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电力电子技术电力电子技术绪绪 论论 主讲：主讲：任任 国国 海海 2018.9.2018.9.一、什么是电力电子学一、什么是电力电子学o模拟电子技术n主要内容模拟信号变换和处理u模拟信号的幅度变换及加、减、乘、除等运算u模拟信号的整形、滤波u模拟信号的特征变换，如交直变换、变频、移相。o数字电子技术n主要内容逻辑变换和逻辑运算u数字信号的与、或、非等逻辑变换u数字信号的加、减、乘、除等运算一、什么是电力电子学一、什么是电力电子学o电力电子学（PowerElctronics）n主要内容电能的高效变换和控制u电能形态的变换：电压、电流、频率和波形的变换u输出能量的控制：输出电流、电压、功率及功率因数等控制n特点大功率电能变换与控制u应用于电力技术领域的电子学，大功率变换u电气工程、电子技术、控制技术综合应用n工程应用中通常称为电力电子技术一、什么是电力电子学一、什么是电力电子学o电力电子技术的特征n在电能的产生与使用之间建立一种联系n电路中的半导体器件作为电子开关运用u模拟电子技术中半导体器件一般工作于线性放大状态u电力电子电路中半导体器件工作于开关状态n电路变换效率高电力电子与模拟电子在直流调压中的对比电力电子与模拟电子在直流调压中的对比模拟电子方式的损耗：电力电子开关方式损耗：理论上趋于0+E-VT小功率可调基准源RL等效电路一、什么是电力电子学一、什么是电力电子学o电力电子系统的组成n主电路：完成电能变换n控制电路：协调整个系统正常工作n缓冲电路：在主电路中保护半导体器件n驱动电路：传递控制信号，控制半导体器件开关n保护电路：分为两部分，一部分在主电路中实现故障保 护，多为熔断器与机械开关；另一部分融合 于控制电路中，通过电子检测实现故障保护。一、什么是电力电子学一、什么是电力电子学电力电子技术与电能控制的关系电力电子技术与电能控制的关系一、什么是电力电子学一、什么是电力电子学o典型的电力电子系统典型的电力电子系统二、电力电子技术的发展与现状二、电力电子技术的发展与现状o电力电子器件的进步推动电力电子学的变革发展n1957年通用电气公司发明晶闸管，标志着电力电子技术的 诞生，相控变换技术广泛应用；n20世纪70年代后期，GTO、GTR、P-MOSFET迅速发展，PWM控制技术推广应用；n20世纪80年代后期，IGBT开始推广应用，大功率变换进入以IGBT+PWM技术为主流的时代；n20世纪90年代，为降低器件开关损耗，软开关技术开始推广应用；二、电力电子技术的发展与现状二、电力电子技术的发展与现状n进入21世纪以后u为了实现高频和低EMI的大功率变换，多电平变换技术逐步推广应用；u电力电子系统集成化研究成为热点，目前主要集中于电力电子器件与控制电路的集成、磁性元件的集成两大块。三、电力电子技术的应用三、电力电子技术的应用o电源n弧焊电源n电解、电镀电源n不停电电源（UPS）n恒频恒压电源n直流开关电源n充电电源n感应加热电源n脉冲电源、激光电源n。数码产品广泛应用各类开关电源数码产品广泛应用各类开关电源手机电脑数码相机复印打印机摄像机平板电视超导储能电源超导储能电源感应加热电源感应加热电源塑料薄膜加工等离子体放电装置塑料薄膜加工等离子体放电装置人工心脏电源人工心脏电源三、电力电子技术的应用三、电力电子技术的应用o电力传动n风机、泵类节能调速n精密调速与特种调速n牵引传动n电气化轨道交通电气化轨道交通电气化轨道交通电动汽车电动汽车三、电力电子技术的应用三、电力电子技术的应用o电力系统n高压直流输电技术n大型发电机的静止励磁控制n水力、风力发电机的变速恒频励磁控制n无功补偿与谐波抑制n柔性交流输电与分布式智能供电系统o新能源应用n风能、太阳能、潮汐能、地热能等应用电网电源常见问题波形示意图电网电源常见问题波形示意图未来电力系统将大量应用电力电子未来电力系统将大量应用电力电子技术以提高电力品质和供电效率技术以提高电力品质和供电效率SVG：StaticVarGenerator（静止无功发生器）HVDC：HighVoltageDirectCurrentTransmission（高压直流输电）APF：有源电力滤波器BTB：背靠背换流站HVDC：HighVoltageDirectCurrentTransmission（高压直流输电）BTB：背靠背换流站HVDC：HighVoltageDirectCurrentTransmission（高压直流输电）SVG：StaticVarGenerator（静止无功发生器）BTB：背靠背换流站HVDC：HighVoltageDirectCurrentTransmission（高压直流输电）APF：有源电力滤波器单击此处添加备注静止无功发生器）BTB：背靠背换流站HVDC：HighVoltageDirectCurrentTransmission（高压直流输电）APF：有源电力滤波器SVG：StaticVarGenerator（静止无功发生器）BTB：背靠背换流站HVDC：HighVoltageDirectCurrentTransmission（高压直流输电）风力、太阳能发电系统风力、太阳能发电系统风力发电风力发电太阳能发电太阳能发电三、电力电子技术的应用三、电力电子技术的应用o照明照明n各类气体放电灯各类气体放电灯 