电力电子技术.docx

1、高 等 学 校 教 材电 力 电 子 技 术上 海 铁 道 大 学 邵 丙 衡 主 编西 南 交 通 大 学 连 级 三 主 审中 国 铁 道 出 版 社1 9 9 7 年 北 京( 京 ) 新 登 字 063 号内 容 简 介本 书 除 阐 述 传 统 的 晶 闸 管 ( SC R ) 外 , 着 重 介 绍 了 近 代 电 力 电 子 器 件 , 如 何 关 断 晶 闸 管 ( GT O ) 、 电 力 晶 体 管 ( GT R ) 、 电 力 场 效 应 晶 体 管 ( P -M OSF E T ) 、 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( IGBT ) 、 M OS 控 制 晶 闸 管

2、( M CT ) 和 智 能 电 力 模 块 ( IPM ) 等 新 型 器 件 的 基 本 性 能 。 在 此 基 础 上 论 述 了 相 控 整 流 、 有 源 逆 变 、 直 流 斩 波 、 交 流 调 压 、 脉 冲 变 ( 整 ) 流 、 变 频 以 及 周 波 变 流 等 电 力 电 子 变 流 电 路 及 其 控 制 系 统 的 原 理 、 电 路 、 参 数 计 算 和 特 性 并 力 求 充 分 反 映 近 代 电 力 电 子 技 术 的 新 成 就 。 无 源 逆 变 ( 变 频 器 ) 是 本 书 的 重 点 。本 书 为 高 等 院 校 教 材 , 适 用 于 电 气

3、自 动 化 、 电 气 传 动 控 制 、 电 力 牵 引 、 电 子 技 术 等 电 类 专 业 , 也 可 供 电 类 工 程 技 术 人 员 和 研 究 生 参 考 。高 等 学 校 教 材电 力 电 子 技 术上 海 铁 道 大 学 邵 丙 衡 主 编*中 国 铁 道 出 版 社 出 版 、 发 行( 10 0 05 4 , 北 京 市 宣 武 区 右 安 门 西 街 8 号 ) 责 任 编 辑 吴 桂 萍 封 面 设 计 马 利 各 地 新 华 书 店 经 售中 国 铁 道 出 版 社 印 刷 厂 印开 本 : 7 8 1 09 2 1 / 1 6 印 张 : 15 . 25 字 数

4、 : 3 73 千1 99 7 年 月 第 1 版 第 1 次 印 刷印 数 : 1 - 0 00 0 0 册ISBN 7-113-02615-X/ T H 63 定 价 : 12.50 元前 言电 力 电 子 技 术 的 应 用 已 深 入 到 工 农 业 经 济 建 设 、 交 通 运 输 、 空 间 技 术 、 国 防 现 代 化 以 及 医 疗 、 环 保 和 亿 万 人 们 日 常 生 活 的 各 个 领 域 。 一 些 技 术 先 进 的 国 家 , 经 过 电 力 电 子 技 术 处 理 的 电 能 已 达 到 总 电 能 的 一 半 或 更 多 。 在 科 教 兴 国 的 总

5、目 标 中 , 对 电 力 电 子 技 术 的 掌 握 已 成 为 十 分 迫 切 、 异 常 重 要 的 问 题 。在 电 力 电 子 技 术 应 用 的 各 领 域 中 , 电 力 牵 引 部 门 是 使 用 电 力 电 子 器 件 总 容 量最 大 、 技 术 要 求 很 先 进 、 可 靠 性 要 求 极 高 的 部 门 , 电 力 电 子 技 术 的 发 展 水 平 , 极 大 程 度 上 决 定 了 电 力 牵 引 发 展 的 技 术 水 平 和 发 展 的 规 模 。 为 此 , 铁 道 部 电 力 牵 引 与铁 道 电 气 化 教 学 指 导 委 员 会 在 1993 年 的

6、北 京 会 议 上 , 决 定 编 这 本 以 近 代 电 力 电 子 技 术 为 主 体 的 大 学 教 材 , 以 替 代 1987 年 出 版 的 而 至 今 仍 为 铁 路 高 等 院 校 所 沿 用 的 电 力 半 导 体 变 流 技 术 一 书 。本 书 由 上 海 铁 道 大 学 邵 丙 衡 教 授 主 编 , 西 南 交 通 大 学 连 级 三 教 授 主 审 。 编 写分 工 : 邵 丙 衡 教 授 编 写 第 一 、 六 、 七 、 八 章 及 绪 论 ; 北 方 交 通 大 学 叶 斌 副 教 授 编 写 第 二 、 三 章 ; 西 南 交 通 大 学 郭 世 明 教 授

