西南科技大学的电力电子技术

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1、电力电子技术西南科技大学电力交流和直流两种从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干 电池得到的是直流。电力变换四大类电力变换四大类交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流 表1 电力变换的种类进行电力变换的技术称为进行电力变换的技术称为 变流技术。变流技术。逆变直流斩波直流交流电力控制 变频、变相整流交流交流直流输出输入1.2 两大分支(2)变流技术变流技术电力电子技术西南科技大学电力电子器件（Power Electronic Device）可直接用于主电路中，实现电能的 变换或控制的电子器件。主电路（Main Power Circuit）电气设备或电力系统中，直接承担 电能的变换或控制

2、任务的电路。1.1.1 电力电子器件的概念和特征一、电力电子器件概念:电力电子技术西南科技大学通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要 因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗 关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗电力电子技术西南科技大学电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和 以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成1.1.2 应用电力电子器件系统组成控制电路检测 电路驱动 电路RL主电路V1V2保护 电路电气隔离控制电路保护电路在主电路和控制 电路中附加一些 电路，

3、以保证电 力电子器件和整 个系统正常可靠 运行电力电子技术西南科技大学三、电力电子器件的 分类电力电子器件半控型器件：晶闸管及其派生器件全控型器件（自关断器件）不可控器件：电力二极管按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：(Power Diode)（Thyristor）（IGBT,MOSFET)电力电子技术西南科技大学基本结构和工作 原理与信息电子 电路中的二极管 一样。 由一个面积较大 的PN结和两端 引线以及封装组 成的。 从外形上看，主 要有螺栓型和平 板型两种封装。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气 图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号1.2.1 PN结与电力二极管的

4、工作原理电力电子技术西南科技大学额定电流在指定的管壳温度和散热条件 下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的 平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用 时应按有效值相等的原则来选取电流定额， 并应留有一定的裕量。1.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV)电力电子技术西南科技大学在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的 正向压降。3） 反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trrtrr= td+ tf1.2.3 电力二极管的主要参数（2） 2）正向压降UF电力电子技术西南科技大学结

5、温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的 最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6) 浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个 工频周期的过电流。 1.2.3 电力二极管的主要参数（3）5）最高工作结温TJM电力电子技术西南科技大学1) 普通二极管（General Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长,一般5s以上.正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 (Kv/kA).按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能 ，特别

6、是反向恢复特性的不同介绍。1.2.4 电力二极管的主要类型电力电子技术西南科技大学简称快速二极管快恢复外延二极管（Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr 更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但 其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前 者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至 达到2030ns。1.2.4 电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）电力电子技术西南科技大学肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向

7、稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。1.2.4 电力二极管的主要类型（2）3. 肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖 特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。电力电子技术西南科技大学1.3 半控器件晶闸管引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应

8、用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场 合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled RectifierSCR）电力电子技术西南科技大学1.3半控型器件晶闸管（Thyristor或SCR）1.3.1外型、结构及电气图形符号:A阳极K阴极G门极晶闸管的结构:管心由硅半导体材料做成，四层三端器件。螺栓型：额定电流小于200A。螺栓为阳极A，粗引线为阴极K ，细引为门极G。平板型：额定电流小于200A。平面为阳极A，引出线为门极G 。电力电子技术西南科技大学1.3.

9、3 晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的 UDRM和URRM中较小 的标值作为该器件 的额定电压。选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压23倍。使用注意：1）电压定额电力电子技术西南科技大学1.3.3 晶闸管的主要参数（2）通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额 定结温时所允许流过的最大工频

10、正弦半波电流的平均值。标称其 额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。 维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所 需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。 浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复 性最大正向过载电流 。2）电流定额电力电子技术西南科技大学1.3.3 晶闸管的主要参数（3）除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过

11、大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒， 高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。400Hz和 10kHz以上的斩波电路或逆变电路.1）快速晶闸管（Fast Switching Thyr

12、istor FST)电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件（2）2）双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC）图1-10 双向晶闸管的电气 图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性可认为是一对反并联联接 的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一 个门极G。在第和第III象限有对称 的伏安特性。不用平均值而用有效值来 表示其额定电流值。常用于交流调压电路,固态 继电器,交流电机调速。a)b)IOUIG=0GT1T2电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件（3）3)逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT

13、）a)KGAb)UOIIG=0图1-11 逆导晶闸管的电气 图形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性将晶闸管反并联一 个二极管制作在同 一管芯上的功率集 成器件。具有正向压降小、 关断时间短、高温 特性好、额定结温 高等优点。一旦承受反向电压 即开通。常用于逆 变电路。电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件4)光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度 强弱b)OUIA图1-12 光控晶闸管的电气图 形符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利 用一定波长的光照信号触 发导通的晶闸管。光触

14、发保证了主电路与控 制电路之间的绝缘，且可 避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的 场合，如高压直流输电， 高压核聚变装置。电力电子技术西南科技大学1.3.2 晶闸管的基本特性小结承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性总结如下：电力电子技术西南科技大学定义SCR额定电流时是在规定的条件下。不同形式的整流电路带不同类型的负载，具有 不同的导通角，流过晶闸管的电流波形不一。额 定电流定义是在

15、工频正弦半波情况下通过SCR的 最大平均电流，所以实际允许的平均电流与额定 电流是有差别的。注意：SCR的额定电流选取问题电力电子技术西南科技大学IT(AV)晶闸管电流平均值发热量有效值波形系数T电力电子技术西南科技大学例1.1 流经晶闸管的波形如图 1-1所示，试计算该电流波 形的平均值、有效值及波 形系数。若取安全裕量为2 ，问额定电流为100A的晶 闸管，其允许通过的电流 平均值和最大值是多少？图1-1电力电子技术西南科技大学解：电流平均值为：电流有效值为：波形系数为：考虑2倍安全裕量，100A的晶闸管允许通过的电流 平均值为：电流最大值为：电力电子技术西南科技大学例:B :表示额定电流

16、 额定电压管压降0.4v0.5v的普 通晶闸管. 管压降等级 额定电压等级 额定电流 普通型 快开型逆导型 可关断型双向型晶闸管产品型号电力电子技术西南科技大学管子额定电流的选择： (1).按电流有效值相等的原则选择晶闸管； (2).留裕量，取1.5-2倍后取整 (3) .额定电流等级： 50A以下:1、5、10、20、30、40、50A；1001000A:100、200、300、400、500、600 、800、1000A。电力电子技术西南科技大学1.4.1 门极可关断晶闸管结构： 与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构， 外部引出阳极、阴极和门极。 和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集 成器件。图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号a) 各单元的阴极、门极间隔排列