電力電子技術(shù)課件：開關(guān)電源

任務(wù)１全控型器件的認(rèn)識與檢測任務(wù)２驅(qū)動隔離保護(hù)電路的分析任務(wù)３斬波器主電路的分析任務(wù)４開關(guān)電源的工作原理分析１.能夠識讀全控型器件電氣符號。２.能夠理解全控型器件基本結(jié)構(gòu)及工作原理。３.理解全控型器件開關(guān)特性及主要參數(shù)。４.掌握常見全控型器件的檢測方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)１全控型器件的認(rèn)識與檢測本次任務(wù)的主要內(nèi)容就是學(xué)習(xí)GTO、GTR、MOSFET和IGBT等電力電子器件的工作原理、基本特性及主要參數(shù)，并完成常見電力電子器件的故障檢測。任務(wù)描述相關(guān)知識可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)、等效電路和電氣符號ａ)結(jié)構(gòu)ｂ)等效電路ｃ)電氣符號一、可關(guān)斷晶閘管GTO１.可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)２.可關(guān)斷晶閘管的工作原理(１)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GTO可等效成兩個(gè)晶體管P1N1P2和N1P2N2互連。(２)關(guān)斷過程由于GTO處于臨界飽和狀態(tài)，用抽走陽極電流的方法破壞臨界飽和狀態(tài)，能使器件關(guān)斷。而晶閘管導(dǎo)通之后，處于深度飽和狀態(tài)，故用抽走陽極電流的方法不能使其關(guān)斷。３.可關(guān)斷晶閘管的特性GTO的陽極伏安特性曲線GTO的關(guān)斷特性曲線４.可關(guān)斷晶閘管的主要參數(shù)(１)最大可關(guān)斷陽極電流IATO陽極電流過大時(shí)，α1＋α2稍大于1的條件可能被破壞，使器件飽和程度加深，導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗。(２)關(guān)斷增益βoffGTO的關(guān)斷增益βoff為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IgM之比，βoff通常只有5左右。５.可關(guān)斷晶閘管的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電壓電流容量大(比SCR略小)，在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應(yīng)用，開關(guān)速度比SCR高得多。缺點(diǎn)：電流關(guān)斷增益小，門極負(fù)脈沖電流大，驅(qū)動較困難；通態(tài)壓降較大。二、電力晶體管GTRGTR是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管，是電流驅(qū)動型全控器件。１.GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理２.GTR的開關(guān)特性

GTR的開關(guān)特性曲線三、電力場效應(yīng)晶體管MOSFETMOSFET根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管和金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管；根據(jù)導(dǎo)電溝道的類型可分為N溝道和P溝道兩大類；根據(jù)零柵壓時(shí)器件的導(dǎo)電狀態(tài)又可分為耗盡型和增強(qiáng)型兩類。電力VDMOSFET管結(jié)構(gòu)原理電力MOSFET電氣符號２.電力MOSFET的工作原理截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無電流流過。導(dǎo)通：在柵源極間加正向電壓UGS。柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。(１)靜態(tài)特性電力MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性ａ)轉(zhuǎn)移特性ｂ)輸出特性(２)動態(tài)特性電力MOSFET的動態(tài)特性波形四、絕緣柵雙極型晶體管IGBT１.絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)IGBT是三端器件，包括柵極G、集電極C和發(fā)射極E，相當(dāng)于GTR和MOSFET復(fù)合，其簡化等效電路和電氣圖形符號如圖所示。IGBT簡化等效電路和電氣圖形符號ａ)簡化等效電路ｂ)電氣圖形符號２.絕緣柵雙極型晶體管的工作原理IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，屬于場控器件，其通斷由柵—射極電壓uGE決定。當(dāng)uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。柵—射極間施加反壓或不加信號時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。五、其他新型電力電子器件１.MOS控制晶閘管MCTMCT是MOSFET與晶閘管的復(fù)合，它結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)。２.靜電感應(yīng)晶體管SITSIT又稱為結(jié)型場效應(yīng)晶體管。３.靜電感應(yīng)晶閘管SITHSITH在SIT的漏極層上附加一層與漏極層導(dǎo)電類型不同的發(fā)射極層而得到。４.集成門極換流晶閘管IGCT５.功率模塊與功率集成電路將多個(gè)功率器件封裝在一個(gè)模塊中稱為功率模塊。一、認(rèn)識全控型器件１.認(rèn)識GTO任務(wù)描述常見GTO外形２.認(rèn)識GTR大功率晶體管(GTR)是一種電流控制的雙極雙結(jié)電力電子器件。GTR模塊外形３.認(rèn)識電力MOSFET電力MOSFET是一種電壓控制型單極晶體管。電力MOSFET外形４.認(rèn)識IGBT常見IGBT及IPM模塊外形二、典型全控器件檢測方法１.IGBT的簡易測試判斷極性。判斷好壞。判斷IGBT極性方法２.IGCT的簡易測試(１)萬用表判斷法采用萬用表只能判斷IGCT器件是否擊穿，是否已徹底損壞。(２)阻斷電壓判斷法采用阻斷電壓判斷法可以對器件阻斷能力特性進(jìn)行初步檢測。１.掌握GTR及GTO驅(qū)動電路的作用及要求。２.掌握MOSFET及IGBT驅(qū)動電路的作用及要求。３.理解隔離電路類型及作用。４.掌握緩沖電路的組成及工作原理。５.理解保護(hù)電路的組成及工作原理。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)２驅(qū)動隔離保護(hù)電路的分析本任務(wù)的主要內(nèi)容就是將著重分析幾種常見的驅(qū)動保護(hù)電路。任務(wù)描述相關(guān)知識一、驅(qū)動電路的隔離一般采用光隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，磁隔離的元件通常是脈沖變壓器。光耦合器的類型及接法ａ)普通型ｂ)高速型ｃ)高傳輸比型二、電流驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路１.GTR的驅(qū)動電路理想的GTR基極驅(qū)動電流波形GTR的一種典型驅(qū)動電路２.GTO的驅(qū)動電路理想的GTO門極電壓、電流波形典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路三、電壓驅(qū)動型器件的驅(qū)動電路１.電力MOSFET的驅(qū)動電路電力MOSFET的一種常見驅(qū)動電路M5

