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1、- 347 -第十二章 现代电力电子技术电力电子技术是电力、电子、控制三大领域的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。本章首先介绍电力电子器件的结构、工作原理和主要参数。接着以电力电子器件为核心，通过对各种不同电路的控制，实现电能的转换和调节，具体介绍整流电路、斩波电路、交流调压电路，以及各种电路的应用。最后以典型器件变频器为例，分析无源逆变器的工作原理和变频器应用等内容。第一节 常用电力电子器件电力电子器件适用于高压、大电流场合，主要以开关方式工作。电力电子器件是电力电子技术的核心。目前，常用的电力电子器件有：普通晶闸管（S
2、CR） 、双向晶闸管、功率场效应管（MOSFET） 、绝缘栅双极晶体管（IGBT ）等。这些器件各有自己的特点和应用范围。一、晶闸管晶闸管原称为可控整流器（SCR） ，它是目前半导体从弱电进入强电领域，制造技术最成熟，应用广泛的器件之一。它既具有二极管的单向导电性，又具有正向导通的可控特性。因而在调速系统、变频电源，无触点开关等方面得到了广泛的应用。1晶闸管的结构晶闸管的三个电极分别为阳极 A、阴极 K 和控制极（门极）G，其图形符号如图 12-1a所示。晶闸管的封装形式与晶闸管容量有关，对于额定电流小于 10A 的小功率管常用压膜塑封式，如图 12-1b 所示；对于大功率晶闸管，有螺栓式和平
3、板式两种：额定电流在 200A 以下的晶闸管采用螺栓式，如图 12-1c 所示。大于 200A 的采用平板式，如图 12-1d 所示。从内部结构看晶闸管有 P1N1P2N2 四层半导体，形成 J1、 J2、J 3 三个 PN 结，如图 18-1e所示。从 P1 层引出阳极 A，从 N2 层引出阴极 K，从 P2 层引出控制极 G。加在晶闸管阳极与阴极之间的电压称为阳极电压，加在晶闸管控制极与阴极之间称为控制极电压。2晶闸管的工作原理晶闸管工作原理可用图 12-2 所示实验电路加以说明。- 348 -图 12-1 晶闸管的结构a）图形符号 b）塑封式 c）螺栓式 d）平板式 e）内部结构图图 1
4、2-2 晶闸管的工作原理图a）反向阻断 b）正向阻断 c）触发导通 d）除去控制极信号仍导通（1）反向阻断如图 12-2a 所示，晶闸管阳极与阴极之间加反向电压即晶闸管阳极电压小于零，此时无论是否给控制极加电压，灯泡不发光，晶闸管不导通，这种状态称为反向阻断状态。（2）正向阻断如图 12-2b 所示，晶闸管阳极电压大于零，但由于控制极无电压信号，灯泡不发光，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断。- 349 -（3）触发导通如图 12-2c 所示在晶闸管阳极和阴极加正向电压的基础上，给控制极和阴极间加足够的正向电压即控制极电压大于零，此时灯发光，晶闸管导通，这种状态称为触发导通。在晶闸管导通后若除
5、去控制极上的电压，灯仍发光，如图 12-2d 所示，表示晶闸管仍导通。可见晶闸管一旦导通后，控制极就失去控制作用。要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低或增大负载电阻使流过晶闸管电流小于维持电流 IH，元件就关断了。从上述实验可以看出：1）晶闸管导通必须具备两个条件：晶闸管的阳极与阴极间加正向电压，即 UAK0。控制极与阴极之间加足够正向电压，即 UGK0。2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。3）要使晶闸管关断，必须使晶闸管的阳极电流降到维持电流 IH 以下。此时晶闸管只有重新触发才能再次导通。3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳极电压 UAK 与阳极电流 IA
