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1、1,机械工业出版社,第2章 电源变换和控制技术基础知识,2,机械工业出版社,绪论电力电子技术的发展与现状 2.1 常用电力电子器件及其分类 2.2 半导体功率器件的驱动与保护 2.3 常用脉宽调制（PWM）技术 2.4 现代电力电子的应用电源变换的基本拓扑 2.5 电力电子技术的发展趋势,主要内容,3,机械工业出版社, 现代电力电子技术的构成 电力电子器件的发展历程 半导体功率器件的现状 电力电子装置的发展历程,绪 论 电力电子技术的发展与现状,4,机械工业出版社,1. 现代电力电子技术（电力电子学）的构成 电力技术（电力设备、电力网络） 电子技术（电子器件、电子电路） 控制技术（连续、离散）
2、,5,机械工业出版社,1974年美国学者W.Newell用于表征电力电子技术的倒三角,6,机械工业出版社,2. 电力电子器件的发展历程,7,机械工业出版社,3. 半导体功率器件的现状,8,机械工业出版社,4. 电力电子装置的发展历程 1）从低频（工频）技术为主的传统电力电子学，向以高频技术为主的现代电力电子学方向转变。 2）电力电子装置的发展起始于20世纪50年代末60年 代初的硅整流器件（SCR），先后经历了：整流 器、逆变器、开关电源（UPS）和变频器时代。 3）20世纪80年代末期和90年代初期以功率MOSFET和 IGBT为代表的集高频、高压和大电流于一身的全 控型功率半导体复合器件，
3、表明传统电力电子技 术已经进入现代电力电子时代。,9,机械工业出版社,2.1 常用电力电子器件及其分类,电力电子及其特性 电力电子器件的分类 几种典型的电力电子器件,10,机械工业出版社,2.1.1电力电子器件的特征和分类,电力电子器件被广泛用于处理电能的主电路中，是实现电能的传输、变换或控制的电子器件。 1. 电力电子器件具有的主要特征 电力电子器件处理的电功率的大小是其主要的特征参数； 电力电子器件往往工作在开关状态； 在实际应用中因此需要驱动电路对控制信号进行放大。,11,机械工业出版社,2. 电力电子器件的分类,（1）按可控性分类 1）不控型器件：不能用控制信号控制其导通和关断的电力电
4、子器件 。如，功率二极管（Power Diode）、整流二极管等。,12,机械工业出版社,2）半控型器件：可以通过控制极（门极）控制器件导通，但不能控制其关断的电力电子器件。晶闸管(Thyristor)及其大部分派生器件(除GTO及MCTMOSFET控制晶闸管等复合器件外)，器件的关断一般依靠其在电路中承受反向电压或减小通态电流使其恢复阻断。,13,机械工业出版社,3）全控型器件：既可以通过器件的控制极（门极）控制其导通，又可控制其关断的器件。主要有：功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管（GTO）和电力场效应晶体管(P-MOS)等。,14,机械工业出版社,（2
5、）按驱动信号类型分类 1) 电流驱动型：通过对控制极注入或抽出电流，实现其开通或关断的电力电子器件称为电流驱动型器件，如Thyrister，GTR，GTO等。 2) 电压驱动型：通过对控制极和另一主电极之间施加控制电压信号，实现其开通或关断的电力电子器件称为电压驱动型器件，如PMOSFET，IGBT等。,15,机械工业出版社,3. 几种典型的电力电子器件,不可控器件电力二极管 半控型器件晶闸管 电力场效应晶体管P-MOSFET 绝缘栅双极型晶体管IGBT,16,机械工业出版社,1.不可控器件电力二极管 （1）电力二极管的基本特性：电力二极管（Power Diode）承受的反向电压耐力与阳极通流
6、能力均比普通二极管大得多，但它的工作原理和伏安（VA）特性与普通二极管基本相同，都具有正向导电性和反向阻断性。电力二极管的电路符号和静态特性（即伏安特性）如下图所示。,图2-1 电力二极管电路符号及伏安（VA）特性,17,机械工业出版社,（2）电力二极管的主要参数 正向平均电流IF(AV) ：电力二极管在连续运行条件时，器件在额定结温和规定的散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 反向重复峰值电压URRM ：指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是雪崩击穿电压URBO的2/3。,18,机械工业出版社,正向通态压降UF ：在额定结温下，电力二极管在导通状态流过某一稳态正
7、向电流（IF）所对应的正向压降。正向压降越低，表明其导通损耗越小。 反向恢复电流IRP及反向恢复时间trr ：反向恢复时间trr通常定义为从电流下降为零至反向电流衰减至反向恢复电流峰值25的时间。反向恢复电流IRP及恢复时间trr与正向导通时的正向电流IF及电流下降率diF/dt密切相关。 反向恢复过程：受二极管PN结中空间电荷区存储电荷的影响，向正向导通的二极管施加反向电压时，二极管不能立即转为截止状态，只有存储电荷完全复合后，二极管才呈现高阻状态。,19,机械工业出版社,2.半控型器件晶闸管,图2-2 晶闸管电路符号及伏安（VA）特性,优点：晶闸管可以承受的电压、电流在功率半导体中均为最高
8、，具有价格便宜、工作可靠的优点，尽管其开关频率较低，但在大功率、低频电力电子装置中仍占主导地位。,20,机械工业出版社,（1）基本特性： 电流触发特性：当晶闸管AK极间承受正向电压时，如果GK极间流过正向触发电流，就会使晶闸管导通。 单向导电特性：当承受反向电压时，此时无论门极有无触发电流，晶闸管都不会导通。 半控型特性：晶闸管一旦导通，门极就失去作用；此时，不论门极电流是否存在、触发电流极性如何，晶闸管都维持导通。要使导通的晶闸管恢复关断，可对其AK极间施加反向电压或使其流过的电流小于维持电流（IH）。,21,机械工业出版社,（2）主要参数 额定电压UT：晶闸管在额定结温、门极开路时，允许重
