現(xiàn)代電力電子技術第1章(Introduction4h)

現(xiàn)代電力電子技術第1章(Introduction4h)第一頁，共73頁。參考文獻☆陳堅、康勇，《電力電子學-電力電子變換和控制技術》

第三版，高等教育出版社，2011.6.1☆張淼，馮垛生.《現(xiàn)代電力電子技術與應用》

中國電力出版社，2011.2☆李宏，王崇武．

《現(xiàn)代電力電子技術基礎》

機械工業(yè)出版社，2010.2☆楊士彥、王明彥等.《現(xiàn)代電力電子技術》教案

哈爾濱工業(yè)大學，2006.3第二頁，共73頁。主要內容

DC-DC（AC）變換器

AC-DC（AC）變換器

PWM整流與逆變技術緩沖電路與諧振變換器零轉換器與軟開關技術風力發(fā)電報告第三頁，共73頁。第1章緒論§1.1電力電子器件發(fā)展歷程

傳統(tǒng)電力電子器件介紹

現(xiàn)代電力電子器件介紹§1.2

現(xiàn)代電力電子技術基礎現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程現(xiàn)代電力電子技術研究內容第四頁，共73頁。第1章緒論電子技術模擬電子技術數字電子技術信息電子技術信息處理技術電力電子技術電能變換技術電力器件制造技術變流電路控制技術變換電路拓撲結構AC-DC，DC-ACDC-DC，AC-AC相位控制周波控制調制控制不控型器件半控型器件全控型器件第五頁，共73頁。§1.1電力電子器件發(fā)展歷程20世紀初電子管20世紀90年代IGBT20世紀70年代GTO，GTR，MOS20世紀50年代SCR現(xiàn)代電力電子技術逆變技術發(fā)展電力電子技術誕生整流技術發(fā)展電子技術誕生21世紀廣泛應用時代第六頁，共73頁?？煽匦?/p>

不可控器件,半控型器件,全控型器件控制端口信號性質

電流驅動型,電壓驅動型內部導電載流子

單極型,雙極型,混合型1傳統(tǒng)電力電子器件介紹第七頁，共73頁。1.功率整流管又稱為電力二極管,屬于不可控器件。AK圖1.外形結構圖2.外形結構與符號1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---功率整流管第八頁，共73頁。2.靜態(tài)特性與動態(tài)特性圖4.動態(tài)特性（關斷）動態(tài)特性（開通）圖3.靜態(tài)特性1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---功率整流管第九頁，共73頁。反向重復峰值電壓URRM重復施加反向峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓的2/3。3.主要參數正向平均電流IF(AV)在指定殼溫和散熱條件下長期運行時，允許流過最大工頻正弦半波電流平均值，這也是標稱額定電流參數。正向壓降UF

在指定溫度下，流過指定穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---功率整流管第十頁，共73頁。最高工作結溫TJM指管芯PN結在不損壞前提下承受最高平均溫度，通常在125-175℃范圍內。反向恢復時間trr關斷時正向電流降為零到完全恢復對反向電壓阻斷能力時間。浪涌（Surge）電流IFSM指電力二極管承受最大連續(xù)一個或幾個工頻周期過電流。1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---功率整流管第十一頁，共73頁。肖特基二極管反向恢復時間很短（10-40nS），開關損耗和正向導通損耗比快速二極管小,用于200V以下場合。4.主要類型普通二極管又稱整流二極管，用于開關頻率不高（1kHz以下）整流電路中。反向恢復時間較長，在5S以上，正向電流定額和反向電壓定額分別可達數千安和數千伏以上?？旎謴投O管簡稱快速二極管，反向恢復過程很短,在5S以下.快恢復外延二極管反向恢復時間更短（低于50nS），正向壓降低（0.9V左右），反向耐壓400V以下。1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---功率整流管第十二頁，共73頁。1.外型與電路符號圖5.外型與電路符號1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十三頁，共73頁。2.伏安特性圖6.靜態(tài)伏安特性圖7.動態(tài)伏安特性(開關過程)1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十四頁，共73頁。3.主要參數斷態(tài)重復峰值電壓；反向重復峰值電壓；通態(tài)(峰值)電壓；通態(tài)峰值電流；維持電流；擎住電流；浪涌電流；開通時間；關斷時間；斷態(tài)電壓臨界上升率；通態(tài)電流臨界上升率。1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十五頁，共73頁。4.主要派生器件

