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电力电子基础知识大作业教材

《电力电子技术》课程大作业

电力电子技术器件、电路和技术综述

院（系）名称

信息工程学院

专业名称

电子信息工程技术

学生姓名

XXX

学号

xxx

指导教师

王照平

2015年6月12日

基于电力电子技术器件、电路和技术综述的

1、概述

从广义来讲，电子技术应包含信息电子技术和电力电子技术两大分支，而通常所说的电子技术一般指信息电子技术。

电力电子技术也称为电力电子学，它真正成为一门独立的学科始于1957年第一只晶闸管的问世。

在1970年国际电气和电子工程协会（IEEE）电力电子学会上对电力电子技术作了以下定义：

“电力电子技术就是有效地使用电力电子器件，应用电路和设计理论及分析开发工具，实现对电能的高效能变换和控制的一门技术。

它包括对电压、电流频率和波形的变换。

”简言之，电力电子技术就是利用电力电子器件对电能形态进行变换和控制的一门技术。

电力电子技术是电力、电子控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科，它们之间的关系可用倒三角图形描述，如图1-1所示。

图1-1描述电力电子学的倒三角形

第一，电力电子技术是在电子技术的基础上发展起来的，它们都可可分为器件、电路和应用三个部分，且器件的材料和制造工艺基本相同，只有两者的应用目的有所不同，电子技术应用于信息的处理（如放大等），电力电子技术应用于电力变换和控制，它所变换的功率可大到数百甚至数千兆瓦，也可以小到几瓦或毫瓦数量级。

第二，电力电子技术广泛应用于电器工程，如高压直流输电、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电力系统和电器工程中，它对电器工程的现代化起着重要推动作用。

第三，电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱点和强电之间的接口。

而控制理论是实现这种接口的一种强有力的纽带,是电力电子技术重要理论依据。

所以，也可以认为：

电力电子技术是运用控制理论将电子技术应用到电力领域的综合性技术。

2、电力电子常用器件

2.1、电力电子器件概念

可以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。

2.2、电力电子器件分类

按照电力电子器件能够被控制所实现控制的程度分为下列三类：

不可控器件（PowerDiode）：

不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。

半控型器件（Thyristor）：

通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

全控型器件（IGBT,MOSFET）：

通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。

按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的信号的性质，我们又可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类：

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。

2.3、不可控器件—电力二极管

2.3.1电力二极管的工作原理

基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的。

由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装外壳组成。

从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。

如图2-1所示

图2-1电力二极管的外形、结构和电气符号

（a）外形（b）结构（c）电气图形符号

 状态

参数

正向导通

反向截止

反向击穿

电流

正向大

几乎为零

反向大

电压

维持1V

反向大

反向大

阻态

低阻态

高阻态

--

二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征

PN结的反向击穿（两种形式）：

雪崩击穿、齐纳击穿。

均可能导致热击穿（永久性击穿）

2.3.2电力二极管与信息电子电路中的普通二极管的区别

由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响；再加上其承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。

此外，为了提高器件的反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。

2.4半控型器件-晶闸管

晶闸管这个名称往往专指普通晶闸管（SCR），但随着电力电子技术的发展。

晶闸管还应包括许多类型的派生器件。

包括快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。

这里所说的晶闸管都是指普通晶闸管。

2.4.1晶闸管的结构及工作原理

按照外形封装形式可分为：

小电流塑封式（图a）、小电流螺拴式（图b）、大电流螺拴式额定电流在200A以上（图c）、大电流平板式额定电流在200A以上（图d）、图形符号（图e）

图2-2晶闸管的外形及图形符号

由于通过门极我们可以控制晶闸管的开通；而通过门极我们不能控制晶闸管的关断，因此，晶闸管才被我们称为半控型器件。

图2-3晶闸管的管芯结构和等效电路

按照等效电路和晶体管的工作原理，我们可列出如下方程：

IC1＝α1IA＋ICO1（2－1）

IC2＝α2IK＋ICO2（2－2）

IK＝IA＋IG（2－3）

IA＝IC1＋IC2（2－4）

α1＝IC1/IA、α2＝IC2/IK分别是晶体管V1和V2的共基极接法的电流放大倍数，ICO1和ICO2则分别是V1和V2的共基极漏电流。

推出：

（1-5）

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。

阻断状态：

IG=0，1+2很小。

流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。

饱和导通：

注入触发电流使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IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。

