電氣工程概論三電力電子課件

第三章電力電子技術(shù)電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)電氣工程概論電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)引言

近年來基于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電力電子領(lǐng)域得到了高度發(fā)展。同時(shí)電力電子的市場(chǎng)也在迅速地?cái)U(kuò)張，在開關(guān)電源、不間斷電源、節(jié)能、自動(dòng)化、運(yùn)輸、感應(yīng)加熱、電力事業(yè)諸方面都得到了廣泛的使用。電氣工程概論電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)電氣工程概論第一節(jié)功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)第一節(jié)功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論功率半導(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)。功率集成電路是最近10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、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PIC。智能功率模塊IPM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。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件功率半導(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)。電一、概述（一）功率半導(dǎo)體器件的功能圖3-1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出端送至輸入端。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件一、概述圖3-1為電力電子裝置的示意圖，功率輸入經(jīng)功率變換器功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點(diǎn)如下：1）功率半導(dǎo)體器件通常都處于在開關(guān)狀態(tài)。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）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、大電流的器件。一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)當(dāng)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；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3.1功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點(diǎn)如下：電氣工程概論（二）功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展功率半導(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20世紀(jì)40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。20世紀(jì)70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。20世紀(jì)80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(IGBT或IGT)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、MOS控制晶閘管、集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——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)電路集成在一塊芯片上，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段圖3-2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作范圍電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件圖3-2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作范圍電氣工程概論二、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)載回路的續(xù)流等場(chǎng)合均得到廣泛使用。（一）大功率二極管的結(jié)構(gòu)大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有P型、N型半導(dǎo)體、一個(gè)PN結(jié)和陽極A、陰極K的兩層兩端半導(dǎo)體器件，其符號(hào)表示如圖3-3(a)所示。從外部構(gòu)成看，也分成管芯和散熱器兩部分。一般情況下，200A以下的管芯采用螺旋式(圖3-3(b))，200A以上則采用平板式(圖3-3(c))。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件二、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（二）大功率二極管的特性1.大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia

間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖3-4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，于是大功率二極管的理想伏安特性如圖3-4(b)所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）大功率二極管的特性電氣工程概論2.大功率二極管的開通、關(guān)斷特性圖3-5為大功率二極管的開通過程。大功率二極管的開通過程較短，導(dǎo)通壓降很小，通?？梢暈橐焕硐腴_關(guān)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.大功率二極管的開通、關(guān)斷特性圖3-5為大功率二極管的開圖3-6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)間必須考慮。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件圖3-6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)間必在應(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)過程，trr=2~5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)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，trr=200~500nm)。快恢復(fù)二極管具有開通壓降低、反向快速恢復(fù)性能好的優(yōu)點(diǎn)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論三、晶閘管(SCR)晶閘管是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，其價(jià)格低廉、工作可靠，盡管開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻的電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。（一）晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖3-7及圖3-8所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件三、晶閘管(SCR)晶閘管是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，其價(jià)格低廉、（二）晶閘管的基本特性通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：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)晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。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)。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。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)值之下(晶閘管維持電流，約幾十毫安)。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)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）晶閘管的基本特性通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：電氣工程概靜態(tài)特性（1）陽極伏安特性。晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Uak與陽極電流ia之間的關(guān)系曲線，如圖3-9所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件靜態(tài)特性電氣工程概論陽極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，第I象限為正向特性區(qū)，第III象限為反向特性區(qū)。第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)。正向阻斷狀態(tài)隨著不同的門極電流，Ig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)晶閘管流過很大的陽極電流而管子本身只承受約1V左右的管壓降，特性曲線靠近并幾乎平行于縱軸。晶閘管在第III象限的反向特性與二極管的反向特性類似。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件陽極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，第I象限為正向特性區(qū)，第II2.動(dòng)態(tài)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，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)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。（1）開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖3-11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，一般為1~5微秒。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.動(dòng)態(tài)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（2）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。反壓可利用電源、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。（三）晶閘管的主要參數(shù)1.電壓參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM的90％定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)”表示這個(gè)電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（2）關(guān)斷特性（三）晶閘管的主要參數(shù)1.電壓參數(shù)（1）斷（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的90％為定義為反向重復(fù)峰值電壓URRM，這個(gè)電壓允許重復(fù)施加。（3）晶閘管的額定電壓UR取UDRM和URRM中較小的一個(gè)，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UR。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，在選用晶閘管時(shí)應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值UTM的2-3倍，以作安全余量。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM電氣工程概論2.電流參數(shù)（1）通態(tài)平均電流IT(AV)選用晶閘管時(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。選用晶閘管的額定電流IT(AV)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1.5－2倍。（2）維持電流IH維持電流IH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。（3）擎住電流IL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IL。一般擎住電流比維持電流大2～4倍。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.電流參數(shù)（1）通態(tài)平均電流IT(AV)電氣工程概論3.其它參數(shù)（1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/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)的最低電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。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。（2）通態(tài)電流臨界上升率di/dt通態(tài)電流臨界上升率di/dt是指在規(guī)定的條件下，晶閘管由門極進(jìn)行觸發(fā)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升率要小于這個(gè)數(shù)值。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件3.其它參數(shù)（1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt電氣工程概（四）晶閘管的派生器件