电子镇流器电子镇流器nLED照明驱动器照明驱动器杭州湾大桥西湖夜景面向军事应用领域举例面向军事应用领域举例标准电力电子模块标准电力电子模块双向逆变器储能辅助系统功率源交流发电机双向逆变器双向逆变器传送带发动机能量管理和控制集中运行中心功率控制模块分区配电系统船用操作变流器模块船用操作变流器模块船用操作逆变器模块燃料电池发电模块发电模块配电模块配电模块永磁马达永磁马达耐故障的固态配电系统耐故障的固态配电系统电抗冰装置电抗冰装置电动制动电动制动发动机发动机固态功率控制器固态功率控制器电传动辅助设备；电传动辅助设备；环境控制系统；环境控制系统；发动机辅助设备发动机辅助设备固态遥固态遥控端口控端口备用功率单备用功率单元发电机元发电机电动飞行电动飞行执行机构执行机构电源电源负载负载功率功率端口端口功率端口功率端口控制控制系统控制系统控制电动机控制器电动机控制器备用负载配电和控制备用负载配电和控制四、本课程主要教学内容四、本课程主要教学内容o绪 论o第一章 电力电子器件及其应用o第二章 直流直流变换技术o第三章 直流交流变换技术o第四章 交流直流变换技术o第五章 交流交流变换技术o第六章 软开关与多电平变换技术（自学）四、本课程主要教学内容四、本课程主要教学内容o课程主要教学内容课程主要教学内容n常用电力电子器件的特性与控制方法n常用缓冲电路的结构与设计方法n电力电子变换主电路的结构、控制原理、运行分析n主电路运行分析结果在工程设计中的应用方法o电力电子变换外围电路电力电子变换外围电路n包括控制电路、驱动电路、保护电路等，通过综合运用模电、数电、微机、控制理论等课程知识来完成，本课程不作介绍五、本课程的学习五、本课程的学习o课程特点课程特点n电力电子典型主电路拓扑结构基本固定、数量不多n典型主电路控制在不同的控制方法或不同运行条件下电路输出结果截然不同n明确主电路结构、明确控制方法和运行条件的情况下，运行分析结果可直接作为工程设计的依据o应用型本科教学的要求应用型本科教学的要求n了解常用电力电子器件的特性，重点掌握相应器件的选用方法n了解典型拓扑电路的工作原理、常用控制方法及不同条件下电路运行特点，重点掌握典型电力电子主电路的工程设计方法五、本课程的学习五、本课程的学习o研究型本科教学的要求（供考研同学参考）研究型本科教学的要求（供考研同学参考）n了解常用电力电子器件的特性，重点掌握相应器件的应用控制方法和元器件正确选用的方法n了解典型拓扑电路工作原理和控制方法，重点掌握典型电路运行分析的方法，能够熟练应用于其它同类电路的运行分析六、电力电子应用能力培养体系六、电力电子应用能力培养体系第一章第一章 电力电子器件及其应用电力电子器件及其应用 主讲：任主讲：任 国国 海海2018.9.电力电子技术电力电子技术311.1 1.1 概述概述o电力电子器件的分类电力电子器件的分类n按照器件的控制能力分为以下三类类别类别不可控型不可控型半控型半控型全控型全控型常用器件功率二极管、功率稳压二极管、瞬变尖峰电压抑制二极管普通晶闸管、双向晶闸管功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、门极可关断晶闸管特点及应用二极管用于控制电流方向；稳压二极管用来控制电压幅度；瞬变尖峰电压抑制二极管用于功率器件的尖峰电压抑制可以用脉冲控制其开通；一旦开通不能用控制极关断；常用于交流回路的功率控制可以利用控制极控制器件开通和关断；广泛应用于各种现代电力电子系统中321.1 1.1 概述概述n按照器件控制参量特征分为两类u电流驱动型：控制端注入或者抽出电流来实现导通或 者关断的控制，如SCR、GTR、GTOu电压驱动型：控制端和公共端之间施加一定的电压信 号控制导通或关断，其本质是通过控制 端上的电压在器件的两个主电路端子之 间产生可控的电场来改变流过器件的电 流大小和通断状态，所以又称为场控器 件，或场效应器件，如IGBT、MOSFET331.1 1.1 概述概述n按照器件内部载流子参与导电的情况分为三类u单极型器件：仅由一种载流子参与导电的器件；如MOSFETu双极型器件：由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；SCR、GTR、GTOu复合型器件：由单极型器件和双极型器件集成的器件；如IGBT341.1 1.1 概述概述o电力电子器件的一般工作特征n电力电子器件一般都工作在开关状态n电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制 驱动电路、控制电路n工作时由于通态损耗、开关损耗等引起发热 器件工作时一般都要考虑散热设计或安装散热器。