電力電子技術(shù)

電力電子技術(shù)

PowerElectronicTechnology

第一講概述1.1什么是電力電子技術(shù)

1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史

1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用

1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容

1.1什么是電力電子技術(shù)電子技術(shù)包括：信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)信息電子技術(shù)(InfoElectronicTechnology)——模擬電子技術(shù)(AnalogElectronicTechnology)和數(shù)字電子技術(shù)(DigitalElectronicTechnology)，主要用于信息處理(InfoDispose)。電力電子技術(shù)(PowerElectronicTechnology)——應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，使用電力電子器件(PowerElectronicDevice)對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)主要用于電力變換(PowerConversion)。

目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱(chēng)電力半導(dǎo)體器件(PowerSemiconductorDevice)。

電力電子裝置（PowerElectronicEquipment)的功率，可大到數(shù)百M(fèi)W甚至GW，也可小到數(shù)瓦甚至1W以下1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)的兩個(gè)分支：電力電子變流技術(shù)電力電子器件制造技術(shù)1、電力電子變流技術(shù)(PowerElectronicConversionTechnique)

用電力電子器件(PowerElectronicDevice)構(gòu)成電力變換電路(PowerConversionCircuit)和對(duì)其進(jìn)行控制的技術(shù)，及構(gòu)成電力電子裝置（PowerElectronicEquipment)和電力電子系統(tǒng)(PowerElectronicSystem)的技術(shù)。電力電子技術(shù)的核心，理論基礎(chǔ)是電路理論(TheoryofElectriccircuit)。2、電力電子器件制造技術(shù)(ManufactureTechniqueofPowerElectronicDevice)

電力電子器件制造技術(shù)的基礎(chǔ)，理論基礎(chǔ)是半導(dǎo)體物理(SemiconductorPhysics)1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子變流技術(shù)：用電力電子器件進(jìn)行電力變換的技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)為變流技術(shù)(PowerConversionTechnique)。電力變換四大類(lèi)：交流－直流、直流－交流、直流－直流和交流－交流。輸入輸出交流(AlternatingCurrent－AC)直流(DirectCurrent－DC)直流(DirectCurrent－DC整流(Rectification)直流斬波(DCChopping)交流(AlternatingCurrent－AC)交流調(diào)壓(ACVoltageConversion)、變頻(FrequencyConversion)、變相(PhaseConversion)逆變(Inversion)1.1什么是電力電子技術(shù)“電力電子技術(shù)”和“電力電子學(xué)”電力電子學(xué)(PowerElectronics)

60年代出現(xiàn)，1974年，美國(guó)的W.Newell用圖0-1的倒三角形對(duì)電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受“電力電子學(xué)”和“電力電子技術(shù)”分別從學(xué)術(shù)和工程技術(shù)的角度來(lái)稱(chēng)呼，實(shí)際內(nèi)容沒(méi)有很大不同。描述電力電子學(xué)的倒三角形1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子技術(shù)的關(guān)系電子技術(shù)對(duì)應(yīng)

電力電子技術(shù)

電子器件

電力電子

電子電路

電力電子電路

電力電子器件制造技術(shù)和電子器件（ElectronicDevice)制造技術(shù)的理論基礎(chǔ)是一樣的，大多數(shù)工藝也相同現(xiàn)代電力電子器件制造大都使用集成電路（IntegrateCircuit－IC)制造工藝，采用微電子(Micro-electronics）制造技術(shù)，許多設(shè)備都和微電子器件制造設(shè)備通用，說(shuō)明二者同根同源。1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)和電子學(xué)的關(guān)系電力電子電路(PowerElectronicCircuit）和電子電路ElectronicCircuit）許多分析方法一致，僅應(yīng)用目的不同廣義而言，電子電路中的功放和功率輸出也可算做電力電子電路電力電子電路廣泛用于電視機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子裝置中，其電源部分都是電力電子電路器件的工作狀態(tài)信息電子既可放大，也可開(kāi)關(guān)電力電子為避免功率損耗過(guò)大，總在開(kāi)關(guān)狀態(tài)——電力電子技術(shù)的一個(gè)重要特征1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程（ElectricalEngineering）中。電力電子裝置廣泛用于高壓直流輸電（High－VoltageDCTransmission）、靜止無(wú)功補(bǔ)償(StaticVARCompensate)、電力機(jī)車(chē)牽引（ElectricalPowerMotorcycleDriving）、交直流電力傳動(dòng)(AC/DCPowerDriving）、電解（Electrolyze）、勵(lì)磁（Excitation）、電加熱（ElectricPowerHeating）、高性能交直流電源（High－PerformanceAC/DCPowerSupply)等電力系統(tǒng)(ElectricPowerSystem)和電氣工程（ElectricalEngineering）。1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)與電氣工程的關(guān)系主要關(guān)系：電力電子技術(shù)廣泛用于電氣工程（ElectricalEngineering）中。通常把電力電子技術(shù)歸屬于電氣工程學(xué)科電氣工程學(xué)科中一個(gè)最為活躍的分支，其不斷進(jìn)步給電氣工程的現(xiàn)代化以巨大的推動(dòng)力1.1什么是電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)與控制理論的關(guān)系控制理論廣泛用于電力電子技術(shù)，使電力電子裝置和系統(tǒng)的性能滿(mǎn)足各種需求電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強(qiáng)電”的技術(shù)，是“弱電和強(qiáng)電的接口”，控制理論是實(shí)現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶控制理論和自動(dòng)化技術(shù)密不可分，而電力電子裝置是自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)元件和重要支撐技術(shù)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史

