电力电子技术第五

电力电子技术第五

< 电力电子技术 >( 第 5 版 ) 第 1 章 绪论（第 4 版为“概述”，无章序号） 第 1 章 绪论 1.1 什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介 3 1.1 什么是电力电子技术 ■ 电力电子技术的概念 ◆ 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于 电力 领域的 电子 技术。 ☞ 电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” ，前者则更一般些。 ☞ 电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。 4 1.1 什么是电力电子技术 ◆ 具体地说，电力电子技术就是使用 电力电子器件 对 电能 进行 变换 和 控制 的技术。 ☞ 电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基 础。 ☞ 变流技术则是电力电子技术的核心 。 输入 输出 交流 （ AC ） 直流 （ DC ） 直流 （ DC ） 整流 直流斩波 交流 （ AC ） 交流电力控制 变频、变相 逆变 表 1-1 电力变换的种类 5 1.1 什么是电力电子技术 ■ 电力电子学 ◆ 美国学者 W. Newell 认为电力电子学是由 电力学 、 电子学 和 控制理论 三个学科交叉而形成的。 图 1-1 描述电力电子学的倒三角形 6 1.1 什么是电力电子技术 ☞ 电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子 器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论） 是一样的，其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也 是一致的。 ☞ 电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电 子学和电力学的主要关系。 7 1.1 什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛 应用于高压直流输电、静止 无功补偿、电力机车牵引、 交直流电力传动、电解、励 磁、电加热、高性能交直流 电源等之中，因此，无论是 国内国外，通常都把电力电 图 1-2 电气工程的双三角形描述 子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传 动是电气工程的一个二级学科。图 1-2 用两个三角形对电 气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学 科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学 科内各二级学科的关系。 8 1.1 什么是电力电子技术 ☞ 电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电 子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种 需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技 术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实 现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二 者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基 础元件和重要支撑技术。 9 1.2 电力电子技术的发展史 ■ 电力电子技术的发展史 图 1-3 电力电子技术的发展史 ◆ 一般认为，电力电子技术的诞生是以 1957 年 美国通用电气公司研制出第一个 晶闸管 为标志的。 10 1.2 电力电子技术的发展史 ◆ 晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎 明期。 ☞ 1904 年出现了 电子管 ，它能在真空中对电子流进行控 制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电 力领域的先河。 ☞ 20 世纪 30 年代到 50 年代 ， 水银整流器 广泛用于电化学 工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传 动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变 电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在 这一时期，也应用 直流发电机组 来变流。 ☞ 1947 年美国著名的贝尔实验室发明了 晶体管， 引发了 电子技术的一场革命。 11 1.2 电力电子技术的发展史 ◆ 晶闸管时代 ☞ 晶闸管 由于其优越的电气性能和控制性能，使 之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且 其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基 础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立 的。 ☞ 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不 能使其关断的器件，属于 半控型器件 。对晶闸管电 路的控制方式主要是相位控制方式，简称 相控方式 。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实 现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。 12 1.2 电力电子技术的发展史 ◆ 全控型器件和电力电子集成电路（ PIC ） ☞ 70 年代后期，以 门极可关断晶闸管（ GTO ） 、 电力双极型晶体管 （ BJT ） 和 电力场效应晶体管（ Power-MOSFET ） 为代表的 全控型器 件 迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控 制既可使其 开通 又可使其 关断 。 ☞ 采用全控型器件的电路的主要控制方式为 脉冲宽度调制（ PWM ） 方式。相对于相位控制方式，可称之为 斩波控制方式 ，简称 斩控方式 。 ☞ 在 80 年代后期，以 绝缘栅极双极型晶体管（ IGBT ） 为代表的 复合 型器件 异军突起。它是 MOSFET 和 BJT 的复合，综合了两者的优点。 与此相对， MOS 控制晶闸管（ MCT ） 和 集成门极换流晶闸管（ IGCT ） 复合了 MOSFET 和 GTO 。 13 1.2 电力电子技术的发展史 ☞ 把 驱动 、 控制 、 保护电路 和 电力电子器件 集成在 一起，构成 电力电子集成电路（ PIC ） ，这代表了 电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成 技术包括以 PIC 为代表的 单片集成技术 、 混合集成 技术 以及 系统集成技术 。 ☞ 随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子 电路的 工作频率 也不断提高。与此同时， 软开关技 术 的应用在理论上可以使电力电子器件的 开关损耗 降为零，从而提高了电力电子装置的 功率密度 。 14 1.3 电力电子技术的应用 ■ 电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于 一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信 系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调 等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 ◆ 一般工业 ☞ 工业中大量应用各种 交直流电动机 ，都是用电力电子装置进行调速的。 ☞ 一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了 变频装置 ，以达到节能的目的。 15 1.3 电力电子技术的应用 图 1-4 AB 变频器 ☞ 有些并不特别要求调速的电机为 了避免起动时的电流冲击而采用了 软起动装置，这种软起动装置也是 电力电子装置。 ☞ 电化学工业大量使用直流电源， 电解铝、电解食盐水等都需要大容 量整流电源。电镀装置也需要整流 电源。 ☞ 电力电子技术还大量用于冶金工 业中的高频或中频感应加热电源、 淬火电源及直流电弧炉电源等场合。 16 1.3 电力电子技术的应用 ◆ 交通运输 ☞ 电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的 直流机车中采用 整流装置 ，交流机车采用 变频装置 。 直流 斩波器 也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电 力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆 中的各种 辅助电源 也都离不开电力电子技术。 ☞ 电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱 动控制，其 蓄电池 的充电也离不开电力电子装置。一台高 级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠 变频器 和 斩波器 驱动并控制。 ☞ 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。 17 1.3 电力电子技术的应用 ◆ 电力系统 ☞ 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有 60% 以上的电能 至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 ☞ 直流输电 在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的 整 流阀 和受电端的 逆变阀 都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主 要采用全控型的 IGBT 器件。近年发展起来的 柔性交流输电（ FACTS ） 也是依靠电力电子装置才得以实现的。 ☞ 晶闸管控制电抗器（ TCR ） 、 晶闸管投切电容器（ TSC ） 、 静止 无功发生器（ SVG ） 、 有源电力滤波器（ APF ） 等电力电子装置大量 用于电力系统的 无功补偿 或 谐波抑制 。在配电网系统，电力电子装置 还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行 电能质 量控制 ，改善供电质量。 ☞ 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池 充电等都需要电力电子装置。 18 1.3 电力电子技术的应用 图 1-5 中国南方电网公司安顺换流站 图 1-6 静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下） 19 1.3 电力电子技术的应用 ◆ 电子装置用电源 ☞ 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流 电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电 源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型 器件的 高频开关电源 。大型计算机所需的工作电源、 微型计算机内部的电源现在也都采用 高频开关电源 。 ☞ 在大型计算机等场合，常常需要 不间断电源 （ Uninterruptible Power Supply__ UPS ） 供电，不 间断电源实际就是典型的电力电子装置。 20 1.3 电力电子技术的应用 ◆ 家用电器 ☞ 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量 能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 ☞ 空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、 电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。 ◆ 其它 ☞ 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器 也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 ☞ 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来 起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强 大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。 21 1.3 电力电子技术的应用 总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 ☞ 新能源、可再生能源发电比如风 力发电、太阳能发电，需要用电力 电子技术来缓冲能量和改善电能质 量。当需要和电力系统联网 时，更 离不开电力电子技术。 ☞ 核聚变反应堆在产生强大磁场和 注入能量时，需要大容量的脉冲电 源，这种电源就是电力电子装置。 科学实验或某些特殊场合，常常需 要一些特种电源，这也是电力电子 技术的用武之地。 图 1-7 风场 22 1.4 本教材的内容简介 ■ 本教材的内容 第 2 章 电力电子器件 2.1 电力电子器件概述 2.2 不可控器件 —— 电力二极管 2.3 半控型器件 —— 晶闸管 2.4 典型全控型器件 2.5 其他新型电力电子器件 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结 24 引言 ■ 模拟和数字电子电路的基础 —— 晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础 —— 电力电子器件 ■ 本章主要内容： ◆ 对电力电子器件的 概念 、 特点 和 分类 等问题作了简要概述 。 ◆ 分别介绍各种常用电力电子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。 25 2.1 电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点 26 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ■ 电力电子器件的概念 ◆ 电力电子器件（ Power Electronic Device ） 是指可直接用于处理电能的 主电路 中，实现电能的变换或控制的 电子器件 。 ☞ 主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 ☞ 广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。 27 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ■ 电力电子器件的特征 ◆ 所能处理 电功率 的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。 ◆ 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在 开关状态 。 ◆ 由信息电子电路来控制 , 而且需要 驱动电路 。 ◆ 自身的 功率损耗 通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装 散热器 。 