351.2 1.2 功率二极管功率二极管o功率二极管的主要类型n普通二极管（GeneralPurposeDiode）u又称：整流二极管（RectifierDiode）u特征：反向恢复时间较长，一般在5s以上u多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中u正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上361.2 1.2 功率二极管功率二极管n快速恢复二极管（FastRecoveryDiode，FRD）u特征：反向恢复时间为数百纳秒或更长u分为快速恢复和超快速恢复（反向恢复时间100ns以下，甚至达到2030ns）两个等级。u正向导通压降在1V左右或更大371.2 1.2 功率二极管功率二极管n肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）u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，简称肖特基二极管u肖特基二极管的特点 反向恢复时间1040ns，正向恢复过程无明显电压过冲正向压降一般在0.5V左右开关损耗和导通损耗比快速二极管小，效率高 反向耐压一般较低，多用于200V以下反向漏电流较大且对温度敏感，须严格限制其工作温度381.2 1.2 功率二极管功率二极管o功率二极管封装结构 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装 391.2 1.2 功率二极管功率二极管o 静态特性(静态伏安特性）具有单向导电性正偏时导通，压降1V左右。通态损耗：（表现形式为发热）反偏达到击穿电压前，仅有很小的反向漏电流流过。反偏在达到击穿电压UB后，反向电流急剧增加。功率二极管的静态伏安特性401.2 1.2 功率二极管功率二极管o功率二极管的动态特性n二极管导通与截止状态之间的转换引起PN结电容带电状 态调整，此过程中二极管两端电压、电流随时间动态变 化，反映通态和断态之间的转换特性，又称开关特性。n分为开通过程和关断过程两部分，其产生的损耗也表现为发热 411.2 1.2 功率二极管功率二极管开通过程 正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间 tfr。开通损耗：开通过程电压与电 流形成的损耗其中：T为开关周期，以下类似功率二极管的开通过程开通过程时间极短，一般可忽略421.2 1.2 功率二极管功率二极管关断过程 二极管从导通变为关断经过一个反向恢复过程，期间有较大的反向电流与明显的反向电压过冲。延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度（恢复系数）：Sr=tf/td 同等条件下，Sr大则URP较小功率二极管的关断过程关断损耗：一个开关周期内关断过程产生的损耗431.2 1.2 功率二极管功率二极管o功率二级管主要参数n正向平均电流 IF(AV)l即额定电流，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，允许流过的最大工频正弦半波电流的平 均值l实际应用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。441.2 1.2 功率二极管功率二极管n定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf表示，即n对于正弦半波电流，假定其电流峰值为IM，则其平均值为 n其正弦半波电流的有效值为451.2 1.2 功率二极管功率二极管n正弦半波电流的波形系数n实际使用中，流过二极管的电流波形并不一定是正弦半波，对于周期性的电流波形都可以计算电流有效值，依据有效值相等的原则，选择二极管额定电流 式中：ksai是电流安全系数，一般取ksai2；IDrmsmax是流过二极 管的最大实际电流有效值，IF(AV)是二极管额定电流值。461.2 1.2 功率二极管功率二极管n正向压降UF指功率二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降n反向重复峰值电压URRM指对功率二极管所能重复施加的反向最高峰值电压通常是其雪崩击穿电压UB的2/3使用时，往往按照电路中功率二极管可能承受的反向最高峰值电压的1.5倍左右来选定该值 471.2 1.2 功率二极管功率二极管n反向恢复时间trrtrr=td+tf，关断过程中，电流降到0开始到恢复反向阻断 能力为止的时间n浪涌电流IDSM指功率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。