全电力电子技术课件西交大王兆安版.ppt

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1、电力电子技术,西安交通大学王兆安 黄俊 主编(第四版)机械工业出版社,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。,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。,表1-1 电力变换的种类,1.1

2、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,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。,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

3、、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。,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

4、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。,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。,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

5、、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。,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。,1

6、.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

7、）复合了MOSFET和GTO。,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。,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

8、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。,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。,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

9、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。,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

10、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。,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

11、晶闸管投切电容器（下）,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。,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

12、，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。,1.3 电力电子技术的应用,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

13、是电力电子技术的用武之地。,图1-7 风场,1.4 本教材的内容简介,本教材的内容,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,驱动电路主电路与控制电路之间的接口,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：,将信息电子电路传来的信号按控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。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。,2,驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电气

14、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,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,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,3,按照驱动信号的性质，可分为电流驱动型和电压驱动型。驱动电路具体形式可以是分立元件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路。,分类,1.6.1 电力电子器件驱动电路概述,4,1.6.2 晶闸管的触发电路,晶闸管的触发电路作用,产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。,晶闸管触发电路应满足下列要求：,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

15、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。,5,V1、V2构成脉冲放大环节。脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。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。,图1-27 常见的晶闸管触发电路,常见的晶闸管触发电路,1.6.2 晶闸管的触发电路,6,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,1)电流驱动型器件的驱动电路,GTR驱动电路应满足下列要求：,开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左

16、右）的负偏压。,7,图1-31 GTR的一种驱动电路,GTR驱动电路包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。,驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,8,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1015V，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,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,电压驱动型器件的驱动电路

17、应满足下列要求：,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。,9,1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,(1)电力MOSFET的一种驱动电路电气隔离和晶体管放大电路两部分,专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。,图1-32 电力MOSFET的一种驱动电路,10,(2)IGBT的驱动,常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和 M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,多采用专用的混合集成驱动器。,

18、1.6.3 典型全控型器件的驱动电路,11,1.7 电力电子器件的保护,1.7.1 过电压的产生及过电压保护1.7.2 过电流保护1.7.3 缓冲电路,12,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,外因过电压：主要来自系统操作过程和雷击等外因操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起雷击过电压：由雷击引起内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的续流二极管在换相结束后，不能立即恢复阻断能力，有较大的反向电流流过，当恢复阻断能力后，反向电流急剧减小，会因线路电感在器件两端感应出过电压。关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感

19、应出的过电压。,电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压,13,电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种。其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴。,1.7.1 过电压的产生及过电压保护,过电压保护措施,14,图1-34 过电压抑制措施及配置位置,1.7.2 过电流保护,过电流过载和短路两种情况保护措施,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实现保护。,15,对一些重要的且易发生短路的晶闸管设备，或者工作频率较高、很难用快速熔断器

20、保护的全控型器件，需采用电子电路进行过电流保护。常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，这对器件过电流响应是最快。,1.7.2 过电流保护,16,缓冲电路,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。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(Snubber Circuit)：又称吸收电路，其作用是抑制器件的内因过电压、du/dt或者过电流和di/dt，减小器件

21、的开关损耗。,17,缓冲电路,缓冲电路作用分析,充放电型RCD缓冲电路，适用于中等容量的场合。,18,另外两种常用的缓冲电路 RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件。,缓冲电路,19,图1-40 另外两种常用的缓冲电路,图1-42电力电子器件分类“树”,本章小结,主要内容介绍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。集中讨论电力电子器件的驱动、保护。,电力电子器件类型归纳单极型：电力MOSFET双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR复合型：IGBT,20,本章小结,特点：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

22、动型：双极型器件 特点：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，驱动电路较复杂。,电压驱动型：单极型器件和复合型器件,21,IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首选。仍在不断发展，与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV/6kA。光控晶闸管：功率更大场合，8kV/3.5kA，装置最高达300MVA，容量最大。电力MOSFET：长足进步，中小功率领域特别是低压场合，地位牢固。功率模块和功率集成电路是现代电力电子发展的一个共同趋势。,本章小结,当前的格局:,22,预习第二章第一节

23、 单相可控整流电路思考题：1、单相可控整流电路有哪几种？2、什么是阻感负载？什么是电感负载？3、分析电力电子电路的方法是什么？,第二章 整流电路,2.1、电力二极管(Power Diode),3、封装,5、伏安特性,2.2、晶闸管(SCR、VT),一、结构,3、封装,4、双体晶体管模型,二、工作原理,A-、K+、G任意VT不通,A+、K-G+VT通；G为零，VT不通,VT导通后；G任意，VT通,VT导通后；Ia或Uak接近于“0”，VT关断,三、晶闸管基本特性,1、伏安特性,雪崩击穿,2、晶闸管电流定额,2.1 通态平均电流IT（AV）是工频正弦半波的通态电流在一个整周期内的平均值。,2.2

