電氣工程概論電力電子學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1電氣工程概論電氣工程概論(giln)電力電子電力電子第一頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論 第三章電力電子第三章電力電子(dinz)技術(shù)技術(shù)第1頁/共73頁第二頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 第三章電力電子技術(shù)第三章電力電子技術(shù)第2頁/共73頁第三頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論 第三章電力第三章電力(dinl)電子技術(shù)電子技術(shù)第3頁/共73頁第四頁，共73頁。u功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的心臟，是電力電子電路的基礎(chǔ)。功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)的心臟，是電力電子電路的基礎(chǔ)。u功率集成電路是最近功率集成電路是最近1010年功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)

2、，是將功年功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，是將功率半導(dǎo)體開關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng)、緩沖率半導(dǎo)體開關(guān)器件與其驅(qū)動(dòng)、緩沖(hunchng)(hunchng)、檢測(cè)、控制和保護(hù)等硬、檢測(cè)、控制和保護(hù)等硬件集成一體，構(gòu)成一個(gè)功率集成電路件集成一體，構(gòu)成一個(gè)功率集成電路PICPIC。u智能功率模塊智能功率模塊IPMIPM是功率集成電路中典型的例子，近年得到了較為廣泛是功率集成電路中典型的例子，近年得到了較為廣泛的應(yīng)用。的應(yīng)用。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第4頁/共73頁第五頁，共73頁。一、概述一、概述(i sh)(i sh)（一）功率半導(dǎo)體器件的功能（一）功率半

3、導(dǎo)體器件的功能圖圖3-13-1為電力電子裝置的示意圖，功率輸入經(jīng)功率變換器后輸出至為電力電子裝置的示意圖，功率輸入經(jīng)功率變換器后輸出至負(fù)載。功率變換器通常采用電力電子器件作為功率開關(guān)，應(yīng)用不負(fù)載。功率變換器通常采用電力電子器件作為功率開關(guān)，應(yīng)用不同拓?fù)浣M合構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)電功率形式的變換（電壓同拓?fù)浣M合構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)電功率形式的變換（電壓(diny)(diny)或頻率或頻率等變換）。此外，系統(tǒng)功率可以是雙向的，即電功率也可以從輸?shù)茸儞Q）。此外，系統(tǒng)功率可以是雙向的，即電功率也可以從輸出端送至輸入端。出端送至輸入端。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第5頁/共73頁

4、第六頁，共73頁。功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點(diǎn)如下：功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點(diǎn)如下：1 1）功率半導(dǎo)體器件通常都處于在開關(guān)狀態(tài)。）功率半導(dǎo)體器件通常都處于在開關(guān)狀態(tài)。2 2）功率半導(dǎo)體器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)換成通態(tài)及由通態(tài)轉(zhuǎn)換成斷態(tài)時(shí)，在轉(zhuǎn)換過）功率半導(dǎo)體器件由斷態(tài)轉(zhuǎn)換成通態(tài)及由通態(tài)轉(zhuǎn)換成斷態(tài)時(shí)，在轉(zhuǎn)換過程中所產(chǎn)生的損耗，分別稱之為開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱為開關(guān)損耗。程中所產(chǎn)生的損耗，分別稱之為開通損耗和關(guān)斷損耗，總稱為開關(guān)損耗。3 3）大功率是功率半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)，這就要求一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器）大功率是功率半導(dǎo)體器件的特點(diǎn)，這就要求一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)該是能承受高電壓、大

5、電流的器件。件應(yīng)該是能承受高電壓、大電流的器件。一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)當(dāng)一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)當(dāng)(yngdng)(yngdng)具有的理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性具有的理想的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性是：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的是：在阻斷狀態(tài)，能承受高電壓；在導(dǎo)通狀態(tài)，具有高的電流密度和低的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換時(shí)具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的導(dǎo)通壓降；在開關(guān)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換時(shí)具有短的開、關(guān)時(shí)間，能承受高的 和和 ；同時(shí)器件具有全控功能，即器件的通斷可通過電信號(hào)控制；同時(shí)器件具有全控功能，即器件的通斷可通過電信號(hào)控制。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)

6、體器件功率半導(dǎo)體器件第6頁/共73頁第七頁，共73頁。（二）功率（二）功率(gngl)(gngl)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件的發(fā)展的發(fā)展功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段：功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段：大功率二極管產(chǎn)生于大功率二極管產(chǎn)生于2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代，是功率半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)年代，是功率半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種器件。最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種器件。2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代，出現(xiàn)了稱之為第二代的自關(guān)斷器件，如門極可年代，出現(xiàn)了稱之為第二代的自關(guān)斷器件，如門極可關(guān)斷晶閘管、大功率雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。關(guān)斷晶閘管、大功率雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管等。2

7、020世紀(jì)世紀(jì)8080年代，出現(xiàn)了的第三代復(fù)合導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的場(chǎng)控半導(dǎo)體器年代，出現(xiàn)了的第三代復(fù)合導(dǎo)電機(jī)構(gòu)的場(chǎng)控半導(dǎo)體器件，以絕緣柵極雙極型晶體管件，以絕緣柵極雙極型晶體管(IGBT(IGBT或或IGT)IGT)為典型代表，另外還為典型代表，另外還有靜電感應(yīng)式晶體管、靜電感應(yīng)式晶閘管、有靜電感應(yīng)式晶體管、靜電感應(yīng)式晶閘管、MOSMOS控制晶閘管、集控制晶閘管、集成門極換流晶閘管等。成門極換流晶閘管等?，F(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)了第四代電力電子器件現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)了第四代電力電子器件集成功率半導(dǎo)體器件，集成功率半導(dǎo)體器件，它將功率器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路及保護(hù)電路集成在一塊芯它將功率器件與驅(qū)動(dòng)電路、控制電路及保護(hù)電路集成在

