chapter19電力電子技術

1、什么是電力電子學？什么是電力電子學？整流整流逆變逆變直流斬波直流斬波交流變頻、變相交流變頻、變相電力電子技術的發(fā)展階段電力電子技術的發(fā)展階段電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的晶閘管問世晶閘管問世(1957年年)IGBT出現(xiàn)出現(xiàn) 功率集成器件功率集成器件晶閘管時代晶閘管時代水銀（汞水銀（汞?。┱骰。┱髌鲿r代器時代電子管電子管問世問世全控型器件全控型器件迅速發(fā)展迅速發(fā)展史前期史前期（黎明期）（黎明期）1904193019471957197019801990 2000t(年年)晶體管誕生晶體管誕生電力電子技術主要應用領域電力電子技

2、術主要應用領域u一般工業(yè)：一般工業(yè)： 交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)u交通運輸：交通運輸： 電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海u電力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償u電子裝置電源：電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動力為信息電子裝置提供動力u家用電器：家用電器： “節(jié)能燈節(jié)能燈”、變頻空調、變頻空調u其他：其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置電力電子學的本質電力電子學的本質 根本目的：為了更好地使用電能（節(jié)能）根本目的：為了更好地使用電

3、能（節(jié)能） 根本手段：電力電子技術是使用功率半導體器根本手段：電力電子技術是使用功率半導體器件對電能進行變換件對電能進行變換 具體方法：包括電壓、電流、頻率和波形等方具體方法：包括電壓、電流、頻率和波形等方面的交換面的交換 通過電能變換，以達到使電能更好地符合各種通過電能變換，以達到使電能更好地符合各種不同用電設備的要求。它以實現(xiàn)不同用電設備的要求。它以實現(xiàn)“高效率用電高效率用電和高品質用電和高品質用電”為目標為目標19.1 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 不控器件：導通和關斷都不可控，如整流二極管不控器件：導通和關斷都不可控，如整流二極管D 半控器件：導通可控、關斷不可控，如硅整流管和

4、晶閘管半控器件：導通可控、關斷不可控，如硅整流管和晶閘管(T或或SCR) 全控器件：導通和關斷都可控，可關斷晶閘管全控器件：導通和關斷都可控，可關斷晶閘管(GTO)、如、如功率晶體管功率晶體管(GTR)、功率場效應晶體管（、功率場效應晶體管（VDMOS）和絕）和絕緣柵雙極晶體管緣柵雙極晶體管(IGBT)等等 現(xiàn)代電力電子器件現(xiàn)代電力電子器件 ：高頻化、標準模塊化、集成化和智：高頻化、標準模塊化、集成化和智能化能化 。功率集成電路。功率集成電路(PIC)分為智能功率集成電路分為智能功率集成電路(SPIC)和高壓集成電路和高壓集成電路(HVIC)兩類兩類 G P1P2N1N2P1P2N1N2K G

5、AKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T2G2Bii G22Cii 在極短時間內使兩在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。此過程稱觸發(fā)導通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2i+_1Bi1BiGEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 將陽極電源斷開或者在晶閘管的將陽極電源斷開或者在晶閘管的 必須使可控硅陽極電流減小必須使可控硅陽極電流減小, ,直到直到正反饋正反饋效應效應不能維持。不能維持。URRMUDRMIG2

6、 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUAIAIG0IG1IG2正向平均電流正向平均電流)(AAUfI截止截止UDRM:晶閘管晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下控制極開路且正向阻斷情況下, ,允允許重復加在許重復加在晶閘管晶閘管兩端的正向峰值電壓。兩端的正向峰值電壓。一般取一般取UDRM = = 80% UB0 。普通普通晶閘管晶閘管 UDRM 為為100V 3000V控制極開路時控制極開路時, ,允許重復作用在允許重復作用在晶閘管晶閘管元元 件上的反向峰值電壓。件上的反向峰值電壓。一般取一般取 URRM = 80% UBR 普通普通晶閘管晶閘管 URRM為為100V3000VURRM：)(s

