第9章电力电子技术

第9章电力电子技术范国伟安徽工业大学电力电子技术 电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，它可以看成是弱电控制强电的技术。电力电子器件是电力电子技术的基础，目前的电力电子器件均是由半导体制成的，故也称电力半导体器件。因此，电力电子器件也往往专指电力半导体器件。现代电力电子技术发展与电力半导体器件的发展密不可分，随新型控制器件的诞生，新型变换电路也有新突破。9.1电力半导体器件 电力电子器件发展非常迅速，品种也非常多，但目前最常用的主要有：电力二极管、晶闸管（SCR）及晶闸管派生器件、可关断晶闸管（GTO）、双极型功率晶体管（BJT或GTR）、功率场效应晶体管（P-MOSFET）、绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT），以及新型的功率集成模块PIC、智能功率模块IPM等。9.1.1晶闸管 晶闸管又称可控硅（SiliconControlledRectifier）是实现大容量功率变换和控制的半导体器件，在整流、逆变、变频、调压和开关控制等方面得到了广泛的应用。20世纪60年代以来，晶闸管研制和应用发展很快，特别是近年来在电力牵引、交流传动与控制技术中，晶闸管器件都起着十分关键的作用，晶闸管变流技术正向着集成化、模块化方向发展。1、晶闸管的结构和工作原理 晶闸管有三个电极：阳极A、阴极K、门极G。 ①晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管的正向导通必须有一定的条件——阳极加正向电压，同时门极还必须加正向触发电压。 ②晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用。要使晶闸管关断，必须做到亮点：一是将阳极电流减小到小于其维持电流IH，二是将阳极电压减小到零或使之反向。2、晶闸管的派生器件 1）快速晶闸管（FST）和高频晶闸管 快速晶闸管和高频晶闸管主要用于斩波电路和高频逆变电路中。普通晶闸管的关断时间为几百微秒，快速晶闸管为几十微秒，而高频晶闸管为10s左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 2）双向晶闸管（TRIAC） 双向晶闸管是由一对反并联连接的普通晶闸管构成，电路简单，工作稳定可靠，常用在交流电路中进行调压， 3）逆导晶闸管（RCT） 逆导晶闸管是将普通晶闸管与一个续流二极管反并联集成在同一硅片上，是一种反向导通的晶闸管。这种器件不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即导通。 4）光控晶闸管（LTT） 光控晶闸管是利用一定波长的光照信号控制的开关器件. 5）门极可关断晶闸管（GTO） 可关断晶闸管也属于PNPN四层三端器件，普通晶闸管只能用门极正信号触发其导通。　9.1.2其它电力半导体器件 1）电力晶体管（GTR） 电力晶体管（GiantTransistor）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor,BJT），应用于高电压大电流场合。它具有自关断，开关时间短，饱和压降低和安全工作区宽等优点，被广泛应用于交直流电机调速，中频电源等电力变流装置。2）电力场效应晶体管（power-MOSFET） 电力场效应晶体管是一种大功率的场效应晶体管，它有源极S、漏极D和栅极G三个极，其基本结构及其符号如图9-9所示。它和场效应晶体管一样可以分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类：①结型场效应管：它利用PN结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏极、源极之间的导电沟道宽度，从而控制漏、源极间电流的大小。②绝缘栅型场效应管：它利用栅极和源极之间电压产生的电场来改变半导体表面的感生电荷改变导电沟道的导电能力，从而控制漏极和源极之间的电流。　　3）绝缘栅双极型晶体管（IGT或IGBT） 绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor,IGBT或IGT）是由一个栅极为MOS结构的（绝缘栅）晶体管并联一个其基极同PNP晶体管互补连接的NPN晶体管，这种连接方式恰好是PNPN四层的晶闸管等效电路（如图9-11(a)）。其等效电路如图9-11（b）所示。 它综合了MOS场效应晶体管（MOSFET）和双极晶体管（GTR）的优点，因此，逐步取代了MOSFET和GTR的单独使用。IGBT具有输入阻抗高，开关速度快，工作电压高，承受电流大，驱动电路简单，功率大等优点。4）静电感应晶体管（SIT） 静电感应晶体管（StaticInductionTransistor）是一种多子导电的器件，它实际上是一种结型场效应晶体管。将用于信息处理的小功率SIT器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的SIT器件。其符号如图9-13所示，三个引出极分别为源极S、漏极D和栅极G。在栅极信号时，源极和漏极之间的N型半导体是很宽的垂直导电沟道，因此SIT称为正常导通型器件。在栅源极加负电压信号时，P型和N型层之间的PN结受反向电压形成了耗尽层，耗尽层不导电，如果反向电压足够高耗尽层很宽，垂直导电沟道将被夹断使SIT关断。5）静电感应晶闸管（SITH） 静电感应晶闸管（StaticInductionThyristor）是在SIT的漏极层上附加一层与漏极层导电类型不同的发射极层而得到的，可以看作是SIT和GTO复合而成。6）MOS控制晶闸管（MCT） MOS控制晶闸管（MOSControlledThyristor）是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。其电气图形符号如图9-15所示。MCT集MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点于一身，具有高电压、大电流、高载流密度、低通态压降、开关损耗小的特点。　7）集成门换流晶闸管（IGCT） 集成门换流晶闸管（IntegratedGate-CommutatedThyristor）是把可关断晶闸管GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再将其门极驱动器在外围以低电感方式连接环状的门电极。 IGCT是20世纪90年代后期出现的新型电力电子器件，又称为发射极关断晶闸管ETO。它具有电流大、电压高、开关频率较高、结构紧凑、可靠性高、损耗低、成本低、成品率较高等特点。8）集成功率模块 智能功率模块（IntelligentPowerModule,IPM）把功率开关器件与驱动电路集成在一起。IPM就是IGBT芯片、驱动器、全面的传感保护以及自动识别系统的集合。在变频器中相对成为一个小的独立系统，这个系统所能完成的功能相当于一个功率变换核心所做的全部工作。 由于IPM工作频率高，电流、电压容量都很大，目前，IPM正以强大的功能和较高的可靠性赢得越来越广泛的市场。9.2电力半导体器件的驱动电路 电力电子器件的驱动是通过控制极加一定的信号使器件导通或关断，产生驱动信号的电路称为驱动电路。驱动电路是主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路可使器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，提高装置的运行效率。此外，器件的保护通常也通过驱动电路来实现。　　9.2.1半控型电力半导体器件的驱动电路 晶闸管采用脉冲触发，其门极触发脉冲电流的理想波形如图9-18所示。晶闸管的驱动电路常称为触发电路，它包括触发脉冲的放大和输出环节。常见的晶闸管触发电路如图9-19所示。其脉冲放大环节由V1、V2构成，脉冲输出环节是由脉冲变压器TM和附属电路构成的。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了使V1、V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需添加其他电路环节。强触发是为了加快晶闸管的导通速度，普通要求时也可以不需要强触发。　　9.2.2全控型电力半导体器件的驱动电路 1、电流驱动型器件的驱动电路 GTR是电流驱动型器件。电流驱动型器件对触发脉冲前沿幅值和陡度要求高，整个导通期间都要施加正门极电流，关断时施加负向电压，减小关断时间。理想的GTR基极驱动电流波形如下图所示。2、电压驱动型器件的驱动电路 电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。电压驱动型器件的栅源极之间具有极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻；通常在栅极串入低值电阻有利于降低寄生振荡，关断时施加负压有利于减小关断时间和关断损耗。　9.3.1直流斩波电路 直流斩波电路（DCChopper）是将一个恒定的直流电压变换成另一个固定的或可调的直流电压，也称直流断续器、调压器或DC/DC变换电路。 直流斩波电路（DCChopper）一般是指直接将直流变成直流的情况，不包括直流-交流-直流的情况；直流斩波电路的种类很多，包括：降压斩波电路，升压斩波电路，升降压斩波电路，Cuk斩波电路，Sepic斩波电路，Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路，将对其重点介绍。下面本节主要介绍直流降压、升压斩波电路。9.3.2交流调压电路 把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流调压电路。9.4逆变电路 逆变是把直流电转变成交流电，是整流的逆过程。逆变电路是把直流电逆变成交流电的电路。逆变按照负载的性质，分为有源逆变和无源逆变。本节介绍有源逆变和无源逆变电路的工作原理，重点介绍无源逆变。有源逆变介绍以晶闸管为开关元件的相控方式。无源逆变主要介绍以可关断器件构成的PWM运行方式。　9.4.1有源逆变 有源逆变：把变换器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去。有源逆变在生产上应用很多，如直流电动机四象限传动系统、交流绕线转子型异步电动机的串级调速和高压直流输电系统等。9.4.2无源逆变 无源逆变：将变换器的交流侧不与电网连接，而直接接到普通负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载。交流变频调速就是利用这一原理工作的。我们通常的变频指无源逆变电路。9.5脉宽调制控制 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，它是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在测量、通信、功率控制与变换等许多领域。