7962L型IGBT驅(qū)動器的原理和接線ａ)原理ｂ)接線２.IGBT的驅(qū)動電路四、緩沖電路緩沖電路既能吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du

/dt，減小關(guān)斷損耗，又能抑制器件開通時(shí)的電流過沖和di

/dt，減小器件的開通損耗。di

/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形ａ)電路ｂ)波形V關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線五、過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù)電力電子裝置可能的過電壓包括外因過電壓和內(nèi)因過電壓，外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)操作過程等外因。內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程。過電壓抑制措施及配置位置F—避雷器D—變壓器靜電屏蔽層C—靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1

—閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2

—閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV—壓敏電阻過電壓抑制器RC3

—閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4

—直流側(cè)RC抑制電路RCD—閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路過電流保護(hù)措施及配置位置六、過電流保護(hù)電力電子裝置的過電流包括過載和短路兩種情況。１.掌握降壓斬波電路組成及工作原理。２.掌握升壓斬波電路組成及工作原理。３.理解升降壓斬波電路組成及工作原理。４.了解開關(guān)電源的分類。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)３斬波器主電路的分析本任務(wù)的主要內(nèi)容是對降壓斬波電路、升壓斬波電路及升降壓斬波電路進(jìn)行分析，理解降壓、升壓及升降壓斬波電路的工作原理，掌握這三種電路的輸入輸出關(guān)系、電路解析方法、工作特點(diǎn)。任務(wù)描述相關(guān)知識一、降壓斬波電路１.工作原理如圖所示為降壓斬波電路及其波形。降壓斬波電路及其波形ａ)電路圖降壓斬波電路及其波形ｂ)電流連續(xù)時(shí)的波形

ｃ)電流斷續(xù)時(shí)的波形２.數(shù)量關(guān)系電流連續(xù)時(shí)，負(fù)載電壓平均值：升壓斬波電路及其波形二、升壓斬波電路升壓斬波電路及其波形三、升降壓斬波電路１.工作原理２.數(shù)量關(guān)系一個(gè)周期T內(nèi)電感L兩端電壓uL對時(shí)間的積分為零：

當(dāng)V處于通態(tài)期間，uL＝E，而當(dāng)V處于斷態(tài)期間，uL＝－uO。

１.開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)、功能、特點(diǎn)及用途。２.理解整流器、逆變器和靜態(tài)開關(guān)在開關(guān)電源中的作用。３.典型開關(guān)電源電路原理分析。學(xué)習(xí)目標(biāo)任務(wù)４開關(guān)電源的工作原理分析本任務(wù)的主要內(nèi)容是學(xué)習(xí)開關(guān)電源的基本知識，并對電路工作原理等進(jìn)行分析。任務(wù)描述相關(guān)知識一、認(rèn)識開關(guān)電源電力電子裝置電源分為普通電源和特種電源，又可細(xì)分為開關(guān)電源、交流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、UPS電源和適配器電源等。常見開關(guān)電源外形二、開關(guān)電源的工作原理穩(wěn)壓電源通常分為線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。線性穩(wěn)壓電源是指起