9、复施加的正、反向断态重复峰值电压UDRM和URRM中较小的一个电压值称为晶闸管的额定电压UT。 正、反向断态重复峰值电压UDRM、URRM：晶闸管门极开路(Ig=0)、器件在额定结温时，允许重复加在器件上的正、反向峰值电压。一般分别取正、反向断态不重复峰值电压（UDSM、URSM） 的90%。正向断态不重复峰值电压应小于转折电压（Ubo）。,22,机械工业出版社,通态平均电流IT(AV)：在环境温度为40和规定的散热条件下、稳定结温不超过额定结温时，晶闸管允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是额定电流的参数。 维持电流IH：维持晶闸管导通所必需的最小电流，一般为几十到几百mA。,23,
10、机械工业出版社,3.电力场效应晶体管电力MOSFET （1）基本特性,图2-3 电力MOSFET结构图和电路图形符号,24,机械工业出版社,a)转移特性 b)输出特性 图2-4 电力MOSFET的转移特性和输出特性,25,机械工业出版社,（2）主要参数 漏极电压UDS 漏极直流电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM 漏源通态电阻RDS(on)：在栅源间施加一定电压（1015V），漏源间的导通电阻。 栅源电压UGS：栅源之间的绝缘层很薄，当|UGS|20V时将导致绝缘层击穿。,26,机械工业出版社,（2）主要参数 极间电容：MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD、CDS。一般生
11、产厂商提供的是漏源极短路时的输入电容Ciss、共源极输出电容Coss和反向转移电容Crss 。 Ciss= CGS+ CGD （2-1） Crss=CGD （2-2） Coss=CDS+CGD （2-3）,27,机械工业出版社,4.绝缘栅双极型晶体管IGBT （1）基本特性：,图2-5 IGBT电路符号图形,静态特性与P-MOSFET类似； UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）； UGE足够大（一般为515V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC0。 优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高,28,机械工业出版社,（2）主要参数 最大
12、集射极间电压BUCES：该参数决定了器件的最高工作电压，这是由内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定的。 最大集电极电流ICM：包括在一定壳温下的额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗PCM：在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 集射极间饱和压降UCE(sat)：对栅极与发射极（GE）间施加一定正向电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射极（CE）间的饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时，呈负温度系数，在电流较大时，为正温度系数，这一特性使IGBT并联运行较为容易。,29,机械工业出版社,2.2 半导体功率器件的驱动与保护电路 实际的电力电子变换器是由主电路、驱动器及
13、保护电路、控制电路、检测与显示电路等多个子系统构成。驱动器接受控制系统输出的控制信号，经功率放大和隔离后，驱动功率开关器件的导通、关断，是连接功率器件与控制系统的桥梁。由于半导体功率开关器件种类繁多，不同的开关器件对驱动器的性能要求不尽相同，典型的驱动器分为电流驱动型器件和电压驱动型器件的两大类驱动器。电流驱动型器件主要有SCR、GTO和GTR，电压驱动型器件主要有MOSFET、IGBT和SIT等。,30,机械工业出版社,2.2.1 晶闸管SCR触发驱动器,图26采用变压器隔离的SCR驱动器,图27 采用光耦隔离的SCR驱动器,31,机械工业出版社,2.2.2 IGBT和MOSFET驱动器,和
14、双极型晶体管（GTR）不同，功率MOSFET和IGBT器件都是属于电压驱动型，输入阻抗很大，为提高器件的开关速度，电压驱动型器件的栅极驱动器除应具有更快的响应速度（ns级）外，同样需要足够大的栅极驱动能力（一般为15V）和反向电压（一般为5v），以保证瞬时完成对等效栅极电容的充电或放电过程。,32,机械工业出版社,功率MOSFET和IGBT器件驱动器应用实例,1TLP250功率驱动电路及应用,图29 TLP250组成的驱动电路,33,机械工业出版社,2UC3724/UC3725驱动电路,图210 UC3724/3725功率MOSFET驱动电路,34,机械工业出版社,3IHD680驱动电路,图2
15、11 IHD680驱动电路,35,机械工业出版社,4MAX4428驱动电路,图212 MAX4428驱动电路,36,机械工业出版社,5IR2110驱动电路,图213 IR2110驱动电路,37,机械工业出版社,6EXB841驱动电路,图214 EXB841内部电路,38,机械工业出版社,2.2.3 功率器件的保护电路,1过电流保护电路,过电流保护在电源变换电路中是一个很重要的环节，直接影响到装置的可靠性。 MOSFET和IGBT的过流允许值一般为2倍的电流额定值，IGBT允许过流时间一般20s， MOSFET允许过流时间还要小。考虑到过电流发生和硬件保护电路需要一定的时间，因此要求过电流检测的
16、电流传感器（一般用霍尔传感器）响应速度要快。 除了在驱动电路中加过流保护功能外，还要在整流电路输出、逆变电路输入、负载回路加过流检测进行过流保护。,39,机械工业出版社,电流传感器的安装位置可选择为：与直流母线串联，可以检测直流母线后的逆变电路或负载回路的过电流。与负载串联，可检测负载回路的过电流。与每一个IGBT串联，可直接检测IGBT的过电流，但使用的电流传感器多，成本高，一般不用。,图215 电流检测传感器的安装位置,40,机械工业出版社,2过电压保护电路,过电压的抑制方法常利用电容对电压冲击的缓冲作用，设计合适的缓冲电路吸收du/dt或采用软开关技术。采用性能良好的缓冲电路，可使功率MOSFET或IGBT工作在较理想的开关状态，缩短开关时间