電力電子器件的發(fā)展對(duì)電力電子技術(shù)的發(fā)展起著決定性的作用，因此，電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展簡(jiǎn)史1904年出現(xiàn)了電子管（Vacuumtube)，能在真空中對(duì)電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無(wú)線(xiàn)電，從而開(kāi)了電子技術(shù)之先河后來(lái)出現(xiàn)了水銀整流器（MercuryRectifier），其性能和晶閘管（Thyristor）很相似。在30年代到50年代，是水銀整流器發(fā)展迅速并大量應(yīng)用的時(shí)期。它廣泛用于電化學(xué)工業(yè)、電氣鐵道直流變電所、軋鋼用直流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)，甚至用于直流輸電1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史1947年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管(Transistor），引發(fā)了電子技術(shù)的一場(chǎng)革命1957年美國(guó)通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閘管1960年我國(guó)研究成功硅整流管（SiliconRectifyingTube/RectifierDiode）1962年我國(guó)研究成功晶閘管（Thyristor）70年代出現(xiàn)電力晶體管（GiantTransistor－GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)管（MetallicOxideSemiconductorFieldEffectTransistor－MOSFET)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史各種整流電路、逆變電路、周波變流電路的理論已經(jīng)發(fā)展成熟并廣為應(yīng)用。在晶閘管出現(xiàn)以后的相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)，所使用的電路形式仍然是這些形式交流電變?yōu)橹绷麟姷姆椒ǔy整流器外，還有發(fā)展更早的電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)組，即變流機(jī)組。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組相對(duì)應(yīng)，靜止變流器的稱(chēng)呼從水銀整流器開(kāi)始并沿用至今1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管晶閘管因電氣性能和控制性能優(yōu)越，很快取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，且其應(yīng)用范圍也迅速擴(kuò)大。電化學(xué)工業(yè)、鐵道電氣機(jī)車(chē)、鋼鐵工業(yè)（軋鋼用電氣傳動(dòng)、感應(yīng)加熱等）、電力工業(yè)（直流輸電、無(wú)功補(bǔ)償?shù)龋┑难杆侔l(fā)展也有力地推動(dòng)了晶閘管的進(jìn)步。電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管及晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的晶閘管是通過(guò)對(duì)門(mén)極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，因而屬于半控型器件對(duì)晶閘管電路的控制方式主要是相位控制方式晶閘管的關(guān)斷通常依靠電網(wǎng)電壓等外部條件來(lái)實(shí)現(xiàn)1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史80年代后期開(kāi)始：復(fù)合型器件以絕緣柵極雙極型晶體管（Insulated－GateBipolarTransistor－IGBT）為代表,IGBT是電力場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）和雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor－BJT）的復(fù)合。它集MOSFET的驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)和BJT通態(tài)壓降小、載流能力大的優(yōu)點(diǎn)于一身，性能十分優(yōu)越，使之成為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的主導(dǎo)器件。與IGBT相對(duì)應(yīng)，MOS控制晶閘管（MOSControlledTransistor－MCT）和集成門(mén)極換流晶閘管（IntelligentGate-CommutatedThyristor－IGCT）等都是MOSFET和GTO的復(fù)合，它們也綜合了MOSFET和GTO兩種器件的優(yōu)點(diǎn)。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史功率模塊（PowerModule）：為了使電力電子裝置的結(jié)構(gòu)緊湊、體積減小，常常把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助元件做成模塊的形式，這給應(yīng)用帶來(lái)了很大的方便。功率集成電路（PowerIntegratedCircuit－PIC）：把驅(qū)動(dòng)、控制、保護(hù)電路和功率器件集成在一起，構(gòu)成功率集成電路（PIC）。目前其功率都還較小，但代

表了電力電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。智能功率模塊（IntelligentPowerModule－IPM）則專(zhuān)指IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的單片集成，也稱(chēng)智能IGBT（IntelligentIGBT）。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展史高壓集成電路（HighVoltageIntegratedCircuit－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（SmartPowerIntegratedCircuit－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。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用一般工業(yè)

直流電動(dòng)機(jī)（DCElectromotor）有良好的調(diào)速性能，給其供電的可控整流電源（ControlledRectifyingPowerSupply）或直流斬波電源（DCChoppingPowerSupply）都是電力電子裝置近年來(lái)電力電子變頻技術(shù)（FrequencyInversionTechnique）的迅速發(fā)展，使交流電機(jī)（ACElectromotor）的調(diào)速性能可與直流電機(jī)媲美，交流調(diào)速技術(shù)（ACSpeedControlTechnique）大量應(yīng)用并占據(jù)主導(dǎo)地位。幾百W到數(shù)千kW的變頻調(diào)速裝置，軟起動(dòng)裝置等電化學(xué)工業(yè)大量使用直流電源（DCPowerSupply），電解鋁、電解食鹽水等都電力電子技術(shù)還大量用于冶金工業(yè)中的高頻或中頻感應(yīng)加熱電源、淬火電源及直流電弧爐電源等場(chǎng)合需要大容量整流電源。電鍍裝置也需要整流電源（RectifyingPowerSupply）1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用交通運(yùn)輸電氣化鐵道中廣泛采用電力電子技術(shù)電氣機(jī)車(chē)中的直流機(jī)車(chē)中采用整流裝置，交流機(jī)車(chē)采用變頻裝置（FrequencyInverter）。直流斬波器（DCChopper）也廣泛用于鐵道車(chē)輛。在未來(lái)的磁懸浮列車(chē)中，電力電子技術(shù)更是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。除牽引電機(jī)傳動(dòng)外，車(chē)輛中的各種輔助電源也都離不開(kāi)電力電子技術(shù)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)靠電力電子裝置進(jìn)行電力變換（PowerConversion）和驅(qū)動(dòng)控制其蓄電池的充電也離不開(kāi)電力電子裝置。一臺(tái)高級(jí)汽車(chē)中需要許多控制電機(jī)，它們也要靠變頻器（FrequencyInverter）和斬波器（Chopper）驅(qū)動(dòng)并控制飛機(jī)、船舶需要很多不同要求的電源，因此航空和航海都離不開(kāi)電力電子技術(shù)如果把電梯也算做交通運(yùn)輸，那么它也需要電力電子技術(shù)。以前的電梯大都采用直流調(diào)速系統(tǒng)，而近年來(lái)交流變頻調(diào)速（ACSpeedControlbyFrequencyVariation）已成為主流1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力系統(tǒng)

