2013上海大学电力电子复习ppt

第2章半导体电力开关器件1电力电子学—电力电子变换和控制技术（第三版）第2章半导体电力开关器件2电力开关器件家族树第2章半导体电力开关器件3本章小结根据开关器件开通、关断可控性的不同，开关器件可以分为三类：不可控器件：仅二极管D是不可控开关器件。半控器件：仅SCR属于半控器件。可以控制其导通起始时刻，一旦SCR导通后，SCR仍继续处于通态。全控型器件：BJT、GTO、P-MOSFET、IGBT都是全控型器件，即通过门极（或基极或栅极）是否施加驱动信号既能控制其开通又能控制其关断第2章半导体电力开关器件4小结（续1）根据开通和关断所需门极（栅极）驱动信号的不同要求，开关器件又可分为电流控制型开关器件和电压控制型开关器件两大类：SCR、BJT和GTO为电流驱动控制型器件P-MOSFET、IGBT均为电压驱动控制型器件BJT要求有正的、持续的基极电流开通并保持为通态，当基极电流为零后，BJT关断。为加速其关断，要提供负的脉冲电流。P-MOSFET和IGBT要求有正的持续的驱动电压使其开通并保持为通态，要求有负的、持续的电压使其关断并保持为可靠的断态。电压型驱动器件的驱动功率都远小于电流型开关器件，驱动电路也比较简单可靠。第2章半导体电力开关器件5可控性驱动信号额定电压、电流工作频率饱和压降二极管不可控无最大有高有低小晶闸管半控脉冲电流（开通）最大最低小GTO全控正、负脉冲电流大较低中BJT全控正电流中中小IGBT全控正电压较大较高较小MOSFET全控正电压小最高大常用电力半导体开关器件性能对比第2章半导体电力开关器件65.控制方式改变开关管T的导通时间，即改变导通占空比D，即可改变变压比M,调节或控制输出电压VO。(1)脉冲宽度调制方式PWM(PulseWidthModulation)开关频率不变，改变输出脉冲电压的宽度(2)脉冲频率调制方式PFM（PulseFrequencyModulation）脉宽不变，改变开关频率或周期。Q：为什么实际应用中广泛采用PWM方式？第2章半导体电力开关器件73.1.1电路结构和降压原理1.Buck变换器的电路结构：元器件的作用？全控型开关管续流二极管LC输出滤波负载Buck变换器电路第2章半导体电力开关器件83.2.1电路结构和升压原理第2章半导体电力开关器件9+++-1L2L1C2CDoVSVR-1Li2LiT0/(1)SVDDV优点：输入输出电流脉动小既能实现DC/DC升压变换又可实现降压变换，称为直流升压－降压变换器。因其发明人为Cuk，又被称为Cuk变换器。3.3.1电路结构和电流连续时的工作特性输入输出反极性！Boost-Buck变换器或Cuk变换器第2章半导体电力开关器件10单相半桥逆变原理（电阻负载）电容很大，近似认为电容电压恒定。电容相等，电压均分。T1、T2周期性交替通、断，产生交变的Van图4.2单相半桥逆变电路及电压电流波形t0ai1D2D1T2TR-L(e)R-L负载电流波形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081(d)电感负载电流波形t0aiON1T2TON0T043T041T(c)电阻负载电流波形t0DV21anv(b)电压波形1T2T驱动驱动20T0T230T1.T1驱动导通时，T2关断。2.T2驱动导通时，T1关断tnnVvDnansin2,5,3,1DDVVV45.021Co2nCo1T1T2D1D2RaiaVD第2章半导体电力开关器件11单相半桥逆变原理（纯电感负载）图4.2单相半桥逆变电路及电压电流波形t0ai1D2D1T2TR-L(e)R-L负载电流波形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081(d)电感负载电流波形t0aiON1T2TON0T043T041T(c)电阻负载电流波形t0DV21anv(b)电压波形1T2T驱动驱动20T0T230T1.T1驱动导通时，T2关断。2.T2驱动导通时，T1关断电流为什么没有直流分量？tiLdtdiLVaaD2amamamDfLiTLiTiLV882/4Co2nCo1T1T2D1D2LaiaVD第2章半导体电力开关器件12图4.2单相半桥逆变电路及电压电流波形t0ai1D2D1T2TR-L(e)R-L负载电流波形t0ai1D2D1T2TamiLfVidam081(d)电感负载电流波形t0aiON1T2TON0T043T041T(c)电阻负载电流波形t0DV21anv(b)电压波形1T2T驱动驱动20T0T230T单相半桥逆变原理（阻感负载）5,3,11)(sinnnnmatnnZVi22)(LnRZnCo2nCo1T1T2D1D2ZaiaVD第2章半导体电力开关器件13单相全桥逆变原理（电阻负载）ttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tDi2D3D1D4DT1、T4一组，T2、T3一组两组器件周期性交替通、断产生交变的VabT1、T4驱动导通，T2、T3关断T2、T3驱动导通，T1、T4关断ttttVvDab7sin715sin513sin31sin4DDmVVV27.141DDVVV9.0221mDnmVnVnV114T3T4D3D4RaiaVDT1D1T2D4bid第2章半导体电力开关器件14ttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tDi2D3D1D4D单相全桥逆变原理（电感负载）T1、T4通，T2、T3断时。