自动控制元件 功放概述与线性功放
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哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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电力电子器件-器件保护
过电流——过载和短路两种情况
快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。同时采用几种过电 流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔 仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作 之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
电力电子器件-分类
全控型器件 ——通过控制信号既可控制其导通又可
电力电子器件-分类
b. 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间 信号的 性质，分为两类：
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
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
运动控制系统的构成
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
对功率放大环节的要求
• 能够输出足够的电压、电流（功率）； • 输出信号的失真小，或称输出线性度好； • 具备可靠的限压、限流、过热保护等安全保护 功能； • 根据应用特点可实现功率流向控制； • 驱动运行中具有良好的效率。
t
10% ICM 0 UCE
UCEM
ton
toff
t
tfv1
tfv2 UCE(on)
1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模块
O
t
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-IGBT
IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间需要折衷
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心 哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
c) 电气图形符号
电力电子器件-IGBT
电力电子器件-IGBT
IGBT的动态特性
UGE 90% UGEM 10% UGEM 0 IC 90% ICM UGEM
ICM td(on) tr td(off) tfi1 tf tfi2
电子保护电路
其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损 吸收电路）
(AC-AC Conversion)
逆变
（Inversion）
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电力电子技术概述
电力电子技术概述
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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电力电子技术概述
电力电子技术概述
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
控制其关断，又称自关断器件 绝缘栅双极晶体管IGBT 电力场效应晶体管P-MOSFET 门极可关断晶闸管 GTO
不可控器件 ——不能用控制信号来控制其通断
电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路 中承受的电压和电流决定的
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
• 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，电 流容量小，耐压低。用于 小功率场合（十千瓦以下 ）。
G N+ P N+ N + P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b)
沟道 N+ D a)
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电力电子技术概述
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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电力电子器件
电力电子器件-概述
电力电子器件（power electronic device） ——可 直接用于处理电能的主电路中，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 。 电力电子器件发展的目标是： 大容量、高频率、易 驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化 。
更大功率 水 平 IGB T /IP M
高频单 器 件 IG B T： 1k V ， 60 A ，用 于加热 容器 高 频单器 件 IG B T ： 1.7k V ， 1 5A ，用 于 CRT 等 功率 M O SFE T： 中高 电压 等级， 用 于 SM P S 等
IGBT MOSFET
10 10 100 1k 10k 工作频率(Hz) 100k 1M 10M
电力电子器件-功率模块
类似功率集成电路还有许多名称: 高压集成电路（High Voltage IC ——HVIC）一般指 横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 智能功率集成电路（Smart Power IC ——SPIC）一般 指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 智能功 率模块（Intelligent Power Module ——IPM ）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单 片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）
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电力电子技术概述
电力电子技术概述
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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电力电子技术概述
电力电子技术的应用： • • • • • 一般工业：电源、冶炼、电化学 …… 交通运输：电动车辆，航空航天，电梯 …… 电力系统：输电，变电，电能质量管理 …… 家用电器：照明，家电，数码娱乐设备 …… 其它：工业与办公自动化、新能源应用 ……
电力电子器件-MOSFET
MOSFET
S D D
10 0M
10M 1M 100k 10k 1k 100
T RIAC Thyristor
低功 耗系 统集 成 化
GT O
更高 电压 等级 IG BT /IP M
大功率 IP M ： 1 .2 kV ， 0.6k A ， 用于风 力 发电逆 变
BJT
IGBT IPM
目
录
1。功率放电大环节的作用与特点
自动控制元件及线路 31
功率放大环节与电力电子技术概述
2。电力电子技术概述 3。电力电子器件简介 4。功率放大环节的结构与类型 5。功放系统实例
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
控制系统各环节作用
运动控制器(硬件)---人的大脑、小脑的生理组织 控制结构与策略 (软件 )--- 人的控制意识、策略 结构与材料子系统 ---骨骼系统 /皮肤系统 功放与执行器子系统 --- 肌肉系统 传感子系统---五官等神经感知系统 能源子系统---消化、呼吸系统 电气 /液连接子系统 ---循环系统
电力电子技术概述
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，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
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-现状
器 件容 量
大 直径 L T T ： 8 kV, 4 k A ， 用于 H VD C 等 更大硅 片 直径 大直 径 G TO ： 6k V， 6k A ，用 于 SVG 、A P F 大 功率 IG B T： 1.2k V ， 1 kA ， 用于 CV CF 等
电力电子技术概述
电 力 电 子 学 (Power
机 电 转 旋 器、 止 静
Baidu Nhomakorabea
电力电子技术概述
年代出现
1 9 7 4 年 ， 美 国 的 W.
Newell 用 右 图 的 倒 三 角形对电力电子学进 行了描述，被全世界 普遍接受。
电 路、 器 件
Electronics) 名 称 60
电子学
电力学
电力 电子技术
变压器 电流互感器 交流断路器 电流检测 过电流 继电器 短路器 动作电流 整定值 开关电路 触发电路 快速熔断器 变流器 直流快速断路器 负载
电力电子器件-器件保护
缓冲电路（ Snubber ）：抑制过电压、du/dt、过电流 和di /dt，减小器件的开关损耗 关断缓冲电路（du/dt抑制电路） ——吸收器件的关断过 电压和换相过电压，抑制du/d t，减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路） ——抑制器件开通时的 电流过冲和di/d t，减小器件的开通损耗 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 ——复合缓 冲电路
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-功率模块
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 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应 用场合 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
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连续、离散
控制 理论
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电力电子技术概述
电力变流技术 AC-DC, AC-AC, DC-DC, DC-AC 输入 输出
电力电子技术概述
交流 整流
(Rectification)
直流
直流斩波 (DC Chopping)
直流 交流
交交变换
电力电子器件-分类
电力电子器件的分类
a. 按照开关类型划分
半控型器件 ——通过控制信号可以控制其导通而
不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流 决定
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电力电子器件-器件保护
功率放大线路主要要具有过电压、过电流和过热保 护的功能。 电力电子装置可能的过电压： (1) (2) (3) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作 雷击过电压：由雷击引起 关断过电压：全控型器件关断时，正向
电力电子器件-器件保护
过电压保护措施
T S U C F D RC1 RC2 RV RC3
电力电子器件-MOSFET
IGBT
电力电子器件-IGBT
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极 G E N+ J3 P N+ N N+ P+ C 集电极 a)
-
N+
P
N+ 漂移区 缓冲区 注入区 G
J2 J1
+ ID R N VJ1 + + IDRon -
C IC C G
E b) c)
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路
SDC
LB M
RC4
RCD
电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压
F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1浪涌过电压抑制用RC电路 RC2浪涌过电压抑制用RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路 RCD关断过电压抑制用RCD电路
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）
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哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-特征
电力电子器件特征 能处理电功率的大小（即承受电压和电流的能力） ，是最重要的参数 一般都工作在开关状态 实用中，往往需要由信息电子电路来控制 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高 而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工 作时一般都要安装散热器
电力电子器件-功率模块
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
IGBT的主要参数 最大集射极间电压 UCES 最大集电极电流 最大集电极功耗PCM 功耗 击穿电压 1ms脉宽最大电流 ICP 正常工作温度下允许的最大
电力电子技术概述
电子技术 信息电子技术 电力电子技术
信息电子技术 —— 模拟电子技术和数字电子技术,主要 用于信息处理 电力电子技术 ——应用于电力领域的电子技术，使用电 力 电子器件对电能进行变换和控制的技术。
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电力电子技术概述
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电力电子器件-器件保护
过电流——过载和短路两种情况
快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器。同时采用几种过电 流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔 仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作 之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。
电力电子器件-分类
全控型器件 ——通过控制信号既可控制其导通又可
电力电子器件-分类
b. 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间 信号的 性质，分为两类：
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
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运动控制系统的构成
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
对功率放大环节的要求
• 能够输出足够的电压、电流（功率）； • 输出信号的失真小，或称输出线性度好； • 具备可靠的限压、限流、过热保护等安全保护 功能； • 根据应用特点可实现功率流向控制； • 驱动运行中具有良好的效率。