快速晶閘管雙向晶閘管逆導(dǎo)晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管光控晶閘管（五）晶閘管的驅(qū)動(dòng)1.晶閘管觸發(fā)電路的基本要求：1）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的功率和寬度。2）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。3）觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。4）隔離輸出方式及抗干擾能力。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（四）晶閘管的派生器件快速晶閘管（五）晶閘管的驅(qū)動(dòng)1四、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)500kHZ，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。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（一）簡(jiǎn)介四、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)（二）工作特性靜態(tài)特性1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖3-14(a)所示，可以分為三個(gè)區(qū)，分別是可調(diào)電阻區(qū)I，飽和區(qū)II，擊穿區(qū)III。2）轉(zhuǎn)移特性。漏極電流ID

與柵源電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移特性，如圖3-14(b)所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件UDS（二）工作特性1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如2.開關(guān)特性圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電容在開關(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)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3-16所示，其中UP

為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，UGS為柵極電壓，iD

為漏極電流。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.開關(guān)特性圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電（三）主要參數(shù)與安全工作區(qū)1.主要參數(shù)1）漏源電壓UDS2）電流定額ID，IDM3）柵源電壓UGS安全工作區(qū)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍而成，如圖3-17所示。其中I為漏源通態(tài)電阻限制線；II為最大漏極電流IDM限制線；III為最大功耗限制線；IV為最大漏源電壓限制線。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（三）主要參數(shù)與安全工作區(qū)1.主要參數(shù)電氣工程概論五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（一）結(jié)構(gòu)與工作原理圖3－19(c)是IGBT的符號(hào)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（一）結(jié)構(gòu)與工作原理圖3－（二）工作特性靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性，如圖3-20所示。輸出特性表達(dá)了集電極電流IC與集電極-發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系。IGBT的轉(zhuǎn)移特性表示了柵極電壓UG對(duì)集電極電流IC的控制關(guān)系。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）工作特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性，如2.動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性即開關(guān)特性，如圖3－21所示，其開通過程主要由其MOSFET結(jié)構(gòu)決定。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性即開關(guān)特性，如圖3－21所六、功率模塊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電路，而同類開關(guān)器件的串、并聯(lián)目的是要提高整體額定電壓、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、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)成功率集成電路。三菱電機(jī)公司在1991年推出智能功率模塊（IPM）是較為先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT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3－25所示。IPM的特點(diǎn)為：①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IGBT功率器件。②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3.1功率半導(dǎo)體器件六、功率模塊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)、并電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論七、功率半導(dǎo)體器件的保護(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：1）操作過電壓：由變流裝置拉、合閘和器件關(guān)斷等經(jīng)常性操作中電磁過程引起的過電壓。2）浪涌過電壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變流裝置的過電壓，其幅度可能比操作過電壓還高。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（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)變流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^電流保護(hù)。七、功率半導(dǎo)體器件的保護(hù)過電壓根據(jù)產(chǎn)生的原因可分為兩大類：電八、相關(guān)名詞二次擊穿：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)象稱為二次擊穿。安全工作區(qū)：Safeoperatingarea,SOA，是指功率半導(dǎo)體器件能夠按照預(yù)期正常工作而不會(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。八、相關(guān)名詞二次擊穿：對(duì)于集電極電壓超過VCEO而引起的擊穿作業(yè)P153：T3-1,3-2,3-3作業(yè)第二節(jié)電力變換技術(shù)電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)第二節(jié)電力變換技術(shù)電氣工程概論