28 2.1.1 电力电子器件的概念和特征 ☞ 通态损耗 是电力电子器件功率损耗的主要成因。 ☞ 当器件的开关频率较高时， 开关损耗 会随之增 大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗 断态损耗 开关损耗 开通损耗 关断损耗 ☞ 电力电子器件的功率损耗 29 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成 ■ 电力电子器件在实际应用中，一般是由 控制电路 、 驱动 电路 和以电力电子器件为核心的 主电路 组成一个系统。 电气隔离 图 2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成 30 2.1.3 电力电子器件的分类 ■ 按照能够被控制电路信号所控制的程度 ◆ 半控型器件 ☞ 主要是指 晶闸管（ Thyristor ） 及其大部分派生器件。 ☞ 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。 ◆ 全控型器件 ☞ 目前最常用的是 IGBT 和 Power MOSFET 。 ☞ 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 ◆ 不可控器件 ☞ 电力二极管（ Power Diode ） ☞ 不能用控制信号来控制其通断。 31 2.1.3 电力电子器件的分类 ■ 按照驱动信号的性质 ◆ 电流驱动型 ☞ 通过从控制端注入或者抽出 电流 来实现导通或者关断的控制。 ◆ 电压驱动型 ☞ 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的 电压 信号就可实现导通或者关断的控制。 ■ 按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） ◆ 脉冲触发型 ☞ 通过在控制端施加一个电压或电流的 脉冲 信号来实现器件的开通或者关断的控制。 ◆ 电平控制型 ☞ 必须通过 持续 在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并 维持 在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 32 2.1.3 电力电子器件的分类 ■ 按照载流子参与导电的情况 ◆ 单极型器件 ☞ 由一种 载流子 参与导电。 ◆ 双极型器件 ☞ 由 电子 和 空穴 两种载流子参与导电。 ◆ 复合型器件 ☞ 由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。 33 2.1.4 本章内容和学习要点 ■ 本章内容 ◆ 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要参数 以及选择和使用中应注意的一些问题。 ■ 学习要点 ◆ 最重要的是掌握其 基本特性 。 ◆ 掌握电力电子器件的 型号命名法 ，以及其 参数 和 特性曲线 的使用方法。 ◆ 了解电力电子器件的 半导体物理结构 和 基本工作原理 。 ◆ 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。 34 2.2 不可控器件 —— 电力二极管 2.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型 35 2.2 不可控器件 —— 电力二极管 · 引言 ■ 电力二极管（ Power Diode ） 自 20 世纪 50 年代初期就获得 应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二 极管仍然大量应用于许多电气设备当中。 ■ 在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少 的，特别是开通和关断速度很快的 快恢复二极管 和 肖特基 二极管 ，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块 36 A K A K a) I K A P N J b) c) A K 2.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理 ■ 电力二极管是以半 导体 PN 结 为基础的 , 实际上是由一个面积 较大的 PN 结 和 两端引 线 以及 封装 组成的。 从外形上看，可以有 螺栓型 、 平板型 等多 种封装。 图 2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号 37 2.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理 ■ 二极管的基本原理 ——PN 结的 单向导电性 ◆ 当 PN 结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自 P 区流入而从 N 区流出的电流，称为 正向电流 I F ，这就是 PN 结的正向导通状态。 ◆ 当 PN 结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的 PN 结表现为 高阻态 ，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。 ◆ PN 结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏 PN 结反向偏置为截止的工作状态，这就叫 反向击穿 。 ☞ 按照机理不同有 雪崩击穿 和 齐纳击穿 两种形式 。 ☞ 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内， PN 结仍可恢复原来的状态。 ☞ 否则 PN 结因过热而烧毁，这就是 热击穿 。 38 2.2.1 PN 结与电力二极管的工作原理 ■ PN 结的电容效应 ◆ 称为 结电容 C J ，又称为 微分电容 ◆ 按其产生机制和作用的差别分为 势垒电容 C B 和 扩散电容 C D ☞ 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。 ☞ 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。 ◆ 结电容影响 PN 结的 工作频率 ，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。 39 2.2.2 电力二极管的基本特性 ■ 静态特性 ◆ 主要是指其 伏安特性 ◆ 正向电压大到一定值（ 门槛 电压 U TO ），正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。 与 I F 对应的电力二极管两端的 电压即为其 正向电压降 U F 。 ◆ 承受反向电压时，只有 少子 引起的微小而数值恒定的 反向 漏电流 。 I O I F U TO U F U 图 2-5 电力二极管的伏安特性 40 2.2.2 电力二极管的基本特性 a) I F U F t F t 0 t rr t d t f t 1 t 2 t U R U RP I RP d i F d t d i R d t u b) U FP i i F u F t fr t 0 2V 图 2-6 电力二极管的动态过程波形 正向偏置转换为反向偏置 零偏置转换为正向偏置 ■ 动态特性 ◆ 因为 结电容 的存在，电压 — 电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的 开关特性 。 ◆ 由正向偏置转换为反向偏置 ☞ 电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 ☞ 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 ☞ 延迟时间 ： t d =t 1 -t 0 电流下降时间 ： t f =t 2 - t 1 反向恢复时间 ： t rr =t d + t f 恢复特性的软度 ： t f / t d ，或称恢复系 数，用 S r 表示。 t 0 : 正向电流降为零的时刻 t 1 : 反向电流达最大值的时刻 t 2 : 电流变化率接近于零的时刻 41 2.2.2 电力二极管的基本特性 U FP u i i F u F t fr t 0 2V ◆ 由零偏置转换为正向偏置 ☞ 先出现一个 过冲 U FP ，经过 一段时间才趋于接近稳态压降 的某个值（如 2V ）。 ☞ 正向恢复时间 t fr ☞ 出现电压过冲的原因 : 电 导调制效应 起作用所需的大量 少子需要一定的时间来储存， 在达到稳态导通之前管压降较 大；正向电流的上升会因器件 自身的 电感 而产生较大压降。 电流上升率 越大， U FP 越高。 图 2-6 电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置 42 2.2.3 电力二极管的主要参数 ■ 正向平均电流 I F(AV) ◆ 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用 T C 表示）和散热条件下，其允许流过的最大 工频正弦半波电流 的平均值。 ◆ I F(AV) 是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按 有效值相等 的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 ■ 正向压降 U F ◆ 指电力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。 ■ 反向重复峰值电压 U RRM ◆ 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 ◆ 使用时，应当留有 两倍 的裕量。 43 2.2.3 电力二极管的主要参数 ■ 最高工作结温 T JM ◆ 结温是指管芯 PN 结的平均温度，用 T J 表示。 ◆ 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 。 ◆ T JM 通常在 125 ～ 175  C 范围之内。 ■ 反向恢复时间 t rr ■ 浪涌电流 I FSM ◆ 指电力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 。 44 2.2.4 电力二极管的主要类型 ■ 按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性 能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用 的电力二极管。 ◆ 普通二极管（ General Purpose Diode ） ☞ 又称 整流二极管（ Rectifier Diode ） ，多用于开关频率不高（ 1kHz 以下）的整流电路中。 ☞ 其 反向恢复时间 较长，一般在 5  s 以上 。 ☞ 其 正向电流定额 和 反向电压定额 可以达到很高。 45 2.2.4 电力二极管的主要类型 ◆ 快恢复二极管（ Fast Recovery Diode——FRD ） ☞ 恢复过程 很短，特别是 反向恢复过程 很短（一 般在 5  s 以下） 。 ☞ 快恢复外延二极管 （ Fast Recovery Epitaxial Diodes——FRED ） ，采用 外延型 P-i-N 结构 ，其 反向恢复时间更短（可低于 50 ns ），正向压降也很 低（ 0.9V 左右）。 ☞ 从性能上可分为 快速恢复 和 超快速恢复 两个等 级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则 在 100 ns 以下，甚至达到 20~30 ns 。 46 2.2.4 电力二极管的主要类型 ◆ 肖特基二极管（ Schottky Barrier Diode——SBD ） ☞ 属于 多子 器件 ☞ 优点在于： 反向恢复时间 很短（ 10~40 ns ），正向恢 复过程中也不会有明显的 电压过冲 ；在反向耐压较低的情 况下其 正向压降 也很小，明显低于快恢复二极管；因此， 其 开关损耗 和 正向导通损耗 都比快速二极管还要小，效率 高。 ☞ 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其 正向压降 也会高得不能满足要求，因此多用于 200V 以下的低压场 合； 反向漏电流 较大且对 温度 敏感，因此 反向稳态损耗 不 能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。 47 2.3 半控型器件 —— 晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件 48 2.3 半控器件 — 晶闸管 · 引言 ■ 晶闸管（ Thyristor ）是 晶体闸流管 的简称，又称作 可控硅整流器 （ Silicon Controlled Rectifier——SCR ） ，以前被简称为可控硅。 ■ 1956 年美国贝尔实验室（ Bell Laboratories ）发明了晶闸管，到 1957 年美国通用电气公司（ General Electric ）开发出了世界上第一只 晶闸管产品，并于 1958 年使其商业化。 ■ 由于其能承受的 电压和电流容量 仍然是目前电力电子器件中最高 的，而且工作可靠，因此在 大容量 的应用场合仍然具有比较重要的地 位。 晶闸管及模块 49 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ■ 晶闸管的结构 ◆ 从外形上来看，晶闸管也主要有 螺栓型 和 平板型 两种封装结构 。 ◆ 引出 阳极 A 、 阴极 K 和 门极（控制端） G 三个联接端。 ◆ 内部是 PNPN 四层半导体结构。 图 2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号 50 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 图 2-8 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 ■ 晶闸管的工作原理 ◆ 按照晶体管工作原理，可列出如下方程： （ 2-2 ） （ 2-1 ） （ 2-3 ） （ 2-4 ） 式中  1 和  2 分别是晶体管 V 1 和 V 2 的共基极电流增益； I CBO1 和 I CBO2 分别是 V 1 和 V 2 的共基极漏电流。 51 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ◆ 晶体管的特性是：在低发射极电流下  是很小的，而当 发射极电流建立起来之后，  迅速增大。 ◆ 在晶体管 阻断状态 下， I G =0 ，而  1 +  2 是很小的。由上式 可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管 漏电流之和。 ◆ 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致  1 +  2 趋近于 1 的话，流过晶闸管的电流 I A （阳极电流） 将 趋近于 无穷大 ，从而实现器件 饱和导通 。 ◆ 由于外电路负载的限制， I A 实际上会维持 有限值 。 由以上式（ 2-1 ） ~ （ 2-4 ）可得 (2-5) 52 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理 ■ 除门极触发外 其他几种可能导通的情况 ◆ 阳极电压升高至相当高的数值造成 雪崩效应 ◆ 阳极电压上升率 d u /d t 过高 ◆ 结温 较高 ◆ 光触发 ■ 这些情况除了 光触发 由于可以保证控制电路与 主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中 之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只 有 门极触发 是最精确、迅速而可靠的控制手段。 53 2.3.2 晶闸管的基本特性 ■ 静态特性 ◆ 正常工作时的特性 ☞ 当晶闸管承受 反向电压 时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。 ☞ 当晶闸管承受 正向电压 时，仅在 门极 有 触发电流 的情况下晶闸管才能开通 。 ☞ 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 ☞ 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的 电流降到接近于零的某一数值以下 。 54 2.3.2 晶闸管的基本特性 ◆ 晶闸管的伏安特性 ☞ 正向特性 √ 当 I G =0 时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向 阻断状态 ，只有很小的正向漏电流流过。 √ 如果正向电压超过临界极限即 正向转折电压 U bo ，则漏电流急剧增大，器件 开通 。 √ 随着 门极电流幅值 的增大， 正向转折电压 降低，晶闸管本身的压降很小，在 1V 左右。 √ 如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值 I H 以下，则晶闸管又回到 正向阻断 状态， I H 称为 维持电流 。 图 2-9 晶闸管的伏安特性 I G2 > I G1 > I G 正向转折电压 U bo 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - U A - I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 55 2.3.2 晶闸管的基本特性 ☞ 反向特性 √ 其伏安特性类似 二极管 的反向特性。 √ 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的 反向漏电流 通过。 √ 当反向电压超过一定限度，到 反向击穿电压 后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图 2-9 晶闸管的伏安特性 I G2 >I G1 >I G 正向转折电压 U bo 正向 导通 雪崩 击穿 O + U A - U A - I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM + 56 2.3.2 晶闸管的基本特性 ■ 动态特性 ◆ 开通过程 ☞ 由于晶闸管内部的 正反馈 过程 需要时间，再加上 外电路 电感 的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能 是 瞬时 的。 ☞ 延迟时间 t d (0.5~1.5  s) 上升时间 t r (0.5~3  s) 开通时间 t gt =t d +t r ☞ 延迟时间随 门极电流 的增 大而减小 , 上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到 外电 路电感 的严重影响。提高 阳极 电压 , 延迟时间和上升时间都 可显著缩短。 图 2-10 晶闸管的开通和关断过程波形 阳极电流稳态值的 90% 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 阳极电流稳态值的 10% 57 2.3.2 晶闸管的基本特性 ◆ 关断过程 ☞ 由于 外电路电感 的存在，原处 于导通状态的晶闸管当外加电压突 然由正向变为反向时，其阳极电流 在衰减时必然也是有过渡过程的。 ☞ 反向阻断恢复时间 t rr 正向阻断恢复时间 t gr 关断时间 t q = t rr + t gr ☞ 关断时间约几百微秒。 ☞ 在 正向阻断恢复时间 内如果重 新对晶闸管施加 正向电压 ，晶闸管 会重新正向导通，而不是受门极电 流控制而导通。 图 2-10 晶闸管的开通和关断过程波形 100% 反向恢复电流最大值 尖峰电压 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 58 2.3.3 晶闸管的主要参数 ■ 电压定额 ◆ 断态重复峰值电压 U DRM ☞ 是在门极断路而结温为额定值时，允许 重复 加在器件上的 正向 峰值电压 （见图 2-9 ）。 ☞ 国标规定断态重复峰值电压 U DRM 为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压） U DSM 的 90% 。 ☞ 断态不重复峰值电压应低于 正向转折电压 U bo 。 ◆ 反向重复峰值电压 U RRM ☞ 是在门极断路而结温为额定值时，允许 重复 加在器件上的 反向 峰值电压 （见图 2-8 ）。 ☞ 规定反向重复峰值电压 U RRM 为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压） U RSM 的 90% 。 ☞ 反向不重复峰值电压应低于 反向击穿电压 。 59 2.3.3 晶闸管的主要参数 ◆ 通态（峰值）电压 U T ☞ 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电 压。 ◆ 通常取晶闸管的 U DRM 和 U RRM 中较小的标值作为该器件的 额定电压 。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压 2~3 倍 。 ■ 电流定额 ◆ 通态平均电流 I T(AV ） ☞ 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为 40  C 和规定的 冷 却状态 下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。 ☞ 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的 发热效应 来定义的。 ☞ 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的 1.5~2 倍。 60 2.3.3 晶闸管的主要参数 ◆ 维持电流 I H ☞ 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的 最小 电流， 一般为几十到几百毫安。 ☞ 结温 越高，则 I H 越小。 ◆ 擎住电流 I L ☞ 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号 后，能维持导通所需的 最小 电流。 ☞ 约为 I H 的 2~4 倍 ◆ 浪涌电流 I TSM ☞ 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的 不重复性 最大正向过载电流 。 61 2.3.3 晶闸管的主要参数 ■ 动态参数 ◆ 开通时间 t gt 和关断时间 t q ◆ 断态电压临界上升率 d u /d t ☞ 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的 外加电压最大上升率 。 ☞ 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 ◆ 通态电流临界上升率 d i /d t ☞ 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的 最大通态电流上升率 。 ☞ 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。 62 2.3.4 晶闸管的派生器件 ■ 快速晶闸管（ Fast Switching Thyristor——FST ） ◆ 有 快速晶闸管 和 高频晶闸管 。 ◆ 快速晶闸管的 开关时间 以及 d u /d t 和 d i /d t 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 微秒，快速 晶闸管为 数十 微秒，而高频晶闸管则为 10  s 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。 63 2.3.4 晶闸管的派生器件 a) b) I O U I G = 0 G T 1 T 2 ■ 双向晶闸管（ Triode AC Switch——TRIAC 或 Bidirectional triode thyristor ） ◆ 可以认为是一对 反并联联 接 的普通晶闸管的集成 。 ◆ 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第 Ｉ 和第 III 象限有 对称的伏安特性 。 ◆ 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用 有效值 来表示其额定电流值。 图 2-11 双向晶闸管的电气图形 符号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 64 2.3.4 晶闸管的派生器件 a) K G A b) U O I I G = 0 ■ 逆导晶闸管（ Reverse Conducting Thyristor——RCT ） ◆ 是将 晶闸管反并联一个二极管 制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受 反向电压 的能力，一旦承受反向电压即开通。 ◆ 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。 图 2-12 逆导晶闸管的电气图形符号 和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 65 2.3.4 晶闸管的派生器件 A G K a) AK 光强度 强 弱 b) O U I A ■ 光控晶闸管（ Light Triggered Thyristor——LTT ） ◆ 是利用一定波长的 光照信号 触发导通的晶闸管。 ◆ 由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的 绝缘 ，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在 高压大功率 的场合 。 图 2-13 光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性 a) 电气图形符号 b) 伏安特性 66 2.4 典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 67 2.4 典型全控型器件 · 引言 ■ 门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。 ■ 20 世纪 80 年代以来，电力电子技术进入了一个 崭新时代。 ■ 典型代表 —— 门极可关断晶闸管、电力晶体管、 电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。 电力 MOSFET IGBT 单管及模块 68 2.4.1 门极可关断晶闸管 ■ 晶闸管的一种派生器件，但 可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断，因而属于 全控 型器件 。 ■ GTO 的结构和工作原理 ◆ GTO 的结构 ☞ 是 PNPN 四层半导体结 构 。 ☞ 是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的 小 GTO 元 ，这些 GTO 元的 阴极 和 门 极 则在器件内部 并联 在一起。 图 2-14 GTO 的内部结构和电气图形符号 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 并联单元结构断面示意图 电气图形符号 69 2.4.1 门极可关断晶闸管 图 2-8 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 ◆ GTO 的工作原理 ☞ 仍然可以用如图 2-8 所示的 双晶体管模型 来分析， V 1 、 V 2 的共基极电流增益分别是  1 、  2 。  1 +  2 =1 是器件临界导通的条件，大于 1 导通，小于 1 则关断。 ☞ GTO 与普通晶闸管的不同 √ 设计  2 较大，使晶体管 V 2 控制 灵敏，易于 GTO 关断。 √ 导通时  1 +  2 更接近 1 ，导通时接近 临界饱和 ，有利门极控制关断，但导通时管 压降 增大。 √ 多元集成结构，使得 P 2 基区 横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 70 2.4.1 门极可关断晶闸管 ☞ GTO 的导通过程与普通晶闸管是一样的， 只不过导通时 饱和程度 较浅。 ☞ 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽 出电流，当两个晶体管发射极电流 I A 和 I K 的 减小使  1 +  2 <1 时，器件退出 饱和 而关断。 ☞ GTO 的 多元集成结构 使得其比普通晶闸管 开通过程 更快，承受 d i /d t 的能力增强。 71 2.4.1 门极可关断晶闸管 ■ GTO 的动态特性 ◆ 开通过程与普通晶闸管类似。 ◆ 关断过程 ☞ 储存时间 t s 下降时间 t f 尾部时间 t t ☞ 通常 t f 比 t s 小得多，而 t t 比 t s 要长。 ☞ 门极负脉冲电流 幅值 越大， 前沿 越陡， t s 就越短。使门极负脉冲的 后沿 缓慢衰减，在 t t 阶段仍能保持适当的 负电压 ，则可以缩短 尾部时间 。 图 2-15 GTO 的开通和关断过程电流波形 O t 0 t i G i A I A 90% I A 10% I A t t t f t s t d t r t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小时间 残存载流子复合所需时间 72 2.4.1 门极可关断晶闸管 ■ GTO 的主要参数 ◆ GTO 的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 ◆ 最大可关断阳极电流 I ATO ☞ 用来标称 GTO 额定电流 。 ◆ 电流关断增益  off ☞ 最大可关断阳极电流 I ATO 与门极负脉冲电流最大值 I GM 之比。 ☞  off 一般很小，只有 5 左右，这是 GTO 的一个主要缺点。 ◆ 开通时间 t on ☞ 延迟 时间与 上升 时间之和。 ☞ 延迟时间一般约 1~2  s ，上升时间则随 通态阳极电流值 的增大而 增大。 ◆ 关断时间 t off ☞ 一般指 储存 时间和 下降 时间之和，而不包括 尾部 时间。 ☞ 储存时间随 阳极电流 的增大而增大，下降时间一般小于 2  s 。 ■ 不少 GTO 都制造成 逆导型 ，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电 压时，应和 电力二极管 串联使用。 73 2.4.2 电力晶体管 ■ 电力晶体管（ Giant Transistor——GTR ） 按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、 大电流的 双极结型晶体管（ Bipolar Junction Transistor——BJT ） ■ GTR 的结构和工作原理 ◆ 与普通的双极结型晶体管基本原理是一 样的。 ◆ 最主要的特性是 耐压高 、 电流大 、 开关 特性好。 74 ◆ GTR 的结构 ☞ 采用至少由两个晶体管按 达林顿接法 组成的单元结构，并采用集 成电路工艺将许多这种单元 并联 而成。 ☞ GTR 是由 三层半导体 （分别引出集电极、基极和发射极）形成 的两个 PN 结（集电结和发射结）构成，多采用 NPN 结构。 2.4.2 电力晶体管 图 2-16 GTR 的结构、电气图形符号和内部载流子的流动 a) 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 c) 内部载流子的流动 + 表示高掺杂浓度， - 表示低掺杂浓度 75 2.4.2 电力晶体管 空穴流 电 子 流 c) E b E c i b i c = b i b i e =(1+ b ) i b 图 2-16 c) 内部载流子的流动 ☞ 在应用中， GTR 一般采用共发射极接法。集电极电流 i c 与基极电流 i b 之比为  称为 GTR 的 电流放大系数 ，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流 I ceo 时， i c 和 i b 的关系为 ☞ 单管 GTR 的  值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为 10 左右，采用 达林顿接法 可以有效地增大电流增益。 (2-9) (2-10) 76 2.4.2 电力晶体管 ■ GTR 的基本特性 ◆ 静态特性 ☞ 在 共发射极 接法时的典 型输出特性分为 截止区 、 放 大区 和 饱和区 三个区域。 ☞ 在电力电子电路中， GTR 工作在 开关状态 ，即工 作在 截止区 或 饱和区 。 ☞ 在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过 放大区 。 截止区 放大区 饱和区 O I c i b3 i b2 i b1 i b1 < i b2 < i b3 U ce 图 2-17 共发射极接法时 GTR 的输出特性 77 2.4.2 电力晶体管 ◆ 动态特性 ☞ 开通过程 √ 需要经过延迟时间 t d 和上升时 间 t r ，二者之和为开通时间 t on 。 √ 增大基极驱动电流 i b 的幅值并 增大 d i b /d t ，可以缩短 延迟时间 ， 同时也可以缩短 上升时间 ，从而 加快开通过程。 ☞ 关断过程 √ 需要经过储存时间 t s 和下降时 间 t f ，二者之和为关断时间 t off 。 √ 减小导通时的 饱和深度 以减 小储存的载流子，或者增大基极 抽取负电流 I b2 的幅值和负偏压， 可以缩短储存时间，从而加快关 断速度。 ☞ GTR 的开关时间在 几微秒 以内， 比晶闸管和 GTO 都短很多。 i b I b1 I b2 I cs i c 0 0 90% I b1 10% I b1 90% I cs 10% I cs t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t t t off t s t f t on t r t d 图 2-18 GTR 的开通和关断过程电流波形 主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。 是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。 78 2.4.2 电力晶体管 ■ GTR 的主要参数 ◆ 电流放大倍数  、直流电流增益 h FE 、集电极与发射极间漏电流 I ceo 、 集电极和发射极间饱和压降 U ces 、开通时间 t on 和关断时间 t off ◆ 最高工作电压 ☞ GTR 上所加的电压超过规定值时，就会发生 击穿 。 ☞ 击穿电压不仅和晶体管本身的 特性 有关，还与外电路的接法有关。 ☞ 发射极开路时集电极和基极间的反向击穿电压 BU cbo 基极开路时集电极和发射极间的击穿电压 BU ceo 发射极与基极间用电阻联接或短路联接时集电极和发射极间的击穿电压 BU cer 和 BU ces 发射结反向偏置时集电极和发射极间的击穿电压 BU cex 且存在以下关系： ☞ 实际使用 GTR 时，为了确保安全，最高工作电压要比 BU ceo 低得 多。 79 2.4.2 电力晶体管 ◆ 集电极最大允许电流 I cM ☞ 规定直流电流放大系数 h FE 下降到规定的 1/2~1/3 时所对应的 I c 。 ☞ 实际使用时要留有较大裕量，只能用到 I cM 的 一半 或 稍多一点 。 ◆ 集电极最大耗散功率 P cM ☞ 指在 最高 工作温度下允许的耗散功率。 ☞ 产品说明书中在给出 P cM 时总是同时给出壳温 T C ，间接表示了最高工作温度。 80 2.4.2 电力晶体管 ■ GTR 的二次击穿现象与安全工作区 ◆ 当 GTR 的集电极电压升高至击穿电压时，集电极电流迅速增大， 这种首先出现的击穿是 雪崩击穿 ，被称为一次击穿。 ◆ 发现一次击穿发生时如不有效地限制电流， I c 增大到某个临界点时 会突然急剧上升，同时伴随着电压的陡然下降，这种现象称为二次击 穿。 ◆ 出现一次击穿后， GTR 一般不会损坏，二次击穿常常立即导致器 件的永久损坏，或者工作特性明显衰变，因而对 GTR 危害极大。 SOA O I c I cM P SB P cM U ce U ceM 图 2-19 GTR 的安全工作区 二次击穿功率 ◆ 安全工作区（ Safe Operating Area——SOA ） ☞ 将不同基极电流下二次击穿的临界点 连接起来，就构成了二次击穿临界线。 ☞ GTR 工作时不仅不能超过最高电压 U ceM ，集电极最大电流 I cM 和最大耗散功 率 P cM ，也不能超过 二次击穿临界线 。 81 2.4.3 电力场效应晶体管 ■ 分为 结型 和 绝缘栅型 ，但通常主要指绝缘栅型中 的 MOS 型（ Metal Oxide Semiconductor FET ） , 简 称电力 MOSFET （ Power MOSFET ）。 ■ 电力 MOSFET 是用 栅极 电压来控制 漏极 电流的，它的特点 有： ◆ 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 ◆ 开关速度快，工作频率高。 ◆ 热稳定性优于 GTR 。 ◆ 电流容量小，耐压低，多用于功率不超过 10kW 的电力电子装置。 82 2.4.3 电力场效应晶体管 ■ 电力 MOSFET 的结构和工作原理 ◆ 电力 MOSFET 的种类 ☞ 按导电沟道可分为 P 沟道和 N 沟道。 ☞ 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为 耗尽型 。 ☞ 对于 N （ P ）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为 增强型 。 ☞ 在电力 MOSFET 中，主要是 N 沟道增强型 。 83 2.4.3 电力场效应晶体管 ◆ 电力 MOSFET 的结构 ☞ 是 单极 型晶体管。 ☞ 结构上与小功率 MOS 管有较大区 别，小功率 MOS 管是 横向 导电器件，而 目前电力 MOSFET 大都采用了 垂直 导电 结构，所以又称为 VMOSFET （ Vertical MOSFET ），这大大提高了 MOSFET 器 件的 耐压 和 耐电流 能力。 ☞ 按垂直导电结构的差异，分为利用 V 型槽实现垂直导电的 VVMOSFET （ Vertical V-groove MOSFET ） 和具有 垂直导电双扩散 MOS 结构的 DMOSFET （ Vertical Double-diffused MOSFET ） 。 ☞ 电力 MOSFET 也是 多元集成 结构。 图 2-20 电力 MOSFET 的结构 和电气图形符号 内部结构断面示意图 b) 电气图形符号 84 2.4.3 电力场效应晶体管 ◆ 电力 MOSFET 的工作原理 ☞ 截止：当 漏源 极间接正电压， 栅极 和 源极 间电压为 零 时， P 基区与 N 漂移区之间形成的 PN 结 J 1 反偏 ，漏源极之间 无电流流过。 ☞ 导通 √ 在 栅极 和 源极 之间加一 正电压 U GS ，正电压会将其下面 P 区中的空穴推开，而将 P 区中的少子 —— 电子吸引到栅极下面的 P 区表面。 √ 当 U GS 大于某一电压值 U T 时，使 P 型半导体反型成 N 型半导体，该 反型层 形成 N 沟道而使 PN 结 J 1 消失，漏极和源极导电。 √ U T 称为 开启电压（或阈值电压） ， U GS 超过 U T 越多，导电能力越强，漏极电流 I D 越大。 85 ■ 电力 MOSFET 的基本特性 ◆ 静态特性 ☞ 转移特性 √ 指漏极电流 I D 和栅源间电压 U GS 的关系，反映了输入电压和输 出电流的关系 。 √ I D 较大时， I D 与 U GS 的关系近似 线性，曲线的斜率被定义为 MOSFET 的 跨导 G fs ，即 2.4.3 电力场效应晶体管 图 2-21 电力 MOSFET 的 转移特性和输出特性 a) 转移特性 (2-11) √ 是电压控制型器件，其输入阻 抗极高，输入电流非常小。 86 2.4.3 电力场效应晶体管 ☞ 输出特性 √ 是 MOSFET 的 漏极 伏安特性。 √ 截止区 （对应于 GTR 的截止区）、 饱和区 （对应于 GTR 的放大区）、 非饱和区 （对应于 GTR 的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。 √ 工作在 开关 状态，即在 截止区 和 非饱和区 之间来回转换。 ☞ 本身结构所致， 漏极 和 源极 之间形成了一个与 MOSFET 反向并联的 寄生二极管 。 ☞ 通态电阻具有 正温度系数 ，对器件并联时的 均流 有利。 图 2-21 电力 MOSFET 的转移特性和输出特性 b) 输出特性 87 ◆ 动态特性 ☞ 开通过程 √ 开通延迟时间 t d(on) 电流上升时间 t r 电压下降时间 t fv 开通时间 t on = t d(on) +t r + t fv ☞ 关断过程 √ 关断延迟时间 t d(off) 电压上升时间 t rv 电流下降时间 t fi 关断时间 t off = t d(off) +t rv +t fi ☞ MOSFET 的 开关速度 和其 输入 电容的充放电 有很大关系，可以降 低栅极驱动电路的内阻 R s ，从而减 小栅极回路的充放电时间常数，加 快开关速度。 2.4.3 电力场效应晶体管 信号 R s R G R F R L i D u GS u p i D + U E 图 2-22 电力 MOSFET 的开关过程 a) 测试电路 b) 开关过程波形 u p 为矩形脉冲电压信号源， R s 为信号源内阻， R G 为栅极电阻， R L 为漏极负载电阻， R F 用于检测漏极电流。 (a) (b) 88 2.4.3 电力场效应晶体管 ☞ 不存在 少子储存效应 ，因而其关断过程是 非常迅速的。 ☞ 开关时间在 10~100ns 之间，其工作频率可 达 100kHz 以上，是主要电力电子器件中最高 的。 ☞ 在开关过程中需要对输入电容充放电，仍 需要一定的 驱动功率 ，开关频率越高，所需 要的驱动功率越大。 89 2.4.3 电力场效应晶体管 ■ 电力 MOSFET 的主要参数 ◆ 跨导 G fs 、开启电压 U T 以及开关过程中的各 时间参数 。 ◆ 漏极电压 U DS ☞ 标称电力 MOSFET 电压定额的参数。 ◆ 漏极直流电流 I D 和漏极脉冲电流幅值 I DM ☞ 标称电力 MOSFET 电流定额的参数。 ◆ 栅源电压 U GS ☞ 栅源之间的绝缘层很薄，  U GS  >20V 将导致绝缘层击穿。 ◆ 极间电容 ☞ C GS 、 C GD 和 C DS 。 ◆ 漏源间的 耐压 、漏极最大允许 电流 和最大 耗散功率 决 定了电力 MOSFET 的安全工作区。 90 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■GTR 和 GTO 是双极型电流驱动器件，由于具有 电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较 低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力 MOSFET 是单极型电压驱动器件，开关速度快， 输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱 动电路简单。 绝缘栅双极晶体管（ Insulated-gate Bipolar Transistor——IGBT 或 IGT ） 综合了 GTR 和 MOSFET 的优点，因而具有良好的特性。 91 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■ IGBT 的结构和工作原理 ◆ IGBT 的结构 ☞ 是三端器件，具有 栅极 G 、 集电极 C 和 发射极 E 。 ☞ 由 N 沟道 VDMOSFET 与 双 极型晶体管 组合而成的 IGBT ， 比 VDMOSFET 多一层 P + 注入 区，实现对漂移区电导率进行调 制，使得 IGBT 具有很强的 通流 能力。 ☞ 简化等效电路表明， IGBT 是用 GTR 与 MOSFET 组成的 达 林顿 结构，相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 PNP 晶 体管。 图 2-23 IGBT 的结构、简化等效电路和电气图形符号 a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号 R N 为晶体管基区内的调制电阻。 92 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆ IGBT 的工作原理 ☞ IGBT 的驱动原理与电力 MOSFET 基本相同，是一种 场 控 器件。 ☞ 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压 U GE 决定的。 √ 当 U GE 为正且大于开启电压 U GE(th) 时， MOSFET 内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使 IGBT 导通。 √ 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时， MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得 IGBT 关断。 ☞ 电导调制效应 使得电阻 R N 减小，这样高耐压的 IGBT 也 具有很小的 通态压降 。 93 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■ IGBT 的基本特性 ◆ 静态特性 ☞ 转移特性 √ 描述的是集电极电流 I C 与栅射电压 U GE 之间的 关系。 √ 开启电压 U GE(th) 是 IGBT 能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随 温度 升高而略有下降。 （ a ） 图 2-24 IGBT 的转移特性和输出特性 a) 转移特性 94 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ☞ 输出特性（伏安特性） √ 描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流 I C 与集射极间电压 U CE 之间的关系。 √ 分为三个区域： 正向阻断区 、 有源区 和 饱和区 。 √ 当 U CE <0 时， IGBT 为反向阻断工作状态。 √ 在电力电子电路中， IGBT 工作在 开关状态 ，因而是在 正向阻断区 和 饱和区 之间来回转换。 (b) 图 2-24 IGBT 的转移特性和输出特性 b) 输出特性 95 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆ 动态特性 ☞ 开通过程 √ 开通延迟时间 t d(on) 电流上升时间 t r 电压下降时间 t fv 开通时间 t on = t d(on) +t r + t fv √ t fv 分为 t fv1 和 t fv2 两段。 ☞ 关断过程 √ 关断延迟时间 t d(off) 电压上升时间 t rv 电流下降时间 t fi 关断时间 t off = t d(off) + t rv + t fi √ t fi 分为 t fi1 和 t fi2 两段 ☞ 引入了少子储存现象，因而 IGBT 的开关速度要低于电力 MOSFET 。 图 2-25 IGBT 的开关过程 96 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■ IGBT 的主要参数 ◆ 前面提到的各参数。 ◆ 最大集射极间电压 U CES ☞ 由器件内部的 PNP 晶体管所能承受的击穿电压所确定的。 ◆ 最大集电极电流 ☞ 包括额定直流电流 I C 和 1ms 脉宽最大电流 I CP 。 ◆ 最大集电极功耗 P CM ☞ 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 97 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆ IGBT 的特性和参数特点可以总结如下： ☞ 开关速度 高， 开关损耗 小。 ☞ 在相同电压和电流定额的情况下， IGBT 的 安 全工作区 比 GTR 大，而且具有耐脉冲电流冲击的 能力。 ☞ 通态压降 比 VDMOSFET 低，特别是在电流较 大的区域。 ☞ 输入阻抗 高，其输入特性与电力 MOSFET 类 似。 ☞ 与电力 MOSFET 和 GTR 相比， IGBT 的 耐压 和 通流能力 还可以进一步提高，同时保持 开关频率 高 的特点。 98 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ■ IGBT 的擎住效应和安全工作区 ◆ IGBT 的擎住效应 ☞ 在 IGBT 内部寄生着一个 N - PN + 晶体管和作为主开 关器件的 P + N - P 晶体管组成的寄生晶闸管。其中 NPN 晶体 管的基极与发射极之间存在 体区短路电阻 ， P 形体区的横 向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对 J 3 结施加一 个 正向偏压 ，一旦 J 3 开通，栅极就会失去对集电极电流的 控制作用，电流失控，这种现象称为 擎住效应 或 自锁效应 。 ☞ 引发擎住效应的原因，可能是 集电极电流 过大（静 态擎住效应）， d U CE /d t 过大（动态擎住效应），或 温度 升高。 ☞ 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流 还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据 动态 擎住效应 而确定的。 99 2.4.4 绝缘栅双极晶体管 ◆ IGBT 的安全工作区 ☞ 正向偏置 安全工作区（ Forward Biased Safe Operating Area——FBSOA ） √ 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。 ☞ 反向偏置 安全工作区（ Reverse Biased Safe Operating Area——RBSOA ） √ 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率 d U CE /dt 。 100 2.5 其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS 控制晶闸管 MCT 2.5.2 静电感应晶体管 SIT 2.5.3 静电感应晶闸管 SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件 101 2.5.1 MOS 控制晶闸管 MCT ■ MCT （ MOS Controlled Thyristor ）是将 MOSFET 与 晶闸管 组合而成的复合型器件。 ■ 结合了 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。 ■ 由数以万计的 MCT 元 组成，每个元的组成为： 一个 PNPN 晶闸管，一个控制该晶闸管开通的 MOSFET ，和一个控制该晶闸管关断的 MOSFET 。 ■ 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量 都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。 102 2.5.2 静电感应晶体管 SIT ■ 是一种 结型场效应晶体管 。 ■ 是一种 多子导电 的器件，其 工作频率 与电力 MOSFET 相 当，甚至超过电力 MOSFET ，而 功率容量 也比电力 MOSFET 大，因而适用于 高频大功率 场合。 ■ 栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断， 这被称为 正常导通型器件 ，使用不太方便，此外 SIT 通态电 阻 较大，使得 通态损耗 也大，因而 SIT 还未在大多数电力电 子设备中得到广泛应用。 103 2.5.3 静电感应晶闸管 SITH ■ 可以看作是 SIT 与 GTO 复合而成。 ■ 又被称为 场控晶闸管（ Field Controlled Thyristor——FCT ）， 本质上是两种载流子导电 的 双极型 器件，具有电导调制效应，通态压降低、 通流能力强。 ■ 其很多特性与 GTO 类似，但 开关速度 比 GTO 高 得多，是 大容量 的快速器件。 ■ 一般也是正常导通型，但也有 正常关断型 ，电 流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 104 2.5.4 集成门极换流晶闸管 IGCT ■ 是将一个平板型的 GTO 与由很多个并联的电力 MOSFET 器件和其它辅助元件组成的 GTO 门极驱 动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在 一起。 ■容量 与普通 GTO 相当，但 开关速度 比普通的 GTO 快 10 倍，而且可以简化普通 GTO 应用时庞大 而复杂的 缓冲电路 ，只不过其所需的 驱动功率 仍然 很大。 ■ 目前正在与 IGBT 等新型器件激烈竞争。 105 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件 ■ 硅的禁带宽度为 1.12 电子伏特（ eV ） ，而宽禁带半导体 材料是指禁带宽度在 3.0 电子伏特 左右及以上的半导体材 料，典型的是碳化硅（ SiC ）、氮化镓（ GaN ）、金刚石等 材料。 ■ 基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将 具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态 电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和 射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。 ■ 宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造 以及随后的半导体制造工艺的困难。 106 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■ 基本概念 ◆ 20 世纪 80 年代中后期开始，模块化趋势，将多 个器件封装在一个模块中，称为 功率模块 。 ◆ 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 ◆ 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感， 从而简化对保护和缓冲电路的要求。 ◆ 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自 诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为 功率 集成电路（ Power Integrated Circuit——PIC ） 。 107 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■ 实际应用电路 ◆ 高压集成电路（ High Voltage IC——HVIC ） ☞ 一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。 ◆ 智能功率集成电路（ Smart Power IC——SPIC ） ☞ 一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。 ◆ 智能功率模块（ Intelligent Power Module——IPM ） ☞ 专指 IGBT 及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能 IGBT （ Intelligent IGBT ）。 108 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块 ■ 发展现状 ◆ 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之 间的 绝缘 问题以及 温升 和 散热 的处理。 ◆ 以前功率集成电路的开发和研究主要在 中小功 率 应用场合。 ◆ 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难 点 , 最近几年获得了迅速发展。 ◆ 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为 机电一体化的理想接口。 109 本章小结 ■ 将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本 特性和主要参数等问题作了全面的介绍。 ■ 电力电子器件归类 ◆ 按照器件内部 电子 和 空穴 两种载流子参与导电的情况 ☞ 单极型 ：肖特基二极管、 电力 MOSFET 和 SIT 等。 ☞ 双极型 ：基于 PN 结的电 力二极管、晶闸管、 GTO 和 GTR 等。 ☞ 复合型 ： IGBT 、 SITH 和 MCT 等。 图 2-26 电力电子器件分类“树” 110 本章小结 ◆ 按驱动类型 ☞ 电压 驱动型器件 √ 单极型器件和复合型器件。 √ 共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。 ☞ 电流 驱动型器件 √ 双极型器件。 √ 共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。 ◆ 按控制信号的波形 ☞ 电平 控制型器件 √ 电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如 GTR ） ☞ 脉冲 触发型器件 √ 部分电流驱动型器件（如晶闸管和 GTO ） 111 本章小结 ■ 电力电子器件的现状和发展趋势 ◆ 20 世纪 90 年代中期以来，逐渐形成了 小功率 （ 10kW 以下） 场合以 电力 MOSFET 为主， 中、大 功率 场合以 IGBT 为主的压倒性局面，在 10MVA 以 上或者数千伏以上 的应用场合，如果不需要自关 断能力，那么 晶闸管 仍然是目前的首选器件 。 ◆ 电力 MOSFET 和 IGBT 中的技术创新仍然在继 续， IGBT 还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用 领域 。 ◆ 宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于 硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料 。 112 第 3 章 直流斩波电路 3.1 基本斩波电路 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结 113 第 3 章 直流斩波电路 · 引言 直流斩波电路（ DC Chopper ） 将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 也称为 直流 -- 直流 变换器（ DC/DC Converter ）。 一般指 直接 将直流电变为另一直流电，不包括直流 — 交流 — 直流。 电路种类 6 种基本斩波电路： 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 斩波电路和 Zeta 斩波电路。 复合斩波电路 —— 不同结构 基本斩波电路组合。 多相多重斩波电路 —— 相同结构 基本斩波电路组合 。 114 3.1 基本斩波电路 3.1.1 降压斩波电路 3.1.2 升压斩波电路 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 3.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 115 3.1.1 降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。 续流二极管 负载出现的反电动势 典型用途之一是 拖动直流电动机 ，也可带 蓄电池负载 。 降压斩波电路（ Buck Chopper) 116 3.1.1 降压斩波电路 工作原理 c) 电流断续时的波形 E V + - M R L VD i o E M u o i G t t t O O O b) 电流连续时的波形 T E i G t on t off i o i 1 i 2 I 10 I 20 t 1 u o O O O t t t T E E i G i G t on t off i o t x i 1 i 2 I 20 t 1 t 2 u o E M a) 电路图 图 3-1 降压斩波电路得原理图及波形 t =0 时刻驱动 V 导通，电源 E 向负载供电，负载电压 u o = E ，负载电流 i o 按指数曲线上升。 t = t 1 时控制 V 关断，二极管 VD 续流，负载电压 u o 近似为零，负载电流呈指数曲线下降。 通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动小。 动画演示 。 117 3.1.1 降压斩波电路 数量关系 电流连续 负载电压平均值： （ 3-1 ） （ 3-2 ） t on ——V 通的时间 t off ——V 断的时间 a-- 导通占空比 电流断续 ， U o 被抬高，一般不希望出现。 负载电流平均值： 118 3.1.1 降压斩波电路 斩波电路三种控制方式 T 不变，变 t on — 脉冲宽度调制 （ PWM ）。 t on 不变，变 T — 频率调制。 t on 和 T 都可调，改变占空比 — 混合型。 此种方式应用最多 第 2 章 2.1 节介绍过： 电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想 。 基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。 分 V 处于 通态 和处于 断态 初始条件分 电流连续 和 断续 119 3.1.1 降压斩波电路 同样可以从 能量传递关系 出发进行的推导 由于 L 为无穷大，故负载电流维持为 I o 不变 电源只在 V 处于通态时提供能量，为 在整个周期 T 中，负载消耗的能量为 输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作 直流降压变压器 。 一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。 120 3.1.1 降压斩波电路 负载电流断续的情况： I 10 =0 ，且 t = t x 时， i 2 =0 式（ 3-7 ） 式（ 3-6 ） （ 3-16 ） t x < t off 电流断续的条件： （ 3-17 ） （ 3-19 ） 负载电流平均值为： 输出电压平均值为： （ 3-18 ） 121 3.1.2 升压斩波电路 升压斩波电路（ Boost Chopper ） 保持输出电压 储存电能 电路结构 1) 升压斩波电路的基本原理 122 3.1.2 升压斩波电路 工作原理 假设 L 和 C 值很大。 V 处于 通态 时，电源 E 向电感 L 充电，电流恒定 I 1 ，电容 C 向负载 R 供电，输出电压 U o 恒定。 V 处于 断态 时，电源 E 和电感 L 同时向电容 C 充电，并向负载提供能量。 动态演示 。 0 i GE 0 i o I 1 图 3-2 升压斩波电路及工组波形 a) 电路图 b) 波形 123 3.1.2 升压斩波电路 数量关系 设 V 通态的时间为 t on ，此阶段 L 上积蓄的能量为 设 V 断态的时间为 t off ，则此期间电感 L 释放能量为 稳态时，一个周期 T 中 L 积蓄能量与释放能量相等： （ 3-21 ） （ 3-20 ） 化简得： T/t off >1 ，输出电压高于电源电压，故为 升压 斩波电路 。 —— 升压比；升压比的倒数记作 b ，即 。 b 和 a 的关系： 因此，式（ 3-21 ）可表示为 （ 3-23 ） （ 3-22 ） 124 3.1.2 升压斩波电路 电压升高得原因 ： 电感 L 储能使 电压泵升 的作用 电容 C 可将输出电压 保持 住 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载 R 消耗，即 ： 。 （ 3-24 ） 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作 直流变压器 。 