03 第三章 电力电子技术基础.docx

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03第三章电力电子技术基础

第三章电力电子技术基础

电力电子,又称功率电子（PowerElectronics）。

它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。

电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

第一节电力电子技术概述

通常把电力电子技术分为电力电子器件制造技术和变流技术两个分支，变流技术也称为电力电子器件的应用技术，包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。

电有直流（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：

将交流电转换为直流电。

直流-交流（DC-AC）变换：

将直流电转换为交流电。

这是与整流相反的变换，也称为逆变。

当输出接电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称之为无源逆变。

交-交（AC-AC）变换，将交流电能的参数（幅值或频率）加以变换。

其中：

改变交流电压有效值称为交流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交流电，称为交-交变频。

直流-直流（DC-DC）变换，将恒定直流变成断续脉冲输出，以改变其平均值。

在有电力电子器件以前，电能转换是依靠旋转机组来实现的。

与这些旋转式的交流机组比较,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。

1957年第一只晶闸管—也称可控硅（SCR）问世后，因此,自20世纪60年代开始进入了晶闸管时代。

70年代以后，出现了通和断或开和关都能控制的全控型电力电子器件（亦称自关断型器件），如：

门极可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT/GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

控制电路经历了由分立元件到集成电路的发展阶段。

现在已有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。

微处理器和微型计算机的引入，特别是它们的位数成倍增加，运算速度不断提高，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。

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。

综上所述可以看出，微电子技术、电力电子器件和控制理论则是现代电力电子技术的发展动力。

电力电子技术的应用范围越来越广泛，主要基于电力电子技术具有如下的重要作用：

（1）优化电能使用。

通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。

例如，在节电方面，针对风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、轻工造纸、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等14个方面的调查，潜在节电总量相当于1990年全国发电量的16%，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施，一般节能效果可达10%-40%，我国已将许多装置列入节能的推广应用项目。

（2）改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。

据发达国家预测，今后将有95%的电能要经电力电子技术处理后再使用，即工业和民用的各种机电设备中，有95%与电力电子产业有关，特别是，电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。

（3）电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。

实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小几倍、几十倍，响应速度达到高速化，并能适应任何基准信号，实现无噪音且具有全新的功能和用途。

（4）电力电子智能化的进展，在一定程度上将信息处理与功率处理合一，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。

有人甚至提出，电子学的下一项革命将发生在以工业设备和电网为对象的电子技术应用领域，电力电子技术将把人们带到第二次电子革命的边缘。

第二节电力电子器件

电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指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。

主电路是指在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。

广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。

由于电力电子器件直接用于处理电能的主电路，因而同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征如下：

◆所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，目前最大可至兆瓦级，一般都远大于处理信息的电子器件。

◆为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。

◆由信息电子电路来控制,而且需要驱动电路。

◆自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。

电力电子器件的功率损耗包括通态损耗、断态损耗和开关损耗，而开关损耗又包含开通损耗和关断损耗。

通常来讲，除一些特殊的器件外，电力电子器件的断态漏电流都极其微小，因而通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要原因。

当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

一、电力电子元件的分类

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类：

1）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，这类器件主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

2）通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，由于与半控型器件相比，可以由控制信号控制其关断，因此又称为自关断器件。

这类器件品种很多，目前最常用的是绝缘栅双极晶体管（1nsulated—GateBipolarTransistor，IGBT）和电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）。

3）也有不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路，这就是电力二极管（PowerDiode），又被称为不可控器件。

这种器件只有两个端子，其基本特性与信息电子电路中的二极管一样，器件的导通和关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件（电力二极管除外）分为电流驱动型和电压驱动型两类。

如果是通过从控制端注人或者抽出电流来实现导通或者关断的控制，这类电力电子器件被称为电流驱动型电力电子器件，或者电流控制型电力电子器件。

如果是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，这类电力电子器件则被称为电压驱动型电力电子器件，或者电压控制型电力电子器件。

由于电压驱动型器件实际上是通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态的，所以电压驱动型器件又被称为场控器件，或者场效应器件。

