电力电子技术全套课件PPT课件下载推荐.pptx
- 文档编号:4599523
- 上传时间:2023-05-03
- 格式:PPTX
- 页数:366
- 大小:11.92MB
电力电子技术全套课件PPT课件下载推荐.pptx
《电力电子技术全套课件PPT课件下载推荐.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电力电子技术全套课件PPT课件下载推荐.pptx(366页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
根据输入和输出的要求产生主电路所有大功率电子器件的通断信号,为变换器中的功率开关器件提供控制极驱动信号根据电力电子器件开关状态与控制信号的关系,电力电子器件的常用控制方式可以分为以下3种类型。
相控方式相控方式是指器件导通的相位,受控于控制信号幅度的变化,通过改变器件的导通相位角来改变输出电压的大小频控方式频控方式是指开关器件的工作频率受控于控制信号的频率,改变控制信号的频率,输出电压的频率也随之改变斩控方式控方式是指利用控制电压的幅值(调制电压的幅值)来改变一个开关周期中器件导通的占空比,器件以远高于输入、输出电压工作频率的开关频率运行,1.2电力电子技术的主要内容,另外,电力电子电路必须在一些辅助电路的支持下才能正常工作,这些辅助电路包括:
控制电路控制电路的功能是根据输入和输出的要求产生主电路所有大功率电子器件的通断信号。
驱动电路驱动电路的功能是根据控制电路给出的通断信号,提供大功率电子器件的足够功率,以确保大功率电子器件的迅速可靠开通和关断。
缓冲电路缓冲电路的功能是在大功率电子器件开通和关断的过程中减缓其电流或电压的上升速度,以降低其开关应力和开关损耗。
保护电路保护电路的功能是在电力电子电路的电源或负载出现异常时,保护电力电子设备免于损坏。
1.2电力电子技术的主要内容,电力电子装置电力电子装置是由各类电力电子电路组成的装置,用于大功率电能的变换和控制,又称变流装置。
它包括整流器、逆变器、直流变流器、交流变流器、各类电源和开关、电机调速装置、直流输电装置、感应加热装置、无功补偿装置、电镀电解装置、家用电器变流装置等。
1.3电力电子技术的发展状况,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晶闸管出现的前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,从而开了电子技术之先河。
20世纪30年代到50年代,水银整流器迅猛发展,它广泛地应用于电化学工业、电气铁道的直流变电,以及轧钢用直流电动机的传动中,甚至用于直流输电。
在这一时期,把交流变为直流的方法除水银整流器外,还有发展更早的电动机直流发电机组,即变流机组1947年美国著名的贝尔实验室发明出了晶体管,晶体管的问世则引发了电子技术的一场革命,1.3电力电子技术的发展状况,晶闸管时代晶闸管出现由于其优越的电器性能和控制性能,使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组,并且应用范围也迅速扩大。
晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式,通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断,因此属于半控型器件。
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局限,1.3电力电子技术的发展状况,全控型器件和电力电子集成电路70年代后期,以GTO、BJT和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以使其关断与晶闸管电路的相位控制方式相对应,采用全控型器件电路的主要控制方式为PMW方式。
PMW控制技术在电力电子变流技术中占有十分重要的位置80年代后期,以IGBT为代表的复合型器件异军突起。
IGBT是MOSFET和BJT的复合。