输出电流的平均值 I o 为： (3-25) 电源电流的平均值 I o 为： (3-26) 125 3.1.2 升压斩波电路 2) 升压斩波电路典型应用 一是用于直流电动机传动 二是用作 单相功率因数校正（ PFC ） 电路 三是用于其他交直流电源中 t t T E i O O b) a) i 1 i 2 I 10 I 20 I 10 t on t off t O T O E t c) u o i o i 1 i 2 t 1 t 2 t x t on t off I 20 u o 图 3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a ） 电路图 b ） 电流连续时 c ） 电流断续时 用于直流电动机传动 再生制动时把电能回馈给直流电源。 电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。 直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。 动画演示 。 126 3.1.2 升压斩波电路 数量关系 当 V 处于 通态 时，设电动机电枢电流为 i 1 ，得下式： ( 3-27) 当 V 处于 断态 时，设电动机电枢电流为 i 2 ，得下式： （ 3-29 ） 当 电流连续 时，考虑到初始条件，近似 L 无穷大时电枢电流的平均值 I o ，即 （ 3-36 ） 该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。 127 3.1.2 升压斩波电路 如图 3-3c ，当电枢电流断续时： 当 t =0 时刻 i 1 = I 10 =0 ，令式（ 3-31 ）中 I 10 =0 即可求出 I 20 ，进而可写出 i 2 的表达式。 另外，当 t = t 2 时， i 2 =0 ，可求得 i 2 持续的时间 t x ，即 图 3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 -------- 电流断续 的条件 t x < t 0ff t O T O E t c) u o i o i 1 i 2 t 1 t 2 t x t on t off I 20 128 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构 129 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 基本工作原理 a) o t b) o t i 1 i 2 t on t off I L I L 图 3-4 升降压斩波电路及其波形 a ）电路图 b ）波形 V 通时，电源 E 经 V 向 L 供电使其贮能，此时电流为 i 1 。同时， C 维持输出电压恒定并向负载 R 供电。 V 断时， L 的能量向负载释放，电流为 i 2 。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。 动态演示 。 130 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 数量关系 稳态时，一个周期 T 内电感 L 两端电压 u L 对时间的积分为零，即 （ 3-39 ） 所以输出电压为： （ 3-41 ） V 处于通态 u L = E V 处于断态 u L = - u o （ 3-40 ） 131 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 图 3-4b 中给出了电源电流 i 1 和负载电流 i 2 的波形，设两者的平均值分别为 I 1 和 I 2 ，当电流脉动足够小时，有： （ 3-42 ） 由上式得： （ 3-43 ） 结论 当 0 < a < 1 / 2 时为降压，当 1 / 2 < a < 1 时为升压，故称作 升降压斩波电路 。也有称之为 buck-boost 变换器 。 其输出功率和输入功率相等，可看作 直流变压器 。 （ 3-44 ） o t b) o t i 1 i 2 t on t off I L I L 132 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 2) Cuk 斩波电路 V 通时， E—L 1 —V 回路和 R—L 2 — C —V 回路有电流。 V 断时， E—L 1 — C —VD 回路和 R—L 2 —VD 回路有电流。 输出电压的极性与电源电压极性相反。 电路相当于开关 S 在 A 、 B 两点之间交替切换。 图 3-5 Cuk 斩波电路及其等效电路 a ） 电路图 b ） 等效电路 133 3.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 同理： 数量关系 （ 3-45 ） V 处于通态的时间 t on ，则电容电流和时间的乘积为 I 2 t on 。 V 处于断态的时间 t off ，则电容电流和时间的乘积为 I 1 t off 。由此可得： （ 3-46 ） （ 3-46 ） （ 3-48 ） 优点 （与升降压斩波电路相比）： 输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。 134 b) Zeta 斩波电路 3.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 a) Sepic 斩波电路 图 3-6 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 电路结构 Speic 电路原理 V 通态， E— L 1 —V 回路和 C 1 —V— L 2 回路同时导电， L 1 和 L 2 贮能。 V 断态， E— L 1 — C 1 —VD— 负载 回路及 L 2 —VD— 负载 回路同时导电，此阶段 E 和 L 1 既向负载供电，同时也向 C 1 充电（ C 1 贮存的能量在 V 处于通态时向 L 2 转移 ） 。 输入输出关系： （ 3-49 ） 135 3.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 Zeta 斩波电路原理 V 处于通态期间，电源 E 经开关 V 向电感 L 1 贮能。 V 关断后， L 1 － VD － C 1 构成振荡回路， L 1 的能量转移至 C 1 ，能量全部转移至 C 1 上之后， VD 关断， C 1 经 L 2 向负载供电。 输入输出关系： 图 3-6 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 （ 3-50 ） 相同的输入输出关系。 Sepic 电路的电源电流和负载电流均 连续 ， Zeta 电路的输入、输出电流均是 断续 的。 两种电路输出电压为 正极性 的。 b) Zeta 斩波电路 136 3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 3.2.1 电流可逆斩波电路 3.2.2 桥式可逆斩波电路 3.2.3 多相多重斩波电路 137 3.2.1 电流可逆斩波电路 复合斩波电路 —— 降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路 —— 相同结构的基本斩波电路组合构成 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。 降压斩波电路能使电动机工作于第 1 象限。 升压斩波电路能使电动机工作于第 2 象限。 电流可逆斩波电路 ： 降压斩波电路 与 升压斩波电路组合 。此电路电动机的电枢电流可 正 可 负 ，但电压只能是一种极性，故其可工作于第 1 象限和第 2 象限。 电流可逆斩波电路 138 3.2.1 电流可逆斩波电路 电路结构 a) 电路图 V 1 和 VD 1 构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第 1 象限。 V 2 和 VD 2 构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第 2 象限。 必须 防止 V 1 和 V 2 同时导通 而导致的电源短路。 工作过程（ 三种工作方式 ) 第 3 种工作方式：一个周期内 交替 地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。 当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。 电路响应很快。 图 3-7 电流可逆斩波电路及波形 139 3.2.2 桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路 —— 两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。 图 3-8 桥式可逆斩波电路 使 V 4 保持通时，等效为图 3-7a 所示的电流可逆斩波电路，提供 正电压 ，可使电动机工作于 第 1 、 2 象限 。 使 V 2 保持通时， V 3 、 VD 3 和 V 4 、 VD 4 等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供 负电压 ，可使电动机工作于 第 3 、 4 象限 。 140 3.2.3 多相多重斩波电路 基本概念 多相多重斩波电路 在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成 相数 一个控制周期中电源侧的电流脉波数 重数 负载电流脉波数 141 3.2.3 多相多重斩波电路 t O t t t t t t t O O O O O O O 1 u 2 u 3 u o i 1 i 2 i 3 i o 3 相 3 重降压斩波电路 电路结构：相当于由 3 个降压斩波电路单元 并联 而成。 总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的 3 倍，脉动频率也为 3 倍。 总的输出电流脉动幅值变得很小 。 所需平波电抗器总重量大为减轻。 总输出电流 最大脉动率 （ 电流脉动幅值与电流平均值之比 ）与相数的平方成反比。 图 3-9 3 相 3 重斩波电路及其波形 142 3.2.3 多相多重斩波电路 当上述电路电源公用而负载为 3 个独立负载时，则为 3 相 1 重斩波电路 。 而当电源为 3 个独立电源，向一个负载供电时，则为 1 相 3 重斩波电路 。 多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。 143 本章 小结 本章介绍了 6 种基本斩波电路、 2 种复合斩波电路及多相多重斩波电路。 本章的 重点 是，理解 降压斩波电路 和 升压斩波电路 的工作原理，掌握这两种电路的输入输出关系、电路解析方法、工作特点 直流传动是斩波电路应用的传统领域，而 开关电源 则是斩波电路应用的新领域，前者的应用在逐渐萎缩，而后者的应用是电力电子领域的一大热点。 第 4 章 逆变电路 4.1 换流方式 4.2 电压型逆变电路 4.3 电流型逆变电路 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 本章小结 145 引言 ■ 逆变的概念 ◆ 与整流相对应， 直流电 变成 交流电 。 ◆ 交流侧接电网，为 有源逆变 。 ◆ 交流侧接负载，为 无源逆变 ，本章主要讲述无源逆变。 ■ 逆变与变频 ◆ 变频电路：分为 交交变频 和 交直交变频 两种。 ◆ 交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。 ■ 逆变电路的 主要应用 ◆ 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 ◆ 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 146 4.1 换流方式 4.1.1 逆变电路的基本工作原理 4.1.2 换流方式分类 147 4.1.1 逆变电路的基本工作原理 ■ 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 ◆ S 1 ~S 4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 负载 a) b) t S 1 S 2 S 3 S 4 i o u o U d u o i o t 1 t 2 ◆ 当开关 S 1 、 S 4 闭合， S 2 、 S 3 断开时，负载电压 u o 为正；当开关 S 1 、 S 4 断开， S 2 、 S 3 闭合时， u o 为负，这样就把直流电变成了交流电。 ◆ 改变 两组开关的切换频率 ，即可改变输出 交流电的频率 。 ◆ 电阻负载时，负载电流 i o 和 u o 的波形相同，相位也相同。 ◆ 阻感负载时， i o 相位滞后于 u o ，波形也不同。 图 4-1 逆变电路及其波形举例 148 4.1.2 换流方式分类 ■ 换流 ◆ 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为 换相 。 ◆ 研究换流方式主要是研究 如何使器件关断 。 ■ 换流方式分为以下几种 ◆ 器件换流（ Device Commutation ） ☞ 利用 全控型器件的自关断能力 进行换流。 ☞ 在采用 IGBT 、电力 MOSFET 、 GTO 、 GTR 等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 ◆ 电网换流（ Line Commutation ） ☞ 电网 提供 换流电压 的换流方式。 ☞ 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 149 4.1.2 换流方式分类 a) u ω t ω t ω t ω t O O O O i i t 1 b) o u o i o i o u VT i VT 1 i VT 4 i VT 2 i VT 3 u VT 1 u VT 4 图 4-2 负载换流电路及其工作波形 ◆ 负载换流 （ Load Commutation ） ☞ 由 负载 提供 换流电压 的换流方式。 ☞ 负载 电流 的 相位超前 于负载 电压 的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。 ☞ 图 4-2a 是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近 并联谐振状态 而略呈 容性 ， 直流侧串大电感，工作过程可认为 i d 基本没有脉动。 √ 负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以 u o 接近 正弦波 。 √ 注意触发 VT 2 、 VT 3 的时刻 t 1 必须在 u o 过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 150 4.1.2 换流方式分类 ◆ 强迫换流（ Forced Commutation ） ☞ 设置 附加的换流电路 ，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。 ☞ 通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为 电容换流 。 ☞ 分类 √ 直接耦合式强迫换流 ：由换流电路内电容直接提供换流电压。 √ 电感耦合式强迫换流 ：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。 ☞ 直接耦合式强迫换流 √ 如图 4-3 ， 当晶闸管 VT 处于通态时，预先给电容充电。当 S 合上，就可使 VT 被施加反压而关断。 √ 也叫电压换流。 图 4-3 直接耦合式强迫换流原理图 151 4.1.2 换流方式分类 ☞ 电感耦合式强迫换流 √ 图 4-4a 中晶闸管在 LC 振荡 第一个半周期 内关断，图 4-4b 中晶闸管在 LC 振荡 第二个半周期 内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。 √ 在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 √ 也叫 电流换流 。 