24、有效电流 通过电流的热效应来定义，把交流电流一个周期内消耗的能量等效用一个直流电流值来代替。,=,2.3单相半波可控整流电路,一、阻性负载,二、阻感负载,三、带续流二极管单相半波可控整流电路,晶闸管电流平均值,晶闸管电流有效值,续流二极管电流平均值,有效值,小结:单相半波可控 整流电路的特点,1、电路简单，但输出脉动大；,2、变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。,3、实际上很少应用此种电路，分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念,声光自熄开关,1、要求 白天灯不亮；晚上无声音时灯不亮；晚上有声音时灯亮。,2、原理框图,声光自熄开关（一）原理分析

25、（白天）,12V,1.2 k,低,高,低,高,低,低,低,声光自熄开关（一）原理分析（晚上无声音）,4M,高,低,高,低,高,低,低,声光自熄开关（一）原理分析（晚上有声音）,4M,高,高,低,高,低,高,高,声光自熄开关（二）,2.4 单相桥式全控整流电路,一、阻性负载,二、阻感负载,晶闸管移相范围为90；晶闸管导通角与a无关，均为180。,晶闸管电流平均值,晶闸管电流有效值,q,三、反电动势负载,1、在|u2|E 时，晶闸管承受正电压，有导通的可能,导通之后,2、直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。,2.5

26、 单相桥式半控整流电路,1、至时间段内，电流流经VT1、L、R、VD4至变压器；,2、至+时间段内，电流流经VT1、L、R、VD2；,3、+至2时间段内，电流流经VT3、L、R、VD2至变压器；,4、2至2+时间段内，电流流经VT3、L、R、VD4至变压器；,2.6 三相半波可控整流电路,变压器一次侧：三角形；二次侧：星形。,晶闸管：共阴极接法,二极管换相：电流从一个二极管向另一个二极管转移。,uab,uac,自然换相点是晶闸管触发角的起点。,=0,一、电阻负载,=300时三相半波可控整流电路,a=30时的波形 负载电流处于连续和断续之间的临界状态,uab,uac,=600时三相半波可控整流电

27、路,30时的波形 负载电流处于断续状态,=150时的波形 负载电压、电流为零,三相半波可控整流电路整流电压平均值的计算,（1）a30时，负载电流连续，有：,当a=0时，Ud最大,（2）a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,负载电流平均值为：,晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值：,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值：,二、阻感负载,例1：,在三相半波整流电路中，如果a相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压ud的波形。,d2,d1,2.6 三相桥式全控整流电路,一、电阻负载（=00）,=300,=300时的工作情况：1、晶闸管起

28、始导通时刻推迟了30，组成ud的每 一段线电压因此推迟302、从t1开始把一周期等分为6段，ud波形仍由6段 线电压构成，每一段导通晶闸管的编号等仍符合 表2-1的规律3、变压器二次侧电流ia波形的特点：在VT1处于 通态的120期间，ia为正，ia波形的形状与同时 段的ud波形相同，在VT4处于通态的120期间，ia波形的形状也与同时段的ud波形相同，但为负 值。,=600,ud波形中每段线电压的波形继续后移，ud平均值继续降低。a=60时ud出现为零的点。,a=600,d1,d2,=900,小结v 当a60时，ud波形均连续，对 于电阻负载，id波形与ud波形形状 一样，也连续；v 当a6

29、0时，ud波形每60中有一段 为零，ud波形不能出现负值；v 带电阻负载时三相桥式全控整流 电路a 角的移相范围是120,二、三相桥式全控整流电路阻感负载,图1 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形,图2 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形,图3 三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形,阻感负载时的工作情况 60时ud波形连续，工作情况与带电阻负载时相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。,60时阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。带阻

30、感负载时，三相桥式全控整流电路的a 角移相范围为90,三相桥式全控整流电路定量分析,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：,带电阻负载且a 60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud/R,当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为：,接反电势阻感负载时的Id为：,2.7 整流电路的有源逆变,逆变把直流电转变成交流电，整流的逆过程。,l如：电力机车下坡行驶，机车的位能转变为电能，反送到交流电网中去。,1、两电动势同极性UdEM电动机运转,2、两电动势同极性EMUd电动机回馈制