(1)快速晶閘管FST

包括快速晶閘管和高頻晶閘管，分別應用于400Hz和10kHZ以上斬波或逆變電路；開關時間及du/dt和di/dt耐量明顯改善：關斷時間（普通晶閘管數百微秒，快速晶閘管數十微秒，高頻晶閘管10微秒）；與普通晶閘管相比，高頻晶閘管電壓和電流定額不高；工作頻率較高，選擇快速晶閘管和高頻晶閘管通態(tài)平均電流時，不能忽略其開關損耗發(fā)熱效應。1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十六頁，共73頁。(2)雙向晶閘管TRIAC一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成；主電極的正反兩方向均可觸發(fā)導通。圖8.雙向晶閘管符號和伏安特性1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十七頁，共73頁。(3)逆導晶閘管RCT

同一管芯：晶閘管反并聯(lián)一個二極管；沒有承受反向電壓能力，用于不需要阻斷反向電壓電路；正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結溫高；額定電流有兩個：晶閘管電流和反并聯(lián)的二極管的電流。圖9.逆導晶閘管符號和伏安特性1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十八頁，共73頁。(4)光控晶閘管LTT

利用一定波長的光照信號觸發(fā)導通；光纜裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導體激光器；保證主控電路的絕緣，避免電磁干擾影響；高壓大功率場合，如HVDC輸電和HV核聚變裝置占重要地位。圖10.光控晶閘管符號和伏安特性1.1傳統(tǒng)電力電子器件介紹---普通晶閘管第十九頁，共73頁。圖11.發(fā)展趨勢（高電壓、大電流、低損耗、高開關頻率）1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹第二十頁，共73頁。1.GTR基本結構和特性三層半導體材料,兩個PN結；PNP和NPN型，常用NPN型；三重擴散結構；可靠性高，改善器件的二次擊穿特性，易于提高耐壓能力，并且易于耗散內部熱量。圖12.GTR結構和符號1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十一頁，共73頁。2．達林頓GTR電流增益低給驅動電路造成負擔，達林頓結構是提高電流增益的有效方式；達林頓結構由兩個或多個晶體管復合而成，可以是PNP型或NPN型，其性質由驅動管決定；達林頓GTR電流增益可為幾十至幾千倍；圖13.達林頓GTR符號1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十二頁，共73頁。達林頓GTR開關速度慢，因為無論是開通或關斷，總是先要驅動管動作，而后輸出管才動作，開關時間長；為加快V2管開關速度，必須使V2與V1同時動作。加入二極管VD1，當輸入信號反向關斷晶體管時，輸入反向驅動信號經VD1加到V2基極，VD1提供反向IB2通路，加速V2關斷過程。1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR達林頓連接提高了電流增益，增加了飽和壓降；第二十三頁，共73頁。3.GTR模塊將GTR管芯、穩(wěn)定電阻、加速二極管及續(xù)流二極管等組裝成一個單元，根據不同用途將幾個單元組裝在一個模塊上。大大提高器件集成度，使其小型輕量，性價比大大提高。目前GTR模塊可將多達6個互相絕緣單元電路做在同一模塊內，可很方便地組成三相橋。圖14.GTR模塊等效電路1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十四頁，共73頁。4.靜態(tài)特性與參數 共射極電路輸出特性是指集電結電壓一電流特性，分4個區(qū)域：阻斷區(qū)、線性區(qū)、準飽和區(qū)和飽和區(qū)。圖15.GTR靜態(tài)特性1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十五頁，共73頁。阻斷區(qū)又稱截止區(qū)，類似開關處于斷態(tài)，該區(qū)基極電流為零，GTR承受高壓而僅有極小漏電流存在。發(fā)射結和集電結處于反偏狀態(tài)。圖16.GTR靜態(tài)特性阻斷區(qū)1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十六頁，共73頁。線性區(qū)又稱放大區(qū)，該區(qū)域集電極電流與基極電流間呈線性關系，特性曲線近似平直。集電結處于反偏而發(fā)射結改為正偏狀態(tài)，應當盡量避免工作于線性區(qū)，否則功耗很大。