n最高工作结温TJM最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的 最高平均温度 48课堂思考课堂思考1、脉冲工作下二极管正、反 向恢复时间对输出的影响 以半波整流电路为例分析 说明 URUP49课堂思考课堂思考 1、脉冲工作下二极管正、反向恢复时间对输出的 影响UPURUPURtt过程时间极短，通常忽略不计与反向恢复时间相关50课堂思考课堂思考2、半波整流电路，输入正弦电压值100V，频率 10kHz，电流有效值10A，如何选择二极管？51课堂思考课堂思考2、二极管选择n额定压选择 URRM=ksau1.414100V，ksau为电压安全系数，一般取ksau1.5n反向恢复时间选择 信号周期100s，二极管反向恢复时间应满足：trr0产生IGVT2通产生 IC2VT1通IC1IC2出 现强烈的正反馈，VT1和VT2完 全饱和，SCR导通。晶闸管导通后，即使去掉门极电流，仍能维持导通。551.31.3晶闸管晶闸管o晶闸管的静态特性正向特性第I象限IG0，正向阻断；IG0，UAKUbo时硬开通IG增大，转折电压降低IG足够大，转折电压接近二极管 反向特性第象限u反向特性与二极管相似。晶闸管的静态特性IG2IG1IG0561.31.3晶闸管晶闸管o晶闸管的静态特性晶闸管的关断nIAKIH（维持电流），内部正反馈不能维持而关断l方法：增大负载阻抗、切断电流、UAK0，UGK0（或IGK0），并有足够的触发功率。一旦器件导通，门极电流就不再具有控制作用。因此，门极触发电流可用脉冲电流，无需用直流。n硬开通晶闸管IG=0时，为正向阻断状态，当正向电压超过正向转折电压，即UAKUbO时，则器件硬开通。硬开通为非受控状态，会引起电路故障，通过选择合适的器件额定电压来避免。75晶闸管知识要点晶闸管知识要点o晶闸管开通控制ndu/dt导通晶闸管IG=0时，为正向阻断状态，当UAK两端的电压变化率过大时，PN结电容流过的位移电流有可能触发晶闸管导通，此种状态为误导通。误导通为非受控状态，会引起电路故障，通过采用缓冲吸收电路抑制du/dt 值来避免。76晶闸管知识要点晶闸管知识要点o晶闸管的关断 自然关断：在导通期间，如果要求器件返回到正向阻断状 态，必须令门极电流为零，且将阳极电流降低到 一个称为维持电流的临界极限值以下，并保持一 段时间。强迫关断：通过加一反向电压UAK0，并保持一段时间使其 关断。77晶闸管知识要点晶闸管知识要点晶闸管可靠关断的条件关断时间tq 恢复晶闸管电压阻断能力所需的最小电路换流反压时间。电路换流反压时间t 正向电流过零点与重新施加正向电压的起点之间的时间间隔。可靠关断的条件 UAKtq（确保足够的tgr时间）。由于在触发导通时积累的非平衡载流子需要恢复时间，使其可靠关断，因此需要在ttq之后再施加正向电压而不会导通。78晶闸管知识要点晶闸管知识要点o晶闸管的参数n电流额定参数定义为正弦半波平均值，不同工作波形须按有效值相等原理折算。n额定电流、额定电压均须留有足够余量。n开通时触发电流足够大，关断时保持足够的反压时间。791.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件*快速晶闸管（Fast Switching Thyristor,FST）包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管管芯结构和制造工艺进行了改进，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，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应801.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件*双向晶闸管（TriodeACSwitch，TRIAC）相当于一对反并联晶闸管的集成，主电极T1和T2，门极G门极正、负脉冲电流均可触发，正、反向均可触发导通有效值表示额定电流值交流调压、固态继电器和交流电机调速等领域应用811.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件*逆导晶闸管（ReverseConductingThyristor，RCT）晶闸管反并一个二极管的集成器件额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流常应用于各类逆变器和斩波器中。821.