第9章電力電子技術(shù)

1、第第9章章 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)范國偉范國偉安徽工業(yè)大學(xué)安徽工業(yè)大學(xué)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)l電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，它可以看成是弱進行變換和控制的技術(shù)，它可以看成是弱電控制強電的技術(shù)。電力電子器件是電力電控制強電的技術(shù)。電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)，目前的電力電子器件均電子技術(shù)的基礎(chǔ)，目前的電力電子器件均是由半導(dǎo)體材料制成的，故也稱電力半導(dǎo)是由半導(dǎo)體材料制成的，故也稱電力半導(dǎo)體器件。因此，電力電子器件也往往專指體器件。因此，電力電子器件也往往專指電力半導(dǎo)體器件?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展電力半導(dǎo)體器件。現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)

2、展與電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展密不可分，隨新與電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展密不可分，隨新型控制器件的誕生，新型變換電路也有新型控制器件的誕生，新型變換電路也有新突破。突破。9.1 電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件l電力電子器件發(fā)展非常迅速，品種也非常電力電子器件發(fā)展非常迅速，品種也非常多，但目前最常用的主要有：電力二極管、多，但目前最常用的主要有：電力二極管、晶閘管（晶閘管（SCR）及晶閘管派生器件、可關(guān)）及晶閘管派生器件、可關(guān)斷晶閘管（斷晶閘管（GTO）、雙極型功率晶體管）、雙極型功率晶體管（BJT或或GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（）、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型功率晶體管）、絕緣柵雙極型

3、功率晶體管（IGBT），以及新型的功率集成模塊），以及新型的功率集成模塊PIC、智能功率模塊智能功率模塊IPM等。等。9.1.1 晶閘管晶閘管l晶閘管又稱可控硅（晶閘管又稱可控硅（Silicon Controlled Rectifier）是實現(xiàn)大容量功率變換和控制）是實現(xiàn)大容量功率變換和控制的半導(dǎo)體器件，在整流、逆變、變頻、調(diào)的半導(dǎo)體器件，在整流、逆變、變頻、調(diào)壓和開關(guān)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。壓和開關(guān)控制等方面得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)世紀(jì)60年代以來，晶閘管研制和應(yīng)用年代以來，晶閘管研制和應(yīng)用發(fā)展很快，特別是近年來在電力牽引、交發(fā)展很快，特別是近年來在電力牽引、交流傳動與控制技術(shù)中，晶閘

4、管器件都起著流傳動與控制技術(shù)中，晶閘管器件都起著十分關(guān)鍵的作用，晶閘管變流技術(shù)正向著十分關(guān)鍵的作用，晶閘管變流技術(shù)正向著集成化、模塊化方向發(fā)展。集成化、模塊化方向發(fā)展。1、晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理、晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理l晶閘管有三個電極：陽極晶閘管有三個電極：陽極A、陰極、陰極K、門極、門極G。l晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻晶閘管與硅整流二極管相似，都具有反向阻斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即晶斷能力，但晶閘管還具有正向阻斷能力，即晶閘管的正向?qū)ū仨氂幸欢ǖ臈l件閘管的正向?qū)ū仨氂幸欢ǖ臈l件陽極加陽極加正向電壓，同時門極還必須加正向觸發(fā)電壓。正向電壓，同時門極還必須加正向觸發(fā)

5、電壓。l晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用。要晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，必須做到亮點：一是將陽極電使晶閘管關(guān)斷，必須做到亮點：一是將陽極電流減小到小于其維持電流流減小到小于其維持電流IH，二是將陽極電壓，二是將陽極電壓減小到零或使之反向。減小到零或使之反向。2、晶閘管的派生器件、晶閘管的派生器件l1）快速晶閘管（）快速晶閘管（FST）和高頻晶閘管）和高頻晶閘管l快速晶閘管和高頻晶閘管主要用于斬波電路和高頻逆變電路中。普通快速晶閘管和高頻晶閘管主要用于斬波電路和高頻逆變電路中。普通晶閘管的關(guān)斷時間為幾百微秒，快速晶閘管為幾十微秒，而高頻晶閘晶閘管的關(guān)斷時間為幾百微秒，快

