電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915

電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX09152023/12/26電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915目錄整流電路及逆變電路電力半導(dǎo)體器件123開(kāi)關(guān)電源概述變頻器硬件體系42電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915電力半導(dǎo)體器件變頻器中常見(jiàn)的電力半導(dǎo)體器件：1、電力二極管（PowerDiode）2、功率晶體管（GTR--GiantTransistor）也稱雙極型晶體管（BJT--BipolarJunctionTransistor）3、場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET--Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）4、絕緣柵門(mén)極雙極性晶體管(IGBT—InsulatedGateBipolarTransistor)5、智能功率模塊（IPM—IntelligentPowerModule）6、PIM7、晶閘管（SCR—SillconControlledRectifier）3電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915電力半導(dǎo)體器件分類(lèi)按照器件能夠被電路信號(hào)控制的程度，可分為三類(lèi)：1、不可控型器件不能用控制型號(hào)控制其通斷，不需要驅(qū)動(dòng)電路（二極管）2、半控型器件控制信號(hào)可控制其開(kāi)通但不能控制其關(guān)斷（SCR）3、全控型器件控制信號(hào)既可以控制開(kāi)通也可以控制其關(guān)斷（IGBT、MOSFET…）按照驅(qū)動(dòng)電路加在控制器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)可分為：1、電流驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制（GTR、SCR）2、電壓驅(qū)動(dòng)型通過(guò)在控制端施加一定的電壓信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制（MOSFET、IGBT）分類(lèi)：4電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915電力二極管特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦圆豢煽胤蔡匦?電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915電力二極管的主要參數(shù)額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)——按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降UF——在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。反向重復(fù)峰值電壓URRM——對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量

反向恢復(fù)時(shí)間trrtrr=td+tf最高工作結(jié)溫TJM——結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175

C范圍之內(nèi)。浪涌電流IFSM——指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。6電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915電力二極管的主要作用7電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915功率晶體管GTR20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又被IGBT和電力MOSFET取代。常用的有NPN和PNP兩種類(lèi)型，電流全控型器件。主要特點(diǎn)有開(kāi)關(guān)頻率低、關(guān)斷時(shí)間長(zhǎng)、開(kāi)關(guān)容量大、導(dǎo)通壓降低…8電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915GTR基本知識(shí)9電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915GTR基本知識(shí)10電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915GTR基本知識(shí)11電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915GTR主要參數(shù)電流放大倍數(shù)β;β=Ic/Ib直流電流增益hFE;一般認(rèn)為：hFE=β集射極間漏電流Iceo集射極間飽和壓降Uces開(kāi)通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff最高工作電壓集電極最大允許電流IcM：規(guī)定為hFE下降到規(guī)定值的1/2~1/3時(shí)所對(duì)應(yīng)的Ic。實(shí)際使用時(shí)要留有裕量，只能用到IcM的一半或稍多一點(diǎn)集電極最大耗散功率PcM：最高工作溫度下允許的耗散功率12電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915GTR主要參數(shù)13電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915GTR主要參數(shù)14電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915MOSFET功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）是壓控型器件，具有高輸入阻抗、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、工作頻率高、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等優(yōu)點(diǎn)主要品牌有：IR、Fairchild、ON、ST、IXYS、Vishay……按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。按柵極電壓幅值可分為：耗盡型和增強(qiáng)型；功率MOSFET主要為N溝道增強(qiáng)型15電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915MOSFET16電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915MOSFET17電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915MOSFET18電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915MOSFET19電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915主要參數(shù)1、漏極擊穿電壓BUD

BUD是不使器件擊穿的極限參數(shù)，它大于漏極電壓額定值

BUD隨結(jié)溫的升高而升高，這點(diǎn)正好與GTR和GTO相反。2、漏極額定電壓UDUD是器件的標(biāo)稱額定值。3、漏極電流ID和IDMID是漏極直流電流的額定參數(shù)；IDM是漏極脈沖電流幅值4、柵極開(kāi)啟電壓UTUT又稱閥值電壓，是開(kāi)通PowerMOSFET的柵-源電壓，它為轉(zhuǎn)移特性的特性曲線與橫軸的交點(diǎn)。施加的柵源電壓不能太大，否則將擊穿器件。5、跨導(dǎo)gmgm是表征PowerMOSFET柵極控制能力的參數(shù)。