它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT通态压降小、载流能力大的优点集于一身,性能十分优越,使之成为现代电力电子技术的主导器件,1.3电力电子技术的发展状况,把驱动、控制、保护电路和功率器件集成在一起,构成功率集成电路(PowerIntegratedCircuit,PIC)目前,功率集成电路的功率都还较小,但它代表了电力电子技术发展的一个重要方向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不断提高,软开关技术便应运而生,采用软开关技术可使开关损耗降为零,可以提高效率。
另外,它可以进一步提高开关频率,从而提高了电力电子装置的功率密度。
目前,国际电力电子学界普遍认为,电力电子集成技术是解决电力电子技术发展面临障碍,并进一步拓展电力电子技术应用领域最有希望的出路。
1.4电力电子技术的应用,电力电子技术广泛地应用于工业、交通、IT、通信、国防以及民用电器、能源等领域,它的应用领域几乎涉及到国民经济的各个工业部门。
电力电子变化电源电源变换广义地讲,就是将某一频率、某一电压的电源通过电子线路或其他手段得到所需的频率和电压的电源所进行的变换电源变换技术的发展,是以现代微电子技术和电力电子技术的发展为前提的,依托现代的电力电子器件及推陈出新的电子线路,伴随日益提高的生产应用需求而发展。
1.4电力电子技术的应用,电力电子补偿控制器在电力系统中,电压和频率是衡量电能质量的两个最基本、最重要的指标,为确保电力系统的正常运行,供电电压和频率必须稳定在一定的范围内。
频率的控制与有功功率的控制密切相关,而电压控制的重要方法之一是对电力系统的无功功率进行控制。
无功功率补偿通过调控无功功率来提高交流电力系统的性能,大多数的电能质量问题都可以通过对无功功率进行适当控制而得到缓解或彻底解决。
无功补偿技术发展到现在已经有几十年的历史,以前采用同步电机来产生无功功率,但随着电力电子技术的发展,无功补偿中的补偿控制器、无功检测装置、投切方式都有了很大的进步。
1.4电力电子技术的应用,晶闸管补偿控制器(SVC)SVC由标准无功并联设备(电感和电容)组成,能快速地提供变化的无功。
它可以分为两个基本类型:
晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)TCR和TSC组合后的运行原理为:
当系统电压低于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部分过补偿容性无功;
当系统电压高于设定电压时,则切除所有电容器组,只留有TCR运行SVC有两个主要特点:
一是静止性,其主要部件无转动部分;
二是动态补偿,其反应速度很快,能及时跟踪无功功率变化并进行补偿,以达到所设计的各种控制目标由于SVC换流元件关断不可控,因而容易产生较大的谐波电流,而且其对电网电压波动的调节能力也不够,理想,图1-2TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构,1.4电力电子技术的应用,自关断无功补偿器具有如下优点:
体积小、成本低、不需要大量无源元件、无源元件容量较小。
自关断无功补偿器用于稳定输电系统,提高电压调节能力和功率因数,校正负载不平衡,并且可以串联和并联于系统。
能提供超前或滞后的无功,节省了电容和电感,可避免在某些运行方式下的谐振。
响应时间小于一个基波周期,可以连续、精确地控制无功。
开关频率高,低次谐波电流小,需要的滤波器比较小。
没有浪涌电流。
电压变化和暂态时,动态特性好。
自关断无功补偿器通过控制,可以作为滤波器用。
图1-6电流源变流器的无功补偿器,图1-3电压源变流器的无功补偿器,第二章电力电子器件与应用,2.1电力电子器件概述,2.1.1电力电子器件的概念和特征,电力电子器件的概念和特征目前,电力电子器件主要指以半导体材料硅(Si)或碳化硅(SiC)制成的电力半导体器件电力电子器件和普通半导体器件不一样,在电压等级和功率要求上都远大于普通半导体器件,因而制造工艺也有所不同电力电子器件主要工作于开关状态,因此,也称为功率开关器件,2.1.1电力电子器件的概念和特征,图2-1电力电子器件的理想开关模型,电力电子器件的理想开关模型A、B代表器件的两个主电极K控制开关通断的控制极通态电流,断态损耗,开关损耗通常来说,电力电子器件的通态损耗远远大于断态损耗开关损耗会随器件的开关频率升高而增大,这也是大功率电力电子设备的开关频率不能太高的主要原因,2.1.1电力电子器件的概念和特征,电力电子器件用于电能的变换和控制,其特性表现在以下几方面。
电力电子器件工作在开关状态,为的是减小本身的损耗。
