【正文】 （第 2~4章 全書的主體 ) 第三部分： PWM控制技術(shù) （第 5章） 第四部分：電力電子應(yīng)用（拓展） （第 6~9兩章） 第 1章 電力電子器件 電力電子器件概述 電力二極管 晶閘管 及其派生器件 門極可關(guān)斷晶閘管 電力晶體管 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 絕緣柵雙極性晶體管 其他新型電力電子器件 本章小結(jié) 電力電子器件概述 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的基本類型 電力電子器件的 模塊化與集成化 電力電子器件的 應(yīng)用領(lǐng)域 電力電子器件的概念和特征 主電路（ Power Circuit） 在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路。降低電力電子器件的開關(guān)損耗、抑制電磁干擾。治理：補(bǔ)償無功功率、抑制諧波。盡管功率較小，重要發(fā)展方向。緒 論 1. 什么是電力電子技術(shù) 2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 3. 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 4. 本課程的主要內(nèi)容 1. 什么是電力電子技術(shù) 概念 兩大分支 與其他學(xué)科的關(guān)系 概念 數(shù)字電子 技術(shù) 模擬電子 技術(shù) 電力電子 技術(shù) 信息電子 技術(shù) 電子技術(shù) 信息電子技術(shù)：信息處理 電力電子技術(shù)：電力變換 電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，也就是使用電力電子器件，應(yīng)用電路理論、控制理論對(duì)電能進(jìn)行變換、控制的技術(shù)。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧。 常用：晶閘管相控整流電路，消耗無功功率、產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)。 軟開關(guān)電路。 控制技術(shù)的發(fā)展 20世紀(jì) 80年代后期 高性能單片微機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用于電力電子電路控制。 1）電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的 參數(shù)。信息電子電路是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。 AKAKa )IKAP NJb )c )圖 12 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣 圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào) PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕撼惺苷螂妷簩?dǎo)通，承受反向電壓截止 PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) PN結(jié)在正向電流很大時(shí)壓降仍然很低，維持在 1V左右，所以正向偏臵的 PN結(jié)表現(xiàn)為低阻狀態(tài) 。 正向電壓升高至 UTO，正向電流明顯增加。 零偏臵 正向 偏臵 反向 偏臵 過渡過程中，其電壓 — 電流關(guān)系隨時(shí)間而變化 電力二極管的動(dòng)態(tài)狀態(tài) 反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程的開關(guān)特性 電力二極管的關(guān)斷 在 tF時(shí)刻外加電壓突然反向。 影響二極管開關(guān)速度的主要因素是 反向恢復(fù)時(shí)間。 電力二極管的主要參數(shù) 浪涌電流 最高工作結(jié)溫 反向恢復(fù)時(shí)間 反向重復(fù)峰值電壓 URRM 對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。s以上 正向電流定額和 反向電壓定額很 高，分別可達(dá)數(shù) 千安和數(shù)千伏以上 快恢復(fù)二極管 恢復(fù)過程很短，特別是反向恢復(fù)過程很短（ 5181。 晶閘管及其派生器件 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 晶閘管的派生器件 P1 N1 P2 N2 J1 J2 J3 A G K A K G 圖 16 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a)外形 b)結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號(hào) a) c) b) A G K G K A 晶閘管屬于電流驅(qū)動(dòng)、雙極型、半控型器件，可等效為可控的單向?qū)щ婇_關(guān)。由式（ 11） ~式（ 14）得： )(1 21212aaIIIaI C B OC B OGA ????? (15) 晶體管的特性是： 在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， ? 迅速增大。 IA實(shí)際由外電路決定。 即使去除門極觸發(fā)信號(hào) ， 仍然維持導(dǎo)通 。 導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。 0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S MILUR B 晶閘管上施加反向電壓時(shí) ，伏安特性類似二極管的反向特性 。 重復(fù)電壓是指晶閘管在開通和關(guān)斷的過渡過程中，可重復(fù)經(jīng)受的 最大瞬時(shí)電壓。額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的 2～ 3倍。 晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義。 維持電流 IH 晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 IL是晶閘管的臨界開通電流，若陽極電流 IA未達(dá)到 IL時(shí)就去掉門 極信號(hào)，晶閘管將自動(dòng)返回阻斷狀態(tài)。 關(guān)斷特性：已導(dǎo)通的晶閘管在施加反向電壓時(shí)的關(guān)斷情況 ?；謴?fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。 過大，誤導(dǎo)通 通態(tài)電流臨界上升率 di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。 為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要，在晶閘管基礎(chǔ)之上研制成功門極可關(guān)斷晶閘管， GTO。 N 1P1 P 2AKGN2N2N2GTO導(dǎo)通過程與普通晶 閘管相同， 如何？ 只是 導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺、 臨界飽和狀態(tài)。 