第2章電力電子器件和電力變換基本電路結(jié)構(gòu)教案

現(xiàn)代電力電子及變流技術(shù)第二章電力電子器件和電力變換基本電路結(jié)構(gòu)第二章電力電子器件和電力變換基本電路結(jié)構(gòu)2.1電力電子器件2.1.1概述2.1.2不可控器件——二極管2.1.3半控型器件——晶閘管2.1.4典型全控型器件2.1.5其他新型電力電子器件2.1.6電力電子器件的驅(qū)動和保護2.2基本電路結(jié)構(gòu)——直流斬波電路2.2.1降壓斬波電路—Buck電路2.2.2升壓斬波電路—Boost電路2.2.3DC-DC變換設(shè)計實例2.1電力電子器件

電力變換器：由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路組成?？刂齐娐窓z測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行電氣隔離控制電路主電路（MainPowerCircuit）

——電力變換器中直接承擔(dān)電能的變換或控制電力電子器件（PowerElectronicDevice）——電力變換器的基礎(chǔ)，在主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件概述2.1.1電力電子器件概述電力電子器件一般特征具有處理電功率的能力。一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。需要由控制電路來控制開通和關(guān)斷。自身的功率損耗較大，一般都要安裝散熱器。電力電子器件的損耗主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗成為器件功率損耗的主要因素。2.1.1電力電子器件概述電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷(自關(guān)斷器件)

不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。按照驅(qū)動信號的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷。電壓驅(qū)動型

——通過在控制端和公共端之間施加電壓信號可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷。電力二極管(PowerDiode)PN結(jié)的狀態(tài)

狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——

二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.1.2不可控器件—電力二極管晶閘管

(Thyristor)，以前稱為可控硅。2.1.3半控型器件—晶閘管晶閘管正常工作時的特性總結(jié)2.1.3半控型器件—晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。2.1.4典型全控型器件電力MOSFETIGBT單管及模塊

門極可關(guān)斷晶閘管——GTO

電力晶體管——GTR

電力場效應(yīng)晶體管——電力MOSFET

絕緣柵雙極晶體管——IGBT2.1.4典型全控型器件—GTO，GTR門極可關(guān)斷晶閘管——GTO晶閘管的一種派生器件；可以通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷；GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用。由于是電流驅(qū)動，開關(guān)頻率不高。電力晶體管——GTR耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管；20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。2.1.4典型全控型器件—MOSFETGSDP溝道GSDN溝道電力場效應(yīng)晶體管

特點—電壓驅(qū)動型

驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小；開關(guān)速度快，工作頻率高；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系；可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度；關(guān)斷過程非常迅速，開關(guān)時間在10~100ns之間，工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的；2.1.4典型全控型器件—IGBT絕緣柵雙極晶體管—IGBTGCEGTR和GTO的優(yōu)點——雙極型，電流驅(qū)動，通流能力很強。

MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，驅(qū)動電路簡單。特點：

GTR和MOSFET復(fù)合，取GTR和GTO通流能力強的優(yōu)點，取MOSFET電壓驅(qū)動(開關(guān)速度快)優(yōu)點；是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件；繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期在大功率應(yīng)用中取代GTO。2.1.4典型全控型器件—IGBT絕緣柵雙極晶體管工作原理導(dǎo)通

—uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通；關(guān)斷

—柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2.1.5其他新型電力電子器件集成門極換流晶閘管IGCT

——20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)，結(jié)合了IGBT與GTO的優(yōu)點，容量與GTO相當(dāng)，開關(guān)速度快10倍，省去GTO復(fù)雜的緩沖電路，但驅(qū)動功率仍很大。功率集成電路（PowerIntegratedCircuit——PIC）：20世紀(jì)80年代中后期開始，模塊化趨勢，將器件與邏輯、控制、保護、傳感、檢測、自診斷等信息電子電路制作在同一芯片上。

——高壓集成電路（HighVoltageIC——HVIC）：一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成；

——智能功率集成電路（SmartPowerIC——SPIC）：一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成；

——智能功率模塊（IntelligentPowerModule——IPM）：專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅(qū)動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）2.1.6電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件驅(qū)動的一般知識驅(qū)動電路——主電路與控制電路之間的接口，提供控制電路與主電路之間的電氣隔離，一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器；

磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。a)普通型b)高速型c)高傳輸比型注：目前的趨勢是采用專用集成驅(qū)動電路。2.1.6電力電子器件的保護過電壓保護過電壓主要來自器件的開關(guān)過程換相過電壓：

——晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后，反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓。關(guān)斷過電壓：

——全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。(對于高頻工作的器件，關(guān)斷過電壓沒有很好的解決方案)注：過電壓保護主要采用緩沖電路。但對于高頻大功率器件，采用緩沖電路的方案解決關(guān)斷過電壓也存在一定的問題，因此目前并沒有很好的解決方案。2.1.6電力電子器件的保護緩沖電路緩沖電路(SnubberCircuit)

：

又稱吸收電路。——抑制器件的過電壓、du/dt、di/dt，減小器件的開關(guān)損耗。關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）——吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗；開通緩沖電路（di/dt抑制電路）——抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗；按能量的去向分類法：耗能式緩沖電路和饋能式緩沖電路（無損吸收電路）2.1.6電力電子器件的保護過流保護快速熔斷器：主要用于過載保護；檢測過電流：主要用于過電流保護；驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)：主要用于短路保護。(例如：對于10kHz工作的IGBT，容許短路時間小于10us)2.2電力變換基本電路結(jié)構(gòu)電力變換（變流）電路的分類：DC—DC變換，稱為直流斬波；AC—DC變換，稱為整流；DC—AC變換，稱為逆變；AC—AC變換，稱為交-交變頻。注：電力變換電路是由最基本的直流斬波電路—Buck和Boost電路組合派生、演變所形成的。直流斬波電路（DCChopper）即DC—DC變換電路；一般指直接將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，不包括直流—交流—直流變換。2.2.1降壓斬波電路—Buck電路一、電路結(jié)構(gòu)

全控型器件若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動勢注：傳統(tǒng)的用途之一是拖動直流電動機。2.2.1降壓斬波電路—Buck電路二、工作原理t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小。c)

電流斷續(xù)時的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

電路圖動畫演示■注：下面只分析電流連續(xù)工作模式；電流斷續(xù)的情況參照教科書，不作要求2.2.1降壓斬波電路—Buck電路三、電流連續(xù)工作模式下輸入輸出關(guān)系

負(fù)載電壓平均值：ton——V導(dǎo)通的時間

toff——V關(guān)斷的時間

D--導(dǎo)通占空比

負(fù)載電流平均值：斬波電路三種調(diào)制方式T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—頻率調(diào)制(PFM)；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。此種方式應(yīng)用最多2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)目標(biāo)：PWM2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)1、建模兩種工作模式IGBT導(dǎo)通時等效電路IGBT斷開時等效電路定義開關(guān)函數(shù)2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用開關(guān)周期算子一半周期導(dǎo)通，一半周期斷開開關(guān)函數(shù)的擴展開關(guān)周期平均運算，保留原信號的低頻部分，消除開關(guān)頻率分量一半周期導(dǎo)通，一半周期斷開時開關(guān)函數(shù)擴展后2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)電路的數(shù)學(xué)模型等效電路令求解控制2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)2、控制求解取李雅譜諾夫函數(shù)2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)2、控制求解2.2.1降壓斬波電路—Buck電路四、閉環(huán)系統(tǒng)3、控制器一、電路結(jié)構(gòu)2.2.2升壓斬波電路—Boost電路保持輸出電壓儲存電能注：典型應(yīng)用是單相串聯(lián)型功率因數(shù)效正器（PFC）

。2.2.2升壓斬波電路—Boost電路二、工作原理V處于通態(tài)時，電源E向電感L充電，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓U0恒定；V處于斷態(tài)時，電源E和電感L同時向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。動態(tài)演示■0iGE0ioI1a)

電路圖b)

波形假設(shè)L和C值很大——電感電流連續(xù)和負(fù)載電流平滑三、輸入輸出關(guān)系結(jié)論：輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。其中：0<D<1。2.2.2升壓斬波電路—Boost電路四、建模和控制1、電路分析u1電壓分析:IGBT導(dǎo)通，工作時間Ton，電壓等于0。IGBT斷開，工作時間TS-Ton，電壓等于u2。等效電壓：開關(guān)函數(shù):等效電流：I2電流分析:IGBT導(dǎo)通，工作時間Ton，電流等于0。IGBT斷開，工作時間TS-Ton，電流等于i1。2.2.2升壓斬波電路—Boost電路四、建模和控制2、等效電路2.2.2升壓斬波電路—Boost電路四、建模和控制3、數(shù)學(xué)模型2.2.2升