电力电子技术课件

nullnull电力电子技术 Power Electronics自动化教研室 李丽 电话:2688669 E-mail:lili@swust.edu.cn章节章节第一章 电力电子器件 第二章 整流电路 第三章 直流斩波电路 第四章 交流电力控制电路 第五章 逆变电路 第六章 PWM控制电路 前言:课 程 性 质前言:课 程 性 质 《电力电子技术》教程是自动化专业的一门应用技术基础课,是考研专业课程之一。 《电力电子技术》是一门跨学科的、利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。 《电力电子技术》由三部分内容组成。 电力电子器件 电力电子电路 电力电子系统及其控制 主 要 任 务主 要 任 务培养学生： 了解电力电子技术的发展动向和应用领域。 了解与熟悉常用的电力电子器件的工作机理、电气特性和主要参数。 理解和掌握基本的电力电子电路的工作原理、电路结构、波形特征、电气性能、分析方法和参数计算，并能进行初步的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 。 对电力电子电路具有一定的实验和调试能力。本课程与其他课程的联系本课程与其他课程的联系本课程的先修课程为：电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学、自动控制原理等。 本课程为学习电力拖动自动控制系统、电力电子装置及控制、高频电力电子技术等课程奠定了基础。本学科存在与发展的必然性本学科存在与发展的必然性为获得某些优良的控制特性； 节能； 环保的要求，或称绿色电力电子装置。本学科的特点本学科的特点实践性强 发展迅速 与现代新技术紧密结合 功率范围大，从几瓦到数百兆瓦以上 广阔的应用前景 工业、能源、交通、国防、金融 家用电器，等等课本与参考 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 课本与参考书课本： 《电力电子技术》 王兆安 机械工业出版社 （第四版）参考书：现代电力电子技术基础（清华） 赵良炳等 1995年 电力电子技术 （西南交） 郭世明 黄念慈等 2002年 电力电子器件及其应用 (机工) 李序葆 赵永健 1996 年 开关电源的原理与设计（电子） 张占松等 1999年 教学网站:http://pel-course.xjtu.edu.cn考试方式与成绩评定考试方式与成绩评定本课程总学时48（3学分），其中讲课40学时，实验8学时。 平时考勤和作业：２0％ 实验： ２0％ 期末考试： 60％如何学习好本课程如何学习好本课程基本原理; 基本电路分析、波形分析； 元器件的使用； 对控制电路的要求。绪 论绪 论1 什么是电力电子技术 2 电力电子技术的发展史 3 电力电子技术的应用1.1 　电力电子与信息电子1.1 　电力电子与信息电子信息电子技术——信息处理 电力电子技术——电力变换 　　电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即 应用于电力领域的电子技术。 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。 电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.2 　电力电子技术的两大分支1.2 　电力电子技术的两大分支 变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。 电力电子器件制造技术 电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。1.2 　两大分支(2)1.2 　两大分支(2) 电力——交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。 电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 电力变换的种类 进行电力变换的技术称为 变流技术。 变流技术1.3 与相关学科的关系1.3 与相关学科的关系电力电子学 (Power Electronics)名称60年代出现。 1974年，美国的W. Newell用图1的倒三角形对电力电子学进行了描述，被全世界普遍接受。图1 描述电力电子学的倒三角形1.3 与相关学科的关系(2)1.3 与相关学科的关系(2)都分为器件和应用两大分支。 器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。 应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。 信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态； 　电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 二者同根同源。 与电子学（信息电子学）的关系1.3 与相关学科的关系(3)1.3 与相关学科的关系(3)电力电子技术广泛用于电气工程中 高压直流输电　　静止无功补偿 电力机车牵引　　交直流电力传动 电解、电镀、电加热、高性能交直流电源 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。 与电力学（电气工程）的关系1.3 与相关学科的关系(4)1.3 与相关学科的关系(4)控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的接口； 　控制理论是这种接口的有力纽带。 电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术。 与控制理论（自动化技术）的关系1.4 地位和未来1.4 地位和未来电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成 为未来科学技术的两大支柱。 计算机 人脑 电力电子技术 消化系统和循环系统 电力电子＋运动控制　　　　　 肌肉和四肢 电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术， 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源， 因此，电力电子技术将青春永驻。 一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。2 电力电子技术的发展史2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。19041930194719571970198019902000t(年)3 电力电子技术的应用3 电力电子技术的应用一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力 家用电器： “节能灯”、变频空调 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置3 电力电子技术的应用(2)3 电力电子技术的应用(2)轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业3 电力电子技术的应用(3)3 电力电子技术的应用(3)2）交通运输3 电力电子技术的应用(4)3 电力电子技术的应用(4)3）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS3 电力电子技术的应用(5)3 电力电子技术的应用(5)4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机3 电力电子技术的应用(6)3 电力电子技术的应用(6)5）家用电器3 电力电子技术的应用(7)3 电力电子技术的应用(7)6）其他大型计算机的UPS新型能源交流变频 调速电梯燃料电池电动汽车燃料电池电动汽车null航天技术null3 电力电子技术的应用小节3 电力电子技术的应用小节总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，飞速发展。 