图 4-4 电感耦合式强迫换流原理图 ■ 换流方式总结 ◆ 器件换流 只适用于 全控型器件 ，其余三种方式主要是针对 晶闸管 而言的。 ◆ 器件换流和强迫换流属于 自换流 ，电网换流和负载换流属于 外部换流 。 ◆ 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为 熄灭 。 152 4.2 电压型逆变电路 4.2.1 单相电压型逆变电路 4.2.2 三相电压型逆变电路 153 4.2 电压型逆变电路 · 引言 ■ 根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 ◆ 电压型 逆变电路：直流侧是电压源。 ◆ 电流型 逆变电路：直流侧是电流源。 ■ 电压型逆变电路的特点 ◆ 直流侧为 电压源 或并联 大电容 ，直流侧电压基本无脉动。 ◆ 由于直流电压源的 钳位作用 ，输出电压为 矩形波 ，输出电流因负载阻抗不同而不同。 ◆ 阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联 反馈二极管 。 图 4-5 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路） 154 4.2.1 单相电压型逆变电路 a) t t O O ON b) o U m - U m i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 V 1 V 2 V 1 V 2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 图 4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 ■ 半桥逆变电路 ◆ 在直流侧接有两个相互串联的足够大的 电容 ，两个电容的 联结点 便成为直流电源的 中点 ，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 ◆ 工作原理 ☞ 设开关器件 V 1 和 V 2 的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。 ☞ 输出电压 u o 为 矩形波 ，其幅值为 U m =U d /2 。 ☞ 电路带 阻感负载 ， t 2 时刻给 V 1 关断信号，给 V 2 开通信号，则 V 1 关断，但感性负载中的电流 i o 不能立即改变方向，于是 VD 2 导通续流，当 t 3 时刻 i o 降零时， V D2 截止， V 2 开通， i o 开始反向，由此得出如图所示的电流波形。 155 4.2.1 单相电压型逆变电路 a) t t O O ON b) o U m - U m i o t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 V 1 V 2 V 1 V 2 VD 1 VD 2 VD 1 VD 2 图 4-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 ☞ V 1 或 V 2 通时， i o 和 u o 同方向 ，直流侧向负载提供能量； VD 1 或 VD 2 通时， i o 和 u o 反向 ，电感中贮能向直流侧反馈。 VD 1 、 VD 2 称为 反馈二极管 , 它又起着使负载电流连续的作用，又称 续流二极管 。 ◆ 优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值 U m 仅为 U d /2 ，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于 几 kW 以下 的小功率逆变电源。 156 4.2.1 单相电压型逆变电路 ■ 全桥逆变电路 ◆ 共四个桥臂，可看成 两个半桥电路 组合而成。 ◆ 两对桥臂交替导通 180 ° 。 ◆ 输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。 ◆ 在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压 U d 来实现。 ◆ U d 的矩形波 u o 展开成傅里叶级数得 其中基波的幅值 U o1m 和基波有效值 U o1 分别为 图 4-5 全桥逆变电路 (4-1) (4-2) (4-3) 157 4.2.1 单相电压型逆变电路 a) b) 图 4-7 单相全桥逆变电路的移相调压方式 ◆ 移相调压方式 ☞ V 3 的基极信号比 V 1 落后  （ 0 ＜  ＜ 180 ° ）。 V 3 、 V 4 的栅极信号分别比 V 2 、 V 1 的前移 180°-  。输出电压是正负各为  的脉冲。 ☞ 工作过程 √ t 1 时刻前 V 1 和 V 4 导通， u o =U d 。 √ t 1 时刻 V 4 截止，而因负载电感中的电流 i o 不能突变， V 3 不能立刻导通， VD 3 导通续流， u o =0 。 √ t 2 时刻 V 1 截止，而 V 2 不能立刻导通， VD 2 导通续流，和 VD 3 构成电流通道， u o =-U d 。 √ 到负载电流过零并开始反向时， VD 2 和 VD 3 截止， V 2 和 V 3 开始导通， u o 仍为 -U d 。 √ t 3 时刻 V 3 截止，而 V 4 不能立刻导通， VD 4 导通续流， u o 再次为零 。 ☞ 改变  就可调节输出电压 。 158 4.2.1 单相电压型逆变电路 图 4-8 带中心抽头变压器的逆变电路 ■ 带中心抽头变压器的逆变电路 ◆ 交替驱动 两个 IGBT ，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。 ◆ 两个二极管的作用也是提供 无功能量的反馈通道 。 ◆ U d 和负载参数相同，变压器匝比为 1 ： 1 ： 1 时， u o 和 i o 波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。 ◆ 与全桥电路相比较 ☞ 比全桥电路少用 一半开关器件 。 ☞ 器件承受的电压为 2U d ，比全桥电路高一倍。 ☞ 必须有一个 变压器 。 159 4.2.2 三相电压型逆变电路 ■ 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。 ■ 三相桥式逆变电路 ◆ 基本工作方式是 180 ° 导电方式 。 ◆ 同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差 120 ° ，任一瞬间有 三个桥臂 同时导通。 ◆ 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为 纵向换流 。 图 4-9 三相电压型桥式逆变电路 假想中点 160 4.2.2 三相电压型逆变电路 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' u UN u UV i U i d u VN' u WN' u NN' U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 图 4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 ■ 工作波形 ◆ 对于 U 相输出来说，当桥臂 1 导通时， u UN’ =U d /2 ，当桥臂 4 导通时， u UN’ =-U d /2 ， u UN’ 的波形是 幅值为 U d /2 的矩形波 ， V 、 W 两相的情况和 U 相类似。 ◆ 负载线电压 u UV 、 u VW 、 u WU 可由下式求出 ◆ 负载各相的相电压分别为 (4-4) (4-5) 161 4.2.2 三相电压型逆变电路 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' u UN u UV i U i d u VN' u WN' u NN' U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 图 4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 ◆ 把上面各式相加并整理可求得 设负载为三相对称负载，则有 u UN +u VN +u WN =0 ，故可得 ◆ 负载参数已知时，可以由 u UN 的波形求出 U 相电流 i U 的波形，图 4-10g 给出的是阻感负载下 时 i U 的波形。 ◆ 把桥臂 1 、 3 、 5 的电流加起来，就可得到直流侧电流 i d 的波形，如图 4-10h 所示，可以看出 i d 每隔 60° 脉动一次。 (4-6) (4-7) 162 4.2.2 三相电压型逆变电路 ■ 基本的数量关系 ◆ 把输出线电压 u UV 展开成傅里叶级数得 式中， ， k 为自然数。 ◆ 输出线电压有效值 U UV 为 其中基波幅值 U UV1m 和基波有效值 U UV1 分别为 (4-8) (4-9) (4-10) (4-11) 163 4.2.2 三相电压型逆变电路 ◆ 把 u UN 展开成傅里叶级数得 式中， ， k 为自然数。 ◆ 负载相电压有效值 U UN 为 其中基波幅值 U UN1m 和基波有效值 U UN1 分别为 ■ 为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取 “先断后通” 的方法。 (4-12) (4-13) (4-14) (4-15) 164 U UV7 =2 U d / （ 3.14×7× ） =22.3 （ V ） 4.2.2 三相电压型逆变电路 ■ 例：三相桥式电压型逆变电路， 180° 导电方式， U d =200V 。试求输出相电压的基波幅值 U UN1m 和有效值 U UN1 、输出线电压的基波幅值 U UV1m 和有效值 U UV1 、输出线电压中 7 次谐波的有效值 U UV7 。 解： ＝ 0.45×200 ＝ 90 （ V ） ＝ 0.637×200 ＝ 127.4 （ V ） ＝ 1.1×200=220 （ V ） ＝ 0.78×200=156 （ V ） 165 4.3 电流型逆变电路 4.3.1 单相电流型逆变电路 4.3.2 三相电流型逆变电路 166 4.3 电流型逆变电路 · 引言 ■ 直流电源为 电流源 的逆变电路称为电流型逆变电路。 ■ 电流型逆变电路主要特点 ◆ 直流侧串 大电感 ，电流基本无脉动，相当于电流源。 ◆ 交流输出电流为 矩形波 ，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。 ◆ 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。 ■ 电流型逆变电路中，采用 半控型器件 的电路仍应用较多，换流方式有 负载换流 、 强迫换流 。 图 4-11 电流型三相桥式逆变电路 167 4.3.1 单相电流型逆变电路 ■ 电路分析 ◆ 由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个 电抗器 ，用来限制晶闸管开通时的 d i /d t 。 ◆ 采用 负载换相 方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈 容性 。 ◆ 电容 C 和 L 、 R 构成 并联谐振电路 。 ◆ 输出电流波形接近 矩形波 ，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。 图 4-12 单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 168 4.3.1 单相电流型逆变电路 ■ 工作波形分析 ◆ 在交流电流的一个周期内，有 两个稳定导通阶段 和 两个换流阶段 。 ◆ t 1 ~t 2 ： VT 1 和 VT 4 稳定导通阶段， i o =I d ， t 2 时刻前在 C 上建立了 左正右负 的电压。 ◆ 在 t 2 时刻触发 VT 2 和 VT 3 开通，开始进入换流阶段。 ☞ 由于换流 电抗器 L T 的作用， VT 1 和 VT 4 不能立刻关断，其电流有一个减小过程， VT 2 和 VT 3 的电流也有一个增大过程。 图 4-13 并联谐振式逆变电路工作波形 169 4.3.1 单相电流型逆变电路 ☞ 4 个晶闸管全部导通，负 载电容电压经两个并联的放 电回路同时放电。 √ 一个回路是经 L T1 、 VT 1 、 VT 3 、 L T3 回到 电容 C 。 √ 另一个回路是经 L T2 、 VT 2 、 VT 4 、 L T4 回到 电容 C 。 ◆ 当 t=t 4 时， VT 1 、 VT 4 电流减至零而关断，直流侧电流 I d 全部从 VT 1 、 VT 4 转移到 VT 2 、 VT 3 ， 换流阶段结束 。 图 4-13 并联谐振式逆变电路工作波形 170 4.3.1 单相电流型逆变电路 图 4-13 并联谐振式逆变电路工作波形 ◆ 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力， t 4 时刻换流结束后还要使 VT 1 、 VT 4 承受一段反压时间 t  ， t β = t 5 - t 4 应大于晶闸管的关断时间 t q 。 ◆ 为保证可靠换流应在 u o 过零前 t  = t 5 - t 2 时刻触发 VT 2 、 VT 3 ， t  为触发引前时间 i o 超前于 u o 的时间  （ 负载的功率因数角 ） 把 t  表示为电角度  （弧度）可得 (4-16) (4-17) (4-18) 171 4.3.1 单相电流型逆变电路 ■ 基本的数量关系 ◆ i o 展开成傅里叶级数可得 ◆ 负载电压有效值 U o 和直流电压 U d 的关系 其基波电流有效值 I o1 为 (4-19) (4-20) 172 4.3.1 单相电流型逆变电路 一般情况下  值较小，可近似认为 cos(  /2)≈1 ，再考虑到式 (4-18) 可得 或 ■ 实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为 自励方式 。 ◆ 固定工作频率的控制方式称为 他励方式 。 ◆ 自励方式存在 起动问题 ，解决方法： ☞ 先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。 ☞ 附加预充电起动电路。 (4-21) 173 4.3.2 三相电流型逆变电路 t O t O t O t O I d i V i W u UV U 图 5-14 电流型三相桥式逆变电路的输出波形 图 5-11 电流型三相桥式逆变电路 ■ 电路分析 ◆ 基本工作方式是 120° 导电方式 ，每个臂一周期内导电 120° ，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。 ◆ 换流方式为 横向换流 。 ■ 波形分析 ◆ 输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各 120° 的 矩形波 。 ◆ 输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。 ◆ 输出线电压波形和负载性质有关， 大体为正弦波 ，但叠加了一些脉冲。 ◆ 输出交流电流的基波有效值 I U1 和直流电流 I d 的关系为 (4-22) 174 4.3.2 三相电流型逆变电路 图 4-15 串联二极管式晶闸管逆变电路 ■ 串联二极管式晶闸管逆变电路 ◆ 主要用于中大功率交流电动机调速系统。 ◆ 电路分析 ☞ 是 电流型 三相桥式逆变电路，各桥臂的晶闸管和二极管串联使用。 ☞ 120° 导电工作方式 ，输出波形和图 4-14 的波形大体相同。 ☞ 采用 强迫换流 方式，电容 C 1 ~ C 6 为换流电容。 ◆ 换流过程分析 ☞ 电容器所充电压的规律：对于共阳极晶闸管，它与导通晶闸管相连一端极性为正，另一端为负，不与导通晶闸管相连的电容器电压为零，共阴极的情况与此类似，只是电压极性相反。 175 4.3.2 三相电流型逆变电路 - + U V W + - U V W a) + - U V W b) - + U V W c) d) VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d i V i V i U = I d - i V ☞ 等效换流电容 概念：图 4-16 中的换流电容 C 13 就是图 4-14 中的 C 3 与 C 5 串联后再与 C 1 并联的等效电容。 ☞ 分析从 VT 1 向 VT 3 换流的过程 √ 假设换流前 VT 1 和 VT 2 通， C 13 电压 U C0 左正右负 。 √ 换流阶段分为 恒流放电 和 二极管换流 两个阶段。 √ t 1 时刻触发 VT 3 导通 ， VT 1 被施以反压而 关断 ， I d 从 VT 1 换到 VT 3 ， C 13 通过 VD 1 、 U 相负载、 W 相负载、 VD 2 、 VT 2 、直流电源和 VT 3 放电，放电电流恒为 I d ，故称 恒流放电阶段 ，如图 4 － 16b 。 图 4-16 换流过程各阶段的电流路径 176 4.3.2 三相电流型逆变电路 - + U V W + - U V W a) + - U V W b) - + U V W c) d) VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d VT 1 VT 2 VT 3 VD 1 VD 2 VD 3 C 13 I d i V i V i U = I d - i V 图 4-16 换流过程各阶段的电流路径 √ u C13 下降到零之前， VT 1 承受反压，反压时间大于 t q 就能保证可靠关断。 √ t 2 时刻 u C13 降到零，之后 C 13 反向充电，忽略负载电阻压降，则二极管 VD 3 导通，电流为 i V ， VD 1 电流为 i U =I d -i V ， VD 1 和 VD 3 同时导通，进入 二极管换流阶段 。 √ 随着 C 13 电压增高，充电电流渐小， i V 渐大， t 3 时刻 i U 减到零， i V =I d ， VD 1 承受反压而关断，二极管换流阶段结束。 √ t 3 以后，进入 VT 2 、 VT 3 稳定导通阶段 。 177 4.3.2 三相电流型逆变电路 t t O u O i U CO u C13 u C5 u C3 - U CO I d i U i V t 1 t 2 t 3 图 4-17 串联二极管晶闸管逆变电路换流过程波形 √ 从 VT 1 向 VT 3 换流的过程中，如果负载为 交流电动机 ，则在 t 2 时刻 u C13 降至零时，如电机反电动势 e VU >0 ，则 VD 3 仍承受反向电压而不能导通。直到 u C13 升高到 与 e VU 相等 后， VD 3 才承受正向电压而导通，进入 VD 3 和 VD 1 同时导通的二极管换流阶段。 ◆ 波形分析 ☞ 图 4-17 给出了电感负载时 u C13 、 i U 和 i V 的波形图。 ☞ u C1 的波形和 u C13 完全相同。 ☞ u C3 从 零 变到 -U C0 ， u C5 从 U C0 变到 零 ，变化幅度是 C 1 的一半。 ☞ 这些电压恰好符合相隔 120° 后从 VT 3 到 VT 5 换流时的要求，为下次换流准备好了条件。 178 4.3.2 三相电流型逆变电路 O O O O O w t w t w t O w t w t VT 4 导通 U V W i V i W i U u dM VT 1 导通 VT 3 导通 VT 6 导通 VT 5 导通 VT 2 导通 u VT 1 图 4-19 无换相器电动机电路工作波形 图 4-18 无换相器电动机的基本电路 ■ 负载为同步电动机 ◆ 其工作特性和调速方式都和直流电动机相似，但没有换向器，因此被称为 无换向器电动机 。 ◆ 采用 120° 导电方式 ，利用电动机 反电势 实现换流。 ◆ BQ 是转子位置检测器，用来检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。 179 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4.1 多重逆变电路 4.4.2 多电平逆变电路 180 4.4 多重逆变电路和多电平逆变电路 · 引言 ■ 电压型 逆变电路的输出电压是矩形波， 电流型 逆变电路的输出电流是矩形波， 矩形波 中含有较多的 谐波 ，对负载会产生不利影响。 ■ 常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为 接近正弦波 的波形。 ■ 也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。 181 4.4.1 多重逆变电路 120° 60° 180° t O t O t O 三次谐波 三次谐波 u 1 u 2 u o 图 4-20 二重单相逆变电路 图 4-21 二重逆变电路的工作波形 ■ 二重单相电压型逆变电路 ◆ 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器 T 1 和 T 2 串联 起来。 ◆ 输出波形 ☞ 两个单相的输出 u 1 和 u 2 是 180° 矩形波 。 ☞ u 1 和 u 2 相位错开  =60°, 其中的 3 次谐波就错开了 3×60°=180 ，变压器串联合成后， 3 次谐波互相抵消 ，总输出电压中不含 3 次谐波。 ☞ u o 波形是 120° 矩形波，含 6k±1 次谐波 ， 3k 次谐波都被抵消。 ■ 由此得出的一些结论 ◆ 把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。 ◆ 多重逆变电路有 串联多重 和 并联多重 两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。 182 4.4.1 多重逆变电路 图 4-22 三相电压型二重逆变电路 ■ 三相电压型二重逆变电路 ◆ 电路分析 ☞ 由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过 变压器串联 合成。 ☞ 两个逆变电路均为 180° 导通方式 。 ☞ 工作时，逆变桥 II 的相位比逆变桥 I 滞后 30° 。 ☞ T 1 为 Δ/ Y 联结，线电压变比为 ， T 2 一次侧 Δ 联结，二次侧两绕组 曲折星形接法 ，其二次电压相对于一次电压而言，比 T 1 的接法超前 30° ，以抵消逆变桥 II 比逆变桥 I 滞后的 30° ，这样 u U2 和 u U1 的 基波相位就相同 。 ☞ 如果 T 2 和 T 1 一次侧匝数相同，为了使 u U2 和 u U1 基波幅值相同 ， T 2 和 T 1 二次侧间的匝比就应为 。 183 4.4.1 多重逆变电路 U A21 U UN U U2 -U B22 U U1 ( U A1 ) t O t O t O t O t O 3 1 3 1 ) ( 1 + ) U U1 U A21 -U B22 U U2 U UN ( U A1 ) U d U d 3 2 U d 3 1 U d 3 2 U d ( 1 + U d 3 1 U d 图 4-23 二次侧基波电压合成相量图 图 4-24 三相电压型二重逆变电路波形图 ◆ 工作波形 ☞ T 1 、 T 2 二次侧基波电压合成情况的相量图如图 4-23 所示，图中 U A1 、 U A21 、 U B22 分别是变压器绕组 A 1 、 A 21 、 B 22 上的基波电压相量。 ☞ 由图 4-24 可以看出， u UN 比 u U1 接近正弦波。 184 4.4.1 多重逆变电路 ◆ 基本的数量关系 ☞ 把 u U1 展开成傅里叶级数得 式中， n=6k±1 ， k 为自然数。 ☞ u U1 的基波分量有效值为 n 次谐波有效值为 (4-23) (4-24) (4-25) 185 4.4.1 多重逆变电路 ☞ 输出相电压 u UN 的基波电压有效值为 其 n 次谐波有效值为 式中， n=12k±1 ， k 为自然数，在 u UN 中已不含 5 次、 7 次等谐波。 ◆ 该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动 12 次，称为 12 脉波逆变电路 ，一般来说，使 m 个三相桥式逆变电路的相位依次错开 运行，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成 脉波数为 6m 的逆变电路 。 (4-26) (4-27) 186 4.4.2 多电平逆变电路 t O t O t O t O t O t O t O t O a) b) c) d) e) f) g) h) u UN' u UN u UV i U i d u VN' u WN' u NN' U d U d 2 U d 3 U d 6 2 U d 3 图 4-9 三相电压型桥式逆变电路 图 4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形 ■ 回顾图 4-9 三相电压型桥式逆变电路和图 4-10 的波形，以 N’ 为参考点，输出相电压有 U d /2 和 -U d /2 两种电平，称为 两电平逆变电路 。 187 4.4.2 多电平逆变电路 图 4-25 三电平逆变电路 ■ 三电平逆变电路 ◆ 电路分析 ☞ 也称 中点钳位型 （ Neutral Point Clamped ） 逆变电路 。 ☞ 每桥臂由两个全控器件串联构成，两者都反并联了二极管，且中点通过钳位二极管和直流侧中点相连 。 ◆ 以 U 相 为例分析工作情况 ☞ V 11 和 V 12 （或 VD 11 和 VD 12 ）导通， V 41 和 V 42 关断时， UO' 间电位差为 U d /2 。 ☞ V 41 和 V 42 （或 VD 41 和 VD 42 ）导通， V 11 和 V 12 关断时， UO' 间电位差为 -U d /2 。 ☞ V 12 和 V 41 导通， V 11 和 V 42 关断时， UO' 间电位差为 0 。 ☞ V 12 和 V 41 不能同时导通， i U >0 时， V 12 和 VD 1 导通， i U <0 时， V 41 和 VD 4 导通。 188 4.4.2 多电平逆变电路 ◆ 线电压的电平 ☞ 相电压相减得到线电压。 ☞ 两电平逆变电路的输出线电压有 ±U d 和 0 三种电平，三电平逆变电路的输出线电压有 ±U d 、 ±U d /2 和 0 五种电平。 ☞ 三电平逆变电路输出 电压谐波 可大大少于两电平逆变电路。 ☞ 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。 ■ 用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为多电平逆变电路。 189 本章小结 ■ 讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 ◆ 四大类基本变流电路中， AC/DC 和 DC/AC 两类电路更为基本、更为重要。 ■ 换流方式 ◆ 分为 外部换流 和 自换流 两大类，外部换流包括 电网换流 和 负载换流 两种，自换流包括 器件换流 和 强迫换流 两种。 ◆ 换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。 190 本章小结 ■ 逆变电路分类方法 ◆ 可按 换流方式 、 输出相数 、 直流电源的性质或用途 等分类。 ◆ 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为 电压型 和 电流型 两类。 ◆ 电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。 ■ 与其它章的关系 ◆ 本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整，第 7 章的 PWM 控制技术 在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是 PWM 控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。 ◆ 逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成 间接交流变流电路 。 ◆ 此外，间接直流变流电路大量用于 开关电源 ，其中的核心电路仍是逆变电路，这些将在第 10 章介绍，学完第 10 章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。 第 5 章 直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路 本章小结 192 引言 ■ 直流 - 直流变流电路（ DC/DC Converter ）包括 直接直流变流电路 和 间接直流变流电路 。 ■ 直接直流变流电路 ◆ 也称 斩波电路（ DC Chopper ） 。 ◆ 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。 ◆ 一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。 ■ 间接直流变流电路 ◆ 在直流变流电路中增加了 交流环节 。 ◆ 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直 — 交 — 直电路。 193 5.1 基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和 Cuk 斩波电路 5.1.4 Sepic 斩波电路和 Zeta 斩波电路 194 5.1.1 降压斩波电路 图 5-1 降压斩波电路的原理图及波形 a ）电路图 b ）电流连续时的波形 c ）电流断续时的波形 ■ 降压斩波电路（ Buck Chopper ） ◆ 电路分析 ☞ 使用一个 全控型器件 V ，图中为 IGBT ，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。 ☞ 设置了 续流二极管 VD ，在 V 关断时给负载中电感电流提供通道。 ☞ 主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现 反电动势 ，如图中 E m 所示。 ◆ 工作原理 ☞ t=0 时刻驱动 V 导通 ，电源 E 向负载供电，负载电压 u o =E ，负载电流 i o 按指数曲线上升。 ☞ t=t 1 时控制 V 关断 ，二极管 VD 续流，负载电压 u o 近似为零 ，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感 L 使负载电流连续且脉动小。 195 5.1.1 降压斩波电路 ◆ 基本的数量关系 ☞ 电流连续时 √ 负载电压的平均值为 √ 负载电流平均值为 式中， t on 为 V 处于通态的时间， t off 为 V 处于断态的时间， T 为开关周期，  为导通占空比，简称占空比或导通比。 ☞ 电流断续时，负载电压 u o 平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。 ◆ 斩波电路有三种控制方式 ☞ 脉冲宽度调制（ PWM ） ： T 不变，改变 t on 。 ☞ 频率调制 ： t on 不变，改变 T 。 ☞ 混合型 ： t on 和 T 都可调，改变占空比 (5-1) (5-2) 196 5.1.1 降压斩波电路 ■ 对降压斩波电路进行解析 ◆ 基于 分时段线性电路 这一思想，按 V 处于 通态 和处于 断态 两个过程来分析，初始条件分 电流连续 和 断续 。 ◆ 电流连续时得出 式中， ， ， ， ， I 10 和 I 20 分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（ 5-9 ）和式（ 5-10 ）用泰勒级数近似，可得 平波电抗器 L 为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 (5-9) (5-10) (5-11) 197 5.1.1 降压斩波电路 ◆ (3-11) 所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则 电源提供的能量与负载消耗的能量相等 ，即 则 假设电源电流平均值为 I 1 ，则有 其值小于等于负载电流 I o ，由上式得 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。 (5-12) (5-13) (5-14) (5-15) 198 5.1.1 降压斩波电路 ◆ 电流断续时有 I 10 =0 ，且 t=t on +t x 时， i 2 =0 ，可以得出 电流断续时， t x

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