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1、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年第一只品闸管的问世。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
2、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
3、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(
4、Power Diode) ：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
5、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所小aj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）电气图形符号二极管的基本原理就在于PN吉的单向导电性这一主要特征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PN吉的反向击穿（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
6、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-晶闸管品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。品 闸管还应包括许多类型的派生器件。包括快速晶闸管（ FSTT、双向晶闸管（TRIA。、 逆导晶闸管（RCT和光控晶闸管（LTD等。这里所说的品闸管都是指普通品闸管。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
7、以上（图c）、大电流平板式额定电流在200AW上（图d）、图形符号 （图e）品闸管的外形及图形符号图2-2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，品闸管才被我们称为半控型器件。制图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=%1IA + ICO1(21)IC2=%2IK + ICO2(2-2)IK =IA + IG(2 3)IA =IC1+IC2 (24)a 1 = IC1/IA、a 2=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ICO2W分别是V1和V2的共基极漏电流。推出
8、：(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1+ 2趋近于1的话,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晶闸管导通的必要条件必须在品闸管的阳极、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。2 I G I CO1 I CO 2I A.阴极加上正向1欠。12)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
9、全控型电力电子器件品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(PowerMOSFBT 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 （Power MOSFET、静电感应晶体管（SIT）等；器件内部有电子和空穴两
10、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GT1普通晶闸管的一种派生器件，与品闸管一样都是PNPN四层三端结构。其电压、电流容量较大，与普通品闸管相近，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。和普通品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，GTO1一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 GTOI元，这些小GTOL
11、元的阴极和门极则在器件内部 并联在一起。如图2-3是GTOJ内部结构和电气图形符号图2-3 GTO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2.6.2 GTO工作原理GTOJ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Aa）b）图2-4晶闸管的管芯结构和等效电路P1N1P2和N1P2N的成的两个互补晶体管VI、V2分别具有共基极电流增益（共基极 放大倍数）民1和口2。由普通品闸管的分析可以看出，民1+a 2 = 1是器件临界导通的 条件。当a 1+ a 21时，两个互补晶体管VI、V2a入过饱和而使器件导通；当a 1 + a 2
12、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（Giant Transistor ）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，GTlRfBJT&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勺容量已达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。2.7.1 GTR的结构和工作原理NPNE层扩散台面型结构是单管GTR勺典型结构。如图（a）所示：图中掺杂浓度高 的N+区
13、称为GTR勺发射区，E为发射极。基区是一个厚度在几微米至几十微米之间的 叫 半导体层薄层，B为基极。集电区是NH半导体，C为集电极。图（c）是GTR勺电气符号。 为了提高GTR勺耐压能力，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2-5 GTR的结构及电气符号在电力电子技术中，GTRE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2-6 GTR的开关电路及输出特性Ee LX r+ L Ifci &图2-6 G
14、TR的开关电路及输出特性2.8 绝缘栅双极型晶体管（IGBD绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor )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。IGB 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勺产品已经系列化，其最大电流容量达1800A最高电压等级达4500V,工作频率达50KHz IGB襟合了 MOSFETGTR勺优点，其导通电阻是同一耐压规格 MOSFET1/10 ,开关时间 是同容量GTR1/10o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
15、的 中、小功率领域，IGB伏有取代GTFf口MOSFET趋势2.8.1 IGBT的工作原理在实际应用电路中IGBT勺集电极强电源正极,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勺结构、等效电路及电气符号图2-7 IGBT的结构、等效电路及电气符号1.1 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。1.2 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。
16、按变压器二次侧电流的方向是单向或双向。1.3 单相可控整流电路1.3.1 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才S整流电路，它由整流变压器TR晶闸管VTW负载电阻Rcffl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。VTc)PO10图3-1单相半波可控整流电路及波形触发延迟角：从品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
17、控制角。民ud导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用8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a角的变化范围。直流输出电压平均值为VT勺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。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vTh于断态时, 相当于电路在VTt断开，id=0。当vTt于通态时，相当于VT路
18、。u 2上b)0nc)0d).卬2sin td( t)e)22ug2Ucos ) 0.45U2u VTf)Zf2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, VT侪DVT划成一对桥臂，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VT3a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。a)iu d 上 idb)c)d)图3-3Ud(id)0t0w tu2过零变负班品网营VT卅VT毋M、天断。根I duVT1,40i2 4w t .1=麻w w t单相全控桥式带电阻负豳
19、帆也路及波形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 流id连续且波形近似为一水平线。+a时刻，晶闸管VT侪DVT似断,vT2wT 3Wf 导通 iv40pL312T 40Ib)I d dj- w t w tw t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 普通品闸管。其出端A、B、C经限流电感La、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，桥中各品闸管T1
20、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
21、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
22、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
23、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/DC Converter ）0 一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流一一交流 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
24、电路复合斩波电路一一不同基本斩波电路组合多相多重斩波电路一一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
25、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。4.2 PWM控制技术PWM Pulse Width Modulation ）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）0直流斩波电路实际上采用的就是 PW眼术,斩控式交流调压电路。PWME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 PW邮逆变电路
26、。4.2.1 PWM控制技术基本原理面积等效原理是PW槛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
27、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
28、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34kW的户用并网发电系统为主，我国实施的送电到乡工程则 以1015kW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
29、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
30、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。参考文献1 王兆安，黄俊，电力电子技术.4 版. 北京：机械工业出版社，
31、2000.2 莫正康，电力电子应用技术.3 版 . 北京：机械工业出版社， 2005.3 浣喜明，姚为正. 电力电子技术. 北京：高等教育出版社，2000.4 黄家善，王延才. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2000.5 黄家善 . 电力电子技术.2 版. 北京：机械工业出版社， 2000.6 李雅轩，杨秀敏，李燕萍，电力电子技术. 北京：中国电力出版社， 2004.7 李雅轩，杨秀敏，李燕萍，电力电子技术.2 版. 北京：中国电力出版社， .2007.8 王云亮 . 电力电子技术. 北京：电子工业出版社， 2004.9 陈国呈 . 新型电力电子变换技术. 北京：中国电力出版社， 2004.10 刘志刚 . 电力电子学. 北京：中国电力出版社， 2003.11 张涛 . 电力电子技术. 北京：电力工业出版社， 2003.12 吕汀，石红梅. 变频技术原理及应用 .2 版. 北京：机械工业出版社， 2011.