IA实际由外电路决定。

晶闸管导通的必要条件是：

必须在晶闸管的阳极、阴极加上正向电压。

必须在门极和阴极之间加上正向门极电压，也称为触发电压。

流过晶闸管的阳极电压IA必须大于晶闸管的维持电流IH。

2.5晶闸管的应用

已被广泛应用于可控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域。

2.6全控型电力电子器件

晶闸管通过控制信号可以控制其导通，而无法控制其关断，因此，我们称其为半控型器件。

通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件。

是当前电力电子器件中发展最快的一类器件，这类器件品种很多，目前常见的有门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应晶体管（PowerMOSFET）、结缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

根据器件内部载流子参与导电的种类不同，全控型器件又可分为单极型、双极型和复合型三类。

器件内部只有一种载流子参与导电的称为单极型，如电力场控晶体管（PowerMOSFET）、静电感应晶体管（SIT）等；器件内部有电子和空穴两种载流子导电的称为双极型器件，如GTR、GTO、SITH等；由双极型器件与单极型器件复合而成的新型器件称为复合型器件，如IGBT等。

2.6.1门极可关断晶闸管（GTO）

门极可关断晶闸管GTO是普通晶闸管的一种派生器件，与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构。

其电压、电流容量较大，与普通晶闸管相近，因而在大功率场合仍有较多的应用。

GTO主要用于直流变换和逆变等需要器件强迫关断的地方。

和普通晶闸管的管芯结构基本一样，外部仍然是引出阳极、阴极和门极（控制极）。

不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出三个电极，但内部则包含了数拾个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些小GTO单元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

如图2-3是GTO的内部结构和电气图形符号

图2-3GTO的内部结构和电气图形符号

a.各单元的阴极、门极间隔排列b.并联单元结构断面示意图c.电气图形符号

2.6.2GTO工作原理

GTO的工作原理仍然可以用图2－4所示的互补双晶体管模型来分析

图2-4晶闸管的管芯结构和等效电路

P1N1P2和N1P2N2构成的两个互补晶体管V1、V2分别具有共基极电流增益（共基极放大倍数）α1和α2。

由普通晶闸管的分析可以看出，α1＋α2＝1是器件临界导通的条件。

当α1＋α2>1时，两个互补晶体管V1、V2进入过饱和而使器件导通；当α1＋α2<1时，不能维持饱和导通而关断

2.7电力晶体管（GTR）

电力晶体管（GiantTransistor）简称GTR，又称为巨型晶体管。

是一种双极型大功率高耐压晶体管。

因此，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。

它具有自关断能力、控制方便、开关时间短、高频特性好、价格低廉等优点。

目前GTR的容量已达400A/1200V、1000A/400V，工作频率可达5kHz，因此被广泛应用于不停电电源、中频电源和交/直流电机调速等电力变流装置中。

2.7.1GTR的结构和工作原理

NPN三层扩散台面型结构是单管GTR的典型结构。

如图（a）所示：

图中掺杂浓度高的N＋区称为GTR的发射区，E为发射极。

基区是一个厚度在几微米至几十微米之间的P型半导体层薄层，B为基极。

集电区是N型半导体，C为集电极。

图（c）是GTR的电气符号。

为了提高GTR的耐压能力，在集电区中设置了轻掺杂的N—区。

在两种不同类型的半导体交界处N+-P构成发射结J1,P-N构成集电结J2,如图（b）所示。

图2-5GTR的结构及电气符号

在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态，我们希望它在电路中的表现接近于理想开关-----即导通时的管压降趋近于零，截止时的电流趋近于零，而且两种状态间的转换过程要足够快。

如图2-6GTR的开关电路及输出特性

图2-6GTR的开关电路及输出特性

2.8绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）简称为IGBT，因为它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。

