科創(chuàng)學(xué)院--電力電子技術(shù)培訓(xùn)課件匯編

1、電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)劉劉 靜靜v主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：v電力電子器件：電力電子器件的分類；電力電子器件：電力電子器件的分類；v電能變換的基本類型（電能變換的基本類型（AC/DC變換、變換、DC/AC變換、變換、AC/AC變換和變換和DC/DC變換）；變換）；v變流技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用；變流技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用；v常用電力電子器件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；常用電力電子器件的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；v整流電路結(jié)構(gòu)和工作原理；整流電路結(jié)構(gòu)和工作原理；v試題講解。試題講解。按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度按照器件能夠被控制電路信號所控制的程度，分為以下分為以下三類：三類：1）半可控器件）半可控器件絕緣柵雙極晶體管（Ins

2、ulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、巨型晶體管GTR3）不控型器件）不控型器件電力二極管（Power Diode）常見的有大功率二極管、快速恢復(fù)二極管及肖特基二極管。只有兩個端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電 流決定的。通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定2）全控型器件）全控型器件通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要

3、驅(qū)動電路。1.1 電力電子器件的分類v按電力電子器件的驅(qū)動性質(zhì)按電力電子器件的驅(qū)動性質(zhì)可以將器件分為電壓型和電流型器件。u1、電流型器件、電流型器件必須有足夠的驅(qū)動電流才能使器件導(dǎo)通，因而一般情況下需要較大的驅(qū)動功率，這類器件有SCR、GTR、GTO等。u2、電壓型器件、電壓型器件的導(dǎo)通只需要有足夠的電壓和很小的驅(qū)動電流，因而電壓型器件只需很小的驅(qū)動功率，這類器件有IGBT、MOSFET、MCT等。 基本分類v按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況電的情況分為三類：v1、雙極型電力電子器件、雙極型電力電子器件：是指器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與

4、導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件,這類器件具有通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、電流容量大等優(yōu)點(diǎn),適用于中大容量的變流裝置和電動機(jī)的驅(qū)動控制。v這類器件有巨型晶體管(GTR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等。v2、單極型電力電子器件、單極型電力電子器件：是指器件內(nèi)只有多數(shù)載流子參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件,這類器件具有驅(qū)動功率小、工作速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬、電流負(fù)溫度系數(shù)良好的電流自動調(diào)節(jié)能力、良好的熱穩(wěn)定性和較高的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn),適用于中小功率、開關(guān)頻率高的變流裝置和電動機(jī)的驅(qū)動控制,如高保真度的音頻放大,多種通訊設(shè)備和宇航空間技術(shù)等領(lǐng)域。v這類器件包括有功率場效應(yīng)晶體管(MOS

5、FET)和靜電感應(yīng)晶體管(SIT)等。v3、混合型電力電子器件、混合型電力電子器件：是由雙極型和單極型兩種器件混合集成。v利用耐高壓、電流容量大的雙極型器件(如SCR、GTR、GTO)作為輸出級;v利用輸入阻抗高、頻率響應(yīng)快的單極型器件(如MOSFET)作為輸入級。v從而具備雙極和單極器件的優(yōu)點(diǎn)。這類器件有絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、MOS晶體管(MCT)、功率集成電路(PIC)等,其中功率集成電路PIC分為高壓集成電路(HVIC)和智能功率集成電路(SPIC)。 1.2 電能電能變換的四種類型變換的四種類型v交流交流-直流直流(AC-DC)變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。變換：將交流電轉(zhuǎn)換為直

6、流電。v直流直流-交流交流(DC-AC)變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。當(dāng)輸出變換：將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。當(dāng)輸出接電網(wǎng)時，稱之為有源逆變；當(dāng)輸出接無源負(fù)載時，稱之為接電網(wǎng)時，稱之為有源逆變；當(dāng)輸出接無源負(fù)載時，稱之為無源逆變。無源逆變。v交流交流-交流交流(AC-AC)變換：將交流電能的參數(shù)加以變換。其變換：將交流電能的參數(shù)加以變換。其中：改變交流電壓有效值稱為交流調(diào)壓；將工頻交流電直接中：改變交流電壓有效值稱為交流調(diào)壓；將工頻交流電直接轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電，稱為交轉(zhuǎn)換成其他頻率的交流電，稱為交-交變頻。交變頻。 v直流直流-直流直流(DC-DC)變換：將恒定直流變成斷續(xù)脈沖輸出，變換：將恒定直

7、流變成斷續(xù)脈沖輸出，以改變其平均值。以改變其平均值。常見的電力變換種類 1.3 電力電子變流技術(shù)的應(yīng)用電力電子變流技術(shù)的應(yīng)用1、電機(jī)傳動與控制、電機(jī)傳動與控制軋鋼機(jī)軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)2、電子裝置用電源電子裝置用電源程控交換機(jī)微型計算機(jī)3、電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS4、交通運(yùn)輸交通運(yùn)輸5 5、家用電器、家用電器6 6、其他、其他大型計算機(jī)的UPS新型能源 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.4.1 不可控器件不可控