MOSFET20電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915MOSFET典型應(yīng)用21電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT絕緣柵雙極晶體管IGBT，綜合了MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)；具有高輸入阻抗，開(kāi)關(guān)速度快，工作電壓高，承受電流大，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，功率大等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代了MOSFET和GTR的單獨(dú)使用，廣泛應(yīng)用于變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域主要品牌有：InfineonSemikronMITSUBISHIFujiIRFairchildSanRexSanKenToshiba22電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT23電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT24電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT的基本特性25電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT的基本特性26電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT的基本特性27電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT的基本特性28電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IPM智能功率模塊IPM（IntelligentPowerModule），不僅把功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)電路集成在一起。而且還內(nèi)置有過(guò)電壓，過(guò)電流和過(guò)熱等故障檢測(cè)電路，并可將檢測(cè)信號(hào)送到CPU。它由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路以及快速保護(hù)電路構(gòu)成。即使發(fā)生負(fù)載事故或使用不當(dāng)，也可以保證IPM自身不受損壞。IPM一般使用IGBT作為功率開(kāi)關(guān)元件，內(nèi)藏電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。IPM以其高可靠性，使用方便贏得越來(lái)越大的市場(chǎng)，尤其適合于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器和各種逆變電源，已廣泛應(yīng)用于變頻調(diào)速，冶金機(jī)械，電力牽引，伺服驅(qū)動(dòng)，變頻家電。29電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IPM30電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915PIM31電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915IGBT、GTR、GTO、MOSFET32電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915整流電路整流電路（RectifyingCircuit）把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整流主電路和濾波器等組成1、按組成的器件可分為不可控整流電路、半控整流電路、全控整流電路2、按電路結(jié)構(gòu)可分為零式整流電路和橋式整流電路3、按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分為單相整流電路、三相整流電路、和多相整流電路4、單相整流電路分為：半波整流,全波整流,橋式整流及倍壓整流電路等5、三相可控整流電路有：三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。33電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915單相橋式整流電路VL=0.9V2基本電路34電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915單相橋式整流電路電容濾波電路VLmax=√2*V2負(fù)載直流電壓較高，紋波較小，適用于負(fù)載電壓較高、負(fù)載變動(dòng)不大的場(chǎng)合35電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915單相橋式整流電路電感濾波電路整流管的導(dǎo)電角較大，輸出特性比較平坦，但電感體積大，容易引起電磁干擾。一般只適用于低電壓、大電流的場(chǎng)合36電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915三相橋式整流電路37電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915三相橋式整流電路三相橋式整流電路，電容濾波，電阻負(fù)載其中Vpn為直流母線電壓、Vab為線電壓，Va為相電壓38電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路39電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路40電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路41電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路42電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路43電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路44電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915逆變電路45電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915開(kāi)關(guān)電源概述開(kāi)關(guān)電源就是利用電子開(kāi)關(guān)器件（如晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅閘流管等），通過(guò)控制電路，使電子開(kāi)關(guān)器件不停地“接通”和“關(guān)斷”，讓電子開(kāi)關(guān)器件對(duì)輸入電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)DC/AC、DC/DC電壓變換，以及輸出電壓可調(diào)和自動(dòng)穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源一般有三種工作模式：1、頻率、脈沖寬度固定模式2、頻率固定、脈沖寬度可變模式3、頻率、脈沖寬度可變模式根據(jù)開(kāi)關(guān)器件在電路中連接的方式，目前比較廣泛使用的開(kāi)關(guān)電源，大體上可分為：串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、并聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源、變壓器式開(kāi)關(guān)電源等三大類(lèi)；其中，變壓器式開(kāi)關(guān)電源（后面簡(jiǎn)稱變壓器開(kāi)關(guān)電源）還可以進(jìn)一步分成：推挽式、半橋式、全橋式等多種；根據(jù)變壓器的激勵(lì)和輸出電壓的相位，又可以分成：正激式、反激式、單激式和雙激式等多種。46電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915圖1-1是串聯(lián)式開(kāi)關(guān)電源的最簡(jiǎn)單工作原理圖，圖1-1-a中Ui是開(kāi)關(guān)電源的工作電壓，即：直流輸入電壓；K是控制開(kāi)關(guān)，R是負(fù)載。當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K接通的時(shí)候，開(kāi)關(guān)電源就向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為T(mén)on，幅度為Ui的脈沖電壓Up；當(dāng)控制開(kāi)關(guān)K關(guān)斷的時(shí)候，又相當(dāng)于開(kāi)關(guān)電源向負(fù)載R輸出一個(gè)脈沖寬度為T(mén)off，幅度為0的脈沖，控制開(kāi)關(guān)K不停地“接通”和“關(guān)斷”，在負(fù)載兩端就可以得到一個(gè)脈沖調(diào)制的輸出電壓uo開(kāi)關(guān)電源基本電路47電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915反激式開(kāi)關(guān)電源基本電路反激式變壓器開(kāi)關(guān)電源，是指當(dāng)變壓器的初級(jí)線圈被直流電壓激勵(lì)時(shí)，變壓器的次級(jí)線圈沒(méi)有向負(fù)載提供功率輸出，而僅在變壓器初級(jí)線圈的激勵(lì)電壓被關(guān)斷后才向負(fù)載提供功率輸出，這種變壓器開(kāi)關(guān)電源稱為反激式開(kāi)關(guān)電源。48電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915BUCK電路當(dāng)t∈[0,DT]時(shí)，控制信號(hào)使T導(dǎo)通，D截止，向L充磁，C充電；當(dāng)t∈[DT,T]時(shí)，T截止，D續(xù)流，Uo靠C放電和L中電流下降維持假設(shè)T、D均為理想器件，L較大，使得在一個(gè)周期內(nèi)電流連續(xù)且無(wú)內(nèi)阻，則直流輸出電壓恒定，整個(gè)電路無(wú)功耗，且電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)49電力電子基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)XX0915Boost電路在充電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)閉合（三極管導(dǎo)通）；這時(shí)，輸入電壓流過(guò)電感。二極管防止電容對(duì)地放電。由于輸入是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，這個(gè)比率跟電感大小有關(guān)。隨著電感電流增加，電感里儲(chǔ)存能量。放電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)（三極管截止）時(shí)；由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會(huì)馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時(shí)的值變?yōu)?。而原來(lái)的電路已斷開(kāi)，于是電感只能通過(guò)新電路放電，即電感開(kāi)始給電容充電，電容兩端電壓升高，此時(shí)電壓已經(jīng)高于輸入電壓了。升壓完畢。升壓過(guò)程就是一個(gè)電感的能量傳遞過(guò)程。充電時(shí)，電感吸收能量，放電時(shí)電感放出能量。如果電容量足夠大，那么在輸出端就可以在放電過(guò)