寧波大學(xué)電力電子復(fù)習(xí)

1、總復(fù)習(xí)總復(fù)習(xí) 電力電子技術(shù) School of Information Science & Engineering, Ningbo University 1 目錄 ?0 引言引言 1 電力電子器件電力電子器件 2 整流器整流器 3 斬波器斬波器 5 逆變電路逆變電路 6 PWM 技術(shù)技術(shù) 2 引言引言 電子技術(shù)電子技術(shù) 電子學(xué)電子學(xué) 電力學(xué)電力學(xué) 電子學(xué)電子學(xué)電力電力 信息電子技術(shù)信息電子技術(shù) 電力電子技術(shù)電力電子技術(shù) 連續(xù)、離散 模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù) 數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 控制控制 理論理論 電力領(lǐng)域的電子技術(shù)電力領(lǐng)域的電子技術(shù): 使用使用電力電子器件電力電子器件對電能進(jìn)行變

2、換和控制的技術(shù)，即對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。 輸入 輸出 直流 交流 交流 交流電力控制 直流 直流斬波 整流 變頻、變相 逆變 3 史前期 （黎明期） 晶閘管問世，(“ 公元元年”) 全控型器件迅速發(fā)展時期 晶體管誕生 1904 電子管問世 1930 1947 1957 1970 1980 1990 2000 t(年) 電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。 4 水銀（汞弧）整流器時代 晶閘管時代 IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代 應(yīng)用 5 1 電力電子器件電力電子器件 1） 基本概念和器件分類主要損耗 通態(tài)損耗 斷態(tài)

3、損耗 開關(guān)損耗 通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。 開通損耗 關(guān)斷損耗 器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。 不控器件：不控器件：功率二極管 半控器件半控器件：晶閘管 全控器件：全控器件：GTO,GTR,功率MOSFET,IGBT,IGCT 等 6 其他分類其他分類 電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 7 2 器件 功率二極管功率二極管 額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的

4、平均值。 IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。 換算關(guān)系：正弦半波電流正弦半波電流的有效值I和平均值I之比： F(AV)II?1.57F (AV)8 晶閘管晶閘管 正常觸發(fā)導(dǎo)通條件：正常觸發(fā)導(dǎo)通條件： UAK0 and UGK0 關(guān)斷條件關(guān)斷條件 ：使流過：使流過SCR的電流降低至維持電流以下的電流降低至維持電流以下。 AAP1N1GP2N2Ka)b)N1P2IAV1GIGSEGIc1NPNPNPIc2V2IKKREA其他觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的方法：其他觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的方法： ? 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效

5、應(yīng) ? 陽極電壓上升率du/dt過高 ? 結(jié)溫較高 ? 光觸發(fā) 9 晶閘管參數(shù) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流 IT(AV) 使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取晶閘管。 維持電流維持電流 IH 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。 擎住電流擎住電流 IL 晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常對同一晶閘管來說，通常IL約為約為IH的的24倍。倍。 浪涌電流浪涌電流ITSM 指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 du/dt(斷態(tài)電壓臨界上升率斷態(tài)電壓臨界上升率) ) di/dt(通態(tài)電流臨界上升率通態(tài)電流

6、臨界上升率) ) 10 晶閘管派生器件 GTO GTO 工作原理工作原理 GTO導(dǎo)通過程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時飽和程度較淺。 GTO關(guān)斷過程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開通過程快，承受di/dt能力強(qiáng) 。 11 GTR 一次擊穿：一次擊穿：集電極電壓升高至擊穿電壓時，Ic迅速增大,出現(xiàn)雪崩擊穿。 只要Ic不超過限度，GTR一般不會損壞，工作特性也不變。 二次擊穿：二次擊穿：一次擊穿發(fā)生時，如不能有效的限制電流，Ic突然急劇上升，電壓陡然下降。常常立即導(dǎo)致器件的永久損壞，或者工作特性明顯衰變 。 安全工作區(qū)安全工作區(qū) 最高電壓UceM、集電極最大電

7、流IcM、最大耗散功率 PcM、二次擊穿臨界線限定。 12 功率功率 MOSFET 通態(tài)電阻 Ron具有正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)，對器件并聯(lián)時的均流有利。原因是電流越大，發(fā)熱越大，通態(tài)電阻就加大，從而限制電流的加大，有利于均流。 功率功率MOSFET特點：特點： ? MOSFET的開關(guān)速度和Cin充放電有很大關(guān)系。 ?可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。 ?不存在少子儲存效應(yīng)，關(guān)斷過程非常迅速。 ?開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。 ?場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。但在開關(guān)過程中需對輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動功率。 ?開關(guān)

8、頻率越高，所需要的驅(qū)動功率越大。 13 IGBT 一個由一個由MOSFET驅(qū)動的厚基區(qū)驅(qū)動的厚基區(qū)PNP晶體管。晶體管。 擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)擎住效應(yīng)或自鎖效應(yīng) IGBT的特點的特點 (1) 開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。在電壓1000V以上時，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力 MOSFET相當(dāng)； (2) 相同電壓和電流定額時，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力； (3) 通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域； (4) 輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似； (5) 與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時保持開關(guān)頻率高的特點。 14 3 功率