電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中有非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，發(fā)達(dá)國(guó)家在用戶(hù)最終使用的電能中有60%以上至少經(jīng)過(guò)一次電力電子變流裝置的處理。電力系統(tǒng)在通向現(xiàn)代化的進(jìn)程中，電力電子技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。毫不夸張地說(shuō)，離開(kāi)電力電子技術(shù)，電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化是不可想象的。直流輸電（DCTransmission）在長(zhǎng)距離、大容量輸電時(shí)有很大的優(yōu)勢(shì)，其送電端的整流閥和受電端的逆變閥都采用晶閘管變流裝置。近年發(fā)展起來(lái)的柔性交流輸電（FlexibleACTransmission－FACTS）也是依靠電力電子裝置才得以實(shí)現(xiàn)的。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用

無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制（VARCompensateandHarmonicControl）對(duì)電力系統(tǒng)有重要的意義。晶閘管控制電抗器（ThysistorControlledReactor－TCR）、晶閘管投切電容器（ThysistorControlledCapacitor－TSC）都是重要的無(wú)功補(bǔ)償裝置。近年來(lái)出現(xiàn)的靜止無(wú)功發(fā)生器（StaticVARGenerator－SVG）、有源電力濾波器（ActivePowerFilter－APF）等新型電力電子裝置具有更為優(yōu)越的無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償（VARandHarmonicCompensate）的性能。在配電網(wǎng)系統(tǒng)，電力電子裝置還可用于防止電網(wǎng)瞬時(shí)停電、瞬時(shí)電壓跌落、閃變等，以進(jìn)行電能質(zhì)量控制，改善供電質(zhì)量在變電所中，給操作系統(tǒng)提供可靠的交直流操作電源，給蓄電池充電等都需要電力電子裝置1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用電子裝置用電源

各種電子裝置一般都需要不同電壓等級(jí)的直流電源（DCPowerSupply）供電。通信設(shè)備中的程控交換機(jī)所用的直流電源以前用晶閘管整流電源（ThysistorRectifyingPowerSupply)，現(xiàn)在已改為采用全控型器件的高頻開(kāi)關(guān)電源（HighFrequencySwitchingModePowerSupply）。大型計(jì)算機(jī)所需的工作電源、微型計(jì)算機(jī)內(nèi)部的電源現(xiàn)在也都采用高頻開(kāi)關(guān)電源。在各種電子裝置中，以前大量采用線(xiàn)性穩(wěn)壓電源供電，由于高頻開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，現(xiàn)在已逐漸取代了線(xiàn)性電源。因?yàn)楦鞣N信息技術(shù)裝置都需要電力電子裝置提供電源，所以可以說(shuō)信息電子技術(shù)離不開(kāi)電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用家用電器

照明在家用電器中有十分突出的地位。由于電力電子照明電源體積小、發(fā)光效率高、可節(jié)省大量能源，通常被稱(chēng)為“節(jié)能燈”，正逐步取代傳統(tǒng)的白熾燈和日光燈

變頻空調(diào)器（FrequencyConversionAir－Condition）是家用電器中應(yīng)用電力電子技術(shù)的典型例子之一。電視機(jī)、音響設(shè)備、家用計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的電源部分也都需要電力電子技術(shù)。此外，有些洗衣機(jī)、電冰箱、微波爐等電器也應(yīng)用了電力電子技術(shù)。電力電子技術(shù)廣泛用于家用電器使得它和我們的生活變得十分貼近。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用其他