T2、T3通，T1、T4断时。amamamaaDfLiTLiTiLtiLdtdiLV442/2iam=VD/4fLT3T4D3D4LaiaVDT1D1T2D4bid第2章半导体电力开关器件15单相全桥逆变原理（阻感负载）ttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tDi2D3D1D4Dttt(b)负载电压(c)电阻负载电流波形(d)电感负载电流波形t(e)R-L负载电流波形(f)输入电流波形1T驱动4T1T驱动4T2T驱动3TabVaiai000000T40T430T20T1T4T2T3T2D3D4D1D1T4T2T3T2T3T1T4TR负载L负载aiRL负载2tDi2D3D1D4D5,3,11)(sinnnnmatnnZVi)sin(141221tLRViDaT3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D4bid第2章半导体电力开关器件16通过输入直流调压：可控整流方案可控直流电源逆变器负载+-交流电源直流环节滤波器斩波调压方案DC/DC斩波器逆变器负载二极管整流器滤波器以上两种调压方式均需要可控的直流输入4.3单相逆变器单脉波脉冲宽度控制第2章半导体电力开关器件17逆变器本身调压：ABCDRLS1S2S3S4C基本逆变电路0v1vDVX-Axis1vDovE0ttX-Axis1vov0tCTonTonT(b)方波(c)宽度方波tT/2TPWM输出电压波形0ov2Ttov2T2tovo180o180DVDV180°不可调压单脉冲调制调压多脉冲调制调压第2章半导体电力开关器件18单脉冲调压方式θNωt0.5VD-0.5VDVanT1、T2桥臂输出电压波形T3、T4桥臂输出电压波形ωtVbn0.5VD-0.5VDT1、T2桥臂按180°方式开关T3、T4桥臂按180°方式开关两桥臂驱动信号错开θ角Vab=Van-Vbnθ全桥电路输出电压Vab的波形ωtVabVD-VD输出电压大小：ttttVtvDab7sin27sin715sin25sin513sin23sin31sin2sin4改变移相角θ，也就调节了输出电压电压。故也称移相调压nT3T4D3D4ZaiaVD/2T1D1T2D4bidVD/2第2章半导体电力开关器件19冲量等效原理（SPWM的基本思想）iitVmsin1△t期间△tdV大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量（面积），即变量对时间的积分相等，其作用效果相同。换而言之，无论冲量的表现形式如何，只要是冲量等效的脉冲作用在惯性系统上，惯性系统的输出或响应是基本相同的。正弦形电压iitVmsin1△t期间△tdV正弦电流正弦等效窄脉冲序列基本上是正弦电流第2章半导体电力开关器件20基于冲量等效原理的直接SPWMtVtvmsin)(10t452123789210tdVdV)(tvab(b))(tv1031245109876105107109120(a)(b)SPWM等效电压(a)正弦电压312345tVtvmsin)(10t452123789210tdVdV)(tvab(b))(tv1031245109876105107109120(a)(b)SPWM等效电压(a)正弦电压312345SSSmSSmKTTKmKTTKabKDTKTTVKTTKVdttVdttvTVSSSS21sin21sin2cos1cos)sin()(11)1(1)1(KsSDmSKSKKTTVVTTDsin)21sin(21αKDK按正弦规律变化，故脉冲面积按正弦规律变化M：调制比DmVMV1输出电压基波与M成正比：第2章半导体电力开关器件21双极性SPWM脉冲生成T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D4bid9rcffNcmVrmVtt12322234DVDVabv(c)电压波形2cmrmVVM020vcvr9rcffNcmVrmVtt12322234DVDVabv(c)电压波形2cmrmVVM020vcvr第2章半导体电力开关器件22双极性SPWM的脉冲面积T3T4D3D4ZaiaVDT1D1T2D4bidcmrcmrcmCKVvVvVEHBFAEABTTD1212DDCKCDKCDKabVDVTTTVTTVTV121/2/rcmDabvVVVtVVVVVtVVVtvtvrDcmrmDcmrrmDcmrabsinsin)()(1第2章半导体电力开关器件235.2.2三相电压型逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路图5-9三相电压型桥式逆变电路第2章半导体电力开关器件245.2.2三相电压型逆变电路基本工作方式——180°导电方式图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3每桥臂导电180°，同一相上下两臂交替导电，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。第2章半导体电力开关器件25)(31)(31WNV