t
10% ICM 0 UCE
UCEM
ton
toff
t
tfv1
tfv2 UCE(on)
1700V/1200A ， 3300V/1200A IGBT 模块
O
t
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电力电子器件-IGBT
IGBT的开关速度低于电力MOSFET IGBT的击穿电压、通态压降和关断时间需要折衷
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c) 电气图形符号
电力电子器件-IGBT
电力电子器件-IGBT
IGBT的动态特性
UGE 90% UGEM 10% UGEM 0 IC 90% ICM UGEM
ICM td(on) tr td(off) tfi1 tf tfi2
电子保护电路
其他分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损 吸收电路）
(AC-AC Conversion)
逆变
（Inversion）
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电力电子技术概述
电力电子技术概述
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电力电子技术概述
电力电子技术概述
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控制其关断，又称自关断器件 绝缘栅双极晶体管IGBT 电力场效应晶体管P-MOSFET 门极可关断晶闸管 GTO
不可控器件 ——不能用控制信号来控制其通断
电力二极管（Power Diode） 只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路 中承受的电压和电流决定的
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
• 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，电 流容量小，耐压低。用于 小功率场合（十千瓦以下 ）。
G N+ P N+ N + P N+ NG S N沟道 G S P沟道 b)
沟道 N+ D a)
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电力电子技术概述
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电力电子器件
电力电子器件-概述
电力电子器件（power electronic device） ——可 直接用于处理电能的主电路中，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 。 电力电子器件发展的目标是： 大容量、高频率、易 驱动、低损耗、小体积（高芯片利用率）、模块化 。
更大功率 水 平 IGB T /IP M
高频单 器 件 IG B T： 1k V ， 60 A ，用 于加热 容器 高 频单器 件 IG B T ： 1.7k V ， 1 5A ，用 于 CRT 等 功率 M O SFE T： 中高 电压 等级， 用 于 SM P S 等
IGBT MOSFET
10 10 100 1k 10k 工作频率(Hz) 100k 1M 10M
电力电子器件-功率模块
类似功率集成电路还有许多名称: 高压集成电路（High Voltage IC ——HVIC）一般指 横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 智能功率集成电路（Smart Power IC ——SPIC）一般 指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片集成 智能功 率模块（Intelligent Power Module ——IPM ）则专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单 片集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子技术概述
电力电子技术概述
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电力电子技术概述
电力电子技术的应用： • • • • • 一般工业：电源、冶炼、电化学 …… 交通运输：电动车辆，航空航天，电梯 …… 电力系统：输电，变电，电能质量管理 …… 家用电器：照明，家电，数码娱乐设备 …… 其它：工业与办公自动化、新能源应用 ……
电力电子器件-MOSFET
MOSFET
S D D
10 0M
10M 1M 100k 10k 1k 100
T RIAC Thyristor
低功 耗系 统集 成 化
GT O
更高 电压 等级 IG BT /IP M
大功率 IP M ： 1 .2 kV ， 0.6k A ， 用于风 力 发电逆 变
BJT
IGBT IPM
目
录
1。功率放电大环节的作用与特点
自动控制元件及线路 31
功率放大环节与电力电子技术概述
2。电力电子技术概述 3。电力电子器件简介 4。功率放大环节的结构与类型 5。功放系统实例
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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控制系统各环节作用
运动控制器(硬件)---人的大脑、小脑的生理组织 控制结构与策略 (软件 )--- 人的控制意识、策略 结构与材料子系统 ---骨骼系统 /皮肤系统 功放与执行器子系统 --- 肌肉系统 传感子系统---五官等神经感知系统 能源子系统---消化、呼吸系统 电气 /液连接子系统 ---循环系统
电力电子技术概述
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，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
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哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-现状
器 件容 量
大 直径 L T T ： 8 kV, 4 k A ， 用于 H VD C 等 更大硅 片 直径 大直 径 G TO ： 6k V， 6k A ，用 于 SVG 、A P F 大 功率 IG B T： 1.2k V ， 1 kA ， 用于 CV CF 等
电力电子技术概述
电 力 电 子 学 (Power
机 电 转 旋 器、 止 静
Baidu Nhomakorabea
电力电子技术概述
年代出现
1 9 7 4 年 ， 美 国 的 W.
