電機與電氣控制推薦教材：《電工學Ⅱ——電機與電氣控制》侯世英主編高等教育出版社電力電子技術(shù)變壓器電動機繼電接觸器控制系統(tǒng)電工測量安全用電電力電子技術(shù)電力電子概述常用電力電子器件簡介電力電子電路1.1電力電子與信息電子1.2兩大分支1.3地位和未來什么是電力電子技術(shù)？電力電子技術(shù)概述信息電子技術(shù)——信息處理電力電子技術(shù)——電力變換電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)——使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，即

應用于電力領域的電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至mW級。1.1

電力電子與信息電子電力電子器件應用技術(shù)---變流技術(shù)用電力電子器件構(gòu)成電力變換電路和對其進行控制的技術(shù)，以及構(gòu)成電力電子裝置和電力電子系統(tǒng)的技術(shù)。是電力電子技術(shù)的核心。1.2電力電子技術(shù)的兩大分支電力電子器件制造技術(shù)電力電子技術(shù)的基礎，理論基礎是半導體物理。電力——交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。電力變換四大類

交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類進行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)。逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相整流交流交流直流輸出輸入變流技術(shù)電力電子技術(shù)和運動控制一起，和計算機技術(shù)共同成為未來科學技術(shù)的兩大支柱。計算機人腦

電力電子技術(shù)消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子＋運動控制肌肉和四肢電力電子技術(shù)是電能變換技術(shù),是把粗電變?yōu)榫姷募夹g(shù)，能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源，因此，電力電子技術(shù)將青春永駐。電力電子技術(shù)在21世紀將會起著十分重要的作用，有著十分光明的未來。1.3地位和未來電力電子技術(shù)是20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新技術(shù)。歷史是人類社會的一面鏡子分析過去、現(xiàn)在有助于把握未來科學史是科學家的一面鏡子了解一門學科的過去、現(xiàn)在有助于把握未來電力電子技術(shù)的發(fā)展史電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞?。┱髌鲿r代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生電力電子技術(shù)的發(fā)展史晶閘管變流技術(shù)一般工業(yè)：交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè)（可調(diào)直流電源）交通運輸：電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源：為信息電子裝置提供動力家用電器：“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置電力電子技術(shù)的應用軋鋼機數(shù)控機床冶金工業(yè)電解鋁1）一般工業(yè)電力電子技術(shù)的應用2）交通運輸電力電子技術(shù)的應用3）電力系統(tǒng)SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS電力電子技術(shù)的應用4）電子裝置用電源程控交換機電子裝置微型計算機電力電子技術(shù)的應用5）家用電器電力電子技術(shù)的應用6）其他大型計算機的UPS航天技術(shù)新型能源電力電子技術(shù)的應用總之，電力電子技術(shù)的應用范圍十分廣泛，激發(fā)人們學習、研究電力電子技術(shù)并使其飛速發(fā)展。電力電子裝置提供給負載的是各種不同的電源，因此可以說，電力電子技術(shù)研究的也就是電源技術(shù)。電力電子技術(shù)對節(jié)省電能有重要意義。特別在大型風機、水泵采用變頻調(diào)速，在使用量十分龐大的照明電源等方面，因此它也被稱為是節(jié)能技術(shù)。電力電子技術(shù)的應用聽了這些，你對電力電子技術(shù)了解了嗎？1）概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——電氣設備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務的電路。2）分類:

電真空器件

(汞弧整流器、閘流管)

半導體器件

(采用的主要材料硅）電力電子器件的概念和特征電力電子器件常用電力電子器件簡介能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。3）同處理信息的電子器件相比的一般特征：通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗電力電子器件的概念和特征電力電子器件的損耗電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護電路和以電力電子器件為核心的主電路（變換電路）組成。圖1-1電力電子器件在實際應用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行應用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通過控制信號既可控制其導通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。

電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：電流驅(qū)動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型

——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關(guān)斷的控制。電力電子器件的分類

按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：不可控器件—電力二極管二極管你知道什么？1、特性？2、特點？3、基本參數(shù)有那些？電力二極管（PowerDiode）結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用。(SR)快恢復二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。不可控器件—電力二極管·引言整流二極管及模塊基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號PN結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。

PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導致熱擊穿PN結(jié)與電力二極管的工作原理

PN結(jié)的狀態(tài)電力二極管與普通二極管的區(qū)別？額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量。有效值=1.57IF(AV)電力二極管的主要參數(shù)1)

正向平均電流IF(AV)在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降。3）反向重復峰值電壓URRM對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。是其雪崩擊穿電壓UB的2/3,使用時，應當留有兩倍的裕量。

4）反向恢復時間trr

trr=td+

tf電力二極管的主要參數(shù)2）正向壓降UF結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJM表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175

C范圍之內(nèi)。6)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。電力二極管的主要參數(shù)5）最高工作結(jié)溫TJM1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復時間較長(5us以上)正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高

數(shù)千安和數(shù)千伏以上.按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復特性的不同介紹。電力二極管的主要類型簡稱快速二極管快恢復外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達到20~30ns。電力二極管的主要類型2)快恢復二極管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復時間很短（10~40ns）。正向恢復過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。電力二極管的主要類型3.肖特基二極管以金屬和半導體接觸形成的勢壘為基礎的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。半控器件—晶閘管晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的派生器件半控器件—晶閘管·引言1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）圖1-6晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理圖1-7晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理按晶體管的工作原理，得：雙晶體管構(gòu)成內(nèi)部的正反饋關(guān)系當晶閘管加上正向電壓，同時在門極加上足夠的正向電壓時，則有電流流入VT2的基極，使VT2導通，VT2導通后，其集電極電流流入VT1的基極，使VT1的基極也導通，如此往復循環(huán)，形成強烈的正反饋過程，使兩個晶體管到飽和導通，使晶閘管迅速由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷顟B(tài)。IG→IB2↑→IC2(IB1↑)↑→IC1↑IB1IB2晶閘管的基本特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導通。承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下：晶閘管的基本特性（1）正向特性IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導致晶閘管發(fā)熱損壞。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性

晶閘管的基本特性1)

開通過程延遲時間td(0.5~1.5

s)上升時間tr

(0.5~3

s)開通時間tgt以上兩者之和，tgt=td+tr

（1-6）100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2)

關(guān)斷過程反向阻斷恢復時間trr正向阻斷恢復時間tgr關(guān)斷時間tq以上兩者之和tq=trr+tgr

（1-7)普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒2）

動態(tài)特性圖1-9晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。國標規(guī)定重復頻率為50HZ，每次時間不超過10ms。反向重復峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。使用注意：1）電壓定額晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流

IT(AV）——在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。——使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流

IL

——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復性最大正向過載電流。2）電流定額晶閘管的主要參數(shù)

除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

——電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。

通態(tài)電流臨界上升率di/dt

——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。

——如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。3）動態(tài)參數(shù)晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10

s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應。1）快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性a)電氣圖形符號b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認為是一對反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個主電極T1和T2，一個門極G。在第Ｉ和第III象限有對稱的伏安特性。不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。晶閘管的派生器件逆導晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOII