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（SCR）、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、J3三个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12-2 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。
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：①晶闸管的阳极与阴极间加正向电压，即UAK＞0②控制极与阴极之间加足够正向电压，即UGK＞02）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UBO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极管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2~3倍2）额定电流IT（AV）选晶闸管时，按式IT（AV）=（1.5~2）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，IG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R×100或R×1K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R×1K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R×10或R×100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1．双向晶闸管结构a） b） c）图12-4 双向晶闸管a）结构 b）等效图 c）符号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（T1）、第二阳极（T2）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（P1N1P2N2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，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 四种触发方式四种触发方式中的灵敏度各不相同，其中Ⅲ+方式灵敏度最低，因此在实际应用中只采用（Ⅰ-，Ⅲ-）和（Ⅰ+，Ⅲ-）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2~3倍。
380V电路中的交流开关，一般选用1000V~1200V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，IT（RMS）应为电机最大额定电流的7~10倍3）换向能力的选择一般选用为220V/µ s的双向晶闸管4．双向晶闸管的判别（1）T2极的判别用万用表R×1K测G与T1、T2中任意两个电极的正反向电阻，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T22）T1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UDS＜0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图12-5b所示 a） b） c）图12-5 MOSFET管符号和结构a）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MOSFET2）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、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（UGS＞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（UGS＜0）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，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Ⅰ：UGS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Ⅱ：在该区中，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而加大，ID近似为一常数当MOSFET用于线性放大时，则工作此区内击穿区Ⅲ：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UGS＞UT时，器件才导通，UT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，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小，因而具有开关速度快的特点4．功率MOSFET的主要参数（1）通态电阻RonRon是功率MOSFET管的主要参数通常规定：在确定栅源电压UGS下，功率MOSFET由可调电阻区Ⅰ进入线性放大区Ⅱ时的漏、源极间直流电阻为通态电阻它是影响最大输。