电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。第1章 电力电子器件·引言第1章 电力电子器件·引言电子技术的基础 ——— 电子器件：晶体管和集成电路 电力电子电路的基础 ——— 电力电子器件 本章主要内容： 概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。 介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意问题。1.1 电力电子器件概述1.1 电力电子器件概述1.1.1 电力电子器件的概念和特征 1.1.2 应用电力电子器件的系统组成 1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件（Power Electronic Device） ——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路（Main Power Circuit） ——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。一、电力电子器件概念: 1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.1 电力电子器件的概念和特征 能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制（驱动电路）。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。二、同处理信息的电子器件相比的一般特征：1.1.1 电力电子器件的概念和特征1.1.1 电力电子器件的概念和特征通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的损耗小结器件特征小结器件特征 电力半导体器件的基本特点是能以小信号输入控制很大的输出，放大倍数极大 。 电力半导体器件的另一基本特点是工作于开关状态,正向压降低而反向漏电流小,从而在理论上保证了各类电力电子设备都具有节能性能。1.1.2 应用电力电子器件系统组成1.1.2 应用电力电子器件系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电路三、电力电子器件的 分类三、电力电子器件的 分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：(Power Diode)（Thyristor）（IGBT,MOSFET)1.1.3 电力电子器件的分类（2）1.1.3 电力电子器件的分类（2） 电流驱动型 ——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。 电压驱动型 ——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路信号的性质，分为两类：1.2 不可控器件—电力二极管·引言1.2 不可控器件—电力二极管·引言 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 PN结的状态1.2.2 电力二极管的基本特性1.2.2 电力二极管的基本特性 主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性1) 静态特性2）电力二极管的动态过程波形：2）电力二极管的动态过程波形：当由正向偏置转换为反向偏置时，要经过一短暂的反向恢复时间，且有较大的反向电流出现。 当由零偏置转换为正相偏置时，正相压降也会出现一个过冲电压。1.2.3 电力二极管的主要参数1.2.3 电力二极管的主要参数 额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1) 正向平均电流IF(AV)1.2.3 电力二极管的主要参数（2）1.2.3 电力二极管的主要参数（2） 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。 3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf2）正向压降UF1.2.3 电力二极管的主要参数（3）1.2.3 电力二极管的主要参数（3） 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125~175C范围之内。 6) 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 5）最高工作结温TJM1.2.4 电力二极管的主要类型1.2.4 电力二极管的主要类型1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长,一般5μs以上. 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高(Kv/kA). 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。1.2.4 电力二极管的主要类型1.2.4 电力二极管的主要类型 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。2) 快恢复二极管 （Fast Recovery Diode——FRD）1.2.4 电力二极管的主要类型（2）1.2.4 电力二极管的主要类型（2） 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（10~40ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。 3. 肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode ——SBD）。null通常：普通二极管多用于低频整流电路,高压场合。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变电路，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。各种二极管及模块整流二极管快恢复二极管 和肖特基二极管null上海锦荃电子科技有限公司代理销售的各种SR 1.3 半控器件—晶闸管·引言1.3 半控器件—晶闸管·引言 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）1.3.1 晶闸管的结构与工作原理1.3.1 晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构1.2 半控型器件—晶闸管（Thyristor或SCR）1.2 半控型器件—晶闸管（Thyristor或SCR）1.2.1外型、结构及电气图形符号:A—阳极 K—阴极 G—门极晶闸管的结构:管心由硅半导体材料做成，四层三端器件。 螺栓型：额定电流小于200A。螺栓为阳极A，粗引线为阴极K，细引为门极G。 平板型：额定电流小于200A。平面为阳极A，引出线为门极G。一、工作原理： 可以用双晶体管模型来解释，如果外电路向门极注入电流IG,则IG流人V2的基极,即产生集电极电流IC2,它构成晶体管V1的基极电流,放大成集电极电流IC1,又进一步增大V2的基极电流,形成强烈的正反馈,最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。 此时，撤掉IG，晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈仍然维持导通。 要关断，必须去掉阳极 所加的正电压，或给阳极 加反压，或设法使流过晶 闸管的电流降低到接近于 零的某一数值以下。