绪论信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术 电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即 应用于电力领域的电子技术。 目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。 电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。1.2 两大分支电力电子器件制造技术电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理。 变流技术（电力电子器件应用技术） 用电力电子器件构成电力变换电路和对其 进行控制的技术，以及构成电力电子装置 和电力电子系统的技术。 电力电子技术的核心，理论基础是电路理论变流技术 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。 电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流进行电力变换的技术称为 变流技术。1.3 与相关学科的关系与电子学（信息电子学）的关系 都分为器件和应用两大分支。 器件的材料、工艺基本相同，采用微电子技术。 应用的理论基础、分析方法、分析软件也基本相同。 信息电子电路的器件可工作在开关状态，也可工作在放大状态；电力电子电路的器件一般只工作在开关状态。 二者同根同源。与电力学（电气工程）的关系 电力电子技术广泛用于电气工程中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、电镀、电加热、高性能交直流电源 国内外均把电力电子技术归为电气工程的一个分支。 电力电子技术是电气工程学科中最为活跃的一个分支。与控制理论（自动化技术）的关系 控制理论广泛用于电力电子系统中。 电力电子技术是弱电控制强电的技术， 是弱电和强电的接口；控制理论是这种接口的有力纽带。 电力电子装置是自动化技术的基础元件和 重要支撑技术1.4 地位和未来 电力电子技术和运动控制一起，和计算机技术共同成 为未来科学技术的两大支柱。 计算机 人脑 电力电子技术 消化系统和循环系统 电力电子运动控制 肌肉和四肢 电力电子技术是电能变换技术,是把粗电变为精电的技术， 能源是人类社会的永恒话题，电能是最优质的能源， 因此，电力电子技术将青春永驻。 一门崭新的技术，21世纪仍将以迅猛的速度发展。2 电力电子技术的发展史 历史是人类社会的一面镜子分析过去、现在有助于把握未来 科学史是科学家的一面镜子了解一门学科的过去、现在有助于把握未来电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。3 电力电子技术的应用 一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力 家用电器： “节能灯”、变频空调 其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置1）一般工业2）交通运输3）电力系统4）电子装置用电源5）家用电器 总之，电力电子技术的应用范围十分广泛，激发人们学习、研究电力电子技术并使其飞速发展。 电力电子装置提供给负载的是各种不同的电源，因此可以说，电力电子技术研究的也就是电源技术。 电力电子技术对节省电能有重要意义。特别在大型风机、水泵采用变频调速，在使用量十分庞大的照明电源等方面，因此它也被称为是节能技术。第一章电力电子器件概念: 电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。2）分类: 电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件 (采用的主要材料硅）仍然3）同处理信息的电子器件相比的一般特征： 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。电力电子器件的损耗主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗 通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。1.1.2 应用电力电子器件系统组成电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。1.1.3 电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 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。 不可控器件(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。按照驱动电路信号的性质，分为两类： 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。1.2 不可控器件电力二极管引言 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。 快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应： PN结的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD。 电容影响PN结的工作频率，尤其是高速的开关状态。1.2.2 电力二极管的基本特性1) 静态特性 主要指其伏安特性 门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。 与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF 。 承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。IOIFUTOUFU图1-4 电力二极管的伏安特性2) 动态特性 二极管的电压-电流特性随时 间变化的 结电容的存在延迟时间：td= t1- t0, 电流下降时间：tf= t2- t1反向恢复时间：trr= td+ tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间 的比值tf /td，或称恢复系数，用Sr表示。 关断过程 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。 开通过程： 正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。 正向恢复时间tfr。 电流上升率越大，UFP越高 。1.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流IF(AV) 额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。2）正向压降UF 在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3） 反向重复峰值电压URRM 对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间trr trr= td+ tf5）最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。6) 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 1.2.4 电力二极管的主要类型1) 普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长 正向电流定额和反向电压定额可以达到很高 DATASHEET2) 快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD） 简称快速二极管 快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。 从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。 DATASHEET 1 2 33. 肖特基二极管(DATASHEET) 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD 肖特基二极管的弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。 肖特基二极管的优点 反向恢复时间很短（1040ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。1.3 半控器件晶闸管引言 晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1.3.1 晶闸管的结构与工作原理 外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。按晶体管的工作原理 （1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中a1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ：（1-5） 在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。 阻断状态：IG=0，a1+a2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。 开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致a1+a2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。其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