31、动,3、实际上形成短路,逆变产生的条件,单结晶体管,工作原理和特性曲线,IEO,谷点电压C,单结晶体管振荡电路,单结晶体管触发电路,单结晶体管触发电路(二),双向晶闸管,吊扇调速电路,触摸式调光台灯,触电的形式,保护接地,将电气设备在正常运行情况下不带电的金属外壳或构架用足够粗的金属线（例如钢筋）与接地体可靠地链接起来，以保护人身的安全。,保护接零,在1000伏以下接地良好的三相四线制系统中，例如380/220伏系统，电气设备的外壳或构架与系统的零线相接，即保护接零。,重复接地,在采用保护接零时，除系统的中点接地外，还必须在零线上一处或者多处进行接地。,在同一配电系统中，不允许一部分电气设备采

32、用保护接地，而另一部分电气设备采用保护接零。,第三章 直流斩波电路,直流斩波电路：一般是指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。,开关电源向轻、小、薄、高频化、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。,第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(SCR、GTO)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。,第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。,第三个阶段从20世纪90年代中期开

33、始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。,MOSFET,电力场效应晶体管,电力MOSFET静态特性,转移特性：漏极电流和栅源间电压的关系,电力MOSFET动态特性,uGSP：非饱和区栅压uT：开启电压,IGBT的结构和工作原理,IGBT则结合了双极型功率晶体管和MOSFET的优点：驱动功率小；控制电路简单；开关损耗小；0.055 mJ/A 通断速度快和工作频率较高；硬开关频率可达150kHz，软开 关电路中可达300kHz 耐压高 应用6600V，实验室8000V,E,线性稳压电源方框图,降压斩波电路（Buck Chopper

34、）,斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）1、T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）2、ton不变，变T 频率调制3、ton和T都可调，改变占空比混合型,升压斩波电路(Boost Chopper),1、V通时，E向L充电，充电电流恒为I1，同时C的电压向负载供电，因C值很大，输出电压Uo为恒值。设V通的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为：,2、V断时，E和L共同向C充电并向负载R供电。设V断的时间为toff，则此期间电感L释放能量为：,升降压斩波电路,1、V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。,2、V断时，

35、L的能量向负载释放，电流为i2。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。,一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零,当V处于通态期间，uL=E；而当V处于断态期间，uL=-uo；,Sepic斩波电路,1、当V处于通态时，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。,2、V断时，EL1C1VD回路和L2VDR回路分别流过电流；,开关电源分类,1、按负载与开关管 联接方式分：,晶体管开关稳压电源,半桥型开关稳压电源,波形分析,U1,半桥型开关稳压电源主电路,反馈控制,4 交流电力控制电路和交交变频电路,改变电压电流或电路通断,改变频率的电路,4.1交

36、流调压电路,一、电阻负载,二、阻感负载,负载电压有效值,晶闸管电流有效值,在t=a 时刻开通VT1，负载电流满足,=,=,(=0),1、VT1提前导通，L被过充电，放电时间延长，VT1的导通角超过；,2、触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不通；,3、io过零后，VT2导通，VT2导通角小于；,4、io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量；衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长，最终VT1、VT2导通角趋近于。,三、斩控式交流调压电路,4.2 三相交流调压电路,星形联接,线路控制三角形联接,支路控制三角形联接,中点控制三角形联接,=00,三相全波星形连接的调压电

37、路,相电压过零点定为a的起点，a=0时一直有三个晶闸管导通；,VT1-VT6,依次相差60,VT1-VT6,导通角为180,=300,VT4,t=00-300 时 VT5,VT6导通，uRA=O,t=300-600 VT1、VT5、VT6导通，uRA=uA,t=600-900 VT1、VT6导通，uRA=uAB/2,t=900-1200 VT1、VT2、VT6导通，uRA=uA,t=1200-1500 VT1、VT2导通，uRA=uAC/2,t=1500-1800 VT1、VT2、VT3导通，uRA=uA,=900,t=900-1500 时 VT1,VT6导通，uRA=uAB/2,t=1500

38、-2100 VT1、VT2导通，uRA=uAC/2,t=2100-2700 VT2、VT3导通，uRA=0,t=2700-3300 VT3、VT4导通，uRA=-uAB/2,t=3300-3900 VT4、VT5导通，uRA=-uAC/2,t=3900-4500 VT5、VT6导通，uRA=0,=1200,总结：1、060三管导通与两管导通交替，每管导通180-，但=0时一直是三管导通；,2、6090两管导通，每管导通120；,3、90150：两管导通与无晶闸管导通交替，导通角度为300-2。,4.2 单相交交变频电路,交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路。,广