IGBT于1982年开始研制，1986年投入生产，是当前发展最快而且最有前途的一种混合型器件。

目前IGBT的产品已经系列化，其最大电流容量达1800A，最高电压等级达4500V，工作频率达50KHz。

IGBT综合了MOSFET和GTR的优点，其导通电阻是同一耐压规格MOSFET的1/10，开关时间是同容量GTR的1/10。

在电机拖动控制、中频电源、各种开关电源以及其他高速低耗的中、小功率领域，IGBT大有取代GTR和MOSFET的趋势。

2.8.1IGBT的工作原理

在实际应用电路中IGBT的集电极C接电源正极，发射极E接电源负极，它的导通和关断由栅极电压来控制。

如图2-7所示是IGBT的结构、等效电路及电气符号

图2-7IGBT的结构、等效电路及电气符号

3、电力电子的变换电路

变换电路可分为：

整流电路、逆变电路、交流变换电路、直流斩波电路。

3.1整流电路

整流电路：

出现最早的电力电子电路的一种，也是应用最基本最广泛的电能变换电路，将交流电变为直流电。

按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。

按电路结构可分为桥式电路和零式电路。

按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

按变压器二次侧电流的方向是单向或双向。

3.2单相可控整流电路

3.2.1单相半波可控整流电路

3.2.11带电阻负载的工作情况

电阻负载的特点：

电压与电流成正比，两者波形相同

如图3-1（a）所示为单向半波带电阻性负载可控整流电路，它由整流变压器TR、晶闸管VT和负载电阻Rd组成。

图中u1、u2分别为变压器一二侧电压瞬时值，ud.id分别是负载电压和负载电流瞬时值，ut、it分别为晶闸管两端电压和通过晶闸管的电流瞬时值；i2为变压器二次绕组电流瞬时值。

图3-1单相半波可控整流电路及波形

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。

αud

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。

移相范围:

使整流电压平均值ud从最大值变到0时对应的α角的变化范围。

直流输出电压平均值为

VT的α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。

3.2.12带阻感负载的工作情况

阻感负载的特点：

电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。

电力电子电路的一种基本分析方法:

通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。

对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：

当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。

当VT处于通态时，相当于VT短路。

图3-2带阻感负载的单相半波电路及其波形

3.3单相桥式全控整流电路

3.3.1带电阻负载的工作情况

如图3-3，VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断；

VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

图3-3单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

3.3.2带阻感负载的工作情况

假设电路已工作于稳态，如图3-4，id的平均值不变。

假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。

u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。

至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。

图3-4单相全控桥带阻感负载时的电路及波形

3.4逆变电路

逆变——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。

3.4.1有缘逆变

逆变电路采用三相桥式结构。

由于采用负载换流方式，故桥中开关元件可采用普通晶闸管。

其出端A、B、C经限流电感Lа、Lb和Lc与公共电网联结。

此处三相电网作为逆变电路负载接受其馈入电能，桥中各晶闸管T1～T6均工作于开关状态，采用相控方式（见电力电子电路）。

各晶闸管的导通时刻由加到各门极脉冲的相位决定。

逆变桥可视为按一定时序依次轮番通断的6只开关。

但在任何稳定导通状态中，桥中只有两支元件处于导通状态（其余为阻断状态）。

例如在某一时刻有T1和T2导通，则有id=iA=-iC，即直流电流id此时作为电网相电流iA和ic流向公共电网；而在另一时刻有T4和T5导通，则id=ic=-iA，由前述id为平滑连续直流电流。

由于桥中各开关的轮番通断，iA和ic均为交变方波。

同理可知iB也为交变方波。

由此可见,若门极脉冲的基本重复频率保持与公共电网同步，则各相电流的重复频率也必然与电网同步，这样电网就得到由直流端提供的、由逆变电路转换的交流功率。

当变换装置交流侧接在电网上，把直流电逆变成同频率的交流电回馈到电网上去，称为有源逆变。

当变换装置交流侧和负载连接时，将由变换装置直接给电机等负载提供频率可变的交流电，这种工作模式称为无源逆变。

有源逆变本质上是触发角大于90度的整流，有源逆变的拓扑结构与整流一模一样，只是当触发角大于90度时整流电路的功率方向发生了变化，相当于实现了逆变功能。

所以有源逆变的交流侧一定需要电源

3.4.2无源逆变

无源逆变主要应用：

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。

在整流和有源逆变电路中，工作状态的晶闸管处于交流电压作用下，其关断是靠所承受的电压自动地降到零或靠别的晶闸管导通而引入电网的负电压来完成的。

而在无源逆变电路中，晶闸管处于直流电压作用下，若不采取措施是无法关断的。

所以说，整流与有源逆变电路的主要矛盾是触发导通，而无源逆变电路的主要矛盾则是实现关断。

3.5交流变换电路

交流变换电路是对交流电路的幅值、频率、相数等参数进行变换的电路。

变频电路用于改变交流电能的频率，一般还可同时改变电压。

变频电路分为直接变频电路和间接变频电路。

前者不经过任何中间环节，直接将一种频率的交流电转变为另一种频率的交流电，通常还可同时控制输出电压。

这类电路的优点是电能变换效率高；缺点是控制复杂，电路较庞大。

间接变频电路需经两次以上变换才能将一种频率的交流电变为另一种频率。

按变换途径可分为交流-直流-交流变频电路（即先经整流再逆变）和交流-直流-高频-交流变频电路（整流后先经逆变为高频，再经直接降频）两类。

3.6直流斩波电路。

将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电；也称为直接直流--直流变换器（DC/DCConverter）。

