61电力电子技术总复习

题型•1.填空题（20分）•2.分析题（20分）•3.简答题（30分）•4.计算题（15分）•5.设计题（10分，5分）第一章电力电子器件本章重点内容:各种器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。电力电子器件的驱动、保护问题。•电力电子器件的特征？能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。•电力电子器件的分类？半控型器件（Thyristor）全控型器件（IGBT,MOSFET)不可控器件(PowerDiode)电流驱动型电压驱动型1.不控器件--二极管•1.工作原理？•2.基本特性？•3.主要参数？•1）额定正向平均电流IF(AV)•2）正向压降UF•3）反向重复峰值电压URRM•4）反向恢复时间trr•5）最高工作结温TJM•6)浪涌电流IFSMAKAKa)IKAPNJb)c)AK•4、大功率二极管的型号•ZP[电流]─[电压/100][]•如ZP50-16表示普通型功率二极管，额定电流为50A，额定电压为1600V。2.半控器件—晶闸管（Thyristor）•特点：•只能控制其导通，不能控制其关断。•能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。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du/dt过高结温较高光触发只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段晶闸管正常工作时的特性总结如下：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。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。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr（延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr晶闸管的主要参数•1）电压定额通常取晶闸管的UDRM和URRM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。2）、电流定额通态平均电流（额定电流）IT(AV)•选用器件时IT(AV)=(1.5～2)IT/1.57维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL——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。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——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。断态电压临界上升率du/dt——电压上升率过大，使结电容充电电流足够大，造成晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt——电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。4)、晶闸管的型号Ｐ—普通,Ｋ—快速型，Ｓ—双向型，Ｎ—逆导型，Ｇ—KP[电流]─[电压/100][]KP500-12通态平均电压组别正反向重复峰值电压通态平均电流普通型闸流特性3.全控型器件•1.GTO•2.GTR•3.MOSFET•4.IGBT1-15GTO门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。特点：1-16GTR电力晶体管典型输出特性：截止区、放大区和饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区OIcib3ib2ib1ib1ib2ib3Uce图1-16共发射极接法时GTR的输出特性GTR的基本特性MOSFET特点——用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，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，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。N-MOS截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。–P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电：在栅源极间加正电压UGS1-19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GTR的饱和区）工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时导通。通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。图1-20电力MOSFET的转移特性和输出特性a)转移特性b)输出特性MOSFET的漏极伏安特性（即输出特性）：010203050402468a)10203050400b)1020305040饱和区非饱和区截止区ID/AUTUGS/VUDS/VUGS=UT=3VUGS=4VUGS=5VUGS=6VUGS=7VUGS=8VID/A1-20可降低驱动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度。开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度1-213)电力MOSFET的主要参数——电力MOSFET电压定额(1)漏极电压UDS(2)漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额(3)栅源电压UGS——UGS20V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容——极间电容CGS、CGD和CDS1-22IGBT---绝缘栅双极晶体管驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理1-232电力电子器件驱动电路使电力电子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。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路——主电路与控制电路之间的接口1-24驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器ERERERa)b)c)UinUoutR1ICIDR1R1图1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型1-25按照驱动信号的性质分，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可为分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类1-26晶闸管的触发电路脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1~t2脉冲前沿上升时间（1s）t1~t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT~5IGT）t1~t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT~2IGT）晶闸管的触发电路1-27•触发脉冲要求：•1、触发信号的形式：交流、直流、脉冲。•一般采用脉冲形式•2、触发脉冲信号有一定的功率和宽度。•一般采用双窄脉冲或宽脉冲。1-28•3、为使并联晶闸管同时导通，采用强触发脉冲。•4、触发脉冲的同步及其移相范围。•5、隔离输出方式和抗干扰能力。采用脉冲变压器进行隔离，并采用静电屏蔽。•1-29典型全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般10~15V，使IGBT开通的驱动电压一般15~20V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5~-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路•典型驱动芯片：•IR2110•IR2130•IPM：PS215641-313.电力电子器件器件的保护1.过电压的产生及过电压保护2.过电流保护3.缓冲电路1-32过电压保护方法：1-33过电流——过载和短路两种情况保护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图1-37过电流保护措施及配置位置1-34关断缓冲电路（du/dt抑制电路）——吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开通缓冲电路（di/dt抑制电路）——抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路——关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路(SnubberCircuit)：又称吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。2-35第2章整流电路重点：2.1单相可控整流电路2.2三相可控整流电路2.4电容滤波的不可控整流电路2.7整流电路的有源逆变工作状态2-362.1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路2.1.2单相桥式全控整流电路2.1.3单相全波可控整流电路2.1.4单相桥式半控整流电路2-372.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路重点掌握•1.电路的基本结构和工作原理•2.负载的电压、电流波形分析•3.基本数量关系•4.不同负载类型分析：阻性，感性（带续流二极管）、反电动势•5.不同电路拓扑结构对比，器件选型2.1.1单相半波可控整流电路图2-1单相半波可控整流电路及波形1）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTaq0b)c)d)e)00单相半波可控整流电路(SinglePhaseHalfWaveControlledRectifier)2.1.1单相半波可控整流电路VT的a移相范围为180通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。两个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示。基本数量关系直流输出电压平均值为paaapwwp2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttdUU(2-1)重点掌握：•单相桥式全控电路，阻感性负载2-422.4电容滤波的不可控整流电路2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路2-43`2.4电容滤波的不可控整流电路在交—直—交变频器、不间断电源、开关