不間斷電源（UninterruptablePowerSystem－UPS）在現(xiàn)代社會(huì)中的作用越來(lái)越重要，用量也越來(lái)越大。目前，UPS在電力電子產(chǎn)品中已占有相當(dāng)大的份額。航天飛行器（SpaceFlightAerocraft）中的各種電子儀器需要電源，載人航天器中為了人的生存和工作，也離不開(kāi)各種電源，這些都必需采用電力電子技術(shù)1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)的發(fā)電方式是火力發(fā)電（Thermalpower）、水力發(fā)電（Waterpower）以及后來(lái)興起的核能發(fā)電。能源危機(jī)后，各種新能源（NewEnergy）、可再生能源（ReproducibleEnergy）及新型發(fā)電方式越來(lái)越受到重視。其中太陽(yáng)能發(fā)電（SolarPower）、風(fēng)力發(fā)電（WindPower）的發(fā)展較快，燃料電池（FuelCell）更是備受關(guān)注。太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電受環(huán)境的制約，發(fā)出的電力質(zhì)量較差，常需要儲(chǔ)能裝置緩沖，需要改善電能質(zhì)量，這就需要電力電子技術(shù)。當(dāng)需要和電力系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用為了合理地利用水力發(fā)電（Waterpower）資源，近年來(lái)抽水儲(chǔ)能發(fā)電站受到重視。其中的大型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速都需要電力電子技術(shù)。超導(dǎo)儲(chǔ)能是未來(lái)的一種儲(chǔ)能方式，它需要強(qiáng)大的直流電源供電，這也離不開(kāi)電力電子技術(shù)。核聚變反應(yīng)堆（NucleusFusionPile）在產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)（MagneticField）和注入能量時(shí)，需要大容量的脈沖電源（PulsePowerSupply），這種電源就是電力電子裝置?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)或某些特殊場(chǎng)合，常常需要一些特種電源（SpecialPowerSupply），這也是電力電子技術(shù)的用武之地。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用以前電力電子技術(shù)的應(yīng)用偏重于中、大功率?，F(xiàn)在，在1kW以下，甚至幾十瓦以下的功率范圍內(nèi)，電力電子技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣，其地位也越來(lái)越重要。這已成為一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)，值得引起人們的注意。總之，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。從人類(lèi)對(duì)宇宙和大自然的探索，到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，再到我們的衣食住行，到處都能感受到電力電子技術(shù)的存在和巨大魅力。這也激發(fā)了一代又一代的學(xué)者和工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。1.3電力電子技術(shù)的應(yīng)用電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，因此也可以說(shuō)，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對(duì)節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速方面，在使用量十分龐大的照明電源等方面，電力電子技術(shù)的節(jié)能效果十分顯著，因此它也被稱(chēng)為是節(jié)能技術(shù)。1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容電力電子器件（第一章）簡(jiǎn)要概述電力電子器件（PowerElectronicDevice）的概念、特點(diǎn)和分類(lèi)等問(wèn)題介紹各種常用電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性、主要參數(shù)、驅(qū)動(dòng)（Driving）、緩沖（Snubber）、保護(hù)（Protection）、串并聯(lián)（Series－ParallelConnection）等器件應(yīng)用時(shí)的共性問(wèn)題和基礎(chǔ)性問(wèn)題以及選擇和使用中應(yīng)注意的一些問(wèn)題1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容各種電力電子電路（第2～5章、第8章）可控硅整流及其有源逆變電路單相半波可控整流電路（Single-PhaseHalf-WaveControlledRectifier）單相橋式全控整流電路（Single-PhaseFull-BridgeControlledRectifier）單相橋式半控整流電路（Single-PhaseFull-BridgeSemi-ControlledRectifier）三相半波可控整流電路（Three-PhaseHalf-WaveControlledRectifier）三相橋式可控整流電路（Three-PhaseFull-BridgeControlledRectifier）1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容可控硅整流及其有源逆變電路電容濾波的不可控整流電路（NoControlledRectifierwithCapacitorFilter）大功率可控整流電路（High-PowerControlledRectifier）單相全波有源逆變電路（Single-PhaseFull-WaveActiveInverter）單相橋式有源逆變電路（Single-PhaseFull-BridgeActiveInverter）三相半波有源逆變電路（Three-PhaseHalf-WaveActiveInverter）三相橋式有源逆變電路（Three-PhaseFull-BridgeActiveInverter）1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容直流斬波、交流電壓控制、交-交變頻直流斬波電路（DCChopper）交流調(diào)壓電路（ACVoltageController）其他交流電壓控制電路交－交變頻電路（AC－ACFrequencyInverter）的基本原理1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容無(wú)源逆變電路無(wú)源逆變電路（ReactiveInverter）的基本原理無(wú)源逆變電路的環(huán)流（LoopCurrent）方式電壓型逆變電路（VoltageSourceTypeInverter－VSTI）電流型逆變電路（CurrentSourceTypeInverter－CSTI）多重逆變電路（MultiplexInverter）和多電平逆變電路（Multi-LevelInverter）1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容組合變流電路間接交流變流電路（IndirectAC－ACConverter）間接直流變流電路（IndirectDC－DCConverter）1.4電力電子技術(shù)的主要內(nèi)容PWM控制與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)（第6、7章）PWM（Pulse－WidthModulation）的基本原理SPWM

（SinusoidalPulse－WidthModulation）波形的生成方法SPWM型無(wú)源逆變電路及其控制方法PWM跟蹤控制（PWMTrackingControl）技術(shù)軟開(kāi)關(guān)（SoftSwitching）的基本概念軟開(kāi)關(guān)的基本分類(lèi)典型的軟開(kāi)關(guān)電路描述電力電子學(xué)的倒三角形返回第二講電力電子器件（一）2.1電力電子器件概述2.2不可控器件－電力二極管2.3半控型器件－晶閘管2.1電力電子器件概述2.1.1電力電子器件的概念和特征2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成2.1.3電力電子器件的分類(lèi)返回2.1.1電力電子器件的概念和特征主電路（MainPowerCircuit）—電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（PowerElectronicDevice）—可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。返回2.1.1電力電子器件的概念和特征廣義上電力電子器件可分為電真空器件（ElectronDevice）和半導(dǎo)體器件（SemiconductorDevice）兩類(lèi)。兩類(lèi)中，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，真空管（VacuumValve）僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專(zhuān)指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件（PowerSemiconductorDevice）所采用的主要材料仍然是硅2.1.1電力電子器件的概念和特征同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力是最重要的參數(shù)其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí),大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。2.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)【通態(tài)（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管壓降（VoltageAcrosstheTube）接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)【斷態(tài)（Off－State）】阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（DynamicSpeciality）【也就是開(kāi)關(guān)特性（SwitchingSpeciality）】和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問(wèn)題。作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)往往用理想開(kāi)關(guān)來(lái)代替2.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路(DrivingCircuit）為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降（On-stateVoltagedrop），形成通態(tài)損耗（

On-stateLosses)阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流（LeakageCurrent）流過(guò)，形成斷態(tài)損耗