7、in21m0mFIttdII 環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為4040 C C及及標準散熱條件下，標準散熱條件下，晶閘晶閘管處于管處于全導通時，全導通時，可以連續(xù)通過的工頻正可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流弦半波電流( (在一個周期內在一個周期內) )的平均值。的平均值。 IF t 2 i如果正弦半波電流的最大值為如果正弦半波電流的最大值為Im, 則則普通晶閘管普通晶閘管IF為為1A 1000A。額定電壓額定電壓, ,用百位或千位數(shù)表示用百位或千位數(shù)表示取取UDRM或或URRM較小者較小者額定正向平均電流額定正向平均電流( (IF) 晶閘管晶閘管K P普通型普通型(1) 電路電路。uuu To, 0。0,T

8、o uuu+T t1 2 :1t tuO晶晶閘閘管管不不導導通通。,0,0g1 ut t gu tO tOuO tOuO t1 tuO tguO t22 tTuOOU )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U +TLeL tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 +LTD+(1) 電路電路iL tOu tuO tTuO 2 tguOaRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a tOu tuO tT1uO2 動畫動畫 tguO )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2co

9、s19 . 0 U兩種常用可控整流電路兩種常用可控整流電路電路電路特點特點該電路只用一只晶閘管，且其上該電路只用一只晶閘管，且其上 無反向電壓。無反向電壓。2. 晶閘管和負載上的電流相同。晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D4u0RL+-+-電路電路特點特點 1. 該電路接入電感性負載時，該電路接入電感性負載時，D1、D2 便起便起 續(xù)流二極管作用。續(xù)流二極管作用。(2)2. 由于由于T1的陽極和的陽極和T2的陰極相連，兩管控的陰極相連，兩管控 制極必須加獨立的觸發(fā)信號。制極必須加獨立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-0 22010901801090%.%.UUAODT32I

10、IIV3102UV)()(RRMDRM930620232UUU2cos19 . 0 U)(1800 ，一旦發(fā)生過，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將電流時，溫度急劇上升，可能將PNPN結燒壞，造成元結燒壞，造成元件內部短路或開路。例如一只件內部短路或開路。例如一只100A的的晶閘管晶閘管過電流過電流為為400A400A時，僅允許持續(xù)時，僅允許持續(xù)0.020.02秒，否則將因過熱而損秒，否則將因過熱而損壞；壞； 電壓超過其反電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉折電壓時，則晶閘管誤導通，導通后向電壓超過轉折電壓時，則晶

11、閘管誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。的電流較大，使器件受損。與晶閘與晶閘管串聯(lián)管串聯(lián)接在接在輸入輸入端端接在接在輸出輸出端端 RCRC 硒堆保護硒堆保護(硒整流片硒整流片)晶閘管元件晶閘管元件的阻容保護的阻容保護NPPN結結N型硅片型硅片2B1B1BBB1BRRRUU BBBBBB1BUURR 分壓比分壓比( (0.5 0.9) )UBB+_+_RP+_+_RB1RB2AUBB+_RP+_+_3 . 維持單結管導通的最小維持單結管導通的最小 電壓、電流。電壓、電流。 單結管由截止變導通單結管由截止變導通 所需發(fā)射極電壓所需發(fā)射極電壓。IpIVV截止區(qū)截止區(qū)P 3. 不同單結晶體管的谷點電

12、壓不同單結晶體管的谷點電壓谷點電流谷點電流都都 不一樣。谷點電壓大約在不一樣。谷點電壓大約在2 5V之間。常選用之間。常選用 稍大一些，稍大一些， 稍小的單結晶體管，以增大輸稍小的單結晶體管，以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。出脈沖幅度和移相范圍。Uvug。uvOORLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+C+RU2MRu2+uo+uZU2MuOouOzuOUP-UDR1R2RPCcRuZLugucuvUpRLT1D1D2T2OOUZuOO uL L單結晶體管觸發(fā)電路單結晶體管觸發(fā)電路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR 輸出脈沖可以直接從電阻輸出脈沖可以直接從電阻R1引出引出(如前圖如前圖)，也可，也可通過脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間通過脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間允許的反向電壓很小，為了防止反向擊穿，在脈沖允許的反向電壓很小，為了防止反向擊穿，在脈沖變壓器副邊串聯(lián)二極管變壓器副邊串聯(lián)二極管D1, 可將反向電壓隔開，而可將反向電壓隔開，而并聯(lián)并聯(lián)D2，