现代电力电子技术作业要点

第一次作业1、电压型和电流型开关器件的工作原理(1)电压型(MOSFETIGBT):通过在控制端与公共端之间施加一定的电压信 号即可实现器件的导通或关断的控制。实际上是该电压信号在器件的两个主电路 端子之间产生可控的电场，进而来改变流过器件的电流大小和通断状态。MOSFET作原理：导通条件：漏源电压为正，栅源电压大于开启电压。关断条件：漏源极电压为正，栅源极电压小于开启电压。IGBT工作原理：导通条件：集射极电压为正，栅射极电压大于开启电压； 关断条件：栅射极电压小于开启电压。(2)电流型(SCR GTO GTR :通过在控制端注入或抽出一定的电流实现器件 的导通或关断的控制。SCR工作原理：导通条件：正向阳极电压，正向门极电压；关断条件：必须使阳极电流降低到某一数值之下(约几十毫 安)。两种强迫关断方式：电流换流和电压换流。GTOT作原理：与普通品闸管相同。开关速度高于普通晶闸管，di/dt承受能力大于晶闸管。GTRT作原理：导通条件：集射极加正向电压，基极加正向电流； 关断条件：基极加负脉冲。2、二极管的反向击穿机理反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当反向电压过大，超过一定 限度，反向电流就会急剧增大，破坏 PN结反向偏置为截止的工作状态。反向击穿按照机理不同分为雪崩击穿、齐纳击穿两种形式。雪崩击穿：反向电压增大，空间电荷区的电场强度增大，使从中性区漂移进 入空间电荷区的载流子被加速获取很高动能， 这些高能量、高速载流子撞击晶体 点阵原子使其电离(碰撞电离)，产生新的电子空穴对，新产生的电子与空穴被 加速获取能量，产生新的碰撞电离，使载流子迅速成倍增加，即雪崩倍增效应，导致载流子浓度迅速增加，反向电流急剧增大，最终PN结反向击穿。齐纳击穿：重掺杂浓度的PNK, 一般空间电荷区很窄，空间电荷区中的电场 因其狭窄而很强，反偏又使空间电荷区中的电场强度增加， 空间电荷区中的晶体 点阵原子直接被电场电离，使价电子脱离共价键束缚，产生电子空穴对，使反向 电流急剧增加。3、开通和关断缓冲电路的基本类型有哪些(1)根据缓冲电路的作用时刻，可将其分为关断缓冲电路和开通缓冲电路。如 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起，则称其为复合缓冲电路。关断缓冲电路：又称为du/dt抑制电路，用于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：又称为di/dt抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过冲和 di/dt ,减小器件的开通损耗。(2)根据组成缓冲电路的元件类型，可将其分为无源和有源缓冲电路。无源缓冲电路：由无源元件构成，如 RG RCD LCD缓冲电路，无源缓冲电 路不需要控制和驱动电路，所以电路简单，在工程设计中得到广泛应用。有源缓冲电路：不仅包含无源和有源元件，还包括一些控制电路和全控性开 关器件的驱动电路，所以电路构成复杂。（3）还可分为耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路耗能式缓冲电路（如RC RCDg冲电路）：缓冲电路中储能元件的能量消耗 在其吸收电阻上。馈能式缓冲电路（如LCDg冲电路）：缓冲电路能将其储能元件的能量回馈 给负载或电源，也称无损吸收电路。4、开关器件驱动电路的基本要求基本要求：改善器件动静态性能：作为功率开关希望减小器件损耗，驱动电路应保证器件的充分导通和可靠关断以降低器件的导通和开关损耗。 实现与主电路的电隔离：由于大多数主电路是高电压格局，要求控制信号与 栅极间无点耦合。 具有较强的抗干扰能力：目的是防止器件在各种外干扰下的误开关，保证器 件在高频工况下可靠工作。 具有可靠地保护能力：当主电路或驱动电路自身出现故障时，驱动电路应迅速封锁输出驱动信号并正确关断器件以保证器件的安全。（1）电压驱动型器件（电力 MOSFET IGBT）的驱动电路的基本要求 为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻。 使电力MOSFET通的栅源极间驱动电压一般取 1055M使IGBT开通的栅 射极间驱动电压一般取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 问和关断损耗。在栅极用入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值 应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。（2）电流驱动型器件的驱动电路的基本要求SCR!虫发电路的基本要求： 触发脉冲的宽度应保证品闸管可靠导通，比如对感性和反电动势负载的变流 器应采用宽脉冲或脉冲列触发。 触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达 12A/us。 触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极伏安特性 的可靠触发区域之内。应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。GTO1虫发电路的基本要求：开通控制与普通品闸管相似，但对触发脉冲前沿的幅值和陡度要求高，且一 般需在整个导通期间施加正门极电流， 使GTO!断需施加负门极电流，对其幅值 和陡度的要求更高。GTR!虫发电路的基本要求：开通的基极驱动电流应使其处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断时，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左右）的负偏压。5、半导体器件应用中需要哪些保护？都有什么手段？主要有四种保护：（1）过电压保护：电路保护法，器件法（RC保护、压敏电阻、硒堆等）；（2）过电流保护：电子保护电路法，器件保护法（熔断器、断路器、短路器等）；(3) di/dt保护：用电感，开通缓冲吸收。(4) du/dt保护：RC阻容保护，关断缓冲吸收电路。6、半导体器件的性能参数有哪些？说明其意义。(1)电力二极管正向平均电流If(av):指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度(简称壳温，用Tc表示)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。