6、 之间的函数关系。如图 12-3所示。图 12-3 晶闸管的伏安特性当晶闸管外加反向电压 UAK 0 时，它的反向特性与二极管的反向特性相似。晶闸管处于反向阻断状态，当反向电压增加到电压 URO 时，晶闸管被反向击穿，导致晶闸管永久性损坏。晶闸管加正向电压且控制极开路时，晶闸管处于正向阻断状态。当 UAK 升至 UBO 时，晶闸管突然由阻断状态变为导通状态。U BO 称元件的正向转折电压，此时管子处于硬开通，多次“硬开通”会损坏管子，通常就在门极加上电压，使 Ig 足够大，此时晶闸管的正向转折电压很小，即只要很小的阳极电压晶闸管就能由阻断变为导通，晶闸管可以看成是个可控的二- 350 -极管。
7、4主要参数（1）额定电压 UTn选用晶闸管时，其额定电压为电路中可能出现的最大瞬时电压的 23 倍。（2）额定电流 IT（AV）选晶闸管时，按式 IT（AV） =（ 1.52）I/1.57 取相应的电流等级即可。式中 I 为电路中可能出现的最大电流有效值。（3）维持电流 IH控制极开路和室温条件下，晶闸管触发导通后，维持通态所必须的最小电流，一般为几十微安。（4）控制极触发电压 UG 和触发电流 IG在规定正向阳极电压下，使晶闸管等由阻断到导通所得的最小控制极电压和电流，一般门极触发电压 UG大于 3.5V，不超过 10V，I G 为几十到几百毫安。为确保触发，加到控极的触发电压和电流要比额定
8、值大。（5）通态平均电压 UT（AV）在规定条件下，通过正弦半波的额定电流时，晶闸管的阳极与阴极之间电压的平均值，该值约为 1V 左右。5晶闸管判别（1）晶闸管电极的判别塑封式普通晶闸管等可用万用表 R100 或 R1K 档来测任意两脚的正向电阻，当某次测量得的数值最小时（约为几十欧） ，此时黑表笔对应的是控制极，红表笔对应的是阴极，余下的为阳极。（2）晶闸管好坏的判别用万用表粗测其好坏的方法是：测量各极之间的正反向电阻的大小。好的管子，用表的R1K 档测量阳极与阴极间的正反电阻都很大，约几百千欧。用表的 R10 或 R100 档测量控制极与阳极间的正反向电阻，二者应有明显差别。二、双向晶闸管
9、1双向晶闸管结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。其内部是五层半导体（NPN PN） ，引出三个电极，分别为第一阳极（T 1） 、第二阳极（T 2）和门极（G） ，如图 12-4 所示。无论从结构还是特性上来看，双向晶闸管都可看成两个反并联的晶闸管（P 1N1P2N2 和 P2N1P1N4） ，因此双向晶闸管常用于交流调压的场合。2双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，a） b） c）图 12-4 双向晶闸管a）结构 b）等效图 c）符号- 351 -G 相对于 T2 无论是正还是负都能触发，因此有四种触发方式，见表 12-1。表 12-1 四种触发方式
10、四种触发方式中的灵敏度各不相同，其中 +方式灵敏度最低，因此在实际应用中只采用（ -， -）和（ +， -）两种触发方式。3参数选择（1）额定电压 UTn额定电压为电路中可能出现的最大瞬时电压的 23 倍。380V 电路中的交流开关，一般选用 1000V1200V 的双向晶闸管。（2）额定电流 IT（RMS）双向晶闸管多用于频繁起动和制动的场合，对于可逆运转的电机，I T（RMS） 应为电机最大额定电流的 710 倍。（3）换向能力的选择一般选用 为 220V/ s 的双向晶闸管C)(dtu4双向晶闸管的判别（1）T 2 极的判别用万用表 R1K 测 G 与 T1、T 2 中任意两个电极的正反
11、向电阻，若测得的两个电极间的正反向电阻都很小（约 100 欧）时，则这两个电极为 G 和 T1，剩下的为 T2。大功率双向晶闸管的 T2 与散热器相连，由此确定 T2。（2）T 1 和 G 极的判别用黑表笔接假设的 T1 极，红表笔接 T2 极，此时用导线将 T2 和 G 短接，电阻应为 10 欧左右，双向晶闸管导通，除去短接线，电阻不变，双向晶闸管维持导通。三、功率场效应晶体管功率场效应晶体管，简称功率 MOSFET，它是一种单极型电压控制器件，具有自关断能力，且输入阻抗高、驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到 1MHZ，不存在二次击穿问题、安全工作区宽等主等优点。MOSFET 属现代电力