8、一塊芯片上，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊片上，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊(gungku)(gungku)的應(yīng)用前景。的應(yīng)用前景。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第7頁/共73頁第八頁，共73頁。圖圖3-23-2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作(gngzu)(gngzu)范圍范圍電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第8頁/共73頁第九頁，共73頁。二、大功率二極管二、大功率二極管大功率二極管屬不可控器件，在不可控整流、電感性負(fù)載回路大功率二極管屬不可控器件

9、，在不可控整流、電感性負(fù)載回路的續(xù)流等場(chǎng)合均得到廣泛的續(xù)流等場(chǎng)合均得到廣泛(gungfn)使用。使用。（一）大功率二極管的結(jié)構(gòu)（一）大功率二極管的結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有P P型、型、N N型半導(dǎo)體、一個(gè)型半導(dǎo)體、一個(gè)PNPN結(jié)和結(jié)和陽極陽極A A、陰極、陰極K K的兩層兩端半導(dǎo)體器件，其符號(hào)表示如圖的兩層兩端半導(dǎo)體器件，其符號(hào)表示如圖3-3(a)3-3(a)所示所示。從 外 部 構(gòu) 成 看 ， 也 分 成 管 芯 和 散 熱 器 兩 部 分 。 一 般 情 況從 外 部 構(gòu) 成 看 ， 也 分 成 管 芯 和 散 熱 器 兩

10、 部 分 。 一 般 情 況(qngkung)(qngkung)下，下，200A200A以下的管芯采用螺旋式以下的管芯采用螺旋式( (圖圖3-3(b) )3-3(b) )，200A200A以以上則采用平板式上則采用平板式( (圖圖3-3(c) )3-3(c) )。電氣工程概論電氣工程概論 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第9頁/共73頁第十頁，共73頁。（二）大功率二極管的特性（二）大功率二極管的特性(txng)(txng)1.1.大功率二極管的伏安特性大功率二極管的伏安特性(txng)(txng)二極管陽極和陰極間的電壓二極管陽極和陰極間的電壓UakUak與陽極電流與陽極電流ia ia

11、間的關(guān)間的關(guān)系稱為伏安特性系稱為伏安特性(txng)(txng)，如圖，如圖3-43-4所示。由于大功率所示。由于大功率二極管的通態(tài)壓降和反向漏電流數(shù)值都很小，可忽略二極管的通態(tài)壓降和反向漏電流數(shù)值都很小，可忽略，于是大功率二極管的理想伏安特性，于是大功率二極管的理想伏安特性(txng)(txng)如圖如圖3-3-4(b)4(b)所示。所示。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第10頁/共73頁第十一頁，共73頁。2. 2. 大功率二極管的開通、關(guān)斷特大功率二極管的開通、關(guān)斷特性性圖圖3-53-5為大功率二極管的開通過程。大功率二極管的開通過程較為大功率二

12、極管的開通過程。大功率二極管的開通過程較短，導(dǎo)通壓降很小，通?？梢暈橐焕硐腴_關(guān)。短，導(dǎo)通壓降很小，通常可視為一理想開關(guān)。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第11頁/共73頁第十二頁，共73頁。圖圖3-63-6為大功率二極管關(guān)斷過程，其截止時(shí)的反向電流恢復(fù)時(shí)為大功率二極管關(guān)斷過程，其截止時(shí)的反向電流恢復(fù)時(shí)間間(shjin)(shjin)必須考慮。必須考慮。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第12頁/共73頁第十三頁，共73頁。在應(yīng)用低頻整流電路時(shí)，一般不考慮大功率二極管的動(dòng)態(tài)在應(yīng)用低頻整流電路時(shí)，一般不考慮大功率二極

13、管的動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)過程過程，trr = 25trr = 25微秒。但在高頻逆變器、高頻整流器、緩沖電路等頻率較高微秒。但在高頻逆變器、高頻整流器、緩沖電路等頻率較高的電力電子電路中必須考慮大功率二極管的開通、關(guān)斷等動(dòng)態(tài)的電力電子電路中必須考慮大功率二極管的開通、關(guān)斷等動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)過程，通常使用快恢復(fù)二極管過程，通常使用快恢復(fù)二極管( (反向恢復(fù)時(shí)間很短的大功率二極管，反向恢復(fù)時(shí)間很短的大功率二極管，trr trr = 200500nm)= 200500nm)?？旎謴?fù)二極管具有開通壓降低、反向快速恢復(fù)性能好的?？旎謴?fù)二極管具有開通壓降低、反向快速恢復(fù)性能好的

14、優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第13頁/共73頁第十四頁，共73頁。三、晶閘管三、晶閘管(SCR)(SCR)晶閘管是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱晶閘管是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱(jinchng)，其價(jià)格低廉、工，其價(jià)格低廉、工作可靠，盡管開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻的電力電子作可靠，盡管開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻的電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。裝置中仍占主導(dǎo)地位。（一）晶閘管的結(jié)構(gòu)（一）晶閘管的結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)上看，可區(qū)上看，可區(qū)分為管芯及

15、散熱器兩大部分，分別如圖分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖3-73-7及圖及圖3-83-8所示。所示。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第14頁/共73頁第十五頁，共73頁。（二）晶閘管的基本（二）晶閘管的基本(jbn)(jbn)特性特性通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：1) 1) 只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽極電壓和正向門極電壓時(shí)晶只有當(dāng)晶閘管同時(shí)承受正向陽極電壓和正向門極電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。2) 2) 晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對(duì)管子晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，

16、門極電壓對(duì)管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個(gè)持續(xù)的直流電壓，但必須是一個(gè)具有一定寬度和幅度必是一個(gè)持續(xù)的直流電壓，但必須是一個(gè)具有一定寬度和幅度的正向脈沖電壓，其脈沖寬度與晶閘管開通特性及負(fù)載性質(zhì)有的正向脈沖電壓，其脈沖寬度與晶閘管開通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)關(guān)(yugun)(yugun)。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3) 3) 要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下值之下( (晶閘管維持電流，約幾十毫安晶閘管維持電流，約幾