變流技術(shù)在電力電子技術(shù)中是最重要的，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。變流技術(shù)可大致分為三代：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)；第二代主要以應(yīng)用自關(guān)斷器件為特征；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3.2電力變換技術(shù)變流技術(shù)在電力電子技術(shù)中是最重要的，也是最基本的技術(shù)之一一、換流概念和變流器的分類（一）換流概念在電工技術(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。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)我們用圖3-29來說明。電流I首先經(jīng)過接通的開關(guān)S1在支路1中流過，換流是通過開關(guān)S2的接通而開始的。S2接通后，在換流電壓uk的作用下，將有一換流電流ik在支路1和2之間流動(dòng)，如果ik的方向正確，此電流將逐步減小支路1中的電流和增加支路2中的電流。如總回路中電感L足夠大的話，則可以認(rèn)為總電流I在換流過程中保持不變。在完成了過渡后，也就是電流i2達(dá)到了值I和電流i1變成零時(shí)，換流過程通過打開開關(guān)S1而結(jié)束。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)一、換流概念和變流器的分類在電工技術(shù)中的換流是指電流從一條支電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論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。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。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。負(fù)載換流也屬于自然換流。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)迫換流。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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1.自然換流在自然換流時(shí)，變流器中的電流從支路1過渡到支路2是在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電壓的干預(yù)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tu。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)1.自然換流在自然換流時(shí)，變流器中的電流從支路1過渡到支路2（二）變流器的功能和分類變流器的基本功能如下：1）整流：將交流電轉(zhuǎn)換成直流電；2）逆變：將直流電變成一定頻率和大小的交流電；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大小任意可調(diào)的另一直流電；4）交流電變換：將大小和頻率固定的某交流電變成大小和頻率可變的交流電。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（二）變流器的功能和分類變流器的基本功能如下：電氣工程概論二、相控調(diào)壓電路（一）單相交流調(diào)壓圖3－33所示為一單相交流調(diào)壓的基本線路。二個(gè)反并聯(lián)的晶閘管周期性地觸發(fā)時(shí)間點(diǎn)，相對(duì)于交流電壓u的過零點(diǎn)滯后一個(gè)控制角α因此半導(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。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)二、相控調(diào)壓電路圖3－33所示為一單相交流調(diào)壓的基本線路。二三、可控整流電路（一）單相可控整流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)成了一個(gè)最簡(jiǎn)單的單相半波可控整流器（圖3-39（a））。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)三、可控整流電路在前述的單相交流調(diào)壓電路中，如去除反并聯(lián)晶閘圖3-39（b）所示是單相可控整流電路的電壓、電流波形。顯然經(jīng)過晶閘管半波整流后的輸出電壓ud是一個(gè)極性不變的脈動(dòng)直流電壓。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3-39（b）所示是單相可控整流電路的電壓、電流波形。顯然2.帶電阻——電感混合負(fù)載的單相可控整流整流電路的負(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——電感混合負(fù)載。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——電感混合負(fù)載。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3－41來加以說明。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)2.帶電阻——電感混合負(fù)載的單相可控整流整流電路的負(fù)載除電阻從波形上可以看到，由于電感的存在，延長(zhǎng)了晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，使波形中出現(xiàn)了正、負(fù)面積部分，從而減小了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理的重要特點(diǎn)。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)從波形上可以看到，由于電感的存在，延長(zhǎng)了晶閘管的