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件*光控晶闸管（LightTriggeredThyristor,LTT）又称光触发晶闸管，利用一定波长的光照信号触发导通多在高压大功率的场合应用831.3.4 1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件*门极可关断晶闸管(Gate-Turn-OffThyristor，GTO)当UAK0，UGK0（或IGK0），触发导通门极施加负的脉冲电流（IGK0）使其关断全控型器件（控制极可以控制开通、也可以控制关断）在大功率场合仍有较多的应用GTO电气图形符号841.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）oGTR的结构和工作原理基本原理与普通的双极结型晶体管一样主要特性:耐压高、电流大、开关特性好采用达林顿接法组成的多单元并联结构分NPN和PNP两种，一般为NPN，PNP耐压低851.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o静态特性分为：截止区、有源区（放大区）和饱和区、失控区n截止区（又称阻断区）l特征：iB0，iC0，开关处于断态l工作状态：UBC0，UBE0；n有源区（又称放大区或线性区）l特征：iC与iB之间呈线性关系，特性曲线近似平直l工作状态：UBC0 l工作于开关状态的GTR来说，要快速通过有源区，实现截止与饱和的状态转换，否则功耗很大。861.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）GTR静态工作特性静态工作特性871.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）n饱和区l特征：UCE0，iB增大时，iC不再随之变化l工作状态：UBC0，UBE0n准饱和区l特征：iC与iB呈非线性关系，l工作状态：UBC0，UCE0n失控区l当UCE超过一定值时，晶体管进入失控区，会导致雪崩击穿。uUCEO为基极开路时集、射极之间的击穿电压；uUCES为基极和发射极短接时集、射极之间的击穿电压；uUCEX为发射极反偏时集、射极之间的击穿电压；uUCBO为发射极开路时集电极与基极之间的击穿电压881.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o 动态特性n开通过程u延迟时间：tdu上升时间：tru开通时间：tontd+tru增大IB1的幅值并增大diB/dt，可缩短延迟时间与上升时间，加快开通过程 GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形891.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）n关断过程储存时间：ts下降时间：tf关断时间：toffts+tf减小导通饱和深度、增大基极负电流IB2幅值和负偏压，可缩短储存时间，加快关断减小饱和深度副作用：增加饱和压降，增大通态损耗GTR的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形901.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）GTR主要参数除电流放大倍数、直流电流增益hFE（hFE）、集射极间漏电流ICEO、集射极间饱和压降UCES、开通时间ton和关断时间toff之外有：n最高工作电压UCEM uGTR上电压超过规定值时会发生击穿u击穿电压与晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关，有UCBOUCEXUCESUCEOu实际使用时，最高工作电压UCEM要比UCEO低得多 911.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）n集电极最大允许电流ICM通常规定为hFE下降到规定值的1/21/3时所对应的IC实际使用时要留有裕量，只能用到ICM的一半或稍多一点n集电极最大耗散功率PCM最高工作温度下允许的耗散功率产品说明书中给PCM时同时给出壳温TC，间接表示了最 高工作温度 n最高结温TJM硅管一般为125175之间921.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）GTR的二次击穿现象与安全工作区n一次击穿u集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大，出现雪崩击穿u特点：在IC增大过程中，集电结电压基本不变，只要IC不超 过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变；n二次击穿u一次击穿发生时IC增大到某个临界点时会突然急剧上升，并 伴随集电极电压的陡然下降，即出现了负阻效应，这种现象 称为二次击穿。