關(guān)斷過程則與晶閘管有所不同，可用 3個(gè)不同的時(shí)間來表示，即存儲(chǔ)時(shí)間 ts、下降時(shí)間 tf及尾部時(shí)間 tt Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6. GTO的動(dòng)態(tài)特性 存儲(chǔ)時(shí)間 ts 從關(guān)斷過程開始到陽極電流下降到 90%IA為止的時(shí)間間隔。 Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6. GTO的動(dòng)態(tài)特性 尾部時(shí)間 tt 陽極電流從 10%IA起減小到維持電流為止的時(shí)間間隔。由門極可靠關(guān)斷為決定條件的最大陽極電流稱為最大可關(guān)斷陽極電流 電流關(guān)斷增益 ?off 最大可關(guān)斷陽極電流與門極負(fù)脈沖電流最大值 IGM之比。 電力晶體管 ?P ?P?NP 基區(qū) N 漂移區(qū) ?N 襯底 集電極 c 基極 b 發(fā)射極 e 基極 b c b e ? 與普通的晶體管基本原理相同。 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種單極型電壓控制器件，通過柵極電壓來控制漏極電流。如在柵源極間加正電壓 UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過。 絕緣柵雙極晶體管 IGBT 顯著優(yōu)點(diǎn)： 它將 MOSFET 和 GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功率小、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好 。 IGBT的開通與關(guān)斷由柵極電壓控制。 0放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)ICUCEU TUGE增加U GE 1UGE 2U GE 3擊穿區(qū)當(dāng) UGEUT時(shí)， IGBT處于放大區(qū)。 ICUTUGEO當(dāng) UGE小于開啟電壓時(shí)， IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng) UGE大于開啟電壓時(shí)， IGBT 開通，導(dǎo)通后， IC 與 UGE 基本呈線性關(guān)系。集射電壓 uCE建立，功耗較大 開通 tfv2 主要參數(shù) ? 集射極擊穿電壓 UCES 決定器件的最高工作電壓，由內(nèi)部的 PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。集電極連續(xù)電流 IC主要受結(jié)溫限制。 ?掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)） ?IGBT內(nèi)部存在寄生晶閘管，若集電極電流過大 或duCE/dt過大 ，寄生晶閘管將開通，柵極就失去對(duì)集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件損壞。 因此 IGBT所允許的最大集電極電流實(shí)際上根據(jù)動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)確定。 第 2章 相控整流電路 第 2章 相控整流電路 整流電路： 出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的電力電子電路。 特點(diǎn)： 電壓與電流波形相同 單相半波可控整流電路 工作過程 TV TR0a )u1u2uV Tudid? t1?2 ?? t? t? t? tu2uguduV T??0b )c )d )e )001) 0ωtα區(qū)域 2)ωt=α?xí)r刻 3)ωt=π時(shí)刻 重要概念 觸發(fā)延遲角 從晶閘管開始承受正向陽極電 壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度 ,用 a 表示 ,也稱觸 發(fā)角或控制角 。 π 2221 π s in 2( 2 s in ) d ( )2 π 2 π 4 πU U t t U????? ?? ? ??d 2d1 c o s0 .4 52U UIRR??? ? ?2242s i n2IIRURUI VT ???????????晶閘管在工作中可能承受的最大正、反向電壓為電源電壓的峰值 2P I R UI??2S U I?2π s in 22 π 4 πP U IS U I??? ?? ? ? ?變壓器二次側(cè)有功功率、視在功率、功率因數(shù) λ是 α的函數(shù)， α越大，功率因數(shù)越低。 22 )( LRZ ???RL?? a rc t a n?tURitiL ?s i n2dd 2dd ??當(dāng) VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立： 當(dāng) ωt =θ+ a 時(shí)， id = 0 θπα 工作過程 1) 0ωtα區(qū)域 2)ωt=α?xí)r刻 id=0 3)αωtα+θ區(qū)域 a )u1TV TRLu2uV Tudidu20 ? t1?2 ?? t? t? t? t? tug0ud0id0uV T0??b )c )d )e )f )+ +電感元件的一個(gè)重要特性：在穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端的電壓平均值恒等于零。 此時(shí)為負(fù)的 u2通過VDR向 VT施加反壓使其關(guān)斷 ， L儲(chǔ)存的能量保證了電流 id在 LRVDR回路中流通 ，此過程通常稱為 續(xù)流 。 當(dāng) u2進(jìn)入負(fù)半周時(shí) VD導(dǎo)通 ， 負(fù)載電流通過 VD繼續(xù)流通 ， 負(fù)載上的電壓箝位在零電位 ， ud中負(fù)電壓消失 ， 使輸出平均電壓 Ud得以提高 。 在整流電路中 ， 電感 L大而儲(chǔ)能大時(shí)有可能使晶閘管在整個(gè) u2負(fù)半周區(qū)域都導(dǎo)通 ， 使晶閘管不會(huì)關(guān)斷 ， 造成失控事故 。 ? 分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn) ， 建立起整流電路的基本概念 。 假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流 id連續(xù)且波形近似為一水平線。 ? ? ??? ??? ?????? c o o s22)(ds in21 222d UUttUUddT 21 II ?ddT 1 III ??晶閘管承受的最大正反向電壓均為 晶閘管導(dǎo)通角 θ與 ? 無關(guān)，均為 180?，平均值和有效值分別為： 變壓器二次側(cè)電流 i2 的波形為正負(fù)各 180?的矩形波，其相位由 ?角決定，有效值 I2 = Id 。 為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足夠的寬度， 保證當(dāng) ωt = δ 時(shí) ，晶閘管承受 正 電壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為 δ， 即 ? =δ 若 ? δ，觸發(fā)脈沖寬度足夠，相當(dāng)于 ? =δ ? 負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械特性將很軟 。 ?基本的是三相半波可控整流電路 ， 三相橋式全控整流電路 、 雙反星形可控整流電路 、 十二脈波可控整流電路等 ， 均可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析 。 假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，用 VD表示，成為三相半波不可控整流