ωL》R的大電感負(fù)載，。此時(shí)，對(duì)于不同控制角，電壓、電流波形如圖3－42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。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)ωL》R的大電感負(fù)載，。此時(shí)，對(duì)于不同控制角，電壓、單相半波可控整流電路如不采取措施，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)載兩端并聯(lián)一續(xù)流二極管。如圖3－43所示?？梢?，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)完全相同（圖3－43（b）），輸出直流電壓平均值也相應(yīng)增大到了電阻負(fù)載時(shí)的大小。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)單相半波可控整流電路如不采取措施，是不能直接帶大電感負(fù)載正常電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)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。本小節(jié)開始所介紹的各類變流器，工作電源都是直流電源，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)。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。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（一）直流降壓變換電路用具有強(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。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。圖3－55所示為一個(gè)直流降壓變換電路的基本線路和相應(yīng)的電壓－電流波形曲線。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)周期性工作的半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通比定義為式中：Ta為開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，Te為開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。負(fù)載上的平均直流電壓可以由導(dǎo)通比和電源電壓來計(jì)算，公式如下電源輸出的電流是矩形的脈動(dòng)電流，其平均值可以由導(dǎo)通比和負(fù)載電流來計(jì)算，即式（3－25）、式（3－26）稱為直流電壓變換器的變比方程，類似于變壓器的變比方程。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)實(shí)際上，由于負(fù)載邊的平波電感不可能無限大，所以實(shí)際的負(fù)載電流不可能是完全平滑的直線。如圖3－56所示，期間，在電源電壓作用下，負(fù)載電流將按指數(shù)規(guī)律上升；在時(shí)，電源電壓被切除，負(fù)載電流將接指數(shù)規(guī)律衰減。所以，穩(wěn)態(tài)時(shí)的負(fù)載電流是周期性的脈動(dòng)電流。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)下面我們深入分析此時(shí)的負(fù)載電流的波動(dòng)情況，圖3－56（a）中負(fù)載是反電動(dòng)勢(shì)為E的直流電動(dòng)機(jī)。電流的波動(dòng)范圍為為表示電流波動(dòng)的相對(duì)大小，我們定義電流波動(dòng)率為由此可以計(jì)算出一個(gè)直流降壓變換器的輸出電流的波動(dòng)程度。電流波動(dòng)范圍為

