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1、第一章 电力电子器件 411概述 412 电力二极管 512 1 普通二极管 5122 快恢复二极管 512 3 肖特基二极管 61 3 晶闸管 61 31 普通晶闸管 6132 快速晶闸管（ Fast Switching Thyrisor FST）8133 双向晶闸管（ TRIAC ） 8134 逆导晶闸管 （RCT） 8135 光控晶闸管（ LTT ） 9136 门极可关断晶闸管 GTO 9137 MOS 控制晶闸管 10138 集成门极换向型晶闸管（ IGCT ） 11139 静电感应晶闸管 SITH 1214 晶体管 121 41功率场效应晶体管 121 42 绝缘栅双极晶体管 IGB
2、T 131 43 静电感应晶体管 SIT 15第二章电力电子控制技术 1621 直流斩波电路 16211 降压斩波电路 16212 升压斩波电路 172 13升降压斩波电路 182 1 4Cuk 斩波电路 192. 1. 5 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路 2122 整流电路（ AC-DC ） 232. 2.1 三相半波可控整流电路 232. 2.2 三相半控桥式整流电路 242. 2.3 三相全控桥式整流电路 262. 3 逆变电路（ DC-AC ） 282. 4 交交变频（ AC-AC ） 302. 4. 1 ACAC 变换的典型电路 312. 4. 2 交交变频和交直交变频的比较
3、 332. 5 PWM 控制的基本原理 34第三章电力电子技术在各行业的应用 373. 1 变频器 373. 2 电子电源 393. 2. 1 开关电源 393. 2. 2 不间断电源 （UPS） 413. 2. 3 感应加热电源 433. 3 电力电子技术在电力系统中的应用 453. 3. 1 发电系统 46332 输电系统 48333 配电系统 64、八 、-前言电力电子技术又称为功率电子技术， 它是用于电能变换和功率控制的电子技 术。电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段， 是当代高新技术发展的重要内 容，也是支持电力系统技术革新和技术革命发展的重要基础，并成为节能降耗、 增产节约、提高
4、生产效能的重要技术手段。 微电子技术、 计算机技术以及大功率 电力电子技术的快速发展， 极大地推动了电工技术、 电气工程和电力系统的技术 发展和进步。电力电子器件是电力电子技术发展的基础。 正是大功率晶闸管的发明， 使得 半导体变流技术从电子学中分离出来， 发展成为电力电子技术这一专门学科。 而 20 世纪 90年代各种全控型大功率半导体器件的发明， 进一步拓展了电力电子技 术应用和覆盖的领域和范围。 电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济的各 个部门，包括钢铁、 冶金、化工、电力、石油、汽车、运输以及人们的日常生活。 功率范围大到 几千兆瓦的高压直流输电，小到不足 1W 的手机电池充电器，
5、电 力电子技术的应用随处可见。据统计，在发达的工业化国家，电厂发电效率，降 低了能源的消耗， 方便了人们的生活， 提高了劳动生产率。 各个电力电子设备的 生产厂家形成了相关的产业群体，是国民经济的重要组成部分。电力电子技术在电力系统中的应用也有长足的发展，例如高压直流输电（HVDC ）、静止无功补偿（SVC）、大型发电机静止励磁、抽水蓄能机组的软启 动、超高压交流输电线的可控串联补偿（TCSC）等等。电力电子技术是电力系 统中发展最快、 最具活力的组成部分。 电力电子装置与传统的以机械式开关操作 的设备相比，具有动态响应快，控制方便、灵活的特点，能够显著地改善电力系 统的特性，在提高系统稳定、
6、 降低运行风险、 节约运行成本方面具有很大的潜力。 最近，电力系统的研究发展的热点灵活交流输电系统就是以电力电子技术在电 力系统的应用为主要的技术手段， 以改进和提高电力系统的可控性和灵活性为主 要目的的。各种用户的特制电力供电方式也离不开电力电子技术。第一章电力电子器件1. 1概述电力电子器件与普通半导体器件一样，目前它所采用的主要材料仍然是单晶 硅，但由于电压等级和功率要求不一样， 制造工艺也有所不同。以开关方式应用 于主电路之中，对电能进行变换和控制的半导体器件称为电力电子器件。其主要特点为：（1）电力电子器件具有体积小、质量轻、寿命长、耗电省、耐振性好等优点。（2）与用于电力电子电路的
7、半导体器件相比，由于电力电子器件直接用于电力 电路，所以承受电压、电流的能力是它的重要参数，提高它所能处理电功 率的能力是电力电子器件制造和应用的首要问题。（3）电力电子器件一般都工作在开关状态，目的是为了减少本身的损耗，高效 地完成对电能的变换与控制。（4）实际应用中，电力电子器件还需要控制电路、驱动电路以及必要的散热措 施等，才能构成一个完整的电力电子系统。近50年来，电力电子器件经历了非常迅猛的发展，从大功率电力二极管、半 控型器件晶闸管到导通关断都可控的全控型器件， 从驱动功率较大的电流控制器 件到驱动功率很小的电压控制器件， 从低频开关倒高频开关，从低压小功率到高 压大功率，各种电力
8、电子器件如表1所示，对其可从以下三个角度进行分类。 表1各种类型的电力电子器件类型名称中文名称英文名称分 、立 器 件不可控器件电力二极管Power Diode半控型器件晶闸管（可控硅）Thyristor(SCR)全控 型器 件电流控制器件电力晶体管（双极型晶体管）GTR( BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管Power MOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶体管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块功率模块Power Module单片集成模块System on a Chip智能功率模块IPM1. 2电力二极管电力二极管(Power Diode )
