电子技术06第6章电力电子器件及基本电力变换电路课件

V1,4导通，u0=Ud
u G1,4 u G2,3
t
VD2,3导通，u0= -Ud
t
V2,3导通，u0= -Ud
uo io
t3
t4
t 5
VD1,4导通，u0= Ud
t1
t2
t
控制信号 开V1,4,关V2,3 开V2,3,关V1,4 开V1,4,关V2,3
器件导通情况 VD1,4 V1,4 VD2,3 V2,3 VD1,4
数量关系
Uo
ton ton toff
E
ton T
E
E
Io
Uo
EM R
Ton / T
续流二极管
不希望电流断续
负载 上的 反电 动势
电流连续
动态演示
电流断续
6.3.2 升压斩波电路 （Boost Chopper）
1) 升压斩波电路的基本原理
电路结构
工作原理 假设L和C值很大
V通态,E向L充电,I1恒定,C向R供电,Uo恒定。 V断态,E和L同时向C充电,并向负载提供能量
6.1 常用电力电子器件
按照器件被控制信号所控制的程度，可做如下分类
半控型器件（Thyristor）通过控制信号可控制通,不能控制关 全控型器件（IGBT,MOSFET) 通过控制信号既可控制通又可控制
关又称自关断器件 不可控器件 (Power Diode) 不能用控制信号来控制其通断, 不需要
驱动电路
注入区
C
ID RN V-J1+ IC
C
-+
+
-IDRon
G
E
b)
c)
场控器件，原理与电力MOSFET基本相同，通断由栅射极电压uGE决定。
导通：uGE大于UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，提供基极电流，IGBT导通。
通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。
关断：栅射极间施加反压或不加信号时，IGBT关断。
浪涌电流ITSM ——使超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。
3）动态参数
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
额定结温、门极开路，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
数量关系 稳态时，一个T 内电感L两端
i1 ton
toff
电压uL对时间的积分为零
IL
o
T
0 uL d t 0
i2 IL
V通态
V断态
o
uL = E
E ton Uo toff uL = - uo
t
t b)
动态演示
Uo
ttooUfnf oE1TtontoEn
E
1
E
6.4.1 逆变电路的基本工作原理
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） GTR和MOSFET复合，结合二者的优点。
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。
1）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
T 等副I：边电IV2T流周1,有4而承U效R1复受2值始反I(22与向12输R电Us出压2in电s关in2流断w有t，效)2 d值ud(Iw相t)u2I I2
uVT
1, 4
i2
wt wt wt
wt
I VT
1I 2
不考虑T 的损耗时，要求T 的容量 S=U2I2
2.带阻感负载的工作情况
电路结构
忽略损耗: EI1 UoIo
也可看作直流变压器
6.3.3升降压斩波电路
(buck -boost Chopper)
电路结构
基本工作原理
V0通< <E0向.5L时供为电降贮压能，。0C.向5<R供<电1时为升压，故称作
V升断降压L的斩能波量电向路负。载也释称放buck-boo也st称变反换极器性。斩波电路
螺栓型
平板型
有三个联接端
A
G
KK
A A G
a)
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K b)
K G
A c)
晶闸管的结构与工作原理
晶体管的结构
晶体管的工作原理
IC2 2 IG
R
IC1 1 IC2
IC2 2 (IG IC1)
S
EA
2 IG 12IG EG
形成强烈正反馈 晶闸管导通IG（EG）失去作用，IA大小由外电路决定
电容串联，要均压。
控制信号
开V1,关V2
开V2,关V1 开V1,关V2
器件导通情况 VD1 V1 VD2 V2 VD1
u0
U d U d Ud Ud U d
22
2
22
i0 -
++-
-
2) 全桥逆变电路
四个桥臂，可看成两个半桥组合而成
两对桥臂交替导通180°
输出电压和电流波形同半桥电路形状
改变U0只能通过改变Ud来实现
晶闸管 导通条 件
晶闸管 关断？
晶闸管承受正向电压
UGK>0 IA>IH
使晶闸管的电流小于维持电流
增大R或减小EA
晶闸管的基本特性
晶闸管特性曲线
（1）正向特性
IG=0时，器件两端加正向电压，有很小
IA
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↑，正向转折电压↓ - URSMURRM
IH
晶闸管本身的压降很小，1V左右。 UA
O
（2）反向特性
雪崩
阻断状态时，有极小反相漏电流。
击穿
反向击穿后，可能导致发热损坏
IG2>IG1>IG
-IA
正向 导通
IG2 IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
转折电压
晶闸管的主要参数 1）电压定额
断态重复峰值电压UDRM ——门极断路而结温额 定时，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 ——门极断路而结温额 定时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。
使用注意：
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，取额定电压为 正常工作时晶闸管所承 受峰值电压的2~3倍。
通态（峰值）电压UT——某一规定倍数的额定 通态平均电流时的瞬态峰值电压。
u0
Ud Ud -Ud -Ud Ud
i0 - + + - -
6.4.4 单相电流型逆变电路
IGBT的结构
发射极 栅极
N沟道 VDMOSFET
E
G
IGBT GTR
组合
N+ P N+ N+ P N+
•IGBT比VDMOSFET多一层P+ J3 J2
NN+
注入区,有很强的通流能力
J1
P+