由此可見，電流波動(dòng)范圍與直流降壓變換器的工作頻率有關(guān)，頻率f越高，T越小，電流波動(dòng)范圍就越小。其次，在同樣的工作頻率下，不同導(dǎo)通比時(shí)的電流波動(dòng)范圍有所不同。電氣工程概論由圖3－57還可看出，如負(fù)載平均電流I2過小，隨著電流的衰減，將出現(xiàn)電流間斷現(xiàn)象，這在直流降壓變換器設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到。上述的直流降壓變換器因其輸出電壓和電流都是單方向的，能量只能從電源向負(fù)載單向傳遞，故亦稱為能量正向傳遞的單象限直流降壓變換器。電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)由圖3－57還可看出，如負(fù)載平均電流I2過小，隨著電流的衰減電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（二）能量反向傳遞的直流降壓變換器圖3－55所示電路只能使能量從直流電源向負(fù)載傳送。圖3－58（a）所示電路就使需要能量從負(fù)載向電源反向傳遞。圖3－58（b）表示了電感Ld足夠大的理想情況下的電壓－電流波形曲線。這種直流降壓變換器也屬單象限變換器，可用于直流電動(dòng)機(jī)的電網(wǎng)反饋制動(dòng)，直至很低的轉(zhuǎn)速。上述兩種直流降壓變換器中，半導(dǎo)體開關(guān)S和二極管VD僅僅是在線路中的位置有所不同,故用一套半導(dǎo)體開關(guān)S和二極管VD,通過改變它的連接方法,就能使直流電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)樵偕苿?dòng)狀態(tài)。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（三）直流升壓變換電路以上所述的直流電壓變換電路，其輸出平均電壓U2av低于電源電壓U1，故屬于降壓變換電路。直流電壓變換電路也可用來提升電壓。圖3－59（a）所示即為一種直流升壓變換電路的原理圖，圖3－59（b）為半導(dǎo)體開關(guān)4導(dǎo)通時(shí)的等效電路，圖為3－59（b）關(guān)斷時(shí)的等效電路。圖3－59（a）原理圖（b）S導(dǎo)通時(shí)的等效電路（c）S關(guān)斷時(shí)的等效電路電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－59（d）所示是電流iL連續(xù)時(shí)電路中電壓－電流波形。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)假定在電流連續(xù)時(shí)，不計(jì)iL的脈動(dòng)，則在S導(dǎo)通期間由電源輸入到電感L的能量為在S關(guān)斷期間，電感釋放至負(fù)載的能量為根據(jù)能量平衡關(guān)系，可得由于，故，即直流電壓變換器可提供比電源電壓更高的輸出直流電壓，所以稱其為直流升壓變換器。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)十、直流電壓變換器的控制方式如前所述，在直流電壓變換器電路中，是通過改變半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比例（即改變導(dǎo)通比）來連續(xù)地控制電源和負(fù)載之間功率傳遞的。按不同用途，有不同的導(dǎo)通比控制方式，下面分別加以敘述。（一）時(shí)間比控制方式在圖3－55所示的直流降壓變換器電路中有關(guān)系式其中稱為導(dǎo)通比。改變導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的比例即可連續(xù)調(diào)節(jié)輸出平均直流電壓的大小，這種控制方式叫時(shí)間比控制方式。一般來說，用直流電壓變換器控制直流電路都是時(shí)間比控制，但改變導(dǎo)通比又有以下三種不同的方法。（1）定頻調(diào)寬控制（2）定寬調(diào)頻控制（3）調(diào)頻調(diào)寬混合控制電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)目前定頻調(diào)寬的時(shí)間比控制方式用得最普遍。在直流脈沖寬度調(diào)制PWM技術(shù)中，一般就是用定頻調(diào)寬法來產(chǎn)生PWM信號(hào)。如圖3－64所示。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)十一、逆變電路逆變電路是將直流電變成交流電的一種變流器電路。有源逆變電路：其輸出端必須同交流電網(wǎng)接在一起，從交流電網(wǎng)取得換流電壓，從而完成直流到交流的轉(zhuǎn)換。這種逆變器的輸出電壓大小和頻率就是電網(wǎng)電壓的大小和頻率，不能任意改變，故稱為有源逆變電路。DC/AC逆變器其輸出交流電與電網(wǎng)交流電無關(guān)，可以得到所需的任意頻率和電壓的交流電，可以單獨(dú)給負(fù)載供電，故稱其為無源逆變。無源逆變器不再能從電網(wǎng)得到換流電壓，通常需要通過附加的關(guān)斷電容器或采用有自關(guān)斷能力的半導(dǎo)體開關(guān)元件（例如GTO、GTR、IGBT等）來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫換流。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)根據(jù)元件的開關(guān)容量，目前主要采用由普通晶閘管、GTO、GTR和IGBT等幾種元件組成的逆變電路，其功率容量依次遞減。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)（一）電壓型單相半橋逆變電路單相半橋逆變器的主電路結(jié)構(gòu)如圖3－67（a）所示。可控開關(guān)元件的控制電壓ug1和ug2為180°的方波，重復(fù)頻率為f，并互差180°電角度，如圖3－67（b）所示。如負(fù)載是純電阻負(fù)載，則電流具有與電壓相同的波形。如負(fù)載是電感性負(fù)載，則負(fù)載電流將按指數(shù)曲線規(guī)律交變,同時(shí)負(fù)載電流的變化將滯后于電壓的變化。在－個(gè)工作循環(huán)中，逆變電路存在兩種電流換流。1、臂內(nèi)換流臂內(nèi)換流指電流在同一導(dǎo)電臂內(nèi)元件間的轉(zhuǎn)移。這種換流產(chǎn)生于電流過零時(shí)刻，電流的轉(zhuǎn)移只涉及導(dǎo)電臂內(nèi)元件的更迭，并不改變導(dǎo)電回路，物理過程簡(jiǎn)單,稱自然換流。2、臂間換流臂間換流指電流在導(dǎo)電臂間轉(zhuǎn)移。這時(shí)的換流稱為強(qiáng)迫換流，即必須強(qiáng)迫使退出導(dǎo)通的元件中電流下降為零，并使之關(guān)斷，而將負(fù)載電流轉(zhuǎn)移到二極管VD中。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)十二、逆變器的多重化電壓型逆變器輸出的電壓波形（或電流型逆變器輸出的電流波形）為交變的方波。由諧波分析可知，這樣的波形中包含有很強(qiáng)的諧波分量。如果用這樣的逆變器向感應(yīng)電動(dòng)機(jī)供電，則其輸出的諧波電壓（或電流）對(duì)電機(jī)運(yùn)行將產(chǎn)生不良影響。從逆變器電源出現(xiàn)后，人們一直致力于改善其輸出波形，減小諧波分量，使波形盡量接近正弦波。正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）常用于中小容量電壓型逆變器中，改善其輸出波形。在大容量逆變器中由于必須采用晶閘管作主開關(guān)元件，而晶閘管的開關(guān)頻率很低,故大容量逆變器通常采用多重化技術(shù)來改善輸出波形。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)前述電流型逆變器輸出的電流波形和電壓型的輸出電壓波形一樣為120°的矩形波，與正弦波相差較大。如果能使輸出波形變?yōu)槎嚯A梯波，則輸出波形較矩形波更接近正弦波，而且階梯越多，接近的程度越高，諧波分量越小[見圖3-74]，這正是多重化技術(shù)的基本思想——用階梯波逼近正弦波。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)把兩個(gè)逆變器的輸出并聯(lián)起來，且使兩個(gè)逆變器的輸出波形相位差30℃這樣就構(gòu)成了一個(gè)二重化逆變器，其輸出為二級(jí)階梯波[見圖3-75]。諧波分析表明，這種階梯波較矩形波的諧波分量要小。對(duì)于三重化、四重化逆變器的構(gòu)成方式可依次類推。一般來說，對(duì)于n重化逆變器，各個(gè)逆變器輸出波形之間相位差為電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)直接輸出多重化電流型逆變器可減小某些次數(shù)的諧波分量，重?cái)?shù)越高，諧波分量減小得越多，被減小的諧波分量的次數(shù)也越高。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)十三、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）技術(shù)圖3－79畫出了一正弦波的正半波，并將其劃分為k等分（圖3－79中k＝7）。由控制線路按一定的規(guī)律控制開關(guān)元件的通斷，從而得到等效于正弦波的一組等幅不等寬的矩形脈沖的方法稱為逆變器的正弦脈寬調(diào)制（即SPWM）。實(shí)際應(yīng)用中，可采用正弦波與三角波相比較的方法來確定各段矩形脈沖的寬度。三角波是上下寬度線性變化的波形。電氣工程概論電氣工程概論3.2電力變換技術(shù)圖3－80（a）是一單相全橋逆變電路，圖3－80（b）給出了三角波和正弦波比較圖。設(shè)逆變橋輸出端帶有R－L串聯(lián)的電感性負(fù)載，且負(fù)載電感L足夠大，能保證負(fù)載電流i0

