电子教程：新能源转换与控制技术第2章电源变换和控制技术基础知识

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第1章 新能源转换与控制技术导论
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2.1 电力电子器件及应用
◆
电力电子器件的概念和特征 ◆电力电子器件的分类 ◆ 不可控器件——电力二极管 ◆半控型器件——晶闸管 ◆电力场效应晶体管——电力MOSFET ◆绝缘栅双极型晶体管——IGBT
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2.1.1电力电子器件的概念和特征
◆电力技术（电力设备、电力网络） ◆ 电子技术（电子器件、电子电路） ◆ 控制技术（连续、离散）
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1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角
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2.1.2电力电子器件的分类
◆
电力电子及其特性 ◆电力电子器件的分类 ◆几种典型的电力电子器件
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电力电子及其特性
电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器 件。 电力电子器件所具有的主要特征为：
①电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数。 ②电力电子器件往往工作在开关状态； ③在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。
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c、PWM整流电路――斩波整流
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（2）主要参数
额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重复施加的正、反向断态重复峰值电压UDRM和 URRM中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压UT。 正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开路(Ig=0)、器件在额定结温时，允许重复加 在器件上的正、反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（UDSM、URSM） 的 90%。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（Ubo）。 通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40℃和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。 维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA。
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（3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要 有：功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管（GTO）和电力场效 应晶体管(P-MOS)等。
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三相 桥式 半控
VT 1 VT3 VT 5
Cf
f
VT 1 VT3 VT5 Lf
负 载
Uo
C
负 载
Uo
VD4 VD6 VD2
三相 桥式 全控
Cf
负 载
VT1 VT 3 VT5 L f
VT 1 VT 3 VT5 Lf
负 载
Uo
Uo
VT 4 VT 6 VT 2
VT 4VT 6 VT 2
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四大基本变化电路
AC-DC变换电路 DC-DC变换电路 DC-AC变换电路 AC-AC变换电路
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2.2 AC—DC变换电路
交流――直流变换器（AC ―DC Converter）的功能是将交流电变换成直流电， 又称为整流器。
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（2）主要参数
漏极电压UDS 漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM 漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（10～15V），漏源间的导通电阻。 栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当|UGS|>20V时将导致绝缘层击穿。 极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生产厂商提供的是漏源极短 路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss。 Ciss= CGS+ CGD （2-1） （2-2） Crss=CGD Coss=CDS+CGD （2-3）
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正向通态压降UF ：在额定结温下，电力二极管在导通状态流过某一稳态正向电流 （IF）所对应的正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。 反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr ：反向恢复时间trr通常定义为从电流下降为零至反向 电流衰减至反向恢复电流峰值25％的时间。反向恢复电流IRP及恢复时间trr与正向导通 时的正向电流IF及电流下降率diF/dt密切相关。
新能源转换与控制技术
江南大学 惠 晶主编
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第2章 电源变换和控制技术基础知识
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本章主要内容
2.1 电力电子器件及应用 2.2 AC-DC变换电路 2.3 DC-DC变换电路 2.4 DC-AC变换电路 2.5 AC-AC变换电路 2.6 多级复合形式的变换电路 2.7 半导体功率器件的驱动与保护电路
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3、电力场效应晶体管――电力MOSFET （1）基本特性
S
G
N+
N+
沟道
N+
N+
N-
N+
D
图2-3 电力MOSFET结构图和电路图形符号
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a)转移特性
b)输出特性
图2-4 电力MOSFET的转移特性和输出特性
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4、绝缘栅双极型晶体管――IGBT （1）基本特性：
静态特性与P-MOSFET类似； UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）； UGE足够大（一般为5~15V），IGBT进入导通状态（通态）， 当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC>0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高