(Off-stateLosses）2.1.1電力電子器件的概念和特征在器件開(kāi)通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)通損耗（TurningonLosses）和關(guān)斷損耗（TurningoffLosses），總稱(chēng)開(kāi)關(guān)損耗（SwitchingLoss）對(duì)某些器件來(lái)講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流（LeakageCurrent）極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開(kāi)關(guān)頻率（SwitchingFrequency）較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路（ControlCircuit）、驅(qū)動(dòng)電路（DrivingCircuit）和以電力電子器件為核心的主電路（MainCircuit）組成

圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成返回2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成控制電路（ControlCircuit）按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)（ControlSignal），通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路（DrivingCircuit）去控制主電路（MainCircuit）中電力電子器件的通或斷（Turn-onorTurn-off），來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成有的電力電子系統(tǒng)中，還需要有檢測(cè)電路（DetectCircuit）。廣義上往往其和驅(qū)動(dòng)電路等主電路之外的電路都?xì)w為控制電路，從而粗略地說(shuō)電力電子系統(tǒng)是由主電路和控制電路組成的。主電路中的電壓和電流一般都較大，而控制電路的元器件只能承受較小的電壓和電流，因此在主電路和控制電路連接的路徑上，如驅(qū)動(dòng)電路與主電路的連接處，或者驅(qū)動(dòng)電路與控制信號(hào)的連接處，以及主電路與檢測(cè)電路的連接處，一般需要進(jìn)行電氣隔離（ElectricalIsolation），通過(guò)其它手段如光、磁等來(lái)傳遞信號(hào)。2.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成由于主電路中往往有電壓和電流的過(guò)沖，而電力電子器件一般比主電路中普通的元器件要昂貴，但承受過(guò)電壓和過(guò)電流的能力卻要差一些，因此，在主電路和控制電路中附加一些保護(hù)電路，以保證電力電子器件和整個(gè)電力電子系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行，也往往是非常必要的。器件一般有三個(gè)端子（或稱(chēng)極或管角），其中兩個(gè)聯(lián)結(jié)在主電路中，而第三端被稱(chēng)為控制端（或控制極）。器件通斷是通過(guò)在其控制端和一個(gè)主電路端子之間加一定的信號(hào)來(lái)控制的，這個(gè)主電路端子是驅(qū)動(dòng)電路和主電路的公共端，一般是主電路電流流出器件的端子。

2.1.3電力電子器件的分類(lèi)按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類(lèi)：半控型器件(Semi-controlledDevice)——通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定返回2.1.3電力電子器件的分類(lèi)全控型器件(Full-controlledDevice)——通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱(chēng)自關(guān)斷器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET，簡(jiǎn)稱(chēng)為電力MOSFET）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）2.1.3電力電子器件的分類(lèi)不可控器件(UncontrolledDevice)——不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（PowerDiode）

只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的

2.1.3電力電子器件的分類(lèi)按照驅(qū)動(dòng)電路加在器件控制端和公共端之間信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類(lèi)：電流驅(qū)動(dòng)型(CurrentDrivingType)——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)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型(VoltageDrivingType)——僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)際上是通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱(chēng)為場(chǎng)控器件(FieldControlledDevice)，或場(chǎng)效應(yīng)器件2.1.3電力電子器件的分類(lèi)按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分為三類(lèi)：?jiǎn)螛O型器件(UnipolarDevice)——由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件(BipolarDevice)——由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件(ComplexDevice)——由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件2.1.3電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件分類(lèi)樹(shù)2.2不可控器件－電力二極管2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理2.2.2電力二極管的基本特性2.2.3電力二極管的主要參數(shù)2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型返回2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管（PowerDiode）結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode）和肖特基二極管（SchottkyDiode)，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場(chǎng)合，具有不可替代的地位返回2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理電力二極管（PowerDiode）基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)由一個(gè)面積較大的PN結(jié)（PN－junction）和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體結(jié)合后構(gòu)成PN結(jié)。交界處電子和空穴的濃度差別，造成了各區(qū)的多子向另一區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)（PervasionMovement），到對(duì)方區(qū)內(nèi)成為少子，在界面兩側(cè)分別留下了帶正、負(fù)電荷但不能任意移動(dòng)的雜質(zhì)離子。這些不能移動(dòng)的正、負(fù)電荷稱(chēng)為空間電荷（SpaceCharge）?？臻g電荷建立的電場(chǎng)被稱(chēng)為內(nèi)電場(chǎng)（InsideElectricField）或自建電場(chǎng)（SelfBuildingElectricField），其方向是阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的，另一方面又吸引對(duì)方區(qū)內(nèi)的少子（對(duì)本區(qū)而言則為多子）向本區(qū)運(yùn)動(dòng)，即漂移運(yùn)動(dòng)（ExcursionMovement）。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)既相互聯(lián)系又是一對(duì)矛盾，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，正、負(fù)空間電荷量達(dá)到穩(wěn)定值，形成了一個(gè)穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，被稱(chēng)為空間電荷區(qū)，按所強(qiáng)調(diào)的角度不同也被稱(chēng)為耗盡層（ExhaustLayer）、阻擋層（BarLayer）或勢(shì)壘區(qū)（BarrierSection）。2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使得PN結(jié)在正向電流較大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻態(tài)圖1-3PN結(jié)的形成2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?UnilateralismConductivity)

二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征PN結(jié)的反向擊穿(ReverseBreakdownofP-NJunction)

有雪崩擊穿(AvalancheBreakdown)和齊納擊穿(PunchThrough)兩種形式，可能導(dǎo)致熱擊穿PN結(jié)的電容效應(yīng)：

PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應(yīng)，稱(chēng)為結(jié)電容(JunctionCapacitance)CJ，又稱(chēng)為微分電容(IncrementalCapacitance)。結(jié)電容按其產(chǎn)生機(jī)制和作用的差別分為勢(shì)壘電容(BarrierCapacitance)CB和擴(kuò)散電容(DiffuseCapacitance)CD2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理勢(shì)壘電容(BarrierCapacitance)只在外加電壓變化時(shí)才起作用，外加電壓頻率越高，勢(shì)壘電容作用越明顯。勢(shì)壘電容的大小與PN結(jié)截面積成正比，與阻擋層厚度成反比擴(kuò)散電容(DiffuseCapacitance)僅在正向偏置時(shí)起作用。在正向偏置時(shí)，當(dāng)正向電壓較低時(shí)，勢(shì)壘電容為主；正向電壓較高時(shí)，擴(kuò)散電容為結(jié)電容主要成分結(jié)電容(JunctionCapacitance)影響PN結(jié)的工作頻率，特別是在高速開(kāi)關(guān)的狀態(tài)下，可能使其單向?qū)щ娦宰儾?，甚至不能工作，?yīng)用時(shí)應(yīng)加以注意。2.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r(shí)要流過(guò)很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子(Carrier)的注入水平較高，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)不能忽略引線(xiàn)和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線(xiàn)和器件自身的電感效應(yīng)也會(huì)有較大影響為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降(ForwardBiasVoltage)較大2.2.2電力二極管的基本特性靜態(tài)特性（StaticStateCharacteristic

）主要指其伏安特性(Volt-ampereCharacteristic)

當(dāng)電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門(mén)檻電壓UTO），正向電流才開(kāi)始明顯增加，處于穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)。與正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當(dāng)電力二極管承受反向電壓時(shí)，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流(ReverseLeakageCurrent)。返回2.2.2電力二極管的基本特性圖1-4電力二極管的伏安特性2.2.2電力二極管的基本特性動(dòng)態(tài)特性(DynamicCharacteristic)動(dòng)態(tài)特性——因結(jié)電容的存在，三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換必然有一個(gè)過(guò)渡過(guò)程，此過(guò)程中的電壓—電流特性是隨時(shí)間變化的。動(dòng)態(tài)特性主要指開(kāi)關(guān)特性(SwitchingCharacteristic)，開(kāi)關(guān)特性反映通態(tài)和斷態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程關(guān)斷過(guò)程(Turn-offTransient)：

在關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)2.2.2電力二極管的基本特性延遲時(shí)間(DelayTime)：td=t1-t0,電流下降時(shí)間(CurrentFallTime)：tf=t2-t1反向恢復(fù)時(shí)間(ReverseRecoveryTime)：trr=td+tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間的比值tf/td，或稱(chēng)恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形a)正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置b)零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置2.2.2電力二極管的基本特性開(kāi)通過(guò)程(Turn-onTransient)：

電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如2V）。這一動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)間被稱(chēng)為正向恢復(fù)時(shí)間(ForwardRecoveryTime)tfr。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)起作用需一定的時(shí)間來(lái)儲(chǔ)存大量少子，達(dá)到穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通前管壓降較大正向電流的上升會(huì)因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高2.2.3電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流

(AverageRectifierForwardCurrent)IF(AV)

額定電流(RatingCurrent)——在指定的管殼溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)殼溫，用TC表示）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正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，因此使用時(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。當(dāng)用在頻率較高的場(chǎng)合時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗(SwitchingLosses)造成的發(fā)熱往往不能忽略當(dāng)采用反向漏電流(ReverseLeakageCurrent)較大的電力二極管時(shí)，其斷態(tài)損耗(Off-stateLosses)造成的發(fā)熱效應(yīng)也不小返回2.2.3電力二極管的主要參數(shù)正向壓降

(ForwardVoltage)UF指電力二極管在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降有時(shí)參數(shù)表中也給出在指定溫度下流過(guò)某一瞬態(tài)正向大電流時(shí)器件的最大瞬時(shí)正向壓降反向重復(fù)峰值電壓(PeakRepetitiveReverseVoltage)URRM指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來(lái)選定2.2.3電力二極管的主要參數(shù)最高工作結(jié)溫(MaximumOperationJunctionTemperature)TJM結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示最高工作結(jié)溫是指在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)反向恢復(fù)時(shí)間(ReverseRecoveryTime)trrtrr=td+tf

，關(guān)斷過(guò)程中，電流降到0起到恢復(fù)反響阻斷能力止的時(shí)間浪涌電流[(Non)RepetitivePeakSurgeCurrent]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。2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹在應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類(lèi)型的電力二極管性能上的不同是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差別造成的返回2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型普通二極管（GeneralPurposeDiode）普通二極管又稱(chēng)整流二極管（RectifierDiode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，一般在5

s以上，這在開(kāi)關(guān)頻率不高時(shí)并不重要正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode—FRD）恢復(fù)過(guò)程很短特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（5

s以下）的二極管，也簡(jiǎn)稱(chēng)快速二極管工藝上多采用了摻金措施有的采用PN結(jié)型結(jié)構(gòu)、有的采用改進(jìn)的PiN結(jié)構(gòu)2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型采用外延型PiN結(jié)構(gòu)的的快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其反向恢復(fù)時(shí)間更短（可低于50ns），正向壓降也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在400V以下從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者反向恢復(fù)時(shí)間為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。