正向压降Uf :指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流 时对应的正向压降。反向重复峰值电压Urrm :指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。最高工作结温Tjm :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。反向恢复时间& ：指二极管电压反相后，结电容中存储电荷耗尽所需时间。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。(2)晶闸管断态重复峰值电压Udrm :是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在 器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压Urrm：是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在 器件上的反向峰值电压。通态(峰值)电压Utm :晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的 瞬态峰值电压。通态平土电流It(av)：国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为 40c和 规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波 电流的平均值。维持电流Ih ：维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为 几十到几百毫安。擎住电流Il ：擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。浪涌电流Itsm :指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。断态电压临界上升率du/dt ：在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸 管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。通态电流临界上升率di/dt ：在规定条件下，品闸管能承受而无有害影响的 最大通态电流上升率。(3) GTO最大可关断阳极电流Iato：用来标称GTO定电流。电流关断增益：最大可关断阳极电流Iato与门极负脉冲电流最大值Igm之比。开通时间ton :延迟时间与上升时间之和。关断时间toff : 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。(4) GTR电流放大倍数B、直流电流增益hFE、集电极与发射极间漏电流Iceo、集电极和发射极间饱和压降Uces、开通时间ton和关断时间toff 。最高工作电压：GTRt所加的电压超过规定值时，就会发生击穿。集电极最大允许电流Icm :规定直流电流放大系数hFE下降到规定的1/21/3时所对应的Ic。集电极最大耗散功率Rm :指在最高工作温度下允许的耗散功率。(5) MOSFET跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。漏极电压Uds :标称电力MOSFET压定额的参数。漏极直流电流Id和漏极脉冲电流幅值Idm :标称电力MOSFET流定额的参栅源电压Ugs :栅源之间的绝缘层很薄，Ugs >20V将导致绝缘层击穿。极问电容：Cgs、Cgd和Cds。漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET安全工作区。(6) IGBT最大集射极间电压Uces：由器件内部的PNP体管所能承受的击穿电压所确 定的。最大集电极电流：包括额定直流电流Ic和1ms脉宽最大电流Icp。最大集电极功耗Pcm :在正常工作温度下允许的最大耗散功率第二次作业1、以单相PWM整流电路为例，分析电路中各功率器件的导通状态和电压电流 极性。说明其PWM整流电路的不同工作状态。(1)整流状态图1: us>0、T3通断图2: us>0、T2通断us>0时。当T3导通，us通过T3、D4向Ls储能，直流侧电容向负载供电； 当T3关断，Ls中储存的能量通过D1、D4释放，与电源us一起向负载供电。当 T2导通，us通过D1、T2向Ls储能，直流侧电容向负载供电；当 T2关断，Ls 中储存的能量通过D1、D4释放，与电源us一起向负载供电。图3: us<0、T1通断图4: us<0、T4通断us<0时。当T1导通，us通过D2、T1向Ls储能，直流侧电容向负载供电； 当T1关断，Ls中储存的能量通过D2、D3释放，与电源us一起向负载供电。当 T4导通，us通过T4、D3向Ls储能，直流侧电容向负载供电；当 T4关断，Ls 中储存的能量通过D2、D3释放，与电源us一起向负载供电。(2)逆变状态图5i0<0, us>0 时，T1、T4 导通，Un=+u0； io<0, Us<0 时，T2、T3 导通,Un = U0。此时负载馈能,与电源US一起向Ls储能。图6is>0, D1、T2 或 T3、D4 导通；is <0, D2、T1 或 T4、D3 导通。电源 Us沿Ls短接，此时Un=0, Ls储能。负载R则依靠C0放电维持。(3) SVG状态图7通过;f$制MOST的通断，将直流侧电压U。逆变为与交流侧电网电压同频的输出电压Un。当仅考虑基波频率时，SVG可等效为一个与电网同频率的幅值和相位均可控的交流电压源，改变Un的幅值及与Us的相位差，使得Is超前Us 900 , 从而使电路向交流电源送出无功功率。(4)任意容性或感性运行图8类似于SVG运行状态，通过对Un的幅值及与Us的相位差的控制，可以使I S超前或滞后Us任一角度，从而使电路工作在任意容性或感性状态。2、PWM整流电路的间接电流和直接电流控制的原理和特点 (1)间接电流控制图9间接电流控制系统结构图原理：直流给点电压U0与实际的直流电压U0比较后送入PI调节器，经PI调节得到与交流输入电流的幅值成正比的直流电流指令信号I。上面的乘法器是I。乘以与交流输入电压同相位的正