圖17.GTR靜態(tài)特性線性區(qū)1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十七頁，共73頁。準飽和區(qū)指線性區(qū)與飽和區(qū)間區(qū)域，特性曲線明顯彎曲，該區(qū)域隨基極電流增加出現(xiàn)基區(qū)寬度調制效應，電流增益開始下降，集電極電流與基極電流間不再呈線性關系，仍保持集電結反偏、發(fā)射結正偏。圖18.GTR靜態(tài)特性準飽和區(qū)1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十八頁，共73頁。飽和區(qū)特征類似開關處于接通情況，該區(qū)域基極電流變化時集電極電流不隨變化，電流增益與導通電壓均很小。GTR發(fā)射結和集電結處于正偏狀態(tài)。圖19.GTR靜態(tài)特性飽和區(qū)1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第二十九頁，共73頁。2.GTR動態(tài)特性與參數GTR常工作于開關狀態(tài)，用導通、截止、開通、關斷表示。導通和截止表示GTR接通和斷開兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)，開通和關斷表示GTR由斷到通或由通到斷動態(tài)工作狀況。1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十頁，共73頁。PN結承受正偏時表現(xiàn)為兩個電容：勢壘電容和擴散電容；PN結承受反偏時只表現(xiàn)為勢壘電容；穩(wěn)態(tài)時，這些電容對GTR特性無影響；瞬態(tài)時，因電容充放電作用影響GTR開關特性。為降低導通時功率損耗，常采用過驅動方法，使基區(qū)積累大量過剩載流子，關斷時這些過剩載流子的消散嚴重影響關斷時間。1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十一頁，共73頁。工作過程分為開通過程，導通狀態(tài)，關斷過程和阻斷狀態(tài)4個階段。在開通與關斷狀態(tài)轉換過程中，GTR工作點盡量避開或盡快通過其伏安特性線性工作區(qū)，以減小功耗。開通時間ton對應GTR由截止到飽和的開通過程，關斷時間toff對應GTR由飽和到截止的關斷過程。圖20.GTR開通關斷過程1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十二頁，共73頁。

開通時間ton，包括延遲時間td和上升時間tr。

關斷時間toff，包括存儲時間ts和下降時間tf。1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十三頁，共73頁。

延遲時間td：從輸入基極電流正跳變瞬時開始，到集電極電流上升到最大（穩(wěn)態(tài)）值10％所需時間叫延遲時間，它相應于基極電流向發(fā)射結電容充電過程，延遲時間的大小取決于發(fā)射結勢壘電容的大小、初始正向驅動電流和上升率以及跳變前反向偏置電壓大小。圖21.GTR開通關斷過程1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十四頁，共73頁。上升時間tr：

集電極電流由穩(wěn)態(tài)值的10％上升到90％所需的時間叫做上升時間，它與過驅動系數及穩(wěn)態(tài)電流值有關，過驅動系數越大，上升時間越短；穩(wěn)態(tài)值越小，上升時間越短。圖22.GTR開通關斷過程1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十五頁，共73頁。

存儲時間tS：從撤消正向驅動信號到集電極電流下降到最大（穩(wěn)態(tài)）值90％所需時間為存儲時間，它隨過驅動系數增加而增加，隨反向驅動電流增加而減小。存貯時間對應過剩載流子從體內抽走過程，想降低tS應使GTR工作于準飽和區(qū)。圖23.GTR開通關斷過程1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率晶體管GTR第三十六頁，共73頁。下降時間tf：集電極電流由其最大值90％下降到10％所需的時間稱為下降時間，它主要取決于結電容和正向集電極電流。一般開通時間為納秒級，比關斷時間小得多，手冊一般不給出該參數。關斷時間數值都在微秒數量級。為縮短關斷時間可采取以下措施：選擇電流增益小的器件，防止深飽和，增加反向驅動電流。圖24.GTR開通關斷過程1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率場效應晶體管GTR第三十七頁，共73頁。1.MOSFET內部結構與電路符號