9、通常也被称为半导体整流管(Semic on ductorRectifier SR或者电力整流管，在20世纪50年代初期获得应用，成为出现 最早、结构最简单的电力电子器件，至今仍广泛应用于各种电力电子设备中。具有单向导电特性的二极管在不同的电路中起着不同的作用，例如在交流一直流变换中作为整流器件，在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流元件，在晶闸管逆变电路中作为反向充电和能量传输元件，在各类变换器中作为隔离、箝 位、保护元件等。由二极管的工作速度来决定，它的适应范围，如在共频整流电 路中，基本上对二极管开关速度没有什么要求，而在高频变流器中就必须采用恢 复时间短的二极管。依次二极管可分为三类：
10、普通二极管、快恢复二极管和肖特 基二极管。如图1.1所示。1. 2.1普通二极管普通二极管多用于1kHz以下的整流电路中，由于工作频率低，反向恢复时间 并不重要，一般为25us左右。电流定额由小于1A到树百安，电压等级从 50V 到高达5kHz.1. 2. 2快恢复二极管快恢复二极管也称为开关二极管，这类二极管的反向恢复时间通常小于5us，适用于高频下的斩波和逆变电路。高于400V的快恢复二极管常用扩散法制造，用掺金或铂控制反向恢复时间t n的大小。用外延法制造的二极管具有更快的开 关速度，使恢复时间可低于 50ns，叫做超快恢复二极管。由于工艺上的差别它 们的正向电压特性也略有不同。1. 2
11、.3肖特基二极管肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称，又称为面垒二极管，常用SBD表示。 SBD是通过金属与半导体接触而构成的。当它们接触后，电子就从半导体向金属 扩散，结果在半导体一侧形成空间电荷区、内电场和势垒。金属和半导体之间的 接触势垒就是肖特基势垒。在外电压的作用下，SBD也表现出单向导电的特性。但是，SBD在正向导通时，N型区中的电子是流到金属中而不是流到 P型半导体 中，因此不存在扩散电容的问题。恢复时间仅是势垒电容的充放电时间。 其反向 恢复时间远小于相同定额的结型二极管，而且反向恢复时间与反向di/dt无关,正向压降较小，漏电流较大，电压定额较低。(b) 快恢复二极管图1.1
12、 (a)普通二极管(b)肖特基二极管(d)大功率二极管1. 3晶闸管1. 3. 1普通晶闸管普通晶闸管曾称为硅可控整流器，简称可控硅，为方便起见往往仍沿用SCR表示普通晶闸管。SCF是具有四层PNPN结构、三端引出线的半导体器件，外形有两种形式：螺栓形和平板形，如图1.2所示图1. 2螺栓形和平板形晶闸管在螺栓形晶闸管中，螺栓一端是阳极A,使用时将该端用螺母固定在散热器上； 另一端有两条引线：粗引线是阴极 K，细引线是门极G其散热是用两个互相绝 缘的散热器把器件紧夹在中间，由于散热效果较好，容量较大的SCF都采用平板 式结构。N1 P2 N2APNPREaIaN1P2P1K晶闸管导通的工作原理
13、可以用双晶体管模型来解释，如图1.3所示。Ig |GIC1NPN S图1. 3晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a）双晶体管模型b）工作原理 如在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N构成的两个晶体管V和V2组合而成的。如果外电路向门极注入电流 Ig，也就是注入驱动电 流，则I G流入晶体管V2的基极，即产生集电极电流I C2，它构成晶体管V的基极 电流，放大成集电极电流Ic1，又进一步增大了 匕的基极电流，如此形成强烈的 正反馈，最后V和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路 注入门极的电流Ig,晶闸管由于内部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状 态
14、。而若要使晶闸管关断，必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压， 或者设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关 断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流 I G的电路称为门极触发电路。也正是由于通过其门极只能控制其开通， 不能控制其关断，晶闸管才被称为半控型器件1. 3. 2 快速晶闸管(Fast Switching Thyrisor FST)快速晶闸管（如图1.4 ）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快 速晶闸管和工作在更咼频率的咼频晶闸管，可分别应用于400kHz和10kHz以上的斩波或逆变电路中。由于对普通晶闸管的管芯结构和制造工艺进行了改进，快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量都有了明显改善。从关断时间来 看，普通晶闸管一般为数百微妙，快速晶闸管为树十微妙，而高频晶闸管则为 10us左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管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，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能 忽略其开关损耗的发热效应。图1. 4快速晶闸管1. 3. 3双向晶闸管（TRIAC ）双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，它有两个主电极T1和T2, 个门极G门极使器件在主电极的正反方向均可触发导通，所以双向 晶闸管在第I和第U象限有对称