Newell 用 右 图 的 倒 三 角形对电力电子学进 行了描述，被全世界 普遍接受。
电 路、 器 件
Electronics) 名 称 60
电子学
电力学
电力 电子技术
变压器 电流互感器 交流断路器 电流检测 过电流 继电器 短路器 动作电流 整定值 开关电路 触发电路 快速熔断器 变流器 直流快速断路器 负载
电力电子器件-器件保护
缓冲电路（ Snubber ）：抑制过电压、du/dt、过电流 和di /dt，减小器件的开关损耗 关断缓冲电路（du/dt抑制电路） ——吸收器件的关断过 电压和换相过电压，抑制du/d t，减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路） ——抑制器件开通时的 电流过冲和di/d t，减小器件的开通损耗 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起 ——复合缓 冲电路
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-功率模块
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 以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功率应 用场合 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
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
连续、离散
控制 理论
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
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电力电子技术概述
电力变流技术 AC-DC, AC-AC, DC-DC, DC-AC 输入 输出
电力电子技术概述
交流 整流
(Rectification)
直流
直流斩波 (DC Chopping)
直流 交流
交交变换
电力电子器件-分类
电力电子器件的分类
a. 按照开关类型划分
半控型器件 ——通过控制信号可以控制其导通而
不能控制其关断 晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件 器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流 决定
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
哈尔滨工业大学航天学院 控制与仿真中心
电力电子器件-器件保护
功率放大线路主要要具有过电压、过电流和过热保 护的功能。 电力电子装置可能的过电压： (1) (2) (3) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作 雷击过电压：由雷击引起 关断过电压：全控型器件关断时，正向
电力电子器件-器件保护
过电压保护措施
T S U C F D RC1 RC2 RV RC3
电力电子器件-MOSFET
IGBT
电力电子器件-IGBT
三端器件：栅极G、集电极C和发射极E
发射极 栅极 G E N+ J3 P N+ N N+ P+ C 集电极 a)
-
N+
P
N+ 漂移区 缓冲区 注入区 G
J2 J1
+ ID R N VJ1 + + IDRon -
C IC C G
E b) c)
a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路
SDC
LB M
RC4
RCD
电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压
F避雷器 D变压器静电屏蔽层 C静电感应过电压抑制电容 RC1浪涌过电压抑制用RC电路 RC2浪涌过电压抑制用RC电路 RV压敏电阻过电压抑制器 RC3器件换相过电压抑制用RC电路 RC4直流侧RC抑制电路 RCD关断过电压抑制用RCD电路
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）
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电力电子器件-特征
电力电子器件特征 能处理电功率的大小（即承受电压和电流的能力） ，是最重要的参数 一般都工作在开关状态 实用中，往往需要由信息电子电路来控制 为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高 而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工 作时一般都要安装散热器
电力电子器件-功率模块
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
IGBT的主要参数 最大集射极间电压 UCES 最大集电极电流 最大集电极功耗PCM 功耗 击穿电压 1ms脉宽最大电流 ICP 正常工作温度下允许的最大
电力电子技术概述
电子技术 信息电子技术 电力电子技术
信息电子技术 —— 模拟电子技术和数字电子技术,主要 用于信息处理 电力电子技术 ——应用于电力领域的电子技术，使用电 力 电子器件对电能进行变换和控制的技术。
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电力电子技术概述