第2章 电力电子器件和电力变换基本电路结构-教案

2.1.1 电力电子器件概述
电力电子器件一般特征


具有处理电功率的能力。 一般都工作在开关状态。 需要由控制电路来控制开通和关断。 自身的功率损耗较大，一般都要安装散热器。
电力电子器件的损耗
通态损耗
主要损耗 断态损耗 开关损耗 开通损耗

通态损耗是器件功率损 耗的主要成因。 器件开关频率较高时， 开关损耗成为器件功率 损耗的主要因素。
2.1.6 电力电子器件的驱动 电力电子器件驱动的一般知识
驱动电路——主电路与控制电路之间的接口，提供控制电路与 主电路之间的电气隔离，一般采用光隔离或磁隔离。
光隔离一般采用光耦合器； 磁隔离的元件通常是脉冲变压器。
ID R Uin Uout IC R1 E R R1 E R R1 E
a)
现代电力电子及变流技术
第二章 电力电子器件和电力变换基本电路结构
第二章 电力电子器件和电力变换基本电路结构
2.1 电力电子器件
2.1.1 概述
2.1.2 不可控器件——二极管 2.1.3 半控型器件——晶闸管 2.1.4 典型全控型器件 2.1.5 其他新型电力电子器件 2.1.6 电力电子器件的驱动和保护
2.2 基本电路结构——直流斩波电路
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
2.2.2 升压斩波电路—Boost电路 2.2.3 DC-DC变换设计实例
2.1 电力电子器件
概述
电力变换器：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力 电子器件为核心的主电路组成。 在主电路和控制电路
控 制 电
控制电路
检测 电路 保护 电路 驱动 电路
U o EM Io R
此种方式应用 最多
四、闭环系统
Pulse Generator
g C
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
m E
IGBT DC
L Diode C R
+ v -
M
Scope
四、闭环系统
a L Ui C R iL
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
Uo
目标：
Uo UR
电气隔离
V1 L R
中附加一些电路，以 保证电力电子器件和 整个系统正常可靠运 行
路
V2
主电路
主电路（Main Power Circuit） —— 电力变换器中直接承担电能的变换或控制 电力电子器件（Power Electronic Device） ——电力变换器的基础，在主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件
晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零 的某一数值以下 。

2.1.4 典型全控型器件
门极可关断晶闸管 —— GTO
电力晶体管 —— GTR
电力场效应晶体管 —— 电力MOSFET 绝缘栅双极晶体管 —— IGBT
IGBT单管及模块
C
G
E
GTR 和 GTO 的优点 —— 双 极型，电流驱动，通流能力 很强。
特点：
GTR和MOSFET复合，取GTR和GTO 通 流能力强的优点，取MOSFET电压驱动(开关 速度快)优点；
MOSFET 的优点 —— 单极 型，电压驱动，开关速度快， 是中小功率电力电子设备的主导器件； 输入阻抗高，驱动电路简单。 继续提高电压和电流容量，以期在大功率 应用中取代GTO。
x x 1 x2
u U U R u 1 i 0 0
Ax Bu x
0 A 1 C 1 L 1 RC 1 L 0 B 0 1 C
求解控制
u
kx2 U i U R u 0 0
开关速度和Cin充放电有很大关系； 可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关 速度； 关断过程非常迅速，开关时间在 10~100ns 之间， 工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件 中最高的；
G S N沟道 D D


G S P沟道
2.1.4 典型全控型器件—IGBT 绝缘栅双极晶体管 — IGBT
2.1.6 电力电子器件的保护 过流保护
快速熔断器：主要用于过载保护； 检测过电流：主要用于过电流保护；
驱动电路中设置过电流保护环节：主要用于短路保护。 (例如：对于10kHz工作的IGBT，容许短路时间小于10us)
2.2 电力变换基本电路结构
电力变换（变流）电路的分类：

U a Ui
四、闭环系统
电路的数学模型
diL L U o U i dt C dU o i U o L R dt
令
x1 iL UR R
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
iL L
Ui
C
R
Uo
等效电路
x2 U o U R
——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）：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）
关断损耗
2.1.1 电力电子器件概述
电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：

半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断(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, 因此也就不需要驱动电路。
L
VD uo
io
R M
+
EM
t=0时刻驱动V导通，电源E向 负载供电，电压 uo=E ，负载 电流io按指数曲线上升。
iG O io t on T i1 I 10 O uo E t i2 I20 t1 t
a) 电路图
t off t

t=t1时控制V关断，二极管VD 续流，电压 uo 近似为零，负 载电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感 L使负载电 流连续且脉动小。
按照驱动信号的性质，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。