2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode—SBD），簡(jiǎn)稱(chēng)為肖特基二極管20世紀(jì)80年代以來(lái)，由于工藝的發(fā)展得以在電力電子電路中廣泛應(yīng)用肖特基二極管的弱點(diǎn)當(dāng)反向耐壓提高時(shí)其正向壓降也會(huì)高得不能滿(mǎn)足要求，因此多用于200V以下反向漏電流較大且對(duì)溫度敏感，因此反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，而且必須更嚴(yán)格地限制其工作溫度2.2.4電力二極管的主要類(lèi)型肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖在反向耐壓較低的情況下其正向壓降也很小，明顯低于快恢復(fù)二極管其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還要小，效率高圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成返回圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)AKAKa)IKAPNJb)c)返回圖1-3PN結(jié)的形成返回圖1-4電力二極管的伏安特性返回圖1-5電力二極管的動(dòng)態(tài)過(guò)程波形正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置

返回第三講電力電子器件（二）半控型器件－晶閘管3半控型器件—晶閘管3.1概述3.2晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理

3.3晶閘管的基本特性3.4晶閘管的主要參數(shù)3.5晶閘管的派生器件3.1概述晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（BellLab）發(fā)明了晶閘管1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品1958年商業(yè)化開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位晶閘管往往專(zhuān)指晶閘管的一種基本類(lèi)型——普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件

返回3.2晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝引出陽(yáng)極(Anode)A、陰極(Kathode)K和門(mén)極(Gate)（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器(Radiator)緊密聯(lián)接且安裝方便平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器(Radiator)將其夾在中間圖1-6晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)返回3.2晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理3.2晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理Ic1=

1IA+ICBO1

（1-1）Ic2=

2IK+ICBO2

（1-2）IK=IA+IG

（1-3）IA=Ic1+Ic2

（1-4）式中

1和

2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式（1-1）~（1-4）可得（1-5）3.2晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下

是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，

迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，

1+

2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致

1+

2趨近于1的話(huà)，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。3.2晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理其他幾種可能導(dǎo)通的情況：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)

陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高光直接照射硅片，即光觸發(fā)

光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中之外，其它都因不易控制而難以應(yīng)用于實(shí)踐，稱(chēng)為光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）只有門(mén)極觸發(fā)（包括光觸發(fā)）是最精確、迅速而可靠的控制手段3.3晶閘管的基本特性靜態(tài)特性承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)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)值以下返回3.3晶閘管的基本特性晶閘管的陽(yáng)極伏安特性第I象限的是正向特性第III象限的是反向特性圖1-8(a)晶閘管陽(yáng)極伏安特性IG2>IG1>IG3.3晶閘管的基本特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。這種開(kāi)通叫“硬開(kāi)通”，一般不允許硬開(kāi)通。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿晶閘管本身的壓降很小，在1V左右3.3晶閘管的基本特性導(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱(chēng)為維持電流。（陽(yáng)極伏安特性圖）晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向特性

陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端3.3晶閘管的基本特性晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電流從門(mén)極流入晶閘管，從陰極流出門(mén)極觸發(fā)電流也往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門(mén)極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的晶閘管的門(mén)極和陰極之間是PN結(jié)J3，其伏安特性稱(chēng)為門(mén)極伏安特性。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。(門(mén)極伏安特性圖）3.3晶閘管的基本特性晶閘管的門(mén)極伏安特性圖中ABCGFED所圍成的區(qū)域?yàn)榭煽坑|發(fā)區(qū)圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)圖中ABCJIH所圍成的區(qū)域?yàn)椴豢煽坑|發(fā)區(qū)PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ圖1－8（b）晶閘管門(mén)極伏安特性3.3晶閘管的基本特性動(dòng)態(tài)特性

圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形3.3晶閘管的基本特性開(kāi)通過(guò)程

(特性圖)開(kāi)通時(shí)間tgt包括延遲時(shí)間td與上升時(shí)間tr，即

tgt=td+tr

（1-6）延遲時(shí)間td：門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，到陽(yáng)極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時(shí)間上升時(shí)間tr：陽(yáng)極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時(shí)間普通晶閘管延遲時(shí)間為0.5~1.5

s，上升時(shí)間為0.5~3

s3.3晶閘管的基本特性關(guān)斷過(guò)程關(guān)斷時(shí)間tq：包括反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr與正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr，即

tq=trr+tgr

（1-7）

普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間約幾百微秒。反向阻斷恢復(fù)時(shí)間trr：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間正向阻斷恢復(fù)時(shí)間tgr：晶閘管要恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間3.3晶閘管的基本特性注:在正向阻斷恢復(fù)時(shí)間內(nèi)如果重新對(duì)晶閘管施加正向電壓，晶閘管會(huì)重新正向?qū)▽?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)晶閘管施加足夠長(zhǎng)時(shí)間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對(duì)正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作

3.4晶閘管的主要參數(shù)電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM——在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UTM——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍返回3.4晶閘管的主要參數(shù)電流定額通態(tài)平均電流IT(AV)(額定電流)

額定電流-----晶閘管在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5~2倍3.4晶閘管的主要參數(shù)維持電流IH——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小擎住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流

對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍浪涌電流ITSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流3.4晶閘管的主要參數(shù)動(dòng)態(tài)參數(shù)