17、十毫安) )。通常通過降低陽極電。通常通過降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實(shí)現(xiàn)。壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實(shí)現(xiàn)。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第15頁/共73頁第十六頁，共73頁。1.1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性2.2. （1 1）陽極伏安特性。晶閘管的陽極伏安特性表示）陽極伏安特性。晶閘管的陽極伏安特性表示(biosh)(biosh)晶閘管陽晶閘管陽極與陰極之間的電壓極與陰極之間的電壓UakUak與陽極電流與陽極電流ia ia 之間的關(guān)系曲線，如圖之間的關(guān)系曲線，如圖3-93-9所示所示。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率

18、半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第16頁/共73頁第十七頁，共73頁。陽極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，第陽極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，第I I象限為正向特性區(qū)，第象限為正向特性區(qū)，第IIIIII象限為反向特性區(qū)。象限為反向特性區(qū)。第第I I象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。象限的正向特性又可分為正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。正向阻斷狀態(tài)隨著不同的門極電流，正向阻斷狀態(tài)隨著不同的門極電流，IgIg大小呈現(xiàn)不同的分支。大小呈現(xiàn)不同的分支。正向?qū)顟B(tài)下的特性與一般二極管的正向特性一樣，此時(shí)晶閘管正向?qū)顟B(tài)下的特性與一般二極管的正向特性一樣，此時(shí)晶閘管流過很大的陽極電流而管子本身只承受約流

19、過很大的陽極電流而管子本身只承受約1V1V左右的管壓降，特性曲左右的管壓降，特性曲線靠近并幾乎線靠近并幾乎(jh)(jh)平行于縱軸。平行于縱軸。晶閘管在第晶閘管在第IIIIII象限的反向特性與二極管的反向特性類似。象限的反向特性與二極管的反向特性類似。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第17頁/共73頁第十八頁，共73頁。2. 2. 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)特性特性晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路，有時(shí)也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路，有時(shí)也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時(shí)，需

20、要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開關(guān)，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時(shí)，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開關(guān)(kigun)特性，特性，即開通特性和關(guān)斷特性。即開通特性和關(guān)斷特性。（1 1）開通）開通(kitng)(kitng)特性特性 晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通(kitng)(kitng)過程。圖過程。圖3-113-11給出了晶閘管的開關(guān)特性。給出了晶閘管的開關(guān)特性。延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減少，延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽極電壓上升而下降，延遲時(shí)間隨門極電流的增大而減少，延遲時(shí)間和上升時(shí)間隨陽極電壓上升而下降，一般為一般為15微秒。微秒。電氣工程概論電氣工程概論 3.1 功率半導(dǎo)體器

21、件功率半導(dǎo)體器件第18頁/共73頁第十九頁，共73頁。（2 2）關(guān)斷特性）關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源電源(dinyun)(dinyun)、負(fù)載和輔助換流電路來提供。、負(fù)載和輔助換流電路來提供。普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為幾百微秒。要使已導(dǎo)通的晶閘管完全普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為幾百微秒。要使已導(dǎo)通的晶閘管完全恢復(fù)正向阻斷能力，加在晶閘管上的反向陽極電壓時(shí)間必須大恢復(fù)正向阻斷能力，加在晶閘管上的反向陽極電壓時(shí)間必須大于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，否則晶閘管無法可靠關(guān)斷。于晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，否則晶閘管無法可靠關(guān)斷。（三）晶閘

22、管的主要參數(shù)（三）晶閘管的主要參數(shù)1. 1. 電壓電壓(diny)(diny)參數(shù)參數(shù)（1 1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRMUDRM取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSMUDSM的的9090定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRMUDRM，“重復(fù)重復(fù)”表示表示(biosh)(biosh)這個(gè)電壓可以以每秒這個(gè)電壓可以以每秒5050次，每次，每次持續(xù)時(shí)間不大于次持續(xù)時(shí)間不大于10ms10ms的重復(fù)方式施加于元件上。的重復(fù)方式施加于元件上。電氣工程概論電氣工程概論 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第19頁/共73頁第二十頁，共73頁。（2 2）反向重復(fù)峰值電

23、壓）反向重復(fù)峰值電壓URRMURRM取反向不重復(fù)峰值電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSMURSM的的9090為定義為反向重復(fù)峰值電壓為定義為反向重復(fù)峰值電壓URRMURRM，這個(gè)，這個(gè)電壓允許重復(fù)施加。電壓允許重復(fù)施加。（3 3）晶閘管的額定電壓）晶閘管的額定電壓URUR取取UDRMUDRM和和URRMURRM中較小的一個(gè)中較小的一個(gè)(y )(y )，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級(jí)上做為晶閘管的額定電壓壓等級(jí)上做為晶閘管的額定電壓URUR。由于晶閘管工作中可能會(huì)遭受到一些。由于晶閘管工作中可能會(huì)遭受到一些意想不到的瞬時(shí)過電壓，為了確保管子安全運(yùn)行，在選用晶閘管

24、時(shí)應(yīng)使其意想不到的瞬時(shí)過電壓，為了確保管子安全運(yùn)行，在選用晶閘管時(shí)應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值額定電壓為正常工作電壓峰值UTMUTM的的2-32-3倍，以作安全余量。倍，以作安全余量。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第20頁/共73頁第二十一頁，共73頁。2. 2. 電流電流(dinli)(dinli)參數(shù)參數(shù)（1 1）通態(tài)平均電流）通態(tài)平均電流IT(AV)IT(AV)選用選用(xunyng)(xunyng)晶閘管時(shí)應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定晶閘管時(shí)應(yīng)根據(jù)有效電流相等的原則來確定晶閘管的額定電流。選用電流。選用(xunyng)(xu