8、器件電力二極管電力二極管整流二極管及模塊基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號1.2.1 PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的狀態(tài)1.4.2 半控器件半控器件晶閘管晶閘管引言引言1956年美國貝爾

9、實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）圖1-6 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方

10、便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的封裝形式： 還有塑封和模塊式兩種封裝。解釋解釋當(dāng)SCR的陽極和陰極電壓UAK0時，只有EGk0，SCR才能導(dǎo)通。說明SCR具有正向阻斷能力；SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK0 同時 UGK0由導(dǎo)通關(guān)斷的條件：使流過SCR的電流降低至維持電流以下。 (

11、一般通過減小EA,直至EA0時，二極管時，二極管導(dǎo)通。導(dǎo)通。二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通iLu1u2aTbDRLuL忽略二極管正忽略二極管正向壓降：向壓降： uL=u2HomeNextBacku20 0 時時D1,D3導(dǎo)通D2,D4截止電流通路:由+經(jīng)D1RLD3-u u2 20 0 時時D2,D4導(dǎo)通D1,D3截止電流通路:由-經(jīng)D2RLD4+輸出是脈動的直流電壓！u2twtw橋式整流電路輸出波形橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形及二極管上電壓波形uD4,uD2 uD3,uD1twuLu2D4D2D1D3RLuL+-NextBackHome2 2、輸出電壓與輸出電流的估算、輸出電壓與輸出電流的估

12、算負(fù)載電壓負(fù)載電壓 U0的平均值為的平均值為:pwwp022LU9 . 0tdsinU21ut負(fù)載上的負(fù)載上的(平均平均)電流電流:LLRUi29 . 0twuoiouoioNextBackHome平均電流平均電流( )與最高反向電壓與最高反向電壓(URM)是選擇整是選擇整流二極管的主要依據(jù)。流二極管的主要依據(jù)。LDRUi245. 022UURM在單相橋式整流電路中，每個二極管只在半在單相橋式整流電路中，每個二極管只在半個周期內(nèi)導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平個周期內(nèi)導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流均電流是負(fù)載平均電流的一半。是負(fù)載平均電流的一半。二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：

13、二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：3 3、二極管的選擇、二極管的選擇DiDiNextBackHome（二）（二） 濾波電路濾波電路濾波原理濾波原理:交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流交流電壓經(jīng)整流電路整流后輸出的是脈動直流，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用，其中既有直流成分又有交流成份。濾波電路利用儲能元件儲能元件電容電容兩端的電壓兩端的電壓(或通過或通過電感電感中的電流中的電流)不能不能突變的特性突變的特性, 將將電容電容與負(fù)載與負(fù)載RL并聯(lián)并聯(lián)(或?qū)⒒驅(qū)㈦姼须姼信c負(fù)載與負(fù)載RL串聯(lián)串聯(lián))，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保，濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成

14、份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。NextBackHome1 1、電容濾波電路、電容濾波電路u1u2u1abD4D2D1D3RLuLCNextBackHomeu2tuLt由圖可看出，經(jīng)濾波后輸出電壓不僅變得平滑，由圖可看出，經(jīng)濾波后輸出電壓不僅變得平滑，而且平均值也得到提高。而且平均值也得到提高。電容濾波電路及其波形分析電容濾波電路及其波形分析NextBackHome使用電容濾波電路時，應(yīng)注意以下問題：使用電容濾波電路時，應(yīng)注意以下問題：（1）負(fù)載變化對輸出電壓的影響）負(fù)載變化對輸出電壓的影響 當(dāng)電容一定時，若負(fù)載電阻減小，則時間常數(shù)當(dāng)電容一定時，若負(fù)載

15、電阻減小，則時間常數(shù)RLC減小，減小，放電速度加快，因此，輸出電壓平均值將下降，且脈動變放電速度加快，因此，輸出電壓平均值將下降，且脈動變大。大。（2）電容）電容C的選擇及輸出電壓平均值的選擇及輸出電壓平均值 有電容濾波的整流電路的輸出電壓大于無電容濾波整有電容濾波的整流電路的輸出電壓大于無電容濾波整流電路的輸出電壓。為了獲得較好的濾波效果，在實際工流電路的輸出電壓。為了獲得較好的濾波效果，在實際工作中經(jīng)常按下式選擇濾波電容。作中經(jīng)常按下式選擇濾波電容。濾波電容必須選用濾波電容必須選用電解電容器，耐壓電解電容器，耐壓值應(yīng)大于值應(yīng)大于22U2)53(TRLRLCNextBackHome電容濾波電