根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间有效信号的波形，又可将电力电子器件（电力二极管除外）分为脉冲触发型和电平控制型两类。

如果是通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲信号来实现器件的开通或者关断的控制，一旦已进人导通或阻断状态且主电路条件不变的情况下，器件就能够维持其导通或阻断状态，而不必通过继续施加控制端信号采维持其状态，这类电力电子器件被称为脉冲触发型电力电子器件。

如果必须通过持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并维持在导通状态，或者关断并维持在阻断状态，这类电力电子器件则被称为电平控制型电力电子器件。

二、电力二极管的基本特性和主要参数

电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器（SemiconductorRectifier，SR），并已开始逐步取代汞弧整流器。

虽然是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。

在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。

电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础的。

电力二极管实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，图2—2示出了电力二极管的外形、基本结构和电气图形符号。

从外形上看，电力二极管可以有螺栓形、平板形等多种封装。

电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a）外形b）基本结构c）电气图形符号

1，电力二极管的静态特性

静态特性主要是指其伏安特性，如图所示，二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门坎电压（

正向电压大到一定值UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

当外加电压小于门坎电压时，正向电流几乎为零。

硅二极管的门坎电压约为0.5V，与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。

当承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流，电流值是很小的。

但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。

2．动态特性

因为结电容的存在，电力二极管在零偏置（外加电压为零）、正向偏置和反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。

在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压—电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。

这个概念虽然由电力二极管引出，但可以推广至其他各种电力电子器件。

图2—6a给出了电力二极管由正向偏置转换为反向偏置时其动态过程的波形。

当原处于正向导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管并不能立即关断，而是需经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。

这是因为正向导通时在PN结两侧储存的大量少子需要被清除掉以达到反向偏置稳态的缘故。

设tF时刻外加电压突然由正向变为反向，正向电流在此反向电压作用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决定，而管压降由于电导调制效应基本变化不大，直至正向电流降为零的时刻t0。

此时电力二极管由于在PN结两侧（特别是多掺杂N区）储存有大量少子的缘故而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出电力二极管，因而流过较大的反向电流。

当空间电荷区附近的储存少子即将被抽尽时，管压降变为负极性，于是开始抽取离空间电荷区较远的浓度较低的少子。

因而在管压降极性改变后不久的t，时刻，反向电流从其最大值IRP开始下降，空间电荷区开始迅速展宽，电力二极管开始重新恢复对反向电压的阻断能力。

在t，时刻以后，由于反向电流迅速下降，在外电路电感的作用下会在电力二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲UBP。

在电流变化率接近于零的t2时刻（有的标准定为电流降至25％IRP的时刻），电力二极管两端承受的反向电压才降至外加电压的大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。

时间td=tl—t0被称为延迟时间，tf=t2-t1，被称为电流下降时间，而时间trr=td+tf则被称为电力二极管的反向恢复时间。

其下降时间与延迟时间的比值tf／td被称为恢复特性的软度，或者恢复系数，用Sr表示。

Sr越大则恢复特性越软，实际上就是反向电流下降时间相对较长，因而在同样的外电路条件下造成的反向电压过冲UnP较小。

图2—6b给出了电力二极管由零偏置转换为正向偏置时其动态过程的波形。

可以看出，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会先出现一个过冲UPP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）o这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。

出现电压过冲的原因是：

1）电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大。

2）正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。

电流上升率越大，Uw越高。

当电力二极管由反向偏置转换为正向偏置时，除上述时间外，势垒电容电荷的调整也需要更多时间来完成。

3．电力二极管的主要参数

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。

1）．正向平均电流IF（AV）

指电力二极管长期运行时，在规定的环境温度为+40℃和散热条件下工作时，在指定的管壳温度（简称壳温，用Tc表示），其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