25、nyng)晶閘管的額定電流晶閘管的額定電流IT(AV)IT(AV)應(yīng)使其對(duì)應(yīng)有效值電流為應(yīng)使其對(duì)應(yīng)有效值電流為實(shí)際流過電流有效值的實(shí)際流過電流有效值的1.51.52 2倍。倍。（2 2）維持電流）維持電流IHIH維持電流維持電流IHIH是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。安。（3 3）擎住電流）擎住電流ILIL晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號(hào)時(shí)，維持元件導(dǎo)晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號(hào)時(shí)，維持元件導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為擎住電流通所需的最小陽極電流稱為擎住電流ILIL。一般擎住電

26、流比維持電流大。一般擎住電流比維持電流大2 24 4倍。倍。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第21頁/共73頁第二十二頁，共73頁。3. 3. 其它其它(qt)(qt)參數(shù)參數(shù)（1 1）斷態(tài)電壓臨界上升率）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dtdu/dt在額定結(jié)溫和門極開路條件下，使元件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低在額定結(jié)溫和門極開路條件下，使元件從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dtdu/dt。實(shí)際使用中，必。實(shí)際使用中，必須要求晶閘管斷態(tài)下陽極電壓的上升速度要低于此值。須要求晶閘管斷態(tài)下陽極電壓的上升速度要低于

27、此值。（2 2）通態(tài)電流臨界上升率）通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流臨界上升率di/dtdi/dt是指在規(guī)定的條件下，晶閘管由門是指在規(guī)定的條件下，晶閘管由門極進(jìn)行觸發(fā)極進(jìn)行觸發(fā)(chf)(chf)導(dǎo)通時(shí)，管子能夠承受而不致?lián)p壞的通態(tài)導(dǎo)通時(shí)，管子能夠承受而不致?lián)p壞的通態(tài)平均電流的最大上升率。應(yīng)用時(shí)，晶閘管所允許的最大電流上平均電流的最大上升率。應(yīng)用時(shí)，晶閘管所允許的最大電流上升率要小于這個(gè)數(shù)值。升率要小于這個(gè)數(shù)值。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第22頁/共73頁第二十三頁，共73頁。（四）晶閘管的派生（四）晶閘管的派生

28、(pishng)(pishng)器件器件 快速快速(kui s)(kui s)晶閘管晶閘管 雙向晶閘管雙向晶閘管 逆導(dǎo)晶閘管逆導(dǎo)晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 光控晶閘管光控晶閘管（五）晶閘管的驅(qū)動(dòng)（五）晶閘管的驅(qū)動(dòng)(q (q dn)dn)1. 1. 晶閘管觸發(fā)電路的基本要求：晶閘管觸發(fā)電路的基本要求：1 1）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的功率和寬度。）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的功率和寬度。2 2）為使并聯(lián)晶閘管元件能同時(shí)導(dǎo)通）為使并聯(lián)晶閘管元件能同時(shí)導(dǎo)通, ,觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路應(yīng)能產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)脈沖。3 3）觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。）觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。4 4）隔離輸出方

29、式及抗干擾能力。）隔離輸出方式及抗干擾能力。電氣工程概論電氣工程概論 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第23頁/共73頁第二十四頁，共73頁。四、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管四、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種單極型電壓控制半導(dǎo)體元件，開關(guān)頻率可高達(dá)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種單極型電壓控制半導(dǎo)體元件，開關(guān)頻率可高達(dá)500kHZ500kHZ，特別適合高頻化的電力電子裝置，但由于電流容量小、耐壓低，特別適合高頻化的電力電子裝置，但由于電流容量小、耐壓低，一般只適用小功率的電力電子裝置。一般只適用小功率的電力電子裝置。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件（一）簡(jiǎn)介（一

30、）簡(jiǎn)介(jin (jin ji)ji)第24頁/共73頁第二十五頁，共73頁。（二）工作（二）工作(gngzu)(gngzu)特性特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性1 1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖3-14(a)3-14(a)所示，可以所示，可以分為三個(gè)區(qū)，分別是可調(diào)電阻分為三個(gè)區(qū)，分別是可調(diào)電阻(dinz)(dinz)區(qū)區(qū)I I，飽和區(qū)，飽和區(qū)IIII，擊穿區(qū)，擊穿區(qū)IIIIII。2 2）轉(zhuǎn)移特性。漏極電流）轉(zhuǎn)移特性。漏極電流ID ID 與柵源電壓與柵源電壓UGSUGS反映了輸入電壓和輸出電流的反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移特性，如

31、圖關(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移特性，如圖3-14(b)3-14(b)所示。所示。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件UDS第25頁/共73頁第二十六頁，共73頁。2. 2. 開關(guān)開關(guān)(kigun)(kigun)特特性性圖圖3-153-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入為元件極間電容的等效電路。器件輸入(shr)(shr)電容在開關(guān)過程中電容在開關(guān)過程中需要進(jìn)行充、放電，影響了開關(guān)速度。同時(shí)也可看出，靜態(tài)時(shí)雖柵極電流需要進(jìn)行充、放電，影響了開關(guān)速度。同時(shí)也可看出，靜態(tài)時(shí)雖柵極電流很小，驅(qū)動(dòng)功率小，但動(dòng)態(tài)時(shí)由于電容充放電電流有一定強(qiáng)度，故動(dòng)態(tài)驅(qū)很小，驅(qū)動(dòng)功率小，但動(dòng)態(tài)時(shí)

32、由于電容充放電電流有一定強(qiáng)度，故動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)仍需一定的柵極功率。開關(guān)頻率越高，柵極驅(qū)動(dòng)功率也越大。動(dòng)仍需一定的柵極功率。開關(guān)頻率越高，柵極驅(qū)動(dòng)功率也越大。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)過程如圖功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開關(guān)過程如圖3-163-16所示，其中所示，其中UP UP 為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，UGSUGS為柵極電壓，為柵極電壓，iD iD 為漏極電流。為漏極電流。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第26頁/共73頁第二十七頁，共73頁。（三）主要參數(shù)與安全（三）主要參數(shù)與安全(nqun)(nqun)工工作區(qū)作區(qū)1. 1. 主要參數(shù)主要參數(shù)1 1）漏源電壓）漏