12、电子器件，因其电压和电流容量较小，故在高频中小功率的电力电子装置如开关电源、机床伺服、汽车电子化等方面得到广泛应用。1功率 MOSFET 的结构功率 MOSFET 根据载流子的性质可分为 P 沟道和 N 沟道两种类型，符号如图 12-5a 所示，它有三个电极：栅极 G、源极 S 和漏极 D，图中箭头表示载流子移动方向。功率MOSFET 无反向阻断能力，因为当漏源极电压 UDS0 时，漏区 PN 结为正偏，漏源间流过反向电流。因此在应用时若必须承受反向电压，则 MOSFET 电路中应串入快速二极管。如- 352 -图 12-5b 所示。a） b） c）图 12-5 MOSFET 管符号和结构a）
13、图形符号 b）实用图形符号 c）内部结构目前常用的是 N 沟道增强型垂直导电结构的 VDMOSFET，典型结构如图 12-5c 所示。这种沟道是由同一扩散窗口利用双扩散工艺产生 P 型体区和重掺杂 N+型区扩散浓度差形成的，电流在沟道内沿着表面流动，然后垂直地被漏极吸收。提高功率 MOSFET 管的功率是通过：（1）将若干个单元 MOSFET 并联而成为功率 MOSFET，实现了大电流。现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当，新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代，每平方厘米含有千万个单位 MOSFET。（2）它的高掺杂 N+硅片衬底，提高了器件的耐压能力。这种结构可使导电沟道缩短、
14、截面积加大，因而具有较高的通流能力和功率处理能力。2工作原理功率 MOSFET 的工作原理与传统的 MOS 器件基本相同，栅源极加正向电压（U GS 0）使 MOSFET 内沟道出现，电子从源极移动到漏极形成漏极电流 ID，器件导通；反之，当栅源极加反向电压（U GS0）沟道消失，器件关断。3功率 MOSFET 的主要特性功率 MOSFET 的特性可分为静态特性和动态特性，静态特性主要指 MOSFET 的输出特性和转移特性，动态特性主要指 MOSFET 的开关特性。（1）输出特性输出特性也称漏极特性曲线，是以栅源极电压 UGS 为参变量，反映漏极电流 ID 与漏极电压 UDS 间关系的曲线族，
15、如图 12-6 所示。功率 MOSFET 管的输出特性与场效应管的输出特性相似，它也分为三个区：可调电阻区：U GS 一定时，漏极电流 ID 与漏源极电压 UDS 几乎呈线性关系。当 MOSFET 作为开关器件应用时，工作在此区内。线性放大区：在该区中，当 UGS 不变时，I D 几乎不随 UDS 的增加而加大，I D 近似为一常数。当 MOSFET 用于线性放大时，则工作此区内。击穿区：当漏源电压 UDS 过高时，使漏极 PN 结发生雪崩击穿，漏极电流 ID 会急剧增加。在使用器件时应避免出现这种情况，否则会使器件损坏。（2）转移特性转移特性是在以漏源极电压 UDS 为参变量，输入栅源电压
16、UGS 与输出漏极电流 ID 之间的关系如图 12-6，功率 MOSFET 的漏极电流 ID 和栅极电压 UGS 的关系曲线，如图所示。该特- 353 -性反映了功率 MOSFET 的栅源电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制能力。图 12-6 静态特性a）输出特性 b）转移特性由图可见，只有当 UGSU T 时，器件才导通，U T 称开启电压。它是指沟道形成区最低栅源电压，直接由掺杂浓度所决定。开启电压具有负温度系数，温度每升高 45，开启电压将下降约 10%。由于功率 MOSFET 管开启电压具有负温度系数，此特性使该管具有较好的二次击穿现象。（3）开关特性功率 MOSFET 是单极型电压控制器件，依靠多数载
