项目四-全控型电力电子器件与开关电源-电力电子技术课件.ppt

全控型器件与开关电源全控型器件与开关电源n n一、一、GTOGTO门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管n n二、二、GTRGTR电力晶体管电力晶体管n n三、三、MOSFETMOSFET电力场效应晶体管电力场效应晶体管n n四、直流斩波电路四、直流斩波电路 一、一、门极可关断（门极可关断（GTOGTO）晶闸管）晶闸管1.1.结构结构与与普普通通晶晶闸闸管管的的相相同同点点：PNPNPNPN四四层层半半导导体体结结构，外部引出阳极、阴极和门极；构，外部引出阳极、阴极和门极；和和普普通通晶晶闸闸管管的的不不同同点点：GTOGTO是是一一种种多多元元的的功功率率集集成成器器件件，内内部部包包含含数数十十个个甚甚至至数数百百个个共共阳阳极极的的小小GTOGTO元元，这这些些GTOGTO元元的的阴阴极极和和门门极极则则在在器件内部并联在一起。器件内部并联在一起。2.导通关断条件导通：同晶闸管，AK正偏，GK正偏关断：门极加负脉冲电流3.特点n全控型n容量大n off5n电流控制型电流关断增益电流关断增益 off：最大可关断最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大阳极电流与门极负脉冲电流最大值值IGM之比称为电流关断增益之比称为电流关断增益 1000A的的GTO关断时门极负脉关断时门极负脉冲电流峰值要冲电流峰值要200A。1.1.单管单管GTR n单管单管GTRGTR的基本工作原理与晶体管相同的基本工作原理与晶体管相同n作为大功率开关管应用时，作为大功率开关管应用时，GTRGTR工作在截止工作在截止和导通两种状态。和导通两种状态。n主要特性是耐压高、电流大、开关特性好主要特性是耐压高、电流大、开关特性好2达林顿GTRn单单管管 GTRGTR的的电电流流增增益益低低，将将给给基基极极驱驱动动电电路路造造成成负负担担。达达林林顿顿结结构构是是提提高高电电流流增增益益一种有效方式。一种有效方式。n达达林林顿顿结结构构由由两两个个或或多多个个晶晶体体管管复复合合而而成成，可可以以是是PNPPNP型型也也可可以以是是NPNNPN型型，其其性性质质由由驱驱动管来决定动管来决定n 达林顿达林顿GTRGTR的开关速度慢，损耗大的开关速度慢，损耗大 3GTR 模块n将 GTR管芯、稳定电阻、加速二极管、续流二极管等组装成一个单元，然后根据不同用途将几个单元电路组装在一个外壳之内构成GTR模块。n目前生产的GTR模块可将多达6个互相绝缘的单元电路做在同一模块内，可很方便地组成三相桥式电路。安全工作区 防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件防止二次击穿，采用保护电路，同时考虑器件的安全裕量，尽量使的安全裕量，尽量使GTR工作在安全工作区。工作在安全工作区。4.特点n全控型，电流控制型全控型，电流控制型n二次击穿（工作时要防止）二次击穿（工作时要防止）n中大容量，开关频率较低中大容量，开关频率较低1.导通关断条件导通关断条件漏源极导通条件：漏源极导通条件：在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压在栅源极间加正电压U UGSGS漏源极关断条件：漏源极关断条件：栅源极间电压栅源极间电压栅源极间电压栅源极间电压U UGSGS为零为零为零为零四、直流斩波电路四、直流斩波电路 直直流流斩斩波波电电路路：将将一一个个固固定定的的直直流流电电压压变变换换成成大大小小可可变变的的直直流流电压的电路。也称之为直流变换电路。电压的电路。也称之为直流变换电路。直直流流斩斩波波技技术术的的应应用用：被被广广泛泛应应用用于于开开关关电电源源及及直直流流电电动动机机驱驱动动中中，如如不不间间断断电电源源(UPS)(UPS)、无无轨轨电电车车、地地铁铁列列车车、蓄蓄电电池池供供电电的的机机动动车车辆辆的的无无级级变变速速及及电电动动汽汽车车的的控控制制。从从而而使使上上述述控控制制获获得得加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果加速平稳、快速响应的性能，并同时收到节约电能的效果。图图图图4 4-1-1 直流变换系统的结构图直流变换系统的结构图直流变换系统的结构图直流变换系统的结构图1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路1.11.11.11.1、基本斩波器的工作原理、基本斩波器的工作原理、基本斩波器的工作原理、基本斩波器的工作原理 降压式斩波电路的输出电压平均值低于降压式斩波电路的输出电压平均值低于降压式斩波电路的输出电压平均值低于降压式斩波电路的输出电压平均值低于输入直流电压输入直流电压输入直流电压输入直流电压U U U Ud d d d。