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

直流斩波种类：

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，其中前两种是最基本的电路

复合斩波电路——不同基本斩波电路组合

多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合

4、电力电子技术关键技术

4.1软开关技术

现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。

电力电子电路的高频化：

可以减小滤波器、变压器的体积和重量，电力电子装置小型化、轻量化。

开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。

软开关技术降低开关损耗和开关噪声。

使开关频率可以大幅度提高。

软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。

软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类；按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWM和零转换PWM三大类；每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。

零电压开关准谐振电路、零电压开关PWM电路和零电压转换PWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。

4.2PWM控制技术

PWM（PulseWidthModulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，斩控式交流调压电路。

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。

4.2.1PWM控制技术基本原理

面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础。

原理内容：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量即指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

实例将图4-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图4-2a所示的R-L电路上，设其电流i（t）为电路的输出，图4-2b给出了不同窄脉冲时i（t）的响应波形。

图4-1形状不同而冲量相同的各种窄图4-2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

5电力电子技术的应用

　　电力电子技术是新兴的一种电子技术，被广泛的应用到电力电子领域，而且随着变频技术的研究和发展，电力电子的发展有了更有力的保障，目前，电子电力技术的作用主要在发电，输电，配电等各个环节。

　　发电功能是电力电子技术的最普遍且最重要应用

　　在电力电子应用作用中最贴切人们日常生活的就应该属于发电功能了。

电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以改善这些设备的运行特性为主要目的，为发电的实现起到了不可替代的作用。

　　作用之一：

实现低压变频技术的节能

　　低压变频器技术已非常成熟，国内外有众多的生产厂家，并有完整的系列产品。

风机水泵耗电量约占火电设备总耗电量的65%，发电厂的厂用电率平均为8%，且运行效率低。

使用低压或高压变频器，实施风机水泵的变频调速，可以达到节能的目的。

　　作用之二：

太阳能发电的独立系统

　　开发利用无穷尽的洁净新能源———太阳能，是调整未来能源结构的一项重要战略措施。

大功率太阳能发电，无论是独立系统还是并网系统，通常需要将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，所以具有最大功率跟踪功能的逆变器成为系统的核心。

日本实施的阳光计划以3～4kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则以10～15kW的独立系统居多，而大型系统有在美国加州的西门子太阳能发电厂等。

　　作用之三：

挖掘变频电源的发电潜能

　　水力发电的有效功率取决于水头压力和流量，当水头的变化幅度较大时（尤其是抽水蓄能机组），机组的最佳转速亦随之发生变化。

风力发电的有效功率与风速的三次方成正比，风车捕捉最大风能的转速随风速而变化。

为了获得最大有效功率，可使机组变速运行，通过调整转子励磁电流的频率，使其与转子转速叠加后保持定子频率即输出频率恒定。

此项应用的技术核心是变频电源。

　　作用之四：

控制大型发电机的静止励磁

　　静止励磁采用晶闸管整流自并励方式，具有结构简单、可靠性高及造价低等优点，被世界各大电力系统广泛采用。

由于省去了励磁机这个中间惯性环节，因而具有其特有的快速性调节，给先进的控制规律提供了充分发挥作用并产生良好控制效果的有利条件。

通过电子电力技术的四项突出作用让我们更多的人了解了电力电子技术在发电过程中的应用，也普及了我们对电能产生的科学知识。

我们可以看到一种新技术的诞生对改变生活的意义是重大的，不断的革新技术可以更好的去节能减排，将环保理念充分的投入在我们的科技中，进而在生活中感受高科技带来的福利。

总结

这次电力电子作业让我又再一次加深了解了电力电子的发展、四个类型的电路、关键技术、让我更加清楚的了解电力电子技术在实际生活的应用，让我对电力电子技术又进行了深入的了解巩固了自己的知识。

让我对电力电子产生了浓厚的兴趣，我相信这一学科有好的发展前景，相信这对以后的工作会有帮助。

也感谢王老师的精心细致的指导，让我更加清楚明白了解了相关知识。

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