u二次击穿的持续时间很短，一般在纳秒至微秒范围，常常 立即导致器件的永久损坏。931.4 1.4 功率晶体管（功率晶体管（GTR）o安全工作区（SafeOperatingArea，SOA）安全工作区通常由最大工作电流、最大耗散功率、最高工作电压构成。晶体管增加二次击穿临界线PSB （GTR特有）实际应用时器件必须工作于 安全工作区的范围内，以免 损坏。GTR的安全工作区的安全工作区94课堂思考课堂思考o如何控制功率晶体管开通、关断？o如何利用功率晶体管实现电子开关的功能？功率晶体管电路饱和导通、截止的标志性参数是什么？o如何有效利用驱动脉冲波形加快功率晶体管的开通、关断速度？如何保证晶体管可靠进入饱和导通状态？o功率晶体管基极突加反向电压时，基极会有反向电流吗？o什么是安全工作区？功率晶体管的安全工作区有什么特殊性？什么是晶体管的二次击穿现象？o晶体管额定电流的定义，如何正确选择晶体管的额定电流？951.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)o功率场效应晶体管基础知识n通 常 指 绝 缘 栅 型 中 的 MOS型（Metal OxideSemiconductorFET），简称功率MOSFET（PowerMOSFET）n特点u栅源极电压（电场）控制漏极电流u栅源极之间绝缘，需要的驱动功率小u开关速度快，工作频率高u无二次击穿现象u容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置 961.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的基本工作特性n功率MOSFET主要是N沟道增强型n截止：UDS0，UGS=0n导通：UDS0，UGSUGS(th)（典型值24V）971.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)（a）（b）oP-MOSFET的静态工作特性n可变电阻区：导通电阻与UGS相关n饱和区：压控恒流特性，ID仅与UGS相关，跨导n击穿区：电流失控，应予以避免n漏源极间有寄生二极管，加反向电压器件导通n通态电阻具有正温度系数，有利器件并联时的均流漏漏极极伏伏安安特特性性转转移移特特性性981.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的动态工作特性n极间电容等效模型u多数载流子器件，无少子存储效 应，开关速度快。u开关速度主要受极间电容影响。增大驱动电路功率，可以加快 充放电速度，充分发挥MOS管 开关速度u输入电容输入电容等效电路输入电容等效电路991.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的开通过程n开通延迟时间：td(on)n电流上升时间：trin电压下降时间：tfvn开通时间：tontd(on)+tri+tfv1001.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的关断过程n关断延迟时间：td(off)n电压上升时间：trvn电流下降时间：tfin关断时间:toff=td(off)+trv+tfi1011.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的主要参数除跨导gm、开启电压UGS(th)、td(on)、tr、td(off)和tf之外，还有：漏源击穿电压U(BR)DSS：规定了MOS管的电压定额漏极连续直流电流ID：在最大导通压降UDS(on)和占空比为100时，产生的功 率损耗使MOS管节点温度上升到最大值150（外壳 温度为100）时的漏极电流。可重复漏极电流幅值IDM：脉冲运行状态下MOS管漏极最 大允许峰值电流。栅源电压UGS：UGS20V将导致绝缘层击穿1021.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)极间电容：一般厂家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，它们之间的关系是：Ciss=CGS+CGD Crss=CGD Coss=CDS+CGD 输入电容可近似用Ciss代替，但这些电容都是非线性的。103oP-MOSFET的安全工作区 n正向偏置安全工作区（FBSOA）低压时受漏极电流和通态电 阻双重限制。