D:漏極；S:源極；G:柵極圖25.MOSFET內部結構與電路符號1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率場效應晶體管MOSFET第三十八頁，共73頁。2.開關過程圖26.MOSFET開關過程1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---功率場效應晶體管MOSFET第三十九頁，共73頁。1.結構四層結構：PNPN；三端器件：A-陽極，G-門極，K-陰極；多元集成：多個共陽極的GTO元。圖27.GTO內部結構與電路符號1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---可關斷晶閘管GTO第四十頁，共73頁。2.GTO開通原理正向陽極電壓+正向門極電壓-- IG↑→IC2↑→IA↑→IC1↑

↑_____________↓圖28.GTO開通原理1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---可關斷晶閘管GTO第四十一頁，共73頁。3.GTO關斷原理GTO導通時，電流增益1遠小于2，兩者之和稍大于1，T1集電極電流占總陽極電流比例很小。設法抽走該電流，即可關斷GTO；門極負偏壓使T2基極電流減小，集電極電流隨之減小，引起T1集電極電流下降，導致T2基極電流進一步下降，如此循環(huán)，使GTO關斷。圖29a)GTO關斷電路及電流波形1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---可關斷晶閘管GTO第四十二頁，共73頁。4.緩沖電路結構圖29b)GTO斬波器1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---可關斷晶閘管GTO第四十三頁，共73頁。5.理想的門極控制信號波形圖30.GTO門極控制信號及推薦波形1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---可關斷晶閘管GTO第四十四頁，共73頁。1.工作原理結構:以GTR為主導元件,MOSFET為驅動元件達林頓結構；N溝道與P溝道；G-門極,C--集電極,E--發(fā)射極。圖31.IGBT內部結構和符號1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---絕緣柵雙極晶體管IGBT第四十五頁，共73頁。門極電壓控制IGBT的開通和關斷；門極施以正電壓,MOSFET內形成溝道,并為PNP晶體管提供基極電流,使IGBT導通；門極施以負電壓,MOSFET內溝道消失,PNP晶體管基極電流被切斷,IGBT即為關斷。1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---絕緣柵雙極晶體管IGBT第四十六頁，共73頁。圖32.IGBT封裝結構和電路原理圖1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---絕緣柵雙極晶體管IGBT第四十七頁，共73頁。2.驅動條件圖33.IGBT通態(tài)電壓與門極電壓關系曲線1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---絕緣柵雙極晶體管IGBT第四十八頁，共73頁。3.應用舉例圖34.IGBT通態(tài)電壓與門極電壓關系曲線1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---絕緣柵雙極晶體管IGBT第四十九頁，共73頁。4.驅動波形圖35.IGBT驅動波形1.2現(xiàn)代電力電子器件介紹---絕緣柵雙極晶體管IGBT第五十頁，共73頁?，F(xiàn)代電力電子變換技術相控整流技術交交變頻技術斬波技術逆變技術同步整流技術多電平，SVPWM技術PWM整流技術矩陣變換技術§1.2現(xiàn)代電力電子技術基礎第五十一頁，共73頁。電力電子技術---利用電力電子器件對電能進行(二次)控制與轉換的技術。◆技術內容：器件、變換電路控制策略?！艏夹g定位：電力、電子和控制三大電氣工程技術領域之間的交叉、綜合性學科。◆技術目的：節(jié)能，降低損耗，提高生產效率。現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---內容、目的、定位2.1第五十二頁，共73頁。半導體固態(tài)電子學:

1947年晶體管誕生；1956年晶閘管問世。①微電子技術----信息處理特點：集成規(guī)模、功能②電力電子技術---電能控制與轉換特點：器件，功率、性能提高兩個方向器件是改朝換代的領袖，是電路拓撲結構發(fā)展的基礎?，F(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---兩個方向2.1第五十三頁，共73頁。兩個階段①傳統(tǒng)階段（57~80）：SCR家族，應用電路相當成熟。

快速KK、逆導RCT、雙向TRIAC、不對稱ASCR等。

②現(xiàn)代階段（80~）：全控家族，電路拓撲結構發(fā)展迅速。

可關斷晶閘管GTO、功率晶體管GTR(BJT)

功率場效應管MOSFET、絕緣柵極晶體管IGBT(IGCT)

靜電感應晶體管SIT、靜電感應晶閘管SITH

場控晶閘管MCT等。全控器件→電路拓撲結構發(fā)展→30kHz現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---兩個階段2.1第五十四頁，共73頁。電子技術的發(fā)展依賴于電子器件的發(fā)展；電子器件的發(fā)展方向：大容量化、高頻化、集成化、智能化?，F(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---電子器件發(fā)展方向2.1第五十五頁，共73頁。電力技術的發(fā)展依賴于發(fā)電機、變壓器、電動機和配電系統(tǒng)的電子電路；電子電路的發(fā)展方向：形式弱電化、速度高頻化、動作軟開關化?，F(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---電子電路發(fā)展方向2.1第五十六頁，共73頁。電力電子變換技術由電氣、控制和計算機學科綜合成一個交叉學科；控制技術的發(fā)展方向：控制信號數字化、控制過程智能化?，F(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---控制技術發(fā)展方向2.1第五十七頁，共73頁。相關課程1、電力電子器件的建模與仿真2、諧振變換技術3、開關電源的原理與設計課程特點1、強調基礎2、注重實踐應用領域1、開關型電力電子變換電源2、開關型電力電子補償控制器現(xiàn)代電力電子技術發(fā)展過程---課程特點2.1第五十八頁，共73頁。1、線性晶體管串聯(lián)式穩(wěn)壓電源☆電壓調節(jié)范圍小☆損耗大、效率低☆工頻變壓器大★有電磁隔離圖37.線性晶體管串聯(lián)式穩(wěn)壓電源現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第五十九頁，共73頁。2、斬波式穩(wěn)壓電源（無濾波）★無變壓器★電壓調節(jié)范圍大★損耗小、效率高☆無電磁隔離☆輸出脈動大、電壓尖峰圖38.斬波式穩(wěn)壓電源（無濾波）現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第六十頁，共73頁。3、斬波式穩(wěn)壓電源（LC濾波）★無變壓器★電壓調節(jié)范圍大★損耗小、效率高☆無電磁隔離☆輸出脈動小圖39.斬波式穩(wěn)壓電源（LC濾波）現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第六十一頁，共73頁。4、半橋斬波式穩(wěn)壓電源（高頻隔離）電力電子技術：分解→重新整合U≈4.44fsNBmS圖40.半橋斬波式穩(wěn)壓電源（高頻隔離）現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第六十二頁，共73頁。5、工業(yè)加熱電源利用渦流熱效應進行加熱--感應加熱；IGBT逆變器可在幾十kHZ頻段,特別適用于中頻感應加熱；高頻斬波使濾波器尺寸?。粶手C振工作狀態(tài)。圖41.并聯(lián)諧振電源主電路現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第六十三頁，共73頁。6、逆變弧焊電源IGBT逆變器工作頻率為30kHZ電弧燃燒時,采用恒流控制IC:電流門限電壓檢測過流保護圖42.IGBT逆變弧焊電源現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第六十四頁，共73頁。7、不間斷電源逆變器交流側濾波由變壓器漏感和交流電容組成；采用測量參數控制濾波器輸出電壓和輸出電流。圖43.IGBT不間斷電源現(xiàn)代電力電子技術研究內容---應用實例2.2第六十五頁，共73頁?，F(xiàn)代電力電