除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

指在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率在阻斷的晶閘管兩端施加的電壓具有正向的上升率時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)電容的J2結(jié)會(huì)有充電電流流過(guò)，被稱(chēng)為位移電流。此電流流經(jīng)J3結(jié)時(shí)，起到類(lèi)似門(mén)極觸發(fā)電流的作用。如果電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通3.4晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率如果電流上升太快，則晶閘管剛一開(kāi)通，便會(huì)有很大的電流集中在門(mén)極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞3.5晶閘管的派生器件快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)包括所有專(zhuān)為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10

s左右高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時(shí)不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)返回3.5晶閘管的派生器件雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性3.5晶閘管的派生器件可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向晶閘管在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，且控制電路簡(jiǎn)單，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器（SolidStateRelay——SSR）和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。3.5晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor—RCT）將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)逆導(dǎo)晶閘管的額定電流有兩個(gè)，一個(gè)是晶閘管電流，一個(gè)是反并聯(lián)二極管的電流圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性3.5晶閘管的派生器件光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性3.5晶閘管的派生器件光控晶閘管又稱(chēng)光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管小功率光控晶閘管只有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)端子大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位圖1-6晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)返回圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理雙晶體管模型工作原理返回圖1-8(a)晶閘管陽(yáng)極伏安特性返回圖8(b)晶閘管門(mén)極伏安特性

PGMBCDAEGFLK0IFGMUGTUFGMIGTUGTUGDIGTIGDABCIHJ返回圖1-9晶閘管的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程波形返回圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性電氣圖形符號(hào)伏安特性返回圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性電氣圖形符號(hào)伏安特性返回圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性電氣圖形符號(hào)伏安特性返回第四講電力電子器件（三）3.0概述3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管3.2電力晶體管3.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.4絕緣柵雙極晶體管3.0概述門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(Gate-Turn-OffThyristor—GTO)在晶閘管問(wèn)世后不久出現(xiàn)20世紀(jì)80年代以來(lái)，信息電子技術(shù)與電力電子技術(shù)在各自發(fā)展的基礎(chǔ)上相結(jié)合——高頻化、全控型、采用集成電路制造工藝的電力電子器件，從而將電力電子技術(shù)又帶入了一個(gè)嶄新時(shí)代典型代表——門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、電力晶體管(GiantTransistor——GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(PowerMOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT)3.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管3.1.1概述3.1.2GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.3GTO的動(dòng)態(tài)特性3.1.4GTO的主要參數(shù)3.1.1概述門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）晶閘管的一種派生器件可以通過(guò)在門(mén)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(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用3.1.2GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極和普通晶閘管的不同：GTO是一種多元的功率集成器件，內(nèi)部包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽(yáng)極的小GTO元，這些GTO元的陰極和門(mén)極則在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)3.1.2GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理：與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來(lái)分析

1+

2=1是器件臨界導(dǎo)通的條件。當(dāng)

1+

2>1時(shí)，兩個(gè)等效晶體管過(guò)飽和而使器件導(dǎo)通；當(dāng)

1+

2<1時(shí)，不能維持飽和導(dǎo)通而關(guān)斷3.1.2GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理GTO能夠通過(guò)門(mén)極關(guān)斷的原因是其與普通晶閘管有如下區(qū)別：（1）設(shè)計(jì)

2較大，使晶體管V2控制靈敏，易于

GTO關(guān)斷（2）導(dǎo)通時(shí)

1+

2更接近1（

1.05，普通晶閘管

1+

2

1.15）導(dǎo)通時(shí)飽和不深，接近臨界飽和，有利門(mén)極控制關(guān)斷，但導(dǎo)通時(shí)管壓降增大（3）多元集成結(jié)構(gòu)使GTO元陰極面積很小，門(mén)、陰極間距大為縮短，使得P2基區(qū)橫向電阻很小，能從門(mén)極抽出較大電流導(dǎo)通過(guò)程:與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)烈正反饋——門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流，則Ib2減小，使IK和Ic2減小，Ic2的減小又使IA和Ic1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流當(dāng)IA和IK的減小使

1+

2<1時(shí)，器件退出飽和而關(guān)斷多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)3.1.2GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.3GTO的動(dòng)態(tài)特性開(kāi)通過(guò)程：與普通晶閘管類(lèi)似，需經(jīng)過(guò)延遲時(shí)間td和上升時(shí)間tr圖1-14GTO的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形3.1.3GTO的動(dòng)態(tài)特性關(guān)斷過(guò)程：與普通晶閘管有所不同抽取飽和導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的大量載流子——儲(chǔ)存時(shí)間ts，使等效晶體管退出飽和等效晶體管從飽和區(qū)退至放大區(qū)，陽(yáng)極電流逐漸減小——下降時(shí)間tf殘存載流子復(fù)合——尾部時(shí)間tt通常tf比ts小得多，而tt比ts要長(zhǎng)門(mén)極負(fù)脈沖電流幅值越大，前沿越陡，抽走儲(chǔ)存載流子的速度越快，ts越短門(mén)極負(fù)脈沖的后沿緩慢衰減，在tt階段仍保持適當(dāng)負(fù)電壓，則可縮短尾部時(shí)間3.1.4GTO的主要參數(shù)

GTO的許多參數(shù)和普通晶閘管相應(yīng)的參數(shù)意義相同，以下只介紹意義不同的參數(shù)1)開(kāi)通時(shí)間ton

延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。延遲時(shí)間一般約1~2

s，上升時(shí)間則隨通態(tài)陽(yáng)極電流值的增大而增大2)關(guān)斷時(shí)間toff

一般指儲(chǔ)存時(shí)間和下降時(shí)間之和，不包括尾部時(shí)間。GTO的儲(chǔ)存時(shí)間隨陽(yáng)極電流的增大而增大，下降時(shí)間一般小于2

s不少GTO都制造成逆導(dǎo)型，類(lèi)似于逆導(dǎo)晶閘管，需承受反壓時(shí)，應(yīng)和電力二極管串聯(lián)3.1.4GTO的主要參數(shù)3)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO:GTO的額定電流4)

電流關(guān)斷增益

off

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比稱(chēng)為電流關(guān)斷增益

（1-8）

off一般很小，只