电力电子器件因直接用在电力电路上,要承受高电压、大电流。
电力电子器件需要弱电来控制,应有控制电路和驱动电路。
因耗散功率大,需有必要的散热措施。
2.1.2电力电子器件的分类,根据其可控程度分为不可控器件、半控型器件和全控型器件根据参与导电的载流子不同分为:
双极型器件两种载流子都参与导电过程的电力电子器件单极型器件只有一种载流子参与导电过程的电力电子器件混合型器件由双极型和单极型两种器件组成的复合器件,2.1.2电力电子器件的分类,根据控制极信号的不同分类:
电流控制型器件通过从控制极注入或抽出控制电流的方式来实现对器件导通或关断的控制电压控制型器件利用场控原理控制的电力电子器件,其导通或关断是由控制极上的电压信号控制的,控制极电流极小,2.1.3电力电子器件的主要技术指标,从应用角度来看,主要有电气容量、开关特性、控制特性、热特性等指标电气容量指标主要指器件标称的额定电压、额定电流、极限电流等指标开关特性指标描述器件从通态到断态或从断态到通态时器件的电压、电流随时间变化的特性,主要包括开通时间、关断时间等指标控制特性指标描述可控型器件开通与关断的条件及其对控制信号的要求,如驱动电压、驱动电流等热特性指标描述器件热耗导致器件温升的特性,如最高结温、热阻等,2.2不可控器件电力二极管,2.2.1不可控器件电力二极管引言,电力二极管电力二极管的开通与关断由器件所在的主电路决定,这种器件结构简单、工作可靠。
广泛应用于电气设备中。
常用的电力二极管有:
普通二极管(又称整流二极管)、快恢复二极管和肖特基二极管,图2-2整流二极管、快速恢复二极管、肖特基二极管,2.2.1电力二极管结构与工作原理,电力二极管是由一个PN结组成的半导体元件,其结构及电气符号如图2-2所示引出端分别称为阳极(A)、阴极(K)基本特性是单向导电性,即承受正向电压时器件处于导通状态,电流从阳极A流向阴极K,否则处于阻断状态,图2-3电力二极管的外形、结构和电气符号,2.2.2电力二极管的主要特性,静态特性主要是指伏安特性正向电压(正向偏置)大到某一值(门槛电压UTO)时,正向电流开始明显增大,处于稳定导通状态,电力二极管承受反向电压(反向偏置)时,只有微小的反向漏电流,图2-4电力二极管的静态特性,2.2.2电力二极管的主要特性,动态特性因结电容的存在,力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这3个状态之间转换时,必然经过一个过渡过程。
将这个过程中电压、电流随时间变化的特性称为电力二极管的动态特性反映了电力二极管在通态和断态之间转换过程的开关特性,2.2.2电力二极管的主要特性,图2-5电力二极管的动态过程波形,延迟时间td=t1-t0,电流下降时间t=t-t,f21,向恢复时间trr=td+tf,电流降到零时刻,压突变,电流变化率接近0,当处于正向导通的电力二极管的外加电压突然变为反向时,电力二极管不能立即关断,而是需经过一个反向恢复时间才能进入截止正向电流,关断之前有较大的反向电降到0流IRP和反向过冲电压URP出现。
外加电,2.2.2电力二极管的主要特性,二极管由零偏置转为正向偏置,在这一动态过程中,电力二极管的正向压降也会出现一个过冲UFP,然后逐渐趋于稳态压降值UF。
这一动态过程的时间,称为正向恢复时间tfr,2.2.3电力二极管的主要参数,正向平均电流IF(AV)规定的散热条件与管壳温度下,电力二极管长期运行所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值,低频工作时器件发热主要是由正向电流的发热效应引起的,因此选用电力二极管时要按有效值相等的原则来确定器件电流定额,并应留有一定的裕量,图2-6正弦半波电流波形示意图,2.2.3电力二极管的主要参数,反向重复峰值电压URRM它是指可重复施加的、不会损坏电力二极管的反向最高峰值电压应用中,所选电力二极管的反向重复峰值电压应为该二极管实际承受反向电压峰值的2倍。
正向压降UF它是在指定的管壳温度下,电力二极管流过规定的稳态正向电流时对应的正向压降反向恢复时间trrtrr反映了电力二极管恢复对反向电压的阻断能力,它限制了电力二极管的开关工作频率,2.2.3电力二极管的主要参数,最高工作结温TJM它是指在规定电流和散热条件和PN结不致损坏的条件下所能承受的最高平均温度最大容许非重复浪涌电流IFSM它是指电力二极管所能承受的一次工频半周期峰值浪涌电流,该项参数反应了二极管抵抗短路冲击电流的能力,2.3半控型器件晶闸管引言,晶闸管(SCR)由于它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点,在生产实际中获得了广泛的应用。