•是 GTR 与 MOSFET 组 成 的 达 林顿结构
C 集电极
•RN为基区内调制电阻
a)
IGBT的原理
漂移区 缓冲区 G
uG id
wt wt
iVT 1,4
承流受过最VT大1,正4的反电向流电迅压速均转为移2到U 2VT2,3上，
此晶过闸程管称导换通相角，θ亦与称a无换关流，。均为180
iVT 2,3
wt wt
电流的周平而均复值始和有效值：
i2
wt
I dVT
1 2
Id
IVT
1 2
Id
0.707 Id
uVT 1,4
wt
2)IGBT的基本特性
IC

(1) IGBT的静态特性
(2) IGBT的动态特性 O UGE(th) IGBT的开关过程
输出特性分为三个区
转移特性
IC
饱 和 区
有源区
UGE增加
URM 反向阻断区
UGE
U GE
O
U GEM
90% U GEM
正向阻断区
UGE(th) UFM UCE
10% U GEM
0 IC 90% I CM
t d(on)
I CM tr
t d(off)
t tf
10% I CM 0
U CE
t on U CEM
t fi1
t fi2
t off
t
t fv1
t fv2
U CE(on)
O
t
6.2可控整流电路
1.一带、电阻带负电载阻的负工载作的情工况作情况
电路结构
工作原理及波形分析
0 ~数 量VT关1,系4承受正向电压但无触发信号关断,
S1~S4是桥式电路的4个臂， 由器件及辅助电路组成。
S1,4闭合，S2,3断开时 Ud
uo=Ud
S1,4断开，S2,3闭合时
Ud uo
-Ud
uo=-Ud
t 直流电
t 交流电
改变开关切换频率，可 改变输出交流电频率
6.4.2 换流方式分类
换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程， 也称为换相。
6.4.3 单相电压型逆变电路
1）半桥逆变电路
工作原理
V1和V2栅极信号在一周期内各半 周正偏、半周反偏，两者互补，
V1通，u0=Ud/2
VD2通，u0= -Ud/2
u G1
V2通，u0= -Ud/2
u G2
t
VD1通，u0= Ud/2
uo
io
t
t3
t4
t 5
缺点：输出电压幅值
t1
t2
t
为 Ud/2 ， 且 直 流 侧 需 两
数量关系
V通时，L上能量 EI1ton
V断时，L释放能量 Uo E I1toff
一个周期T中:
EI1ton (Uo E)I1toff
化简得：U o
ton toff toff
E
T tof f
E
T/toff>1，故为升压斩波
toff 1
因此:
T
Uo
1
E
1
1
E
iG E
0
io
I1
0
动态演示
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。
6.1.2 绝缘栅双极晶体管
GTR和GTO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。
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。
Ud
~
Id
VVVTTT0U1221,,,R.4339d承 承承U 受受受2 12反反正Uα向向向c2角2os电电电is的n压压压w移关关t有相d断断(触范wt发围) 信为uud号d18导0u02 通，
idd ud u2
uG
2
~
~IIV2dTV流VVVTTTT过221,,,334U晶承承承2112闸2受R受受管I反正正d的向(2向向1电电2电电R流s压Ui压压n有关2 2有无s效断in触触值，w发发tI)uV信信2dTd号号(0w导关t)通断
按照驱动电路信号的性质分 电流驱动型从控制端注入或抽出电流来实现通、断 电压驱动型在控制端和公共端间施加电压就可实现通、断
6.1.1 晶闸管
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器 （Silicon Controlled Rectifier——SCR）
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。 耐高电压大电流，工作可靠,在大容量场合具有重要地位。
2) 电网换流（Line Commutation） –电网提供换流电压的换流方式。 –将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。 不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电 网的无源逆变电路。
3) 负载换流（Load Commutation） 4) 强迫换流（Forced Commutation）
工作原理及波形分析
假设电路已达稳态，id平均值不变。
电感很大，电流id连续且波形近似为水平线 ud u2
~ 数量VT关1,4系正压导通,VT2,3反压关断 ud u2
2
wt
0.9U cos ~ Ud VT11,4正 压 导2通2U,2VsTi2n,3w正t压d(关wt断) ud u2
~晶2闸V管T1,移4反相压范关围断为,9V0T2。,3正压导通 ud u2
开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断：
全控型器件可通过门极关断。
半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。
一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断
研究换流方式主要是研究如何使器件关断。
6.4.2 换流方式分类
1) 器件换流（Device Commutation） –利用全控型器件的自关断能力进行换流。 –在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器 件的电路中的换流方式是器件换流。
T 二次电流i2为正负各180的矩形波, 相位由a角决定,有效值I2=Id
单相全控桥 阻感负载
6.3.1 降压斩波电路
（Buck Chopper)
电路结构
典型用途
•拖动直流电动机
•蓄电池负载 工作原理
❖t=0时，V通，uo=E，io指数规律上升 ❖ t=t1时，V断，VD续流，uo=0。电流全↓控型器 ❖ 通常串接大电感L使负载电流连续。 件
2）电流定额
通态平均电流 IT(AV）
允许长期流过的最大工频正弦半波电流的平均值。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 ——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。