第二章 电源变换和控制技术基础知识

（1）信息电子技术主要是传递信息，电力电子技术要传递 电能； （2）信息电子电路流过的功率很小，器件主要工作在开关 状态或者放大状态。电力电子电路传输的功率比较大，甚至很 大，器件工作在开关状态。
3） 电力电子技术应用领域：

电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业 ，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系 统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域 中也有着广泛的应用。
直流变频空调
电力机车
充电器 电动汽车 在工业发达国家，60%的
电能在使用之前经过了电力电
子的设备！可见研究电力电子 技术，具有广阔地市场前景。 电机及其控制器
2

电力电子器件的分类
按照能够被控制电路信号所控制的程度：
1）不可控器件 ☞电力二极管（Power Diode）。 ☞不能用控制信号来控制其通断。

转移特性表征器件输入电压对输出电流的控制作用和放大能力。图中
UT是P-MOSFET的开启电压(又称阀值电压)。
（2）P-MOSFET的输出特性：是指UGS维持不变时，UDS与ID之
间的关系曲线，如下图所示。
ID
饱和区
U GS3 10V
II
III
非饱和区
I
U GS2 8V U GS1 4V

当栅源极电压 UGS ＞ 0 但不够充分时，或者MOS 管导通之后 UGS = 0 ，则 栅极下面的 P型区依然是空穴为主的状态，无法出现反型层，还是无 法沟通漏源，此时MOS管仍保持关断状态。

显然， UGS < 0，栅极下面的P型区将会吸引更多的空穴，同样MOS管 将处于关断状态。
3） P-MOSFET的反向并联的寄生二极管
N沟道增强型P-MOSFET
N沟道IGBT
3） IGBT的等效电路和电气符号
IGBT结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极 (G门
极、C集电极、E发射极)。
百度文库
发射极 E
栅极 G C
N

J3
P
N N
N P
J2 J1
漂移区 缓冲区 注入区 G E (b) 图1-24 (c) E C G
P


讨论：思考一下，校园附近有哪些能源可以服务于我
们的生活？你是否已经具备了相关的知识和能力？
第二节 常见的电力电子器件
1
电力电子技术的基本概念
1） 电子技术是根据电子学的原理，运用电子元器件设计 和制造某种特定功能的电路以解决实际问题的科学。主要包括 信息电子技术和电力电子技术两大分支。电力电子技术可以理 解为在电力领域应用的电子技术。
二极管、三极管 信息电子技术 电子技术 数电、模电、集成电路…… 整流二极管、晶闸管、IGBT等 电力电子技术 整流电路、逆变电路、变频电路……
2） 信息电子技术和电力电子技术的联系与区别：

联系：同根同源。工作原理、制造技术基本一致。在实际 的设备中，是信息电子电路去控制电力电子的电路。 主要的区别：

源极 S 接负极，
漏极 D 接正极。栅极 G
的绝缘膜的下方，对
应的为P型半导体，里 面有大量的空穴。

如果栅极 G 上没
有施加电压信号，由 于 PN 结 的 存 在 ， PMOSFET无法导通。
N沟道增强型P-MOSFET结构示意图

如果栅极G与源极S
之间施加一个足够大的 正电压信号，由于绝缘 膜的存在，电流不会从 G 极流往源极。但栅极 G 下 会吸引 P 区的电子聚集在 绝缘膜下，形成薄薄地 一层电子层。这个称之 为反型层。

电能利用的主要方式是交流。与直流相比，交流电 能更容易远距离传输，具有很多优点。 太阳能发电、燃料电池等能量输出是直流的形式， 需要转变成交流才能并入大电网进行传输和使用。 太阳能发电应用前景广阔。 电动汽车、手机充电等场合，需要将电网的交流电 能转换成直流电才能够给电池充电。


3. 如何实现交流和直流之间的转换？
二极管电气符号
2）电力二极管的外观
整流二极管及模块
电力二极管的基本结构和电气图形符号
无论工作原理还是电气符号，用于信息电子中的二极管 和电力二极管是一致的。均为一个正方向导通、反方向阻断 的器件。
3）电力二极管的伏安特性 正向平均电流
ID
正向通态压降
反向重复峰值电压
IF
U RRM
U RBO
0
I RP U TO U F