其正向导通流过额定电流时的电压降UFR一般为1～2V。

IF（AV）是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。

2）．正向压降UF

指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

3）．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。

使用时，应当留有两倍的裕量。

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。

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。

4．电力二极管的主要类型

按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。

1）普通二极管（GeneralPurposeDiode）：

又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

其反向恢复时间较长，一般在5s以上。

其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。

2）快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）：

恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。

从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。

前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。

3）肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）：

属于多子器件，其优点在于：

反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。

而弱点在于：

当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

三、晶闸管的基本特性和主要参数

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。

从1956年美国贝尔实验室（BellLaboratories）发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（GeneralElectric）开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。

由于其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。

目前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。

1.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。

常见晶闸管的外形有两种：

螺栓型和平板型。

图2-7晶闸管的外形、结构和电气图形符号

a）外形b）结构c）电气图形符号

晶闸管的结构和等效电路如图1-4所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。

2.晶闸管的工作原理

IG↑→Ib2↑→IC2（Ib1）↑→IC1↑

按照晶体管工作原理，可列出如下方程：

式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。

图2-8晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

a）双晶体管模型b）工作原理

由以上式（2-1）~（2-4）可得

在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。

由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。

如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。

由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。

晶体管的特性是：

（1）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。

（2）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。

（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。

除门极触发外其他几种可能导通的情况

◆阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应

◆阳极电压上升率du/dt过高

◆结温较高

◆光触发

■这些情况除了光触发由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。

只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

3．晶闸管的基本特性

静态特性

正常工作时的特性

当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。

若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。

晶闸管的伏安特性

正向特性

当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。

如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。

随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。

如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。

图2-9晶闸管的伏安特性

IG2>IG1>IG

反向特性

其伏安特性类似二极管的反向特性。

晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。

当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。

动态特性，也称开关特性

开通过程

由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。

延迟时间td（0.5~1.5s），上升时间tr（0.5~3s），开通时间tgt=td+tr。

延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。

提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。

关断过程

由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。

反向阻断恢复时间trr，正向阻断恢复时间tgr，关断时间tq=trr+tgr。

关断时间约几百微秒。

在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。

2.晶闸管的主要参数

1）电压定额

断态重复峰值电压UDRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

反向重复峰值电压URRM

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

通态（峰值）电压UT

——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

使用注意：

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。

选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。

2）电流定额

通态平均电流IT（AV）

——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

标称其额定电流的参数。

——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。

流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取（1.5～2）倍的安全裕量

维持电流IH

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。

擎住电流IL

——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。

对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。

浪涌电流ITSM

——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

门极触发电流IGT

在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。

门极触发电压UGT

对应于门极触发电流时的门极触发电压。

触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM和UGFM。

3）动态参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：

断态电压临界上升率du/dt

——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

通态电流临界上升率di/dt

——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。

五、晶闸管的门极驱动电路和缓冲电路

1.晶闸管的门极驱动电路

（1）晶闸管对触发电路的基本要求

④晶闸管对触发电路的基本要求是：

①触发信号可以是交流、直流或脉冲，为了减小门极的损耗，触发信号常采用脉冲形

式。

②触发脉冲应有足够的功率。

触发电压和触发电流应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。

③触发脉冲应有足够的宽度和陡度。

触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在脉冲消失前能达到擎住电流，使晶闸管导通，这是最小的允许宽度。

一般触发脉冲前沿陡度大于10V/µs或800mA/µs

④触发脉冲的移相范围应能满足变换器的要求。

例如，三相半波整流电路，在电阻性负载时，要求移相范围为150°；而三相桥式全控整流电路，电阻负载时移相范围为120°。

（2）触发电路的型式

触发电路可分为模拟式和数字式两种，阻容移相桥、单结晶体管触发电路、锯齿波移相电路和正弦波移相电路均属于模拟式触发电路；而用数字逻辑电路乃至于微处理器控制的移相电路则属于数字式触发电路。

2、晶闸管的保护

（1）晶闸管的缓冲电路

常采用在晶闸管的阴阳极并联RC缓冲器，用来防止晶闸管两端过大的du/dt造成晶闸管的误触发，其中电阻R也能