6、速晶閘管為幾十微秒，而高頻晶閘管為管為10s左右。與普通晶閘管相比，高頻晶閘管的不足在于其電壓和左右。與普通晶閘管相比，高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。電流定額都不易做高。l2）雙向晶閘管（）雙向晶閘管（TRIAC）l雙向晶閘管是由一對反并聯(lián)連接的普通晶閘管構(gòu)成，電路簡單，工作雙向晶閘管是由一對反并聯(lián)連接的普通晶閘管構(gòu)成，電路簡單，工作穩(wěn)定可靠，常用在交流電路中進行調(diào)壓，穩(wěn)定可靠，常用在交流電路中進行調(diào)壓，l3）逆導(dǎo)晶閘管（）逆導(dǎo)晶閘管（RCT）l逆導(dǎo)晶閘管是將普通晶閘管與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片逆導(dǎo)晶閘管是將普通晶閘管與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上，是一種反

7、向?qū)ǖ木чl管。這種器件不具有承受反向電壓的能力，上，是一種反向?qū)ǖ木чl管。這種器件不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即導(dǎo)通。一旦承受反向電壓即導(dǎo)通。l4）光控晶閘管（）光控晶閘管（LTT）l光控晶閘管是利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件光控晶閘管是利用一定波長的光照信號控制的開關(guān)器件.l5）門極可關(guān)斷晶閘管（）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）l可關(guān)斷晶閘管也屬于可關(guān)斷晶閘管也屬于PNPN四層三端器件，普通晶閘管只能用門極正四層三端器件，普通晶閘管只能用門極正信號觸發(fā)其導(dǎo)通。信號觸發(fā)其導(dǎo)通。9.1.2 其它電力半導(dǎo)體器件其它電力半導(dǎo)體器件l1）電力晶體管（）電力晶體管（GTR）l電力晶體

8、管（電力晶體管（Giant Transistor）是一種）是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction Transistor,BJT），），應(yīng)用于高電壓大電流場合。它具有自關(guān)斷，應(yīng)用于高電壓大電流場合。它具有自關(guān)斷，開關(guān)時間短，飽和壓降低和安全工作區(qū)寬開關(guān)時間短，飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于交直流電機調(diào)速，等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于交直流電機調(diào)速，中頻電源等電力變流裝置。中頻電源等電力變流裝置。2）電力場效應(yīng)晶體管（）電力場效應(yīng)晶體管（power-MOSFET）l電力場效應(yīng)晶體管是一種大功率的場效應(yīng)晶體電力場效應(yīng)晶體管是一種

9、大功率的場效應(yīng)晶體管，它有源極管，它有源極S、漏極、漏極D和柵極和柵極G三個極，其基三個極，其基本結(jié)構(gòu)及其符號如圖本結(jié)構(gòu)及其符號如圖9-9所示。它和場效應(yīng)晶體所示。它和場效應(yīng)晶體管一樣可以分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效管一樣可以分為結(jié)型場效應(yīng)管和絕緣柵型場效應(yīng)管兩大類：應(yīng)管兩大類：結(jié)型場效應(yīng)管：它利用結(jié)型場效應(yīng)管：它利用PN結(jié)反結(jié)反向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏極、源極向電壓對耗盡層厚度的控制來改變漏極、源極之間的導(dǎo)電溝道寬度，從而控制漏、源極間電之間的導(dǎo)電溝道寬度，從而控制漏、源極間電流的大小。流的大小。絕緣柵型場效應(yīng)管：它利用柵極絕緣柵型場效應(yīng)管：它利用柵極和源極之間電壓產(chǎn)生的電場來改變

10、半導(dǎo)體表面和源極之間電壓產(chǎn)生的電場來改變半導(dǎo)體表面的感生電荷改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，從而控的感生電荷改變導(dǎo)電溝道的導(dǎo)電能力，從而控制漏極和源極之間的電流。制漏極和源極之間的電流。3）絕緣柵雙極型晶體管（）絕緣柵雙極型晶體管（IGT或或IGBT）l絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor, IGBT或或IGT）是由一個柵極為）是由一個柵極為MOS結(jié)構(gòu)的（絕緣柵）晶體管并聯(lián)一個其基極同結(jié)構(gòu)的（絕緣柵）晶體管并聯(lián)一個其基極同PNP晶體管互補連接的晶體管互補連接的NPN晶體管，這種連接晶體管，這種連接方式恰好是方式恰好是PNPN四層的晶閘管