33、源電壓UDSUDS2 2）電流定額）電流定額IDID，IDMIDM3 3）柵源電壓）柵源電壓UGSUGS安全工作區(qū)安全工作區(qū) 功率功率(gngl)(gngl)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍而成，如圖界包圍而成，如圖3-173-17所示。所示。其中其中I I為漏源通態(tài)電阻限制線；為漏源通態(tài)電阻限制線；IIII為最大漏極電流為最大漏極電流IDMIDM限制線；限制線；IIIIII為最大功耗限制線；為最大功耗限制線；IVIV為最為最大漏源電壓限制線。大漏源電壓限制線。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第27

34、頁/共73頁第二十八頁，共73頁。五、絕緣五、絕緣(juyun)(juyun)柵雙極型晶體柵雙極型晶體管（管（IGBTIGBT）（一）結(jié)構(gòu)與工作（一）結(jié)構(gòu)與工作(gngzu)(gngzu)原理原理圖圖3 319(c) 19(c) 是是IGBTIGBT的符號(hào)的符號(hào)(fho)(fho)。電氣工程概論電氣工程概論 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第28頁/共73頁第二十九頁，共73頁。（二）工作（二）工作(gngzu)(gngzu)特性特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移(zhuny)特性，如圖特性，如圖3-20所示。輸出特性表所示。輸出特性表

35、達(dá)了集電極電流達(dá)了集電極電流IC與集電極與集電極-發(fā)射極間電壓發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。IGBT的轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移(zhuny)特性表示了柵極電壓特性表示了柵極電壓UG對(duì)集電極電流對(duì)集電極電流IC的控制關(guān)系。的控制關(guān)系。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第29頁/共73頁第三十頁，共73頁。2. 2. 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)特特性性IGBTIGBT的動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)(dngti)(dngti)特性即開關(guān)特性，如圖特性即開關(guān)特性，如圖3 32121所示，其開通過程主要由其所示，其開通過程主要由其MOSFETMOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)決定。決定。

36、電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第30頁/共73頁第三十一頁，共73頁。六、功率模塊六、功率模塊(m kui)(m kui)與功率集成電路與功率集成電路功率模塊最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)、單相橋、三相橋以及它們的子功率模塊最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)、單相橋、三相橋以及它們的子電路，而同類開關(guān)器件的串、并聯(lián)目的是要提高整體電路，而同類開關(guān)器件的串、并聯(lián)目的是要提高整體(zhngt)(zhngt)額定電壓額定電壓、額定電流。、額定電流。如將功率半導(dǎo)體器件與電力電子裝置控制系統(tǒng)中的檢測(cè)環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路、如將功率半導(dǎo)體器件與電力電子裝置控制系統(tǒng)中的檢測(cè)環(huán)節(jié)、

37、驅(qū)動(dòng)電路、故障保護(hù)、緩沖環(huán)節(jié)、自診斷等電路制作在同一芯片上故障保護(hù)、緩沖環(huán)節(jié)、自診斷等電路制作在同一芯片上, ,則構(gòu)成功率集成則構(gòu)成功率集成電路。電路。三菱電機(jī)公司在三菱電機(jī)公司在19911991年推出智能功率模塊（年推出智能功率模塊（IPMIPM）是較為先進(jìn)的混合集成）是較為先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的功率器件，由高速、低功耗的IGBTIGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖，其基本結(jié)構(gòu)如圖3 32525所示。所示。IPMIPM的特點(diǎn)為：采用低飽和壓降、高開關(guān)速度、內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的特點(diǎn)為：采用低飽和壓降、高開關(guān)速度、內(nèi)設(shè)低

38、損耗電流傳感器的的IGBTIGBT功率功率器件。采用單電源、邏輯電平輸入、優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)。器件。采用單電源、邏輯電平輸入、優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第31頁/共73頁第三十二頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件第32頁/共73頁第三十三頁，共73頁。七、功率七、功率(gngl)(gngl)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件的保護(hù)的保護(hù)（一）過電壓保護(hù)（一）過電壓保護(hù)過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為兩大類：過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為兩大類：1 1）操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作）

39、操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁過程引起的過電壓。中電磁過程引起的過電壓。2 2）浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置）浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過電壓，其幅度的過電壓，其幅度(fd)(fd)可能比操作過電壓還高。可能比操作過電壓還高。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.1 功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件（二）過電流保護(hù)（二）過電流保護(hù)由于晶閘管等功率半導(dǎo)體器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此必須對(duì)由于晶閘管等功率半導(dǎo)體器件的電流過載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此必須對(duì)變流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。變流裝置進(jìn)行適

40、當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。第33頁/共73頁第三十四頁，共73頁。八、相關(guān)八、相關(guān)(xinggun)(xinggun)名詞名詞二次擊穿：對(duì)于集電極電壓超過二次擊穿：對(duì)于集電極電壓超過VCEO而引起的擊穿，只要外電路限制擊而引起的擊穿，只要外電路限制擊穿后的電流，管子就不會(huì)損壞，待集電極電壓減小到小于穿后的電流，管子就不會(huì)損壞，待集電極電壓減小到小于VCEO后，管子后，管子也就恢復(fù)到正常工作，因此這種擊穿是可逆的，不是破壞性的，這種擊穿也就恢復(fù)到正常工作，因此這種擊穿是可逆的，不是破壞性的，這種擊穿為一次擊穿。如果上述擊穿后，電流不加限制，就會(huì)出現(xiàn)集電極電壓迅速為一次擊穿。如果上述擊穿后，電流不加限制，就