一、工作原理：1.3.1 晶闸管的结构与工作原理（2）1.3.1 晶闸管的结构与工作原理（2）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：图1-7 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型 b) 工作原理 按晶体管的工作原理 ，得：1.3.1 晶闸管的结构与工作原理（3）1.3.1 晶闸管的结构与工作原理（3）在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。1.3.1 晶闸管的结构与工作原理（4）1.3.1 晶闸管的结构与工作原理（4） 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。 只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：1.3.2 晶闸管的基本特性1.3.2 晶闸管的基本特性（1）正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。1） 静态特性图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG1.3.2 晶闸管的基本特性（2）1.3.2 晶闸管的基本特性（2）反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-8 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG （2）反向特性1.3.2 晶闸管的基本特性（3）1.3.2 晶闸管的基本特性（3）1) 开通过程 延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）2) 关断过程 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr （1-7) 普通晶闸管的关断时间约几百微秒 2） 动态特性图1-9 晶闸管的开通和关断过程波形1.3.3 晶闸管的主要参数1.3.3 晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM ——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM ——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 通态（峰值）电压UT ——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。使用注意：1）电压定额1.3.3 晶闸管的主要参数（2）1.3.3 晶闸管的主要参数（2）通态平均电流 IT(AV） ——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。 ——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH ——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。 擎住电流 IL ——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。 浪涌电流ITSM ——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。2）电流定额1.3.3 晶闸管的主要参数（3）1.3.3 晶闸管的主要参数（3） 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有： 断态电压临界上升率du/dt ——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt ——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数1.3.4 晶闸管的派生器件1.3.4 晶闸管的派生器件 有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。 400Hz和 10kHz以上的斩波电路或逆变电路.1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST)1.3.4 晶闸管的派生器件（2）1.3.4 晶闸管的派生器件（2）2）双向晶闸管（Triode AC Switch——TRIAC）图1-10 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。 有两个主电极T1和T2，一个门极G。 在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。 常用于交流调压电路,固态继电器,交流电机调速。 1.3.4 晶闸管的派生器件（3）1.3.4 晶闸管的派生器件（3）逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor——RCT）图1-11 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 一旦承受反向电压即开通。常用于逆变电路。 1.3.4 晶闸管的派生器件1.3.4 晶闸管的派生器件光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）图1-12 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。 光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。 因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电，高压核聚变装置。1.3.2 晶闸管的基本特性小结1.3.2 晶闸管的基本特性小结 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 如下：null 定义SCR额定电流时是在规定的条件下。 不同形式的整流电路带不同类型的负载，具有不同的导通角，流过晶闸管的电流波形不一。额定电流定义是在工频正弦半波情况下通过SCR的最大平均电流，所以实际允许的平均电流与额定电流是有差别的。注意：SCR的额定电流选取问题nullIT(AV)晶闸管电流平均值发热量有效值波形系数例1.1 例1.1 流经晶闸管的波形如图1-1所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值是多少？图1-1null解： 电流平均值为： 电流有效值为：波形系数为：考虑2倍安全裕量，100A的晶闸管允许通过的电流平均值为： 电流最大值为：null例:ＫＰ２００－８B :表示额定电流２００Ａ／额定电压８００Ｖ／管压降0.4v~0.5v的普通晶闸管.管压降等级额定电压等级额定电流Ｐ普通型　Ｋ快开型 Ｎ逆导型　Ｇ可关断型 Ｓ双向型晶闸管产品型号null管子额定电流的选择： (1).按电流有效值相等的原则选择晶闸管； (2).留裕量，取1.5-2倍后取整 (3) .额定电流等级： 50A以下:1、5、10、20、30、40、50A； 100~1000A:100、200、300、400、500、600、800、1000A。1.4 典型全控型器件·引言1.4 典型全控型器件·引言20世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代-现代电力电子技术。 典型代表——门极可关断晶闸管(GTR)、电力晶体管(GTO)、电力场效应晶体管(P-MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)。 和晶闸管电路采用的相位控制方式相对应，全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式。1.4 典型全控型器件·引言1.4 典型全控型器件·引言常用的典型全控型器件电力MOSFETIGBT单管 及模块nullTVS是目前国际上普遍使用的一种高效能电路保护器件，它的外型与普通二极管相同，但却能吸收高达数千瓦的浪涌功率。1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件。 