16、路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。較小且負(fù)載變動不大的場合。結(jié)論結(jié)論 全波及橋式整流情況下，輸出電壓平均值為：全波及橋式整流情況下，輸出電壓平均值為：22 . 1 UuLNextBackHome一、穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓管是特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，穩(wěn)壓管是特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管，其反向擊穿是可逆的，且反向電壓較穩(wěn)定。其反向擊穿是可逆的，且反向電壓較穩(wěn)定。 雖然整流濾波電路能夠?qū)⒄医涣麟妷鹤儞Q雖然整流濾波電路能夠?qū)⒄医涣麟妷鹤儞Q成為較為平滑的直流電壓，但是其數(shù)值將隨電網(wǎng)成為較為平滑的直流電壓，但是其數(shù)值將隨電網(wǎng)

17、電壓的波動而波動，隨負(fù)載電阻的變化而變化，電壓的波動而波動，隨負(fù)載電阻的變化而變化，即穩(wěn)定性很差。即穩(wěn)定性很差。 為了使負(fù)載上獲得穩(wěn)定的直流電壓，必須采為了使負(fù)載上獲得穩(wěn)定的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。二極管穩(wěn)壓電路就是一種常用的穩(wěn)取穩(wěn)壓措施。二極管穩(wěn)壓電路就是一種常用的穩(wěn)壓措施。壓措施。NextBackHomeUIUZIZIZmax UZ IZ-+1 1、穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線、穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線NextBackHome二、穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路UR+-uD0u2u1RLDZIDZuDIRIRC+-UZNextBackHomeUR+-uD0u2u1RLD

18、ZIDZuDIRIRC+-UZ當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時：當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時：DORRDZZDODIuUIIUuu)(當(dāng)負(fù)載電流當(dāng)負(fù)載電流I IL L增加時：增加時：RDZZDORLIIUuII)(NextBackHome 穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路，是利用穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管組成的穩(wěn)壓電路，是利用穩(wěn)壓二極管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻二極管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限流電阻R上電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償，來達(dá)到穩(wěn)壓目的。上電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償，來達(dá)到穩(wěn)壓目的。 因此，限流電阻因此，限流電阻R是必不可少的。是必不可少的。結(jié)論結(jié)論v 單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管（簡稱單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管（簡稱UJT）又稱基極二極管，它）又稱基極二

19、極管，它是一種只有一個是一種只有一個PN結(jié)和兩個電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它結(jié)和兩個電阻接觸電極的半導(dǎo)體器件，它的基片為條狀的高阻的基片為條狀的高阻N型硅片，兩端分別引出兩個基極型硅片，兩端分別引出兩個基極b1和和b2。在硅片中間略偏在硅片中間略偏b1一側(cè)用合金法制作一個一側(cè)用合金法制作一個P區(qū)作為發(fā)射極區(qū)作為發(fā)射極e。其結(jié)構(gòu)、符號和等效電路如圖所示。其結(jié)構(gòu)、符號和等效電路如圖所示。1.41.4單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管N 型硅片型硅片P 區(qū)區(qū)PN 結(jié)結(jié)eb1b2( (a) )結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)( (b) )符號符號圖（圖（c）可以看出，兩基極）可以看出，兩基極b1與與b2之間的電阻稱為基極電阻：之間的電阻稱

20、為基極電阻： rbb=rb1+rb2 式中：式中：rb1-第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流第一基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值隨發(fā)射極電流ie而變化，而變化，rb2為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與為第二基極與發(fā)射結(jié)之間的電阻，其數(shù)值與ie無關(guān)；發(fā)射結(jié)無關(guān)；發(fā)射結(jié)是是PN結(jié)，與二極管等效。結(jié)，與二極管等效。 (C)等效電路等效電路特性：特性：+ UA+ UD+ UEB1+ UBBBBBBb2b1b1AUUrrrU b2b1b1rrr 分壓比分壓比OUEB1IEAPVBIPUP截止區(qū)截止區(qū)負(fù)阻區(qū)負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)飽和區(qū)峰點(diǎn)峰點(diǎn)UP：峰點(diǎn)電壓：峰點(diǎn)電壓IP：峰點(diǎn)電流：峰點(diǎn)電流谷點(diǎn)谷點(diǎn)UV：谷點(diǎn)電壓：谷點(diǎn)電壓IV：谷點(diǎn)電流：谷點(diǎn)電流圖圖 10.9.11( (a) )圖圖 10.9.11( (b) )（0.3-0.85） v單結(jié)晶體管的伏安特性單結(jié)晶體管的伏安特性 v v（1）當(dāng)）當(dāng)Ve Vbb時，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)時，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止，發(fā)射極只有很小的漏電流射極只有很小的漏電流Iceo。 v（2）當(dāng)）當(dāng)Ve Vbb+VD VD為二極管正向壓降（約為為二極管正向壓降（約為0.7伏），伏），PN結(jié)正向?qū)ǎY(jié)正向?qū)?，Ie顯著增加，顯著增加，rb1阻值迅速減小，阻值迅速減小，Ve相應(yīng)下