41、會(huì)出現(xiàn)集電極電壓迅速減小，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，永久失去半導(dǎo)體特性減小，集電極電流迅速增大的現(xiàn)象，永久失去半導(dǎo)體特性 ，通常將這種現(xiàn)，通常將這種現(xiàn)象稱為二次擊穿。象稱為二次擊穿。安全工作區(qū)：安全工作區(qū)：Safe operating area, SOA，是指功率半導(dǎo)體器件能夠按照，是指功率半導(dǎo)體器件能夠按照預(yù)期預(yù)期(yq)正常工作而不會(huì)造成損壞時(shí)的電壓電流等條件的范圍。正常工作而不會(huì)造成損壞時(shí)的電壓電流等條件的范圍。單極型：它是一種電壓控制型器件，由輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸單極型：它是一種電壓控制型器件，由輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來控制輸出電流的大小。它工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，故稱

42、為單極型晶體管出電流的大小。它工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，故稱為單極型晶體管。雙極型：它是一種電流控制型器件，由輸入電流控制輸出電流，其本身。雙極型：它是一種電流控制型器件，由輸入電流控制輸出電流，其本身具有電流放大作用。它工作時(shí)有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過程，故具有電流放大作用。它工作時(shí)有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過程，故稱為雙極型。稱為雙極型。第34頁/共73頁第三十五頁，共73頁。作業(yè)作業(yè)(zuy)P153：T3-1, 3-2, 3-3第35頁/共73頁第三十六頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論 第三章電力第三章電力(dinl)電子技術(shù)電子技術(shù)第36頁/共73頁第三十七頁，共

43、73頁。u 變流技術(shù)在電力電子技術(shù)中是最重要(zhngyo)的，也是最基本的技術(shù)之一，其目標(biāo)主要是節(jié)約能源、提高效率，包括減小變換器的大小和重量,提高它們的效率，降低諧波失真和成本。u 變流技術(shù)可大致分為三代：u 第一代是應(yīng)用二極管和晶閘管,采用不控或半控強(qiáng)迫換流技術(shù)；u 第二代主要以應(yīng)用自關(guān)斷器件為特征；u 第三代變換器是以軟開關(guān)、功率因數(shù)校正和消除諧波為特征的。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)第37頁/共73頁第三十八頁，共73頁。一、換流概念一、換流概念(ginin)(ginin)和變流器和變流器的分類的分類（一）換流概念（一）換流概念(ginin)

44、(ginin)在電工技術(shù)中的換流是指電流從一條支路過渡到另一條支路在電工技術(shù)中的換流是指電流從一條支路過渡到另一條支路的過程，在換流期間兩條支路將短時(shí)同時(shí)通過電流。的過程，在換流期間兩條支路將短時(shí)同時(shí)通過電流。在電力電子技術(shù)中，完成換流過程的開關(guān)功能不是用機(jī)械開在電力電子技術(shù)中，完成換流過程的開關(guān)功能不是用機(jī)械開關(guān)，而是用功率半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)的，換流過程的特點(diǎn)我們關(guān)，而是用功率半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)的，換流過程的特點(diǎn)我們用圖用圖3-293-29來說明。來說明。電流電流I I首先經(jīng)過接通的開關(guān)首先經(jīng)過接通的開關(guān)S1S1在支路在支路1 1中流過，換流是通過開中流過，換流是通過開關(guān)關(guān)S2S2的接通而開始的

45、。的接通而開始的。S2S2接通后，在換流電壓接通后，在換流電壓ukuk的作用下，的作用下，將有一換流電流將有一換流電流ikik在支路在支路1 1和和2 2之間流動(dòng)，如果之間流動(dòng)，如果ikik的方向正確的方向正確，此電流將逐步，此電流將逐步(zhb)(zhb)減小支路減小支路1 1中的電流和增加支路中的電流和增加支路2 2中的中的電流。如總回路中電感電流。如總回路中電感L L足夠大的話，則可以認(rèn)為總電流足夠大的話，則可以認(rèn)為總電流I I在在換流過程中保持不變。在完成了過渡后，也就是電流換流過程中保持不變。在完成了過渡后，也就是電流i2i2達(dá)到達(dá)到了值了值I I和電流和電流i1i1變成零時(shí)，換流過

46、程通過打開開關(guān)變成零時(shí)，換流過程通過打開開關(guān)S1S1而結(jié)束。而結(jié)束。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)第38頁/共73頁第三十九頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力電力(dinl)變換技術(shù)變換技術(shù)第39頁/共73頁第四十頁，共73頁。u換流正確完成的先決條件是在換流回路中必須有一個(gè)正確極性的換換流正確完成的先決條件是在換流回路中必須有一個(gè)正確極性的換流電壓存在。流電壓存在。u如果利用交流電網(wǎng)存在的電壓作換流電壓，則這樣的換流稱之為自如果利用交流電網(wǎng)存在的電壓作換流電壓，則這樣的換流稱之為自然換流。然換流。u有時(shí)也可利用負(fù)載所產(chǎn)生的交流電壓

47、作換流電壓，則稱之為負(fù)載換有時(shí)也可利用負(fù)載所產(chǎn)生的交流電壓作換流電壓，則稱之為負(fù)載換流。流。u負(fù)載換流也屬于自然換流。負(fù)載換流也屬于自然換流。u由儲(chǔ)能元件提供一個(gè)輔助電壓作為換流電壓，也可以通過提高被關(guān)由儲(chǔ)能元件提供一個(gè)輔助電壓作為換流電壓，也可以通過提高被關(guān)斷的電流斷的電流(dinli)支路的阻抗（例如采用具有自關(guān)斷能力的大功率晶支路的阻抗（例如采用具有自關(guān)斷能力的大功率晶體管或可關(guān)斷晶閘管等元件）來完成換流，這種換流方式稱之為強(qiáng)迫體管或可關(guān)斷晶閘管等元件）來完成換流，這種換流方式稱之為強(qiáng)迫換流。換流。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)第40頁/共73