显然，如果控制极电压特别小，也难以可靠触发晶闸管。 关断晶闸管的方法有:将阳极电源断开；改变晶闸管的阳极电压的方向 ；或者设法控制流过晶闸管的电流降低到非常小的水平。
4）
晶闸管的伏安特性
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。
+ IA 正向 导通
正向转 折电压 Ubo
5 全 控 型 器 件 之 一 —— 电 力 场 效 应 晶 体 管 Power MOSFET
1 ） 电力场效应管是一种电压全控型器件。控制极上电压信号的变化可控 制其导通，也可控制其关断。控制极静态内阻极高、驱动功率很小。常用 于中小功率开关电路中。
电力场效应管（有三根引出线S、D、G）
2） P-MOSFET的结构和工作原理
5） 认识一下Matlab/Simulink中的晶闸管：
（1）进入Simulink，选择 Power Electronics库
（2）右边寻找一个Thyristor的模块
（3）右击该模块，输入参数(该参数 和Diode的一模一样)
（4）在Simulink中的Thyristor模型：
6） Simulink中晶闸管应用例子：
IG1
URSM U RRM -UA
IH O
IG2
IG=0
U DRM U bo + UA U DSM
雪崩 击穿
- IA
晶闸管的伏安特性 IG2 >IG1 >IG
讨论： 1 ）晶闸为什么称之为半控器件？和电力二极管的不控相比 ，有何优点、有何缺点？ 2) 借鉴前面电力二极管的描述方法，你觉得该如何用一段 程序代码去描述一个晶闸管的特性？
C 集电极 (a)
4）
IGBT的工作原理

当 IGBT 栅极加上正电 压时， MOSFET 内形成 沟道，使 IGBT 导通； 当 IGBT 栅极加上负电
压时， MOSFET 内沟道
消失，IGBT关断。

当 UCE ＜ 0 时 ， J1 的 PN
结处于反偏， IGBT 呈
自行反向阻断状态。 和 P-MOSFET 反向导通 N沟道IGBT
6 全控型器件之二——绝缘栅双极型晶体管，（ IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)
1 ） IGBT 是由 P-MOSFET 与双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断 器件。应用颇为广泛。
IGBT（有三根引出线C、E、G）
2） IGBT的基本结构
IGBT是在 P-MOSFET基础上发展起来的集成新型器件，其结构是 P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。 P-MOSFET与IGBT 的比较如下：
2）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。
3
不可控器件——电力二极管（Power Diode）
1）回忆：《模电》中我们所学习过的二极管
（扩散运动与漂移运动） （偏移运动加剧） （扩散运动加剧）
PN 结的形成 PN 结反向截止 PN结正向导电
晶体二极管

反型层连接相邻的
N 型半导体区域，构成导
反型层及导电通道示意图
电通道。

如果栅极G与源极S
之间的这个电压消失，
或 者 UGS 的 值 比 较 小 ，
MOSFET 能 否 足 够 的 能 力 维持这个导电通道呢？
反型层及导电通道示意图
总结：