电压驱动型 ——通过在控制端和公共端之间施加电压信号可实现导通或者关断。
2.1.2 不可控器件—电力二极管 电力二极管(Power Diode)
PN结的状态
状态
参数 电流 电压 阻态 正向导通 正向大 维持1V 低阻态 反向截止 反向击穿 几乎为零 反向大 高阻态 反向大 反向大 ——
二极管的基本原理 就在于PN结的单向 导电性
2.1.3 半控型器件—晶闸管 晶闸管 (Thyristor)，以前称为可控硅。
2.1.3 半控型器件—晶闸管 晶闸管正常工作时的特性总结

承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管 都不会导通。

承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸 管才能开通。
O iG iG O io O uo O ton

b)电流连续时的波形
t off Tt t1 I 20
x
t t2
i1
E
i2 E EM t
注：
下面只分析电流连续工作模式； 电流断续的情况参照教科书，不作要求
t
c) 电流断续时的波形
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
三、电流连续工作模式下输入输出关系
负载电压平均值：
ton ton Uo E E DE ton toff T
ton——V导通的时间 toff——V关断的时间 D--导通占空比
斩波电路三种调制方式

T不变，变ton —脉冲宽 度调制（PWM）； ton不变，变T —频率调 制(PFM)；

负载电流平均值：

ton和T都可调，改变占空 比—混合型。
耐高电压、大电流的双极结型晶体管； 20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但
目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。
2.1.4 典型全控型器件—MOSFET 电力场效应晶体管 特点 — 电压驱动型

驱动电路简单，需要的驱动功率小； 开关速度快，工作频率高；
电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW的电力电子装置

DC—DC变换，称为直流斩波； AC—DC变换，称为整流； DC—AC变换，称为逆变； AC—AC变换，称为交-交变频。
注：
电力变换电路是 由最基本的直 流斩波电路— Buck 和 Boost 电 路组合派生、 演变所形成的。
直流斩波电路（ DC Chopper ）
即DC—DC变换电路； 一般指直接将直流电变为另一固
2.1.4 典型全控型器件—IGBT 绝缘栅双极晶体管工作原理

导通
— uGE 大于开启电压 UGE(th) 时， MOSFET 内形成沟道 ， 为晶体管提供基极电流 ， IGBT导通；

关断
— 栅射极间施加反压或不加信号时， MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电 流被切断，IGBT关断。
2.1.5 其他新型电力电子器件

集成门极换流晶闸管IGCT
——20 世纪 90 年代后期出现，结合了 IGBT与GTO的优点，容量与GTO 相 当，开关速度快10倍，省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。

功率集成电路（Power Integrated Circuit——PIC）： 20世纪 80年代中后期开始，模块化趋势，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。
电力MOSFET
2.1.4 典型全控型器件—GTO，GTR 门极可关断晶闸管 —— GTO
晶闸管的一种派生器件； 可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断； GTO 的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆
瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。 由于是电流驱动，开关频率不高。
电力晶体管 —— GTR
注：
过电压保护主要采用缓冲电路。但对于高频大功率器件，采用缓 冲电路的方案解决关断过电压也存在一定的问题，因此目前并没 有很好的解决方案。
2.1.6 电力电子器件的保护 缓冲电路
缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路。
——抑制器件的过电压、du/dt、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/dt，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/dt，减小器件的开通损耗； 按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收 电路）
PWM

补偿 控制器 UR
Uo
PWM



四、闭环系统
1、建模
两种工作模式
a L Ui C R Uo iL
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
a L C
iL
R
Uo
IGBT导通时等效电路 定义开关函数
IGBT断开时等效电路
1 0
IGBT通 IGBT不通
ua U i
四、闭环系统
应用开关周期算子
ua
TS
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
一半周期导通，一半周期断开

1 TS

t TS
t
ua d
ua
TS
0.5U i
开关周期平均运算，保留原信号 的低频部分，消除开关频率分量 开关函数的扩展
U a Ui
0 1
一半周期导通，一半周期断开时
0.5
开关函数扩展后
定电压或可调电压的直流电，不 包括直流—交流—直流变换。
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
一、电路结构
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。 负载 出现 的反 电动 势
续流二极管
注：传统的用途之一是拖动直流电动机。
2.2.1 降压斩波电路—Buck电路
二、工作原理

Hale Waihona Puke Baidu
动画演示■
E
V iG
b)
c)
a) 普通型
b) 高速型
c) 高传输比型
注：目前的趋势是采用专用集成驱动电路。
2.1.6 电力电子器件的保护 过电压保护
过电压主要来自器件的开关过程

换相过电压： ——晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向 电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

关断过电压： ——全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件 两端感应出的过电压。(对于高频工作的器件，关断过电压没有很 好的解决方案)