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断。 GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor —GTO）1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管GTO能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别：设计2较大，使晶体管V2控 制灵敏，易于关断。 导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 图1-7 晶闸管的工作原理1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管开通过程：与普通晶闸管相同 关断过程：与普通晶闸管有所不同 储存时间ts， 下降时间tf 尾部时间tt 。 门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。 图1-14 GTO的开通和关断过程电流波形GTO的动态特性门级电流阳级电流1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管 GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。 GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。 多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论：1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管GTO的主要参数—— 延迟时间与上升时间之和。延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流的增大而增大。—— 一般指储存时间和下降时间之和，不包括尾部时间。下降时间一般小于2s。（2） 关断时间toff（1）开通时间ton 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承受反压时，应和电力二极管串联 。 许多参数和普通晶闸管相应的参数意义相同，以下只介绍意义不同的参数。1.4.1 门极可关断晶闸管1.4.1 门极可关断晶闸管（3）最大可关断阳极电流IATO（4） 电流关断增益off off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。1000A的GTO关断时门极负脉冲电流峰值要200A 。 ——GTO额定电流。 ——最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。（1-8）1.4.2 电力晶体管1.4.2 电力晶体管 电力晶体管（Giant Transistor——GTR，直译为巨型晶体管） 。 耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor——BJT），英文有时候也称为Power BJT。   应用 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。术语用法：1.4.2 电力晶体管1.4.2 电力晶体管1）GTR的结构和工作原理图1-15 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动1.4.2 电力晶体管(GTR)1.4.2 电力晶体管(GTR)一、GTR结构和工作原理 GTR通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构的集成器件。单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管是类似的。GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极)形成的两个PN结(集电结和发射结)构成，多采NPN结构。 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。1.4.2 电力晶体管与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1）GTR的特性:1.4.2 电力晶体管1.4.2 电力晶体管1.4.2 电力晶体管 (1)  静态特性 共发射极接法时的典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。 在电力电子电路中GTR工作在开关状态。 在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib120V将导致绝缘层击穿 。 除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有： (4) 极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS小结:P-MOSFET特点控制特性：电压控制型，高输入电阻，较大输 入电容。 性能参数：高速 高可靠性：无二次击穿，开启电压 3V，过载2～4倍脉冲 电流，正温度系数。 高导通压降 10KW以下小功率 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 小结:P-MOSFET特点1.4.4 绝缘栅双极晶体管(IGBT).前言1.4.4 绝缘栅双极晶体管(IGBT).前言两类器件取长补短结合而成的复合器件—Bi-MOS器件 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT) 1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR的特点——双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 P-MOSFET的优点——单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。1.4.4 绝缘栅双极晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管一、IGBT的结构和工作原理 三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号二、概述——符号、命名、特点等效电路二、概述1.4.4 绝缘栅双极晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管  驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决定。 导通：UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 IGBT的工作原理1.4.4 绝缘栅双极晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管三、IGBT的基本特性 (1) IGBT的静态特性a)b)图1-23 IGBT的转移特性和输出特性 a) 转移特性 b) 输出特性输出特性 分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。转移特性——IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th)) 1.4.4 绝缘栅双极晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT的开通过程       与MOSFET的相似 开通时间ton uCE的下降过程图1-24 IGBT的开关过程 (2)   IGBT的动态特性 IGBT的关断过程关断延迟时间td(off） 电流下降时间 关断时间toff拖尾1.4.4 绝缘栅双极晶体管1.4.4 绝缘栅双极晶体管3) IGBT的主要参数——正常工作温度下允许的最大功耗 。