SCR能承受的电压和电流容量高,工作可靠,在大容量的场合仍具有很重要地位。
本节主要介绍普通晶闸管的工作原理、基本特性以及主要参数等,图2-7晶闸管及其模块,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的结构外形有螺栓型和平板型两种封装阳极A、阴极K和门极(控制端)G,PNPN四层三端半导体材料构成,图2-8晶闸管的外形、结构及其电气符号,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,晶闸管的工作原理用电路来说明晶闸管A:
阳极K:
负极G:
控制极晶闸管承受正向电压,S断开,灯不亮;
晶闸管承受正向电压,S闭合,灯亮。
后S断开,灯亮;
晶闸管承受反向电压,灯灭总结条件:
图2-9晶闸管导通试验电路图,A,A,A,K,K,G,G,KG,晶闸管阳极和阴极承受正向电压控制极加正向电压,晶闸管一旦导通,控制极就失去了控制,2.3.1晶闸管的结构与工作原理,从内部结构分析晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管VT1、VT2组合而成,IG,IC2IC1,到晶闸管导通,导通后,控制极失去作用晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流,晶闸管截止图2-10晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,2.3.2晶闸管的主要特性,静态特性晶闸管的阳极与阴极间的电压和它的阳极电流间的关系称为晶闸管的伏安特性存在转折电压,在iG=0时,对应的最大正向阻断电压称为正向转折电压UFBO(约为1V)从阻断状态转向导通状态需经过负阻区导通后晶闸管压降较小维持电流IH反向击穿电压URBD,图2-11晶闸管的伏安特性,2.3.2晶闸管的主要特性,动态特性:
开通时间ton=td+tr关断时间,t=t+t,offrrgr,晶闸管开关时功耗较大,触发脉冲幅值、前沿陡度都会影响开通时间。
幅值愈大,前沿愈陡,开通时间愈短。
这样可降低开通损耗,有利于安全运行,图2-12晶闸管的开通和关断过程,从导通时的稳态值下降到零开始,到反向恢复电流再次接近于零,需维持反向电压一段时间,以恢复正向阻断能力,从门极加触发电流到阳极电流上升至稳态值的10%,阳极电流从稳态值的10%上升到稳态值的90%,2.3.3晶闸管的主要参数,晶闸管阳极电压和电流参数正向(断态)重复峰值电压UDRMUDRM是在门极断路、结温额定时,允许重复加在器件上而不会使其开通的正向峰值电压,也称断态重复峰值电压反向重复峰值电压URRMURRM是在门极断路、结温额定时,允许重复加在晶闸管上而不使其反向击穿的峰值电压。
通常把UDRM和URRM中的较小值标作器件的额定电压通常在选用晶闸管时,应使晶闸管的额定电压为正常工作电压峰值的23倍。
通态平均电压UTUT是在结温额定、晶闸管中通过额定通态平均电流时,阳极与阴极间的平均电压值,2.3.3晶闸管的主要参数,晶闸管的动态参数断态电压临界上升率断态电压临界上升率是指在结温额定和门极开路情况下,不导致从断态向通态转换的最大阳极电压上升率通态电流临界上升率通态电流临界上升率是指在规定条件下,晶闸管能随时通过的无有害影响的最大通态电流上升率门极定额参数门极触发电流IGTIGT是在室温下,阳极电压为直流6V时使晶闸管从断态转入通态所需的最小门极电流门极触发电压UGT,2.3.3晶闸管的主要参数,温度特性参数结温TJMTJM是晶闸管正常工作时所能允许的最高结温,晶闸管的额定结温通常为125或150结壳热阻RJC结壳热阻描述了晶闸管每瓦功率损耗导致的内部PN结与晶闸管外壳之间的温差。
该参数可用于晶闸管的散热系统设计,2.3.4晶闸管的门极触发电路,对门极触发信号有如下要求门极电流上升率:
触发脉冲前沿要陡门极电流幅值:
脉冲前沿的电流幅值较大门极脉冲信号宽度:
需要门极脉冲信号具有一定宽度。
门极脉冲信号应不超过门极电压、电流、功率等最大限定值。