9、集成和功率模塊：了解功率集成和功率模塊：了解 ?兩個主要問題 高低壓電路之間的絕緣問題 溫升和散熱的處理。 4 其他新型器件其他新型器件: 了解了解 15 5 門極驅(qū)動電路門極驅(qū)動電路 電氣隔離：電氣隔離： 光隔離一般采用光耦合器 磁隔離元件通常是脈沖變壓器,當(dāng)脈沖較寬時，為避免鐵心飽和，常采用高頻調(diào)制和解調(diào)的方法。 對晶閘管門極觸發(fā)脈沖的要求對晶閘管門極觸發(fā)脈沖的要求 脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通。 +E1+E2TMVD2R41觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。 D3RVD1不超過門極電壓、電流和功率定額，不超過門極電壓、電流和功率定額，RV3

10、且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。 V1R2有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性V及與主電路的電氣隔離。及與主電路的電氣隔離。 216 6 電力電子器件器件的保護(hù)電力電子器件器件的保護(hù) （1）電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓內(nèi)因過電壓 外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見 (2)過流 交流斷路器 變壓器 電流互感器 快速熔斷器 變流器 直流快速斷路器 負(fù)載 電流檢測 過電流 繼電器 短路器 動作電流 整定值 開關(guān)電路 觸發(fā)電路 電子保護(hù)電路 17 (3) 緩沖（吸收）電路緩沖（吸收）電路 功能： 抑制

11、器件的內(nèi)因過電壓、du/dt 、過電流和di/dt ，減小器件的開關(guān)損耗。 uCE iC di 無 時 dt 抑制電路 iC 無緩沖電路時 uCE 有緩沖電路時 O di 有 抑制電路 時 dt t 圖1-38 di/dt抑制電路和 充放電型RCD緩沖電路及波形 b) 波形 a) 電路 b) 當(dāng)晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián)。 多個器件并聯(lián)來承擔(dān)較大的電流 7 電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用 I VT 1 VT2 VT1 RP R C R C 18 IR O UT1 UT2 U VT2 RP 方法：考慮均壓（靜態(tài)，動態(tài)）和均流。方法：考慮均壓（靜態(tài)，動態(tài)）

12、和均流。 a) b) 2 整流電路整流電路 2.1 Single-phase rectifier 1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路: 掌握: 工作原理, 波形分析, 定量計算, 基本概念 2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路: 掌握: 工作原理, 波形分析, 定量計算, 基本概念 3 其他單相整流電路其他單相整流電路: (1) 單相全波可控整流 (了解 ) (2) 單相橋式半控整流 : 掌握電阻負(fù)載波形分析情況。 4 基本概念： a, ? 相控, 續(xù)流,單雙拍, 失控 19 1 三相半波 2.2 三相可控整流電路 共陰極組連接 自然換相點 工作原理, 波形分析, 定量計算 2

13、三相橋式全控整流三相橋式全控整流: 掌握所有內(nèi)容掌握所有內(nèi)容 3 變壓器漏抗對整流電路的影響變壓器漏抗對整流電路的影響:掌掌握所有內(nèi)容握所有內(nèi)容（科院不要求）（科院不要求） 20 整流電路定量計算整流電路定量計算 可控可控整流整流電路電路 (2-3) 21 基波因數(shù)基波因數(shù) 位移因數(shù)位移因數(shù) (基基波功率因數(shù)波功率因數(shù)) 2.5 整流電路的諧波和功率因數(shù)整流電路的諧波和功率因數(shù) 基本概念 可控整流電路帶電感性負(fù)載，交流側(cè)電流的諧波和功率因數(shù) ? 單相橋式全控整流電路交流側(cè)電流中僅含奇次諧波,三相橋式全控整流電路包含 6k1. ? 單相橋式全控整流電路 ? 三相橋式全控整流電路 輸出電壓和電流的

14、諧波 ? = 0o , mk ? 0o 22 2.7 整流電路的逆變運行整流電路的逆變運行 ? 逆變運行的必要條件 ? 逆變失敗和最小逆變角 min= + + cos?1?IdXB2U2s in?m23 3 斬波器斬波器 1 6 種斬波電路 Buck 波電路和、 Boost Zeta斬波電路、 升降壓斬波電路、 Cuk斬波電路、電路結(jié)構(gòu), 原理 , 基本的定量計算 (前3種） 相同點與不同點 2 其他 (了解) 斬24 Sepic5 無源逆變無源逆變 1 基本換流方式基本換流方式 2兩類逆變器兩類逆變器 VSI: 3相相:180o導(dǎo)通方式 每橋臂導(dǎo)電每橋臂導(dǎo)電180 ，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，

15、各相，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度差開始導(dǎo)電的角度差120 ?？v向換流?？v向換流。 加入死區(qū)時間避免橋臂直通 CSI 3 相:120o 導(dǎo)通 3 多電平逆變和多重連接多電平逆變和多重連接 (了解了解) 25 6 PWM 技術(shù)技術(shù) 1 基本原理: 面積等效原理 2 PWM逆變電路及其控制方法: 計算法和調(diào)制法，自然采樣, 規(guī)則采樣, 特定諧波消除, 同步調(diào)制和異步調(diào)制 (掌握) PWM逆變電路輸出諧波t : SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波; 提高直流電壓利用率的方法和降低器件的開關(guān)順序: 梯形波調(diào)制,線電壓控制方式(了解) PWM 逆變器的多重連接 (了解) 26 7 交交變換交交變換（科院不要求）（科院不要求） 1 1 2 2 交流調(diào)壓交流