(3) 最大集电极功耗PCM——包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 。 (2)  最大集电极电流——由内部PNP晶体管的击穿电压确定。(1) 最大集射极间电压UCES小结IGBT特点复合型器件，输入特性近似MOSFET，导通特性近似GTR，因此具有控制容易（电压控制型）、导通电压低、电流大的优点。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点小结IGBT特点缺点是关断时有拖尾，开关速度低于P-MOSFET，另有擎住效应。选用时注意：IGBT常与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。数KW到数十KW中功率首选方案，目前已可做到2.5KV/1800A。产品与命名2MBI100N－060 FUSI ELECTRIC 富士 CM100DY－12H MITSUBISHI 三菱 BSM400GA120DN2 SIEMENS 西门子 GA100TS120K IR 国际整流器产品与命名三、IGBT驱动 IGBT与MOSFET一样同为电压控制型，门极输入同为高阻（M欧数量级）、大电容（nF数量级），因此，对驱动电路的要求是一样的。 另外，由于IGBT往往用在较大功率的场合，因此常常增加一些安全保护措施，如软关断等等，并常常采用专门的商业化集成驱动模块。三、IGBT驱动1.5.1 MOS控制晶闸管MCT1.5.1 MOS控制晶闸管MCTMCT结合了二者的优点： 承受极高di/dt和du/dt，快速的开关过程，开关损耗小。 高电压，大电流、高载流密度，低导通压降。 一个MCT器件由数以万计的MCT元组成。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。MCT——MOSFET与晶闸管的复合1.5 其他新型电力电子器件1.5.2 静电感应晶体管SIT1.5.2 静电感应晶体管SIT 多子导电的器件，工作频率与电力MOSFET相当，甚至更高，功率容量更大，因而适用于高频大功率场合。 在雷达通信设备、超声波功率放大、脉冲功率放大和高频感应加热等领域获得应用。 缺点： 栅极不加信号时导通，加负偏压时关断，称为正常导通型器件，使用不太方便。 通态电阻较大，通态损耗也大，因而还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。SIT——结型场效应晶体管1.5.3 静电感应晶闸管SITH1.5.3 静电感应晶闸管SITHSITH是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。 其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。  SITH一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。SITH——场控晶闸管（Field Controlled Thyristor—FCT)1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT1.5.4 集成门极换流晶闸管IGCT20世纪90年代后期出现，结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。 可省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争，试图最终取代GTO在大功率场合的位置。IGCT ——GCT（Gate-Commutated Thyristor）IGCT1.5.5 功率模块与功率集成电路(PIC)1.5.5 功率模块与功率集成电路(PIC)20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）。基本概念1.5.5 功率模块与功率集成电路（2）1.5.5 功率模块与功率集成电路（2）功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的绝缘问题以及温升和散热的处理。 目前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点,最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。发展现状1.6.1 电力电子器件驱动电路概述1.6.1 电力电子器件驱动电路概述 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。 驱动电路的基本任务： 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。 对半控型器件只需提供开通控制信号。 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口1.6.1 电力电子器件驱动电路概述(2)1.6.1 电力电子器件驱动电路概述(2) 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。  光隔离一般采用光耦合器  磁隔离的元件通常是脉冲变压器图1-25 光耦合器的类型及接法 a) 普通型 b) 高速型 c) 高传输比型1.6.1 电力电子器件驱动电路概述（3）1.6.1 电力电子器件驱动电路概述（3）按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。 驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。 双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。 为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类1.6.2 晶闸管的触发电路1.6.2 晶闸管的触发电路 晶闸管触发电路应满足下列要求： 脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。 触发脉冲应有足够的幅度。 不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。 有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。t图1-26　理想的晶闸管触发脉冲电流波形 t1~t2脉冲前沿上升时间（<1s）　t1~t3强脉宽度 IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT） t1~t4脉冲宽度　　I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）晶闸管的触发电路1.6.2 晶闸管的触发电路（2）1.6.2 晶闸管的触发电路（2）V2、V3构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。  V2、V3导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。图1-27 常见的晶闸管触发电路常见的晶闸管触发电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路(1) GTO GTO的开通控制与普通晶闸管相似。 GTO关断控制需施加负门极电流。图1-28　推荐的GTO门极电压电流波形一、 电流驱动型器件的驱动电路正的门极电流5V的负偏压GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。1.6.3 典型全控型器件的驱动电路1.6.3 典型全控型器件的驱动电路直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。 目前应用较广，但其功耗大，效率较低。图1-29 典型的直接耦合式GTO驱动电路1.6.