11、等效電路（如四層的晶閘管等效電路（如圖圖9-11(a)）。其等效電路如圖）。其等效電路如圖9-11（b）所示。）所示。l它綜合了它綜合了MOS場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（MOSFET）和雙）和雙極晶體管（極晶體管（GTR）的優(yōu)點，因此，逐步取代了）的優(yōu)點，因此，逐步取代了MOSFET和和GTR的單獨使用。的單獨使用。IGBT具有輸入阻具有輸入阻抗高，開關(guān)速度快，工作電壓高，承受電流大，抗高，開關(guān)速度快，工作電壓高，承受電流大，驅(qū)動電路簡單，功率大等優(yōu)點。驅(qū)動電路簡單，功率大等優(yōu)點。4）靜電感應(yīng)晶體管（）靜電感應(yīng)晶體管（SIT）l靜電感應(yīng)晶體管（靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction

12、Transistor）是一種多子導(dǎo)電的器件，它實際上是一種結(jié)型是一種多子導(dǎo)電的器件，它實際上是一種結(jié)型場效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率場效應(yīng)晶體管。將用于信息處理的小功率SIT器器件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制件的橫向?qū)щ娊Y(jié)構(gòu)改為垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，即可制成大功率的成大功率的SIT器件。其符號如圖器件。其符號如圖9-13所示，三所示，三個引出極分別為源極個引出極分別為源極S、漏極、漏極D和柵極和柵極G。在柵。在柵極信號時，源極和漏極之間的極信號時，源極和漏極之間的N型半導(dǎo)體是很型半導(dǎo)體是很寬的垂直導(dǎo)電溝道，因此寬的垂直導(dǎo)電溝道，因此SIT稱為正常導(dǎo)通型器稱為正常導(dǎo)通型器件。在柵源極加負(fù)

13、電壓信號時，件。在柵源極加負(fù)電壓信號時，P型和型和N型層之型層之間的間的PN結(jié)受反向電壓形成了耗盡層，耗盡層不結(jié)受反向電壓形成了耗盡層，耗盡層不導(dǎo)電，如果反向電壓足夠高耗盡層很寬，垂直導(dǎo)電，如果反向電壓足夠高耗盡層很寬，垂直導(dǎo)電溝道將被夾斷使導(dǎo)電溝道將被夾斷使SIT關(guān)斷。關(guān)斷。5）靜電感應(yīng)晶閘管（）靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）l靜電感應(yīng)晶閘管（靜電感應(yīng)晶閘管（Static Induction Thyristor）是在）是在SIT的漏極層上附加一層的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到的，可以看作是的，可以看作是SIT和和GTO復(fù)合而成。復(fù)合而成

14、。6）MOS控制晶閘管（控制晶閘管（MCT）lMOS控制晶閘管（控制晶閘管（MOS Controlled Thyristor）是將）是將MOSFET與晶閘管組合與晶閘管組合而成的復(fù)合型器件。其電氣圖形符號如圖而成的復(fù)合型器件。其電氣圖形符號如圖9-15所示。所示。MCT集集MOSFET的高輸入阻的高輸入阻抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘抗、低驅(qū)動功率、快速的開關(guān)過程和晶閘管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點于管的高電壓大電流、低導(dǎo)通壓降的特點于一身，具有高電壓、大電流、高載流密度、一身，具有高電壓、大電流、高載流密度、低通態(tài)壓降、開關(guān)損耗小的特點。低通態(tài)壓降、開關(guān)損耗小的特點。7）集成門換流