48、頁第四十一頁，共73頁。1.1.自然自然(zrn)(zrn)換流換流在自然換流時(shí)，變流器中的電流從支路在自然換流時(shí)，變流器中的電流從支路1 1過渡到支路過渡到支路2 2是在電網(wǎng)電壓或負(fù)載是在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電壓的干預(yù)電壓的干預(yù)(gny)(gny)下完成的。下完成的。換流時(shí)由于換流回路中電抗的作用，換流不能瞬時(shí)完成，在一段時(shí)間內(nèi)這換流時(shí)由于換流回路中電抗的作用，換流不能瞬時(shí)完成，在一段時(shí)間內(nèi)這兩個(gè)要替換的開關(guān)器件將同時(shí)通以電流，這段時(shí)間稱為換流重疊時(shí)間兩個(gè)要替換的開關(guān)器件將同時(shí)通以電流，這段時(shí)間稱為換流重疊時(shí)間tutu。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)第4

49、1頁/共73頁第四十二頁，共73頁。（二）變流器的功能（二）變流器的功能(gngnng)(gngnng)和和分類分類u變流器的基本功能如下：變流器的基本功能如下：u1 1）整流：將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；）整流：將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；u2 2）逆變：將直流電變成一定頻率）逆變：將直流電變成一定頻率(pnl)(pnl)和大小的交流電；和大小的交流電；u3 3）直流電變換（直流斬波調(diào)壓）：可將某固定大小的直流電變成）直流電變換（直流斬波調(diào)壓）：可將某固定大小的直流電變成大小任意可調(diào)的另一直流電；大小任意可調(diào)的另一直流電；u4 4）交流電變換：將大小和頻率）交流電變換：將大小和頻率(pnl)(pnl)固

50、定的某交流電變成大小固定的某交流電變成大小和頻率和頻率(pnl)(pnl)可變的交流電?？勺兊慕涣麟姟ｋ姎夤こ谈耪撾姎夤こ谈耪?3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)第42頁/共73頁第四十三頁，共73頁。二、相控調(diào)壓電路二、相控調(diào)壓電路（一）單相（一）單相(dn xin)(dn xin)交流交流調(diào)壓調(diào)壓圖圖3 33333所示為一單相交流調(diào)壓所示為一單相交流調(diào)壓的基本的基本(jbn)(jbn)線路。二個(gè)反并線路。二個(gè)反并聯(lián)的晶閘管周期性地觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)聯(lián)的晶閘管周期性地觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)，相對(duì)于交流電壓，相對(duì)于交流電壓u u的過零點(diǎn)滯的過零點(diǎn)滯后一個(gè)控制角后一個(gè)控制角因此半因此半導(dǎo)體開關(guān)阻斷了電

51、壓曲線上陰影導(dǎo)體開關(guān)阻斷了電壓曲線上陰影所示部分。在每次晶閘管觸發(fā)以所示部分。在每次晶閘管觸發(fā)以后，通過負(fù)載的電流立刻跳躍到后，通過負(fù)載的電流立刻跳躍到穩(wěn)態(tài)電流瞬時(shí)值上，然后按正弦穩(wěn)態(tài)電流瞬時(shí)值上，然后按正弦規(guī)律流動(dòng)直至零值，所以輸出電規(guī)律流動(dòng)直至零值，所以輸出電流波形是缺了一塊的正弦交流電流波形是缺了一塊的正弦交流電。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)第43頁/共73頁第四十四頁，共73頁。三、可控整流三、可控整流(zhngli)(zhngli)電電路路（一）單相可控整流（一）單相可控整流(zhngli)(zhngli)在前述的單相交流調(diào)壓電路中，如去

52、除反并聯(lián)晶閘管中的反向晶閘管，則在前述的單相交流調(diào)壓電路中，如去除反并聯(lián)晶閘管中的反向晶閘管，則反向電壓不再能加到負(fù)載電阻上（先假設(shè)負(fù)載為純電阻負(fù)載），這就構(gòu)成反向電壓不再能加到負(fù)載電阻上（先假設(shè)負(fù)載為純電阻負(fù)載），這就構(gòu)成(guchng)(guchng)了一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流器（圖了一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流器（圖3-393-39（a a）。）。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)第44頁/共73頁第四十五頁，共73頁。圖圖3-393-39（b b）所示）所示是單相可控整流是單相可控整流電路的電壓、電電路的電壓、電流波形流波形(b xn)(b xn

53、)。顯然經(jīng)過晶閘。顯然經(jīng)過晶閘管半波整流后的管半波整流后的輸出電壓輸出電壓udud是一是一個(gè)極性不變的脈個(gè)極性不變的脈動(dòng)直流電壓。動(dòng)直流電壓。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)第45頁/共73頁第四十六頁，共73頁。2.2.帶電阻帶電阻電感混合負(fù)載的單相電感混合負(fù)載的單相(dn (dn xin)xin)可控整流可控整流u整流電路的負(fù)載除電阻外常常還帶有一定大小的電感，這就是所謂整流電路的負(fù)載除電阻外常常還帶有一定大小的電感，這就是所謂的電阻的電阻電感混合電感混合(hnh)負(fù)載。負(fù)載。u電機(jī)的激磁繞組串接有平波電抗器的負(fù)載等，均屬電阻電機(jī)的激磁繞組串接有平波電

54、抗器的負(fù)載等，均屬電阻電感混電感混合合(hnh)負(fù)載。負(fù)載。u由于電感有反抗電流變化的特性，而使可控整流器的工作特性發(fā)生由于電感有反抗電流變化的特性，而使可控整流器的工作特性發(fā)生了明顯的變化，下面以圖了明顯的變化，下面以圖341來加以說明。來加以說明。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)第46頁/共73頁第四十七頁，共73頁。從從 波形上可以看到，由于波形上可以看到，由于(yuy)(yuy)電感的存在，延長了晶閘電感的存在，延長了晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，使管的導(dǎo)通時(shí)間，使 波形中出現(xiàn)波形中出現(xiàn)了正、負(fù)面積部分，從而減小了了正、負(fù)面積部分，從而減小了輸出直流電壓平均值

