电力电子变流技术

第1章 电力电子器件
主要内容：
常用电力电子器件的基本结构、工作原理、外 特性、主要参数、开关特性、安全工作区。
常用电力电子器件的驱动电路和缓冲电路。
1.1 功率二极管
1.1.1 功率二极管的结构和工作原理
1. 功率二极管的结构
A
K A
a)
A
PN
K
I
J
K
b)
c)
2. 功率二极管的工作原理
由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一 个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器 件。
1.2 晶闸管
晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通晶闸管也 称为可控硅SCR, 普通晶闸管是一种具有开关作用的 大功率半导体器件。
1.2.1 晶闸管的结构和工作原理
1.晶闸管的外形
小电流塑封式
大电流平板式
小电流螺旋式
大电流螺旋式
图形符号
自冷式
风冷式
水冷式
2. 晶闸管的结构
晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。
综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控 制理论是现代电力电子技术的发展动力。
3. 电力电子技术的应用
（1）开关电源
（2）调速系统
（3）过程控制 自动化、机器人
（4）运输
电力机车、电车、地铁
（5）感应加热
（6）高压直流输电、风力发电、太阳能发电
（7）民用
空调、电梯、办公设备、手机
4. 电力电子技术课程的学习要求
(1-1)
IFR 2 1 0 Imsi tnd ( t) 1 Im
(3) 最大允许的全周期均方根正向电流IFrms
二极管流过半波正弦电流的平均值为IFR时，与其发热等效的全周 期均方根正向电流IFrms为
IFrm s 21 0 (Imsin t)2d(t)1 2I(m 1-2)
由式(1-1)和(1-2)可得 (1-3)
为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值以下，这 只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。
1.2.2 晶闸管的特性和主要参数
1. 晶闸管的特性
(1) 晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是晶闸管阳极与阴极间电压UAK和晶闸管阳极电
流IA之间的关系特性。
晶闸管的伏安特性
(2) 晶闸管的门极伏安特性
熟悉和掌握常用电力电子器件的工作机理、特性和参数，能正确 选择和使用它们。
熟悉和掌握各种基本变换器的工作原理，特别是各种基本电路中 的电磁过程，掌握其分析方法、工作波形分析和变换器电路的初 步设计计算。
了解各种开关元件的控制电路、缓冲电路和保护电路。 了解各种变换器的特点、性能指标和使用场合。 掌握基本实验方法与训练基本实验技能。
由于实际产品的门极伏安特性分散性很大，常以一条典型的极限 高阻门极伏安特性和一条极限低阻门极伏安特性之间的区域来代 表所有器件的伏安特性，由门极正向峰值电流IFGM﹑允许的瞬时最 大功率PGM和正向峰值电压UFGM划定的区域称为门极伏安特性区 域。PG为门极允许的最大平均功率。其中,0ABC0为不可靠触发 区,ADEFGCBA为可靠触发区。
1.1.2 功率二极管的特性和主要参数
1. 功率二极管的特性
(1) 功率二极管的伏安特性
(2) 功率二极管的开关特性
由于PN结电容的存在，二极管从导通到截止的过渡 过程与反向恢复时间trr、最大反向电流值IRM，与二极 管PN结结电容的大小、导通时正向电流IFR所对应的 存储电荷Q、电路参数以及反向电流di/dt等都有关。 普通二极管的trr=2～10µs，快速恢复二极管的trr为几 十至几百ns,超快恢复二极管的trr仅几个ns。
有源逆变；无源逆变。
交-交(AC-AC)变换：
交流调压；交-交变频。
直流-直流(DC-DC)变换
2. 电力电子技术的发展
电力电子器件发展：电能转换由依靠旋转机组改为利用 电力电子器件组成的静止的电能变换器,具有体积小、 重量轻、无机械噪声和磨损、效率高、易于控制、响应 快及使用方便等优点。
功率二极管 SCR ：晶闸管（可控硅） GTO：门极可关断晶闸管 BJT/ GTR：双极型功率晶体管 P-MOSFET：功率场效应晶体管 IGBT：绝缘栅双极型晶体管等。
IFrm s2IFR 1.5I7 FR
(4) 最大允许非重复浪涌电流IFSM
这是二极管所允许的半周期峰值浪涌电流。该值比二极管的额定 电流要大得多。实际上它体现了二极管抗短路冲击电流的能力。
功率二极管属于功率最大的半导体器件，现在其最大额定电压、电 流在6kV、6kA以上。二极管的参数是正确选用二极管的依据。
A
P1
N1
P2
N2
N2
K
G
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G
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wenku.baidu.comN2
K
3. 晶闸管的工作原理
IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑
欲使晶闸管导通需具备两个条件：
① 应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压。 ② 应在晶闸管的门极与阴极之间也加上正向电压和电流。
晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器 件。
2. 功率二极管的主要参数
(1) 反向重复峰值电压URRM 取反向不重复峰值电压URSM的80％称为反向重复峰 值电压URRM，也被定义为二极管的额定电压URR。显 然，URRM小于二极管的反向击穿电压URO。
(2) 额定电流IFR
二极管的额定电流IFR被定义为其额定发热所允许的正弦半波电流 平均值。其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为1～2V。 当二极管在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作时，通过正 弦半波电流平均值IFR时，其管芯PN结温升不超过允许值。若正弦 电流的最大值为Im，则额定电流为
电力电子变流技术
电能有直流(DC)和交流(AC)两大类。前者有电压幅值 和极性的不同，后者除电压幅值和极性外，还有频率 和相位的差别。
实际应用中，常常需要在两种电能之间，或对同种电 能的一个或多个参数(如电压，电流，频率和功率因 数等)进行变换。
变换器共有四种类型：
交流-直流(AC-DC)变换 直流-交流(DC-AC)变换：
控制电路及微型计算机的发展：分立元件－集成电路 －专为各种控制功能设计的专用集成电路，使变换器 的控制电路大为简化。微型计算机引入，运算精度提 高位数成倍增加，运算速度增快，功能不断完善，使 控制技术发生了根本的变化，使控制不仅依赖硬件电 路，而且可利用软件编程，既方便又灵活。
控制理论的发展：各种新颖、复杂的控制策略和方案 得到实现，并具有自诊断功能，并具有智能化的功能。 将新的控制理论和方法应用在变换器中。