【正文】 電力變換電路的發(fā)展 高功率因數(shù)整流電路，采用自關(guān)斷器件、 PWM控制。 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 電力電子器件的基本類型 半控型器件 全控型器件 通過(guò)控制信號(hào)可控制 其導(dǎo)通而 不 能 控制其關(guān)斷 ｛ 晶閘管 及其派生器件 關(guān) 斷 主 電 路 電 流 電 壓 通過(guò)控制信號(hào)即可控制 其導(dǎo)通又 能 控制其關(guān)斷 ｛ 絕緣柵雙極晶體管 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 門極可關(guān)斷晶閘管 自關(guān)斷器件 門極可關(guān)斷晶閘管 處理兆瓦級(jí) 大功率電能 不能 用 控制信號(hào)控制 其通斷， 不需要 驅(qū)動(dòng)電路 電力二極管 不控型器件 主 電 路 ｛ 通 斷 電 流 電 壓 只有兩個(gè)端子 2. 按照驅(qū)動(dòng)電路加在 電力電子 器件上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì) 電流驅(qū)動(dòng)型 電壓驅(qū)動(dòng)型 通 斷 單極型器件 由一種載流子參與導(dǎo)電的器件 雙極型器件 由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件 復(fù)合型器件 單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件 電力電子器件的模塊化與集成化 電力電子器件 最初是單管結(jié)構(gòu)、分立器件 電力電子設(shè)備 電力電子器件及其散熱器、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路 結(jié)構(gòu)松散、體積大、可靠性差、成本高 電力電子器件的模塊化與集成化 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、成本低 功率模塊 由若干功率開(kāi)關(guān)器件與快速二極管組合而成 單片集成式模塊 功率器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路集成于一個(gè)硅片 智能功率模塊 將具有驅(qū)動(dòng)、自保護(hù)、自診斷功能的集成芯片 再度與電力電子器件集成 表 11 電力電子器件 類 型 名稱 中文名稱 英文名稱 分立 器件 不可控器件 電力二極管 Power Diode 半控型器件 晶閘管 (可控硅 ) Thyristor (SCR) 全 控 型 器 件 電流控制器件 電力晶體管 (雙極型晶體管 ) GTR (BJT) 門極可關(guān)斷晶閘管 GTO 電壓控制器件 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 Power MOSFET 絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 場(chǎng)控晶閘管 MCT 靜電感應(yīng)晶體管 SIT 靜電感應(yīng)晶閘管 SITH 集成模塊 功率模塊 Power Module 單片集成模塊 System on a Chip 智能功率模塊 IPM 以上各種類型器件的特點(diǎn)為： 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域 電力電子器件 應(yīng)用廣泛 電力電子器件允許的開(kāi)關(guān)頻率與允許功率范圍及主要應(yīng)用領(lǐng)域 1 0 1 0 0 1 k 1 0 k 1 0 0 k 1 M1 0 01 k1 0 k1 0 0 k1 M1 0 M1 0 0 Mf / H zP / V A1 0 MGTO（機(jī)車、地鐵、SVG等）SCR（高壓直流輸電、靜止無(wú)功補(bǔ)償?shù)雀邏侯I(lǐng)域）GTR（UPS、空調(diào)、冰箱等）I G B T （ 電 機(jī) 調(diào) 速 、 逆 變 器 、變 頻 器 等 中 等 功 率 范 圍 ）M O S F E T （ 開(kāi) 關(guān) 電 源 、日 用 電 器 、 汽 車 電 子 等 ） 電力二極管 結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單工作可靠 現(xiàn)在仍大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備 電力二極管 （半導(dǎo)體整流管） 20世紀(jì) 50年代初獲得應(yīng)用 應(yīng)用 快恢復(fù)二極管 肖特基二極管 斬波、逆變 高頻低壓儀表、 開(kāi)關(guān)電源 PN結(jié)的工作原理 電力二極管在本質(zhì)上是一個(gè) PN節(jié)，只是加上電極引線、管殼封裝。 正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定值，應(yīng)留有一定的裕量。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度 ，到反向擊穿電壓后 ， 外電路如無(wú)限制措施 ， 則反向漏電流急劇增加 ， 導(dǎo)致晶閘管反向擊穿 、 損壞 。 掣住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持其導(dǎo)通所 必需的最小陽(yáng)極電流。 半控型器件， 如何關(guān)斷即換流？ 必須借助外部手段使其電流小于維持電流。 Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6關(guān)斷時(shí)間 toff=ts+tf 數(shù)個(gè)微秒 . GTO的主要參數(shù) 最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流 IATO GTO額定電流。 特性、 參數(shù)與 MOSFET類似，不再展開(kāi)討論。 tfv1 MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間 tfv2 MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降時(shí)間 只有在 tfv2段結(jié)束時(shí)， IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài) ttt10 %90 %10 %90 %u CEiC00uGEUG EMICMUCEMt fv 1 t fv 2t offtont fi 1 t fi 2t stft dtrU CE ( on )U G EMU G EMICMI CM0關(guān)斷延遲時(shí)間 ts 從驅(qū)動(dòng)電壓 uGE的后沿下降至其幅值 90%時(shí)刻開(kāi)始，到集電極電流 iC下降至其幅值的 90%所需時(shí)間 電流下降時(shí)間 tf 集電極電流 iC從其幅值 90%下降至 10%所需時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間 toff toff=ts+tf ttt10 %90 %10 %90 %u CEiC00uGEUG EMICMUCEMt fv 1 t fv 2t offtont fi 1 t fi 2t stft dtrU CE ( on )U G EMU G EMICMI CM0集電極電流 iC的下降過(guò)程分為 tfi1和 tfi2兩段。 ?反向偏臵安全工作區(qū) 規(guī)范關(guān)斷過(guò)程、斷態(tài)工作點(diǎn)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定 IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限 范圍。 d 2 R L1 1 1d ( ) d ( ) d ( )2 π 2 π 2 πU u t u t u t? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?? ? ?0L 01 d ( ) d 02 π 2 πLu t i?????? ????dRUU?負(fù)載阻抗角 ? 、 觸發(fā)角 a 、 晶閘管導(dǎo)通角 θ的關(guān)系 ?若 ?為定值 ， a 越大 ， 在 u2正半周 L儲(chǔ)能越少 ， 維持導(dǎo)電的能力就越弱 ， θ越小 ?若 ?為定值 ， ? (L) 越大 ， 則 L貯能越多 ， θ越大；且 ? 越大 ， 在 u2負(fù)半周 L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在 u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間 ， ud中負(fù)的部分越接近正的部分 ，平均值 Ud越接近零 ， 輸出的直流電流平均值也越小 。 ? VT2和 VT3組成另一對(duì)橋臂，在 u2負(fù)半周承受電壓 u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通。 ? 三個(gè)晶閘管分別接入 a、b、 c三相電源，其陰極連接在一起為 共陰極接法 。 ?這時(shí)整流電壓 ud的波形和負(fù)載電流 id的波形與電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同， ud的計(jì)算公式亦一樣。 數(shù)量關(guān)系 與電阻負(fù)載相同 ? ????? ?? ?????? 2c )c os1(22)(s i n22 1 222 UUttdUU dπ 2221 π s in 2( 2 s in ) d ( )2 π 2 π 4 πU U t t U????? ?? ? ??移相范圍是 0~π 導(dǎo)通角是 π－ a d 2d1 c o s0 .4 52U UIRR??? ? ??????42s i n22 ????RURUI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 dd V T 2 II ??? ??ddVT ItdII ??????? 2)(2 1 2 ??? ?dd VD II R ???2??若近似認(rèn)為 id為一條水平線，恒為 Id，則有 d2 2dVD 2)(21R ItdII ??????????? ? ?單相半波可控整流電路的 特點(diǎn) ? 簡(jiǎn)單 ， 但輸出脈動(dòng)大 。 a )u1TV TRLu2uV Tudidu20 ? t1?2 ?? t? t? t? t? tug0ud0id0uV T0??b )c )d )e )f )+ +2. 阻感負(fù)載 a )u1TV TRLu2uV Tudidu20 ? t1?2 ?? t? t? t? t? tug0ud0id0uV T0??b )c )d )e )f )+ +2. 阻感負(fù)載 阻感負(fù)載的特點(diǎn) 電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使流過(guò)電感的電流不發(fā)生突變。 靜態(tài)、動(dòng)態(tài)。 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，集電極電流 IC與 uCE成線性關(guān)系，不隨 uGE而變化， IGBT處于飽和區(qū)，導(dǎo)通壓降較小。 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管適用于開(kāi)關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等高頻場(chǎng)合，但不適用于大功率裝臵。 Ot0tiGiAIA9 0 % IA1 0 % IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6. GTO的動(dòng)態(tài)特性 下降時(shí)間 tf 陽(yáng)極電流從 90%IA起到下降到 10%IA為止的時(shí)間間隔。恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力。以正弦半波為例。 導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值 IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。 正向承受一定電壓，兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：高阻抗的阻斷工作狀態(tài)和低阻抗的導(dǎo)通工作狀態(tài)。 td= t1t0—— 延遲時(shí)間 tf= t2t1—— 電流下降時(shí)間 trr=td+tf—— 反向恢復(fù)時(shí)間 普通： 5～幾十微秒 快速： 幾百納秒 肖特基：幾十納秒 a) IF td trr tf IRP t1 t2 UF UR t dtdiFtF t0 dtdiRURP 在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過(guò)沖。 2）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損 耗、提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 20世紀(jì) 70年代以前，整流電路占有主導(dǎo)地位； 20世紀(jì) 80年代以后，逆變電路的應(yīng)用日益廣泛，但整流電路仍然占有重要地位。功率因數(shù)可以達(dá)到 1，基本不消耗無(wú)功功率、不產(chǎn)生諧波。 PN節(jié)的工作原理已經(jīng)在模擬電子技術(shù)課程中涉及，不再展開(kāi)討論。 正向壓降 UF 電力二極管在正向電流導(dǎo)通時(shí)二極管上的正向壓降。 開(kāi)通（門極觸發(fā)）： 注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。 0UA KIAIHIG 2IG 1IG= 0UD BUD S MUD R MUR R MUR S M