47MOSFET典型应用-21/47IGBT绝缘栅双极晶体管IGBT，综合了MOSFET和GTR的优点；具有高输入阻抗，开关速度快，工作电压高，承受电流大，驱动电路简单，功率大等优点，逐步取代了MOSFET和GTR的单独使用，广泛应用于变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域主要品牌有：InfineonSemikronMITSUBISHIFujiIRFairchildSanRexSanKenToshiba-22/47IGBT-23/47IGBT-24/47IGBT的基本特性-25/47IGBT的基本特性-26/47IGBT的基本特性-27/47IGBT的基本特性-28/47IPM智能功率模块IPM（IntelligentPowerModule），不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。而且还内置有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM以其高可靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源，已广泛应用于变频调速，冶金机械，电力牵引，伺服驱动，变频家电。-29/47IPM-30/47PIM-31/47IGBT、GTR、GTO、MOSFET-32/47整流电路整流电路（RectifyingCircuit）把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成1、按组成的器件可分为不可控整流电路、半控整流电路、全控整流电路2、按电路结构可分为零式整流电路和桥式整流电路3、按电网交流输入相数分为单相整流电路、三相整流电路、和多相整流电路4、单相整流电路分为：半波整流,全波整流,桥式整流及倍压整流电路等5、三相可控整流电路有：三相半波可控整流电路，三相半控桥式整流电路，三相全控桥式整流电路。-33/47单相桥式整流电路VL=0.9V2基本电路-34/47单相桥式整流电路电容滤波电路VLmax=√2*V2负载直流电压较高，纹波较小，适用于负载电压较高、负载变动不大的场合-35/47单相桥式整流电路电感滤波电路整流管的导电角较大，输出特性比较平坦，但电感体积大，容易引起电磁干扰。一般只适用于低电压、大电流的场合-36/47三相桥式整流电路abcPN三相整流桥-37/47三相桥式整流电路三相桥式整流电路，电容滤波，电阻负载abcPN三相整流桥RL+C+C2*2*3*PNabaVVV其中Vpn为直流母线电压、Vab为线电压，Va为相电压-38/47逆变电路-39/47逆变电路-40/47逆变电路-41/47逆变电路-42/47逆变电路-43/47逆变电路-44/47逆变电路-45/47-46/47开关电源概述开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压开关电源一般有三种工作模式：1、频率、脉冲宽度固定模式2、频率固定、脉冲宽度可变模式3、频率、脉冲宽度可变模式根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类；其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种。-47/47图1-1是串联式开关电源的最简单工作原理图，图1-1-a中Ui是开关电源的工作电压，即：直流输入电压；K是控制开关，R是负载。当控制开关K接通的时候，开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton，幅度为Ui的脉冲电压Up；当控制开关K关断的时候，又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff，幅度为0的脉冲，控制开关K不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo开关电源基本电路-48/47反激式开关电源基本电路反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。-49/47BUCK电路当t∈[0,DT]时，控制信号使T导通，D截止，向L充磁，C充电；当t∈[DT,T]时，T截止，D续流，Uo靠C放电和L中电流下降维持假设T、D均为理想器件，L较大，使得在一个周期内电流连续且无内阻，则直流输出电压恒定，整个电路无功耗，且电路达到稳态-50/47Boost电路在充电过程中，开关闭合（三极管导通）；这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存能量。放电过程中，开关断开（三极管截止）时；由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了。升压完毕。升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流如果这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的电压-51/47变频器基础知识变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机、同步电机的变频调速、软起动、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。通用变频器主电路-52/47优迈变频器功能模块图TSR驱动电路控制板保护电路风扇温度检测输入检测电流检测N1P启动电路母线检测整流电路中间直流环节逆变单元电机开关电源