15、晶閘管（）集成門換流晶閘管（IGCT）l集成門換流晶閘管（集成門換流晶閘管（Integrated Gate-Commutated Thyristor）是把可關(guān)斷晶）是把可關(guān)斷晶閘管閘管GTO芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)芯片與反并聯(lián)二極管和門極驅(qū)動電路集成在一起，再將其門極驅(qū)動器在動電路集成在一起，再將其門極驅(qū)動器在外圍以低電感方式連接環(huán)狀的門電極。外圍以低電感方式連接環(huán)狀的門電極。lIGCT是是20世紀(jì)世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)的新型電年代后期出現(xiàn)的新型電力電子器件，又稱為發(fā)射極關(guān)斷晶閘管力電子器件，又稱為發(fā)射極關(guān)斷晶閘管ETO。它具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率。它具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率較高、結(jié)構(gòu)

16、緊湊、可靠性高、損耗低、成較高、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、損耗低、成本低、成品率較高等特點。本低、成品率較高等特點。8）集成功率模塊）集成功率模塊l智能功率模塊（智能功率模塊（Intelligent Power Module, IPM）把功率開關(guān)器件與驅(qū)動電）把功率開關(guān)器件與驅(qū)動電路集成在一起。路集成在一起。IPM就是就是IGBT芯片、驅(qū)芯片、驅(qū)動器、全面的傳感保護以及自動識別系統(tǒng)動器、全面的傳感保護以及自動識別系統(tǒng)的集合。在變頻器中相對成為一個小的獨的集合。在變頻器中相對成為一個小的獨立系統(tǒng)，這個系統(tǒng)所能完成的功能相當(dāng)于立系統(tǒng)，這個系統(tǒng)所能完成的功能相當(dāng)于一個功率變換核心所做的全部工作。一個功率變

17、換核心所做的全部工作。l由于由于IPM工作頻率高，電流、電壓容量都工作頻率高，電流、電壓容量都很大，目前，很大，目前，IPM正以強大的功能和較高正以強大的功能和較高的可靠性贏得越來越廣泛的市場。的可靠性贏得越來越廣泛的市場。9.2 電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路l電力電子器件的驅(qū)動是通過控制極加一定電力電子器件的驅(qū)動是通過控制極加一定的信號使器件導(dǎo)通或關(guān)斷，產(chǎn)生驅(qū)動信號的信號使器件導(dǎo)通或關(guān)斷，產(chǎn)生驅(qū)動信號的電路稱為驅(qū)動電路。驅(qū)動電路是主電路的電路稱為驅(qū)動電路。驅(qū)動電路是主電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動電路和控制電路之間的接口，良好的驅(qū)動電路可使器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)

18、，縮短可使器件工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，提高裝置的運開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，提高裝置的運行效率。此外，器件的保護通常也通過驅(qū)行效率。此外，器件的保護通常也通過驅(qū)動電路來實現(xiàn)。動電路來實現(xiàn)。9.2.1 半控型電力半導(dǎo)體器件的半控型電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路驅(qū)動電路l晶閘管采用脈沖觸發(fā)，其門極觸發(fā)脈沖電流的理想波形晶閘管采用脈沖觸發(fā)，其門極觸發(fā)脈沖電流的理想波形如圖如圖9-18所示。晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路，它所示。晶閘管的驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路，它包括觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。常見的晶閘管觸發(fā)電包括觸發(fā)脈沖的放大和輸出環(huán)節(jié)。常見的晶閘管觸發(fā)電路如圖路如圖9-19所示

19、。其脈沖放大環(huán)節(jié)由所示。其脈沖放大環(huán)節(jié)由V1、V2構(gòu)成，脈構(gòu)成，脈沖輸出環(huán)節(jié)是由脈沖變壓器沖輸出環(huán)節(jié)是由脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成的。當(dāng)和附屬電路構(gòu)成的。當(dāng)V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。極之間輸出觸發(fā)脈沖。VD1和和R3是為了使是為了使V1、V2由導(dǎo)由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器通變?yōu)榻刂箷r脈沖變壓器TM釋放其儲存的能量而設(shè)的。釋放其儲存的能量而設(shè)的。為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需添加其他為了獲得觸發(fā)脈沖波形中的強脈沖部分，還需添加其他電路環(huán)節(jié)。強觸發(fā)是為了加快晶閘管的導(dǎo)通速度，普通電路環(huán)節(jié)。強觸發(fā)是為了加