触发可靠,抗干扰能力强典型晶闸管门极触发电路iB0时晶体管VT导通,电源电压,UD通过脉冲变压器Tr传递到副边,经VD2、RG触发晶闸管,图2-13典型晶闸管门极触发电路,2.3.5晶闸管的派生器件,双向晶闸管主电极在正、负电压作用下均可用同一门极触发导通双向晶闸管门极加正、负脉冲都可以触发双向晶闸管多用于交流调压电路(如小型异步电机调压调速、电加热电路等)、固态继电器(SSR)等电路中逆导晶闸管正向特性与普通晶闸管相同,具有开通可控性反向特性与逆导晶闸管承受反向电压时具有相同导通特点与普通晶闸管相比,逆导晶闸管具有正向压降小、关断时间短等特点,可用于不需要阻断反向电压的电路中。
图2-14双向晶闸管的等效电路和电气符号,图2-15逆导晶闸管的等效电路和电气符号,2.4全控型器件引言,本节主要介绍门极可关断晶闸管(GTO)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、智能功率模块(IPM)等常用器件的结构、工作原理、基本特性及其主要参数等内容,图2-16全控型器件及其模块,2.4.1门极可关断晶闸管,(GTO)是晶闸管的一种派生器件,具有门极正脉冲信号触发导通、门极负脉冲信号触发关断的特性GTO的结构与普通晶闸管的相同点:
P1N1P2N2四层半导体结与构普通晶闸管的不同点:
GTO是一种多元的功率集成器件,内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元,这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起,共有一个阳极,图2-17GTO的内部结构和电气图形符号,2.4.1门极可关断晶闸管,GTO的工作原理与普通晶闸管相同:
两个晶体管VT1、VT2分别具有共基,极电流增益1和2,1+2=1是器件临界导通的条件,1时导通,1时关断与普通晶闸管的不同:
设计器件时使得2较大,这样晶体管VT2控制灵敏,使得GTO易于关断1+2更接近于1,使GTO导通时接近于临界饱和,有利于门极控制关断,但会使导通管压降增大每个GTO元阴极面积很小,使得P2基区所谓的横向电阻很小,使从门极抽出较大的电流成为可能,图2-18晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,2.4.1门极可关断晶闸管,GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的,有同样的正反馈过程,只不过导通时饱和程度较浅。
关断时,给门极加负脉冲信号(门极为负,阴极为正),门极出现反向电流,此反向电流将GTO的门极电流抽出,使其电流减小,1和2也同时下降,以致无法维持正反馈,从而使GTO关断多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快,承受能力强,2.4.1门极可关断晶闸管,关断过程储存时间ts下降时间tf,尾部时间tt通常tf比ts小得多,而tt比ts要长门极负脉冲电流幅值越大,前沿越陡,抽走储存载流子的速度越快,ts就越短。
在tt阶段保持适当的负电压,则可以缩短尾部时间,图2-19GTO的开通和关断过程电流波形,抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间,和区退至放大区,阳极电流逐渐减小的时间,动态特性等效晶体管从饱残存载流子复合所开通过程与普通晶闸管类似需时间,2.4.1门极可关断晶闸管,主要参数最大可关断阳极电流IATOIATO是标称GTO额定电流容量的参数门极关断电流IGMIATO与IGM之比称为电流关断增益off有开通时间ton指延迟时间td与上升时间tr之和,即ton=td+trGTO的延迟时间一般约为12s,上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大关断时间toff一般指储存时间ts和下降时间tf之和,而不包括尾部时间ttGTO的储存时间随阳极电流的增大而增大,下降时间一般2sGTO是电气容量最大的全控型器件,但由于GTO驱动电路比较复杂,开关频率也不高,只有在大容量场合才选用GTO,2.4.1门极可关断晶闸管,门极驱动电路GTO的开通
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电力 电子技术 全套 课件