由最大漏极电流限制线、最大 功耗限制线（近似直线，实际 为双曲线）、最大漏源电压限 制线、漏源通态电阻限制线决 定。1.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)1041.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的安全工作区n反向偏置安全工作区（RBSOA）n又称开关安全工作区（SSOA）u功率管关断时允许的工作范围u由最大漏极电流限制线、最大 漏源电压限制线、最高结温决定。1051.5 1.5 功率场效应晶体管功率场效应晶体管(P-MOSFET)oP-MOSFET的安全工作区n 转换安全工作区（CSOA）u表示寄生二极管开关过程 中的安全工作范围u由最大二极管正向电流、最大漏源电压限制线、二 极管换向时电流上升率来 决定106课堂思考课堂思考o如何开通、关断N沟道增强型场效应晶体管？o功率场效应晶体管的开启电压UGS(th)是什么含义？驱动电压UGS有什么限制？o绝缘栅场效应晶体管中“绝缘栅”的含义是什么？为什么场效应晶体管称为“场控器件”或“电压控制器件”？o绝缘栅场效应晶体管高频开关时，为什么需要一定的驱动功率？o绝缘栅场效应晶体管的正偏安全工作区与反偏安全工作区有何区别？转换安全工作区的含义是什么？o绝缘栅场效应晶体管额定电流的定义，如何正确选择P-MOSFET的额定电流？107 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT oIGBT的基本特性n复合器件：MOS与GTR复合，栅极G、集电极C和发射极En场控器件：UGEUGE(th)导通n饱和导通压降比P-MOSFET低1081.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT oIGBT的静态特性n正向阻断区：UGEUGE(th)，UCE0n有源区：压控恒流特性，IC仅与UGE相关，跨导n击穿区：电流失控，应予以避免109o IGBT的动态特性n开通过程开通延迟时间：td(on)电流上升时间：tri电压下降时间：tfv1、tfv2开通时间：ton=td(on)+tri+tfv1+tfv21.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT110oIGBT的动态特性n关断过程开通延迟时间：td(off)电压上升时间：trv电流下降时间：tfi1、tfi2关断时间：ton=td(off)+trv+tfi1+tfi21.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT111oIGBT的主要参数除了前面介绍的td(on)、tr、td(off)、tf、UGE(th)之外，还包括：n最大集射极间电压u超过规定值时可能发生击穿u击穿电压与晶体管本身特性有关，还与外电路接法有关；u栅射极短路时为UCES、栅射极开路时为UCEO、栅射极反偏 时为UCEXu有UCEXUCEOUCES，三者差别较小 1.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT1121.6 1.6 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBToIGBT的主要参数n最大集电极电流u集电极最大连续电流为额定电流，表征电流容量。u为避免锁定现象，规定了最大集电极峰值电流ICMn最大集电极功耗PCMu正常工作温度下允许的最大功耗n最大栅极电压uUGEuc时，输出+Uo（或-Uo）当usTcusmuc时，输出Uo（或-Uo）当usuc时，VT1、VT3导通，VT2、VT4关断，输出电压+Udusuc：VT1导通，VT4关断；usuc：VT2导通，VT3关断；-us/3）n区间1、2：VT1、VT5、VT6桥臂导通，uUO=+Ud/3i=-iV，iU过零点在1处，电流上升n区间3、4：VT1、VT2、VT6桥臂导通，uUO=+2Ud/3 i=iU，iU在1处过零，电流上升n区间5、6：VT1、VT2、VT3桥臂导通，uUO=+Ud/3i=-iW，电流上升n区间7、8：VT2、VT3、VT4桥臂导通，uUO=-Ud/3i=iV，电流下降n区间9：VT3、VT4、VT5桥臂导通，uUO=-2Ud/3i=-iU，电流下降3.8 3.8 三相三相SPWM逆变逆变o三相三相SPWM逆变电路结构（与三相方波逆变电逆变电路结构（与三相方波逆变电路同）路同）O3.8 3.8 三相三相SPWM逆变逆变三相三相SPWM逆变逆变控制方法控制方法n以幅度Ucm，频率为fc的三角载波uc，与三相正弦调制波 