55、。這是電阻輸出直流電壓平均值。這是電阻- -電感負(fù)載時(shí)可控整流電路工作原電感負(fù)載時(shí)可控整流電路工作原理的重要特點(diǎn)。理的重要特點(diǎn)。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)第47頁/共73頁第四十八頁，共73頁。 LR的大電感負(fù)載， 。此時(shí)，對(duì)于(duy)不同控制角 ，電壓、電流波形如圖342所示。 此時(shí)電壓 波形的正、負(fù)面積接近相等，平均電壓 ，造成平均直流電流 也接近零，負(fù)載上將得不到所需功率。222電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)第48頁/共73頁第四十九頁，共73頁。單相半波單相半波(bn b)(bn b)可控整流電路

56、如可控整流電路如不采取措施，是不能直接帶大電感不采取措施，是不能直接帶大電感負(fù)載正常工作的。解決的方法是在負(fù)載正常工作的。解決的方法是在負(fù)載兩端并聯(lián)一續(xù)流二極管。如圖負(fù)載兩端并聯(lián)一續(xù)流二極管。如圖3 34343所示。所示。可見，加了續(xù)流二極管后的輸出直可見，加了續(xù)流二極管后的輸出直流電壓波形和純電阻負(fù)載時(shí)完全相流電壓波形和純電阻負(fù)載時(shí)完全相同（圖同（圖3 34343（b b），輸出直流電），輸出直流電壓平均值也相應(yīng)增大到了電阻負(fù)載壓平均值也相應(yīng)增大到了電阻負(fù)載時(shí)的大小。時(shí)的大小。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)第49頁/共73頁第五十頁，共73頁。電氣工程

57、概論電氣工程概論 3.2 電力電力(dinl)變換技術(shù)變換技術(shù)七、單象限直流電壓變換電路七、單象限直流電壓變換電路以上所述各類變流器，由于主開關(guān)元件上施加的都是以上所述各類變流器，由于主開關(guān)元件上施加的都是交流電，流過的電流都有自然過零的特點(diǎn)，所以都采交流電，流過的電流都有自然過零的特點(diǎn)，所以都采用晶閘管作開關(guān)元件。用晶閘管作開關(guān)元件。本小節(jié)開始所介紹的各類變流器，工作電源本小節(jié)開始所介紹的各類變流器，工作電源(dinyun)(dinyun)都是直流電源都是直流電源(dinyun)(dinyun)，元件電流并，元件電流并無自然過零的特點(diǎn)，故開關(guān)元件的切換只能通過一些無自然過零的特點(diǎn)，故開關(guān)元件

58、的切換只能通過一些強(qiáng)迫換流措施（采用晶閘管）或采用具有自關(guān)斷能力強(qiáng)迫換流措施（采用晶閘管）或采用具有自關(guān)斷能力的開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。的開關(guān)元件來實(shí)現(xiàn)。由于強(qiáng)迫換流需要較大的換流電容器、輔助晶閘管等由于強(qiáng)迫換流需要較大的換流電容器、輔助晶閘管等，造成了線路的復(fù)雜化，成本提高。所以，以下所介，造成了線路的復(fù)雜化，成本提高。所以，以下所介紹的各類變流器線路以采用具有自關(guān)斷能力的開關(guān)元紹的各類變流器線路以采用具有自關(guān)斷能力的開關(guān)元件為主。件為主。第50頁/共73頁第五十一頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論(giln) 3.2 電力變換技術(shù)電力變換技術(shù)（一）直流降壓變換電路（一）直流降壓變換電路用具有強(qiáng)

59、迫換流的半導(dǎo)體開關(guān)可以在任意的時(shí)間點(diǎn)接通或關(guān)斷一個(gè)直流用具有強(qiáng)迫換流的半導(dǎo)體開關(guān)可以在任意的時(shí)間點(diǎn)接通或關(guān)斷一個(gè)直流回路?；芈?。如果用一定的開關(guān)頻率周期性地接通和關(guān)斷它，并且任意地改變導(dǎo)通和如果用一定的開關(guān)頻率周期性地接通和關(guān)斷它，并且任意地改變導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的比例，顯然就有可能控制（調(diào)節(jié)）從直流電源送至負(fù)載的功關(guān)斷時(shí)間的比例，顯然就有可能控制（調(diào)節(jié)）從直流電源送至負(fù)載的功率。這樣的變換電路人們稱之為直流電壓變換電路，一般稱為直流斬波率。這樣的變換電路人們稱之為直流電壓變換電路，一般稱為直流斬波器。器。圖圖3 35555所示為一個(gè)直流降壓變換電路的基本所示為一個(gè)直流降壓變換電路的基本(jbn)

60、(jbn)線路和相應(yīng)的電壓線路和相應(yīng)的電壓電流波形曲線。電流波形曲線。第51頁/共73頁第五十二頁，共73頁。電氣工程概論電氣工程概論 3.2 電力變換電力變換(binhun)技術(shù)技術(shù)u周期性工作的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通比定義為周期性工作的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通比定義為u式中：式中：TaTa為開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，為開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間， Te Te為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。u負(fù)載上的平均負(fù)載上的平均(pngjn)(pngjn)直流電壓直流電壓 可以由導(dǎo)通比可以由導(dǎo)通比 和電源電壓和電源電壓 來計(jì)算，公式如下來計(jì)算，公式如下u電源輸出的電流電源輸出的電流 是矩形的脈動(dòng)電流，其平均是矩形的脈動(dòng)電流，其平均(p