VD 1 VD3 VD5
f
VD 1 VD 3 VD 5
负 载
Lf
负 载
Cf
Uo
Uo
VD4 VD 6 VD 2
VD 4 VD 6 VD 2
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b、晶闸管整流电路――相控整流
表2-2 常用晶闸管整流器的主要形式
名称 输出电压型 输出电流型
单 相 半 波
VT
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几种典型的电力电子器件
不可控器件――电力二极管 半控型器件――晶闸管 电力场效应晶体管――电力MOSFET 绝缘栅双极型晶体管――IGBT
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1、不可控器件――电力二极管
（1）电力二极管的基本特性：电力二极管（Power Diode）承受的反向电压耐力与阳极通流能力均比普通二极管大得 多，但它的工作原理和伏安（V－A）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管的 电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图所示。
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电力电子器件的分类
1、按可控性分类 （1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电子器件 。如：功率二极管 （Power Diode）。
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（2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子 器件。晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCT—MOSFET控制晶闸管等 复合器件外)，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复 阻断。
图2-2 晶闸管电路符号及伏安（V－A）特性
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（1）基本特性：
电流触发特性：当晶闸管A－K极间承受正向电压时，如果G－K极间流过正向触发电 流，就会使晶闸管导通。 单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导 通。 半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触 发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其A－K极间 施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（IH）。
VD
负 载
Uo
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续表2-2
单相 桥式 全控
VT1 VT 3
Lf
负 载 Uo
VT 1 VT3
Cf
Lf
u1
u2
u1
u2
VT 2 VT4
VT 2 VT4
负 载
Uo
三 相 半 波
VT1 VT2
Lf
负 载
VT1 VT 2 VT3
Uo
Lf
负 载
VT 3 C f
Uo
11
2、按驱动信号类型分类
(1) 电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱 动型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。 (2) 电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力 电子器件称为电压驱动型器件，如P－MOSFET，IGBT等。
图2-5 IGBT电路符号图形
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（2）主要参数
最大集射极间电压BUCES：该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电 压确定的。 最大集电极电流ICM：包括在一定壳温下的额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 集射极间饱和压降UCE(sat)：对栅极与发射极（G－E）间施加一定正向电压，在一定的结温及集电极电流 条件下，集射极（C－E）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数，在电流较大 时，为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行较为容易。
Lf
VT
Cf
负 载
Lf
u1
u2
VD
Uo
u1
u2
VD
负 载
Uo
单 相 全 波
VT1
Lf
u1
u21 u22
VD
Cf
负 载
VT 1
Uo
Lf
VT2
u
1
u21 u22
VD
负 载
Uo
VT 2
单相 桥式 半控
VT1 VT3
Lf
VT 1 VT3
VD C f
负 载
Uo
f
u1
u2
VD2 VD 4
u1
u2
VD 2 VD4
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a、二极管整流电路――不控整流
表2-1 常用二极管整流器的主要形式
名称 输出电压型 输出电流型
单 相 半 波
VD1
Lf VD 2 Cf
负 载
VD1
Uo
Uin
Lf
负 载
u in
VD 2
Uo
单 相 全 波
Lf
Lf
uin
VD1 VD2
Cf
载
负
VD 1
Uin
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现代电力电子的应用
◆电力电子变换与控制技术（以四大变换展开） ◆谐波抑制与功率因素校正技术 ◆电力电子技术的典型应用案列
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电力电子变换与控制系统
1.主要由AC/DC,DC/AC,DC/DC,AC/AC四大基本变换及其组合构成的主电路拓 扑。 2.现代电力电子装置的控制系统由微电子器件（硬件）、控制策略（软件）和检 测、保护、驱动等组成。
负 载
Uo
VD2
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续表2-1
单 相 桥 式
Lf VD 1 VD3 Cf VD2 VD 4
负 载
Lf VD1 VD2
负 载
uin
Uo
U in
Uo
VD3
VD4
三 相 半 波
VD1 VD2 VD3 Cf
载
Lf
负
VD1 VD2 Lf
负 载
Uo
VD3
Uo
三 相 桥 式
反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即 转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。
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2、半控型器件――晶闸管
优点：晶闸管可以承受的 电压、电流在功率半导体 中均为最高，具有价格便 宜、工作可靠的优点，尽 管其开关频率较低，但在 大功率、低频电力电子装 置中仍占主导地位。
图2-1 电力二极管电路符号及伏安（V－A）特性 机械工业出版社
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（2）电力二极管的主要参数
正向平均电流IF(AV) ：电力二极管在连续运行条件时，器件在额定结温和规定的散热条 件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 反向重复峰值电压URRM ：指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是 雪崩击穿电压URBO的2/3。