ugu、ugv、ugw（幅度Ugm，频率f互差2/3相位）比较形成三相SPWM调制波分别控制三个桥臂ugu形成的SPWM调制波控制VT1、4桥臂，ugv形成的SPWM调制波控制VT3、6桥臂，ugw形成的SPWM调制波控制VT2、5桥臂n同桥臂上下功率管互补工作n波形图例：mf=3，uguc时上桥臂导通，反之则反；3.9 3.9 三相三相SPWM逆变逆变3.8 3.8 三相三相SPWM逆变逆变o输出电压分析（输出电压分析（、条件下）条件下）输出相电压基波幅值：输出相电压基波有效值：输出线电压基波幅值：输出线电压基波有效值：输出线电压直流电压利用率：3.8 3.8 三相三相SPWM逆变逆变o三相负载不平衡的对策三相负载不平衡的对策n三相负载不平衡，则中点O的电位产生偏离，引起输出相电压不稳定，简单的处理办法是将母线中点与和三桥臂一起作为三相四线输出，则各相电压均独立加以控制。3.10 3.10 逆变器输出滤波器的设计逆变器输出滤波器的设计oLC滤波器的结构与特性滤波器的结构与特性 传递函数:3.10 3.10 逆变器输出滤波器的设计逆变器输出滤波器的设计oLC滤波器的幅频特性和相频特性滤波器的幅频特性和相频特性3.10 3.10 逆变器输出滤波器的设计逆变器输出滤波器的设计o滤波器设计的主要参数滤波器设计的主要参数n谐振频率：n滤波器特征阻抗：n品质因数：n滤波能力（谐波电压衰减率）：Ukom和Ukim为滤波器出端和入端最低次谐波电压幅值3.10 3.10 逆变器输出滤波器的设计逆变器输出滤波器的设计o滤波器谐振频率（转滤波器谐振频率（转折频率）折频率）f0的选择的选择n逆变器输出基波频率f1，最低次谐波电压频率f k，要求：（一般可取）n按滤波能力要求：o滤波器滤波器特征阻抗特征阻抗Z0选选择：择：3.10 3.10 逆变器输出滤波器的设计逆变器输出滤波器的设计oL0、C0参数选择考虑因素参数选择考虑因素（1）电感上基波压降对负载的影响，电容上基波电流对逆变器 的影响（2）纯电阻负载时，电容上基波电流将增大逆变器输出电流；但在感性负载时，容性电流与感性电流方向相反，只要C 不过大，逆变桥电流反而减小课堂思考课堂思考*o三相桥式三相桥式SPWM逆变电路，采用双极性调制，逆变电路，采用双极性调制，输入直流电压输入直流电压300V360V，各相负载电阻，各相负载电阻10，要求每相输出功率恒定，要求每相输出功率恒定1kW,逆变器载逆变器载波频率为波频率为20kHz，输出基波为，输出基波为50Hz，设计配，设计配套的套的L、C滤波电路及桥式逆变电路的相关滤波电路及桥式逆变电路的相关参数。参数。设计方法设计方法电电路路结结构构UVW设计方法设计方法o为了能够在负载上得到正弦电流波形应满足：o取o由于输出电流为正弦波，输出电流有效值为：设计方法设计方法o参考单相SPWM逆变双极性控制的电感脉动电流o此处每相最大脉冲电压 ，相当于上式中的Ud，则电感最大脉动电流：设计方法设计方法o电感电流峰值o功率开关管的有效值电流：o功率管承受最大电压：360Vo电容承受最大电压：240Vo逆变系统主电路参数选择n功率开关管：额定电压500V 额定电流15An滤波电感：电感量1mH 额定电流10A 峰值电流17.1An滤波电容：电容量22uF 额定电压400V作业：作业：3-43-53-123-143-15第四章第四章 交流直流变换技术交流直流变换技术 主讲：主讲：任任 国国 海海 2018.11.电力电子技术电力电子技术3964.1 4.1 概述概述o整流电路的概念 交流-直流变换电路又叫做整流电路（Rectifier），是将交流电能变换成直流电能的电路。o整流电路的分类n按电路结构：分为全波整流、半波整流和桥式整流等n按电路器件：分为二极管整流、晶闸管整流和PWM整流n按交流电源：分为单相整流、三相整流和多相整流o整流电路的应用 直流电动机的调速、蓄电池充电、电解和电镀、电子、通信系统中的基础电源等3974.2 4.2 二极管整流电路二极管整流电路o常用电路结构形式n单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流n三相半波整流、三相桥式整流o单相桥式二极管整流电路纯电阻负载工作分析直流输出电压平均值:负载直流电流平均值:负载(输入)电流的有效值:流过二极管的电流有效值:3984.2 4.2 二极管二极管整流电路整流电路3994.2 4.2 二极管整流电路二极管整流电路o自然换流点的认识n0时段VD1、VD4导通，负载上得到正弦交流电压的正半波。n2时段VD2、VD3导通，负载上得到正弦交流电压的负半波在0、2时刻，VD1、VD4与VD2、VD3的工作状态（导通或阻断）由外部电源电压变化而自然变换，器件的这种切换叫做换流或换相，对应的切换点（相应的时刻）叫做换流点或换相点，由于不存在主动控制过程，这些换相点称为自然换流点或自然换相点。4004.2 4.2 二极管整流电路二极管整流电路o自然换流点的概念n自