39、泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路。,电路构成,1、P组工作时，负载电流io为正;N组工作时，io为负；,基本工作原理,2、两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率。,3、改变变流电路的控制角a，就可以改变交流输出电压的幅值；,4、为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制；,5、在半个周期内让P组a 角按正弦规律从90减到0或某个值，再增加到90，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制；,二、整流与逆变工作状态,整流,逆变,整流,逆

40、变,t2-t3：uo反向，io仍为正，正组逆变，输出功率为负；,t1-t2：uo和io均为正，正组整流，输出功率为正；,t4-t5：uo反向，io仍为负，负组逆变，输出功率为负；,t3-t4：uo和io均为负，反组整流，输出功率为正；,阻断,阻断,单相交交变频电路电压和电流波形图,考虑无环流工作方式下io过零的死区时间，一周期可分为6段,第1段io 0反组逆变,第五章 逆变电路,1）定义：将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。2）应用：直流电机的可逆调速、高压直流输电和太阳能发电等方面。,有源逆变:,无源逆变,1）定义：逆变器的交流侧不与电网联接，而是直接

41、接到负载，即将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流电供给负载2）应用：它在交流电机变频调速、感应加热、不停电电源等方面应用十分广泛，是构成电力电子技术的重要内容。,单相桥式逆变电路,换流电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称换相。,无源逆变换流方式分类,1、器件换流 利用全控型器件的自关断能力进行换流。,2、电网换流 由电网提供换流电压称为电网换流。,3、强迫换流 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流。,直接耦合式强迫换流,4、负载换流,单相半桥电压型逆变电路,逆变电路按其直流电源性质分：电压型和电流型,特点(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动；

42、(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同；(3)阻感负载时需提供无功功率,直流侧电容缓冲无功能量。,全桥逆变电路,三相电压型桥式逆变电路,定量分析（线电压）,w 输出线电压uUV展开成傅里叶级数,输出线电压有效值,基波幅值,基波有效值,定量分析（相电压）,w 输出相电压uUN展开成傅里叶级数,输出相电压有效值,基波幅值,基波有效值,单相电流型逆变电路,一般在直流侧串联大电感，电流脉动很小，可近似看成直流电流源 交流侧电容用于吸收换流时负载电感中存贮的能量,三相电流型逆变电路,第六章 PWM控制技术,SPWM波形,正弦半波N 等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。

43、用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等。（SPWM波形）,调制法,1、输出波形作调制信号，接受调制的信号为载波进行调制得到期望的PWM波；,2、通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；优点：a：其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称 b：与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求,3、调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；,单极性PWM控制方式,双极性PWM控制方式,异步调制和同步调制,载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制

44、和同步调制。异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式。同步调制N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。,规则采样法,正弦调制信号波 a称为调制度，0a1；为信号波角频率。,单相桥式PWM逆变电路,ICL8038引脚,脚1、12 正弦波失真度调整,脚2 正弦波输出,脚3 三角波输出,脚4、5 方波占空比调节,脚6 电源,脚7 内部频率调节偏置电压,脚8 外部扫频电压输入,脚9 方波输出,脚10 振荡电容,ICL8038内部原理图,单稳态双输出触发器C4528,M57962（IGBT驱动电路）,4013（D触发器）,电炉工业：退火炉，烘干炉，淬火炉，烧结炉，坩埚炉，隧道炉，熔炉，箱式电炉，

45、井式电炉，熔化电炉，滚动电炉，真空电炉，台车电炉，淬火电炉，时效电炉，实验电炉，热处理，电阻炉，真空炉，网带炉，高温炉，窑炉。机械设备：包装机械，注塑机械，热缩机械，挤压机械，食品机械，回火设备，塑料加工，红外加热。玻璃工业：玻璃纤维，玻璃成型，玻璃融化，玻璃印制，浮法玻璃生产线，退火槽。汽车工业：喷涂烘干，热成型。节能照明：隧道照明，路灯照明，摄影照明，舞台灯光。化学工业：蒸馏蒸发，预热系统，管道加热，石油化工，温度补偿。其它行业：盐浴炉，工频感应炉，淬火炉温控，热处理炉温控，金刚石压机加热，航空电源调压，中央空调电加热器温控，纺织机械，水晶石生产，粉末冶金机械，彩色显像管生产设备，冶金机械设备，石油化工机械，灯光平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。,复习,器件,整流电路的有源逆变,升压斩波,升降压斩波,电路实例,声光自熄开关,单结晶体管振荡电路,触摸式调光台灯,晶体管开关稳压电源,半桥型开关稳压电源,单相桥式PWM逆变电路,