20、快晶閘管的導(dǎo)通速度，普通要求時也可以不需要強觸發(fā)。要求時也可以不需要強觸發(fā)。9.2.2 全控型電力半導(dǎo)體器件的全控型電力半導(dǎo)體器件的驅(qū)動電路驅(qū)動電路l1、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路lGTR是電流驅(qū)動型器件。電流驅(qū)動型器件對觸發(fā)脈沖前是電流驅(qū)動型器件。電流驅(qū)動型器件對觸發(fā)脈沖前沿幅值和陡度要求高，整個導(dǎo)通期間都要施加正門極電沿幅值和陡度要求高，整個導(dǎo)通期間都要施加正門極電流，關(guān)斷時施加負(fù)向電壓，減小關(guān)斷時間。理想的流，關(guān)斷時施加負(fù)向電壓，減小關(guān)斷時間。理想的GTR基極驅(qū)動電流波形如下圖所示?；鶚O驅(qū)動電流波形如下圖所示。2、電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路、電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路

21、l電力電力MOSFET和和IGBT是電壓驅(qū)動型器件。電壓驅(qū)動型是電壓驅(qū)動型器件。電壓驅(qū)動型器件的柵源極之間具有極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，器件的柵源極之間具有極間電容，為快速建立驅(qū)動電壓，要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻；通常在柵極串入低要求驅(qū)動電路具有較小的輸出電阻；通常在柵極串入低值電阻有利于降低寄生振蕩，關(guān)斷時施加負(fù)壓有利于減值電阻有利于降低寄生振蕩，關(guān)斷時施加負(fù)壓有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。9.3.1 直流斬波電路直流斬波電路l直流斬波電路（直流斬波電路（DC Chopper）是將一個恒定）是將一個恒定的直流電壓變換成另一個固定的或可調(diào)的直流的直流電壓變換成另一

22、個固定的或可調(diào)的直流電壓，也稱直流斷續(xù)器、調(diào)壓器或電壓，也稱直流斷續(xù)器、調(diào)壓器或DC/DC變換變換電路。電路。l直流斬波電路（直流斬波電路（DC Chopper）一般是指直接）一般是指直接將直流變成直流的情況，不包括直流將直流變成直流的情況，不包括直流-交流交流-直流直流的情況；直流斬波電路的種類很多，包括：降的情況；直流斬波電路的種類很多，包括：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，Cuk斬波電路，斬波電路，Sepic斬波電路，斬波電路，Zeta斬波電路，斬波電路，其中前兩種是最基本的電路，將對其重點介紹。其中前兩種是最基本的電路，將對其重點介

23、紹。下面本節(jié)主要介紹直流降壓、升壓斬波電路。下面本節(jié)主要介紹直流降壓、升壓斬波電路。9.3.2 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路l把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，把兩個晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力，通過對晶閘管的控制就可以控制交流電力，這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流這種電路不改變交流電的頻率，稱為交流電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶電力控制電路。在每半個周波內(nèi)通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸閘管開通相位的控制，可以方便地調(diào)節(jié)輸出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓出電壓的有效值，這種電路稱為交流調(diào)壓電路。電路。9.4 逆變電路逆變電路l逆變是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，是整流的逆變是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，是整流的逆過程。逆變電路是把直流電逆變成交流逆過程。逆變電路是把直流電逆變成交流電的電路。逆變按照負(fù)載的性質(zhì)，分為有電的電路。逆變按照負(fù)載的性質(zhì)，分為有源逆變和無源逆變。本節(jié)介紹有源逆變和源逆變和無源逆變。本節(jié)介紹有源逆變和無源逆變電路的工作原理，重點介紹無源無源逆變電路的工作原理，重點介紹無源逆變。有源逆變介紹以晶閘管為開關(guān)元件逆變。有源逆變介紹以晶閘管為開關(guān)元件的相控方式。無源逆變主要介紹以可關(guān)斷的相控方式。無源逆變主要介紹以可關(guān)斷器件構(gòu)成的器件構(gòu)