P-MOSFET 当栅源极电压UGS大于某一值时，栅极下的P型区表面呈现薄 薄地一层电子聚集的状态，出现反型层，沟通漏源极。MOS管导通。

由于本身结构
所致，在源极 S 下也 对应部分 P 型半导体 ，因此P-MOSFET自身 带有一个反向并联的 二极管。在实际应用 中要注意。
N沟道增强型P-MOSFET结构示意图
D G
S N沟道
N沟道增强型P-MOSFET电气符号
4） P-MOSFET的特性和参数
（1）转移特性：转移特性是指UDS维持不变时，UGS与ID之间的关系曲 线，如下图所示。
(4) 在Simulink中的Diode模型：
5) Simulink中电力二极管应用例子：
讨论： 1）电力二极管为什么称之为不可控器件？ 2) 你觉得该如何用一段程序代码去描述一个电力二极管的 特性？
4
半控器件——晶闸管（Thyristor）
1） 晶闸管是一种控制信号可控制其导通，但不可控制关断的
击穿区
U GS
0
U GS0 0
U BR
(b) 图1-22
U DS
截止区
5）Simulink中的P-MOSFET模型
讨论：
1）电力MOSFET管为什么称之为全控器件？
2 ）电力 MOSFET 管的源极和漏极之间存在一个寄生的二极管，这对应用
可能产生什么样的影响？
3) 同样基于半导体理论，可以设计出具有不同可控性的电力二极管、 晶闸管、晶体管等器件，你有何感受？
不同。

当UCE＞0时，分两种情况：
（ 1 ）若门极电压 UGE ＜ UT （
开启电压），沟道不能形成， IGBT呈正向阻断状态。
（ 2 ）若门极电压 UGE>UT ， 门极下的沟道形成，从而使 N沟道IGBT IGBT导通。
6）Simulink中的IGBT模型
作业：
1.
安装并学习 Matlab/Simulink 。在其 simpowersystem 工具 箱下找到 Power Electronics( 电力电子器件 ) ，阅读帮助 文档和查找资料，理解课堂讲授的电力电子器件的工作原
2）半控型器件 ☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。 ☞ 器件的导通可控，但关断完全是由其在主电路中承受 的电压和电流决定的。 3）全控型器件 ☞目前最常用的是 Power MOSFET和IGBT。 ☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。

按照驱动信号的性质：
1）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。
当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，形成了强烈的正 反馈，正反馈过程如下： IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑

晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维
持。即使控制极电流消失 ， 晶闸管仍将处于导通状态。因此，控制极
的作用仅是触发晶闸管使其导通。导通之后，控制极就失去了控制作 用。
半控型器件。
晶闸管及模块（一般有三根引出线A、K、G）
2） 晶闸管四层PNPN结构及其电气符号：
A
A
K G VT
P1 N1
G
J1 J2
J3
G
P2 N2
A K K
3） 晶闸管四层PNPN结构的等效电路及其工作原理：
A A P1 N1 G P2 N2 K a) b) N1 P2 IA V1 G IG S EG Ic1 NPN PNP Ic2 V2 IK K R EA
Udc

直流到交流的转换原理
t
K
Udc
Udc
+ -
R
M
t
Udc
一个简单的直流电路
t
K
Udc
Udc
+ -
R
M
-Udc
t
一个复杂点的直流电路
讨论： 1）如果要得到50Hz交流波形怎么办？ 2）如果想改变交流电压的幅值怎么办？

交流到直流的转换原理
Uac
K R
t
UAc
M
U
t
一个复杂点的交流电路

实现交流直流之间转换的关键是找到一个合适的开 关并对其进行控制！！！ 初略起来看，这里控制的意思是指在合适的时间打 开或者关断开关！ 若要产生50Hz的交流波形，开关的开断次数起码是 100次/秒。手工操作基本上不可能的，必须依靠电 路来实现。于是就有了所谓的控制器，一般为一个 嵌入式系统。在能源领域， 28 系列 DSP （ digital signal processor）芯片应用广泛。
反向击穿电压 反向恢复电流
UD
讨论： 1）电力二极管为什么称之为不可控器件？ 2) 你觉得，该如何用一段程序去描述一个电力二极管？
4) 认识一下Matlab/Simulink中的电力二极管：
（1）进入Simulink，选择 Power Electronics库
（2）右边寻找一个Diode的模块
(3）右击该模块，输入参数
第二章
电源变换和控制技术基础知识
本章重点： （1）电源变换基本概念
（2）常见电力电子器件 （3）AC-DC电路：整流
（4）DC-AC电路：逆变 （5）脉宽调制控制技术（PWM）简介
第一节 电源变换的基本概念
1. 认识交流和直流
iA I m sin(t )
iB I m
2. 为什么要实现交流和直流之间的转换？