第一章电力电子技术绪论

电力电子技术主讲：胡仲华13589278105绪论•1什么是电力电子技术•2电力电子技术的发展史•3电力电子技术的应用•4教材内容简介1什么是电力电子技术变流技术（电力电子器件的应用技术）：•进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术，是电力电子技术的核心，它的理论基础是电路理论。电子技术：包括信息技术和电力电子技术两大分支电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，也就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。从转换的功率来讲，可在1W～1GW之间。1.1电力电子技术分类:电力电子器件的制造技术：是电力电子技术的基础，它的理论基础是半导体物理电力变换的类型1.1两大分支——变流技术第二章第三章第五章第四章电力电子学电力技术电子技术控制技术连续、离散（电力电子技术）{电力网络}电力设备{电子电路}电子器件1.2电力电子技术学科的构成2电力电子技术的发展史晶闸管问世IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。3电力电子技术的应用•一般工业：交直流电机、电化学工业、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4教材内容简介《电力电子技术》教材结构第二部分全书的主体第一部分全书的基础第三部分全书的深入第1章电力电子器件第2章整流电路第6章PWM控制技术第5章逆变电路第4章交流控制电路和交交变频电路第3章直流斩波电路第7章软开关技术第8章组合变流电路课时安排•绪论1学时•第1章电力电子器件5学时•第2章整流电路16学时•第3章直流斩波电路4学时•第4章交流电力控制电路和交交变频电路4学时•第5章逆变电路4学时第一章电力电子器件控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电力电子器件在实际中应用中的系统组成电力电子器件的分类•按照器件被控制的程度分半控器件：晶闸管（SCR）门极可关断晶闸管（GTO）全控器件电力晶体管（GTR）电力电子器件电力场效应晶体管（电力MOSFET）绝缘栅双极晶体管（IGBT）不可控器件：电力二极管（整流二极管）电力电子器件的分类•按照驱动电路信号的性质，分为两类：•电流驱动型•晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR•电压驱动型•电力场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT电力电子器件的分类•按照器件内部参与导电的情况分为两类：•单极型器件：电力MOSFET•双极型器件：电力二极管、SCR、GTO、GTR•混合型器件：IGBT电力二极管结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。不可控器件—电力二极管AK工作原理主要指其伏安特性门槛电压UTO：正向电流IF开始明显增加所对应的电压。正向电压降UF；与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。反向电流：承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。电力二极管的基本特性静态特性电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU1、正向平均电流IF—在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值2、正向压降UF—指电力二极管在正向电流导通时二极管上的正向压降3、反向重复峰值电压URRM—指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压电力二极管的主要参数电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU4、最高工作结温TJM—在PN结不受损坏的前提下，二极管所能承受的最高平均温度。一般在125-175℃范围内。5、反向恢复时间trr—二极管由导通到截止、并恢复到自然阻断状态所需的时间6、浪涌电流IFSM—指电力二极管所能承受的最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要参数电力二极管的伏安特性IOIFUTOUFU1.普通二极管又称整流二极管多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。电力二极管的主要类型简称快速二极管快恢复外延二极管trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2.快恢复二极管电力二极管的主要类型肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。电力二极管的主要类型3.肖特基二极管（以金属和半导体接触形成的）1.3半控器件—晶闸管1.3.1晶闸管的结构与工作原理1.3.2晶闸管的基本特性1.3.3晶闸管的主要参数1.3.4晶闸管的派生器件1.3半控器件—晶闸管·引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管：晶体闸流管，可控硅整流器——SCR）图1-6a)外形b)结构c)电气图形符号1.3.1晶闸管的结构与工作原理AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1晶闸管的结构与工作原理1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理)(121CBO2CBO1G2AIIII1.3.1晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+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。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致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。)(121CBO2CBO1G2AIIII1.3.2晶闸管的基本特性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。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。关断时间大于晶闸管的电路换向关断时间，才能可靠关断。晶闸管正常工作时的特性总结如下：1.3.1晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：1.3.2晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。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。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG1.3.2晶闸管的基本特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM2）反向特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2IG1IG•反向特性类似二极管的反向特性。•反向阻断状态时，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。2）动态特性1.3.2晶闸管的基本特性图1-9晶闸管的开通和关断过程波形iG100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA反向阻断恢复时间正向阻断恢复时间外部电感作用内部恢复1.3.3晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向(阻断)峰值电压。反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2—3倍。使用注意：1）电压定额正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.3.3晶闸管的主要参数通态平均电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2—4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2）电流定额正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1.3.3晶闸管的主要参数除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt——指在规定条件下，晶闸管能承受最大通态电流上升率。——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数1.3.4晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。1）快速晶闸管（FST)1.3.4晶闸管的派生器件2）双向晶闸管图1-10双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。a)b)IOUIG=0GT1T21.3.4晶闸管的派生器件3）逆导晶闸管（RCT）图1-11逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。b)UOIIG=0KGAa)1.3.4晶闸管的派生器件4）光控晶闸管（LTT）图1-12光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。AK光强度强弱b)OUIAAGKa)