連續(xù)。圖3－80（c）給出了逆變器輸出電壓u0的正弦脈寬調(diào)制波形和相應(yīng)的負(fù)載電流i0的波形。整個(gè)波形可以分成以下幾個(gè)時(shí)區(qū)。電氣工程概論經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe寫在最后經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量寫73ThankYou在別人的演說中思考，在自己的故事里成長(zhǎng)ThinkingInOtherPeople‘SSpeeches，GrowingUpInYourOwnStory講師：XXXXXXXX年XX月XX日ThankYou74第三章電力電子技術(shù)電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)電氣工程概論電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)引言

近年來基于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電力電子領(lǐng)域得到了高度發(fā)展。同時(shí)電力電子的市場(chǎng)也在迅速地?cái)U(kuò)張，在開關(guān)電源、不間斷電源、節(jié)能、自動(dòng)化、運(yùn)輸、感應(yīng)加熱、電力事業(yè)諸方面都得到了廣泛的使用。電氣工程概論電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)電氣工程概論第一節(jié)功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論第三章電力電子技術(shù)第一節(jié)功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論功率半導(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)。功率集成電路是最近10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、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PIC。智能功率模塊IPM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。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件功率半導(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)。電一、概述（一）功率半導(dǎo)體器件的功能圖3-1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出端送至輸入端。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件一、概述圖3-1為電力電子裝置的示意圖，功率輸入經(jīng)功率變換器功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點(diǎn)如下：1）功率半導(dǎo)體器件通常都處于在開關(guān)狀態(tài)。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）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、大電流的器件。一個(gè)理想的功率半導(dǎo)體器件應(yīng)當(dāng)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；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3.1功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件作為功率開關(guān)，其工作特點(diǎn)如下：電氣工程概論（二）功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展功率半導(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20世紀(jì)40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。20世紀(jì)70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。20世紀(jì)80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(IGBT或IGT)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、MOS控制晶閘管、集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——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)電路集成在一塊芯片上，從而開辟了電力電子器件智能化的方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段圖3-2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作范圍電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件圖3-2示出了各種功率半導(dǎo)體器件的工作范圍電氣工程概論二、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)載回路的續(xù)流等場(chǎng)合均得到廣泛使用。（一）大功率二極管的結(jié)構(gòu)大功率二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有P型、N型半導(dǎo)體、一個(gè)PN結(jié)和陽極A、陰極K的兩層兩端半導(dǎo)體器件，其符號(hào)表示如圖3-3(a)所示。從外部構(gòu)成看，也分成管芯和散熱器兩部分。一般情況下，200A以下的管芯采用螺旋式(圖3-3(b))，200A以上則采用平板式(圖3-3(c))。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件二、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（二）大功率二極管的特性1.大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓Uak與陽極電流ia

間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖3-4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，于是大功率二極管的理想伏安特性如圖3-4(b)所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）大功率二極管的特性電氣工程概論2.大功率二極管的開通、關(guān)斷特性圖3-5為大功率二極管的開通過程。大功率二極管的開通過程較短，導(dǎo)通壓降很小，通?？梢暈橐焕硐腴_關(guān)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.大功率二極管的開通、關(guān)斷特性圖3-5為大功率二極管的開圖3-6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)間必須考慮。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件圖3-6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)間必在應(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)過程，trr=2~5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)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，trr=200~500nm)?？旎謴?fù)二極管具有開通壓降低、反向快速恢復(fù)性能好的優(yōu)點(diǎn)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件電氣工程概論三、晶閘管(SCR)晶閘管是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，其價(jià)格低廉、工作可靠，盡管開關(guān)頻率較低，但在大功率、低頻的電力電子裝置中仍占主導(dǎo)地位。（一）晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖3-7及圖3-8所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件三、晶閘管(SCR)晶閘管是硅晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，其價(jià)格低廉、（二）晶閘管的基本特性通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：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)晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。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)。這個(gè)脈沖常稱之為觸發(fā)脈沖。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)值之下(晶閘管維持電流，約幾十毫安)。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)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）晶閘管的基本特性通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：電氣工程概靜態(tài)特性（1）陽極伏安特性。晶閘管的陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Uak與陽極電流ia之間的關(guān)系曲線，如圖3-9所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件靜態(tài)特性電氣工程概論陽極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，第I象限為正向特性區(qū)，第III象限為反向特性區(qū)。第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)。正向阻斷狀態(tài)隨著不同的門極電流，Ig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)晶閘管流過很大的陽極電流而管子本身只承受約1V左右的管壓降，特性曲線靠近并幾乎平行于縱軸。晶閘管在第III象限的反向特性與二極管的反向特性類似。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件陽極伏安特性可以劃分為兩個(gè)區(qū)域，第I象限為正向特性區(qū)，第II2.動(dòng)態(tài)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，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)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。（1）開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖3-11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，一般為1~5微秒。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.動(dòng)態(tài)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（2）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。反壓可利用電源、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。（三）晶閘管的主要參數(shù)1.電壓參數(shù)（1）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM的90％定義為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)”表示這個(gè)電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（2）關(guān)斷特性（三）晶閘管的主要參數(shù)1.電壓參數(shù)（1）斷（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的90％為定義為反向重復(fù)峰值電壓URRM，這個(gè)電壓允許重復(fù)施加。（3）晶閘管的額定電壓UR取UDRM和URRM中較小的一個(gè)，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UR。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，在選用晶閘管時(shí)應(yīng)使其額定電壓為正常工作電壓峰值UTM的2-3倍，以作安全余量。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（2）反向重復(fù)峰值電壓URRM電氣工程概論2.電流參數(shù)（1）通態(tài)平均電流IT(AV)選用晶閘管時(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。選用晶閘管的額定電流IT(AV)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1.5－2倍。（2）維持電流IH維持電流IH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。（3）擎住電流IL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IL。一般擎住電流比維持電流大2～4倍。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.電流參數(shù)（1）通態(tài)平均電流IT(AV)電氣工程概論3.其它參數(shù)（1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/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)的最低電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。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。（2）通態(tài)電流臨界上升率di/dt通態(tài)電流臨界上升率di/dt是指在規(guī)定的條件下，晶閘管由門極進(jìn)行觸發(fā)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升率要小于這個(gè)數(shù)值。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件3.其它參數(shù)（1）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt電氣工程概（四）晶閘管的派生器件