最基本的降压式斩波电路如图最基本的降压式斩波电路如图最基本的降压式斩波电路如图最基本的降压式斩波电路如图4-24-24-24-2所示：所示：所示：所示：Q Q Q Q为斩波开关，是斩波电路中的关键功率为斩波开关，是斩波电路中的关键功率为斩波开关，是斩波电路中的关键功率为斩波开关，是斩波电路中的关键功率器件，它可用普通型晶闸管、可关断晶器件，它可用普通型晶闸管、可关断晶器件，它可用普通型晶闸管、可关断晶器件，它可用普通型晶闸管、可关断晶闸管闸管闸管闸管GTOGTOGTOGTO或者其它自关断器件来实现。或者其它自关断器件来实现。或者其它自关断器件来实现。或者其它自关断器件来实现。图图图图4-24-24-24-2基本斩波电路和波形基本斩波电路和波形基本斩波电路和波形基本斩波电路和波形Q Q Q Q交替通断，在负载上就可得到方交替通断，在负载上就可得到方交替通断，在负载上就可得到方交替通断，在负载上就可得到方波电压。波电压。波电压。波电压。1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路n实际应用中负载多为电感性，多采用如图4-3所示电路。n稳态分析表明，若输出端上的电容C很大，则输出电压可近似为常数uo(t)UO。由于稳态时电容器的平均电流为零，因而电感中的平均电流等于输出平均电流。根据电感中的电流连续与否，以下分别对电流连续和电流不连续（断续）的两种工作模式进行讨论。图图4-3 带感性负载的斩波电路带感性负载的斩波电路 1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路1.21.2、电流连续的导通工作模式、电流连续的导通工作模式、电流连续的导通工作模式、电流连续的导通工作模式图图4-4 降压式斩波器的电路工作状态降压式斩波器的电路工作状态 V V V V导通导通导通导通V V V V关断关断关断关断 一周期内一周期内一周期内一周期内1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路n n在电流连续导通工作模式状态下，降压式变换电路等效于一个直流变压在电流连续导通工作模式状态下，降压式变换电路等效于一个直流变压器，其等效变比可以通过控制开关的占空比器，其等效变比可以通过控制开关的占空比k k在到的范围内连续控制。在到的范围内连续控制。n n电路参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电感电流由连续变电路参数的变化将导致电感电流导通模式的变化，即电感电流由连续变为不连续。如图为不连续。如图4-5a4-5a所示为电流临界连续状态时的所示为电流临界连续状态时的u uL L和和i iL L波形。波形。图图图图4 4-5 -5 临界连续时的电压、电流波形临界连续时的电压、电流波形临界连续时的电压、电流波形临界连续时的电压、电流波形 1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路n n电流临界连续时电流临界连续时i0min平均电感电流平均电感电流平均负载电流在给定在给定在给定在给定T T、U UOO、L L和和和和k k等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电流小于等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电流小于等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电流小于等参数的条件下，如果平均输出电流或平均电感电流小于由上式给出的由上式给出的由上式给出的由上式给出的I ILBLB值，那么值，那么值，那么值，那么i iL L将不再连续。将不再连续。将不再连续。将不再连续。1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路n n1.31.3、电流不连续导通时的工作模式、电流不连续导通时的工作模式、电流不连续导通时的工作模式、电流不连续导通时的工作模式电流不连续导通的工作模式分为输入电压电流不连续导通的工作模式分为输入电压UUd d不变和输出电压不变和输出电压UUOO不变两种情况，这里主要不变两种情况，这里主要介绍介绍UUd d不变的非连续导通模式。不变的非连续导通模式。UUd d不变的非连续导通模式常用于直流电机的速不变的非连续导通模式常用于直流电机的速度控制。输入电压度控制。输入电压UUd d保持不变，输出电压保持不变，输出电压UUOO可可通过调整斩波器的占空比通过调整斩波器的占空比k k进行控制。进行控制。由于由于UUOO=kUkUd d，在，在i iL L=0=0 的特定情况下，电感电流的特定情况下，电感电流的表达式可改写为的表达式可改写为 图图4 4-6-6U Ud d不变时非连续的电压、电流波形不变时非连续的电压、电流波形1、降压式斩波变换电路、降压式斩波变换电路n n1.41.4、输出电压纹波、输出电压纹波 斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大，输出电压含有脉动成分，如图斩波电路的输出端所接电容不可能无穷大，输出电压含有脉动成分，如图4 4-6 6波形所示。在连续导通工作模式中，假定波形所示。在连续导通工作模式中，假定i iL L中的谐波分量通过电容器短路，其直流中的谐波分量通过电容器短路，其直流分量流过负载电阻。图中阴影部分表示由电容分量流过负载电阻。图中阴影部分表示由电容C C存贮并释放的电荷存贮并释放的电荷 QQ。纹波电压的峰峰值纹波电压的峰峰值 UUOO：其纹波电压相对值：其纹波电压相对值：式中式中f fs s-开关频率，开关频率，；f fCC为为L L、C C低通滤波器的固有频率低通滤波器的固有频率2、升压式斩波变换电路、升压式斩波变换电路n2.1、原理图：原理图：原理图：原理图：储存电储存电能能保持输出保持输出电压电压该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中，假定滤波电容很大，并使该电路的输出电压永远高于输入电压。稳态分析中，假定滤波电容很大，并使输出电压保持不变，即输出电压保持不变，即u uo(t)o(t)=UUo o。2、升压式斩波变换电路、升压式斩波变换电路2.22.22.22.2电流连续导通时的工作模式电流连续导通时的工作模式电流连续导通时的工作模式电流连续导通时的工作模式nV导通：电感储能，负载由电容C供电。nV关断：电感释放能量，与Ud一起作用向负载供电。n电感电压在一个周期内的平均值为0图图4 4-8 -8 升压式斩波电路及波形升压式斩波电路及波形2、升压式斩波变换电路、升压式斩波变换电路n n 在升压式斩波电路的大多数应用中都需要在升压式斩波电路的大多数应用中都需要UUo o保持不变。只要占空比可保持不变。只要占空比可以调整，就允许输入电压变动。以调整，就允许输入电压变动。n n I Io o、I ILBLB 与占空比与占空比k k的函数关系如图的函数关系如图4-94-9所示。由图可知，所示。由图可知，I ILBLB在在k k=0.5=0.5时出现最大值时出现最大值I ILBmaxLBmax ，而，而I IOO在在k k1/31/3时出现其最大值时出现其最大值I Iomaoma I ILBLB和和I Io o可用它们的最大值表示：可用它们的最大值表示：如果负载电流平均值降到低于如果负载电流平均值降到低于I Io o，那么电流将由连续导通变为不连续，那么电流将由连续导通变为不连续导通的工作模式。导通的工作模式。2、升压式斩波变换电路、升压式斩波变换电路2.32.32.32.3电流不连续导通的工作模式电流不连续导通的工作模式电流不连续导通的工作模式电流不连续导通的工作模式 n n 在在UUd d和和k k保持不变的条件下，逐步减小输出负载功率的，升压式变换保持不变的条件下，逐步减小输出负载功率的，升压式变换电路从电流连续导通模式向不连续导通模式变化，波形如图电路从电流连续导通模式向不连续导通模式变化，波形如图4-104-10所示。所示。图图4-10a4-10a为连续导通时电感中的电压与电流波形；图为连续导通时电感中的电压与电流波形；图4-10b4-10b为电流不连为电流不连续导通时电感中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值续导通时电感中的电压与电流波形。这两种情况的电流峰值i iLmLm是一样的，是一样的，但是非连续导通模式的输出功率将减小。但是非连续导通模式的输出功率将减小。图图图图4 4-10-10 升压式斩波电路的电压与电流波形升压式斩波电路的电压与电流波形升压式斩波电路的电压与电流波形升压式斩波电路的电压与电流波形 4.升降压斩波电路n 升降压斩波电路又称Buck-Boost斩波电路，它是一种既可以升压，又可以降压的变换电路，输出电压相对于输入电压公共端为负极性输出。用IGBT作为开关器件的电路拓扑结构如图4-12所示。图图4-1212 升降压型斩波电路结构图升降压型斩波电路结构图4.升降压斩波电路n输出电压平均值，为当 时，输出电压与输入电压大小保持不变；n 输出电压的值大于输入n 电压，为升压变换n0D0.5，输出电压的值小于输入电压，n 为降压变换。n图4-13 升降压斩波电路的工作波形图