快速晶閘管雙向晶閘管逆導(dǎo)晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管光控晶閘管（五）晶閘管的驅(qū)動(dòng)1.晶閘管觸發(fā)電路的基本要求：1）觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yīng)有一定的功率和寬度。2）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。3）觸發(fā)脈沖的同步及移相范圍。4）隔離輸出方式及抗干擾能力。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（四）晶閘管的派生器件快速晶閘管（五）晶閘管的驅(qū)動(dòng)1四、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)500kHZ，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。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（一）簡(jiǎn)介四、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)（二）工作特性靜態(tài)特性1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如圖3-14(a)所示，可以分為三個(gè)區(qū)，分別是可調(diào)電阻區(qū)I，飽和區(qū)II，擊穿區(qū)III。2）轉(zhuǎn)移特性。漏極電流ID

與柵源電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關(guān)系，稱為轉(zhuǎn)移特性，如圖3-14(b)所示。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件UDS（二）工作特性1）漏極伏安特性。漏極伏安特性也稱輸出特性，如2.開關(guān)特性圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電容在開關(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)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3-16所示，其中UP

為驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)，UGS為柵極電壓，iD

為漏極電流。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.開關(guān)特性圖3-15為元件極間電容的等效電路。器件輸入電（三）主要參數(shù)與安全工作區(qū)1.主要參數(shù)1）漏源電壓UDS2）電流定額ID，IDM3）柵源電壓UGS安全工作區(qū)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍而成，如圖3-17所示。其中I為漏源通態(tài)電阻限制線；II為最大漏極電流IDM限制線；III為最大功耗限制線；IV為最大漏源電壓限制線。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（三）主要參數(shù)與安全工作區(qū)1.主要參數(shù)電氣工程概論五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（一）結(jié)構(gòu)與工作原理圖3－19(c)是IGBT的符號(hào)。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件五、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）（一）結(jié)構(gòu)與工作原理圖3－（二）工作特性靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性，如圖3-20所示。輸出特性表達(dá)了集電極電流IC與集電極-發(fā)射極間電壓UCE之間的關(guān)系。IGBT的轉(zhuǎn)移特性表示了柵極電壓UG對(duì)集電極電流IC的控制關(guān)系。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件（二）工作特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉(zhuǎn)移特性，如2.動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性即開關(guān)特性，如圖3－21所示，其開通過程主要由其MOSFET結(jié)構(gòu)決定。電氣工程概論3.1功率半導(dǎo)體器件2.動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性即開關(guān)特性，如圖3－21所六、功率模塊與功率集成電路功率模塊最常見的拓?fù)浣Y(jié)