7、 编 写 第 四 章 ; 上 海 铁 道 大 学 陶 生 桂 教 授 编 写 第 五 章 。参 加 审 校 工 作 的 还 有 铁 道 科 学 研 究 院 吴 茂 杉 研 究 员 、 大 连 铁 道 学 院 叶 家 金 教 授 、 上 海 铁 道 大 学 陈 效 国 教 授 。 在 本 书 编 写 过 程 中 还 得 到 上 海 大 学 、 浙 江 大 学 、 上 海 交 通 大 学 和 西 安 电 力 电 子 研 究 所 同 行 专 家 、 教 授 的 热 心 支 持 ; 书 末 所 列 的 参 考 文 献 为 编 写 本 书 提 供 了 很 好 的 借 鉴 和 素 材 。 在 本 书 即

8、将 问 世 之 际 , 谨 向 他 们 表 示深 切 谢 意 !电 力 电 子 技 术 发 展 极 其 迅 速 , 往 往 三 五 年 就 可 推 出 新 一 代 产 品 , 而 且 这 门 学 科 内 容 博 大 精 深 , 限 于 我 们 的 学 识 和 信 息 , 本 书 虽 力 求 完 善 , 但 错 误 和 不 足 之 处 难免 并 存 , 殷 切 期 望 专 家 和 读 者 指 正 , 以 便 再 版 时 得 以 补 充 或 修 正 。上 海 铁 道 大 学 邵 丙 衡1996 年 4 月目 录绪 论 1第 一 章 电 力 电 子 器 件 的 原 理 与 特 性 4第 一 节 电

9、力 电 子 器 件 的 发 展 、 分 类 与 应 用 4第 二 节 晶 闸 管 ( SCR ) 9第 三 节 可 关 断 晶 闸 管 ( GT O) 14第 四 节 电 力 晶 体 管 ( GT R 或 BJ T ) 20第 五 节 电 力 场 效 应 晶 体 管 ( 电 力 M OSFE T ) 24第 六 节 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( IGBT ) 27第 七 节 其 他 新 型 场 控 器 件 ( SI T 、 SI T H、 M CT 、 IPM ) 30习 题 34第 二 章 相 控 整 流 电 路 35第 一 节 概 述 35第 二 节 单 相 桥 式 全 控 整 流

10、电 路 36第 三 节 单 相 桥 式 半 控 整 流 电 路 43第 四 节 三 相 半 波 可 控 整 流 电 路 46第 五 节 三 相 桥 式 全 控 整 流 电 路 51第 六 节 三 相 桥 式 半 控 整 流 电 路 55第 七 节 整 流 器 交 流 侧 电 抗 对 整 流 电 路 的 影 响 58习 题 62第 三 章 有 源 逆 变 与 相 控 变 流 器 特 性 64第 一 节 有 源 逆 变 电 路 的 工 作 原 理 64第 二 节 三 相 有 源 逆 变 电 路 66第 三 节 固 定 逆 变 角 与 自 调 逆 变 角 的 有 源 逆 变 71第 四 节 有 源

11、逆 变 的 应 用 73第 五 节 多 相 整 流 电 路 的 谐 波 分 析 76第 六 节 整 流 电 路 供 电 时 电 动 机 的 机 械 特 性 79第 七 节 整 流 电 路 的 功 率 因 数 及 其 改 善 的 方 法 83习 题 88第 四 章 直 流 斩 波 器 90第 一 节 直 流 斩 波 器 的 工 作 原 理 及 控 制 方 式 90第 二 节 直 流 斩 波 器 基 本 电 路 94第 三 节 采 用 全 控 型 电 力 电 子 器 件 的 斩 波 电 路 97第 四 节 采 用 半 控 型 电 力 电 子 器 件 的 斩 波 电 路 99第 五 节 直 流 斩

12、波 器 的 电 路 分 析 104第 六 节 多 相 多 重 斩 波 电 路 108习 题 1101第 一 节 交 -交 变 频 电 路 ( 周 波 变 流 器 ) 的 原 理 和 电 路 192第 二 节 倍 频 电 路 ( 倍 频 器 ) 196第 三 节 无 环 流 单 相 -单 相 周 波 变 流 电 路 198第 四 节 三 相 周 波 变 流 器 的 有 环 流 运 行 和 参 数 200第 五 节 电 流 型 单 相 -三 相 交 -交 变 频 电 路 203习 题 205第 五 章 交 流 调 压 电 路 和 脉 冲 变 流 ( 整 流 ) 电 路 112第 一 节 交 流 调

13、 压 器 的 基 本 类 型 、 用 途 和 电 路 112第 二 节 单 相 交 流 调 压 电 路 的 分 析 114第 三 节 三 相 交 流 调 压 电 路 的 分 析 118第 四 节 交 流 斩 波 调 压 电 路 121第 五 节 脉 冲 整 流 电 路 的 基 本 原 理 及 分 类 123第 六 节 电 压 型 脉 冲 整 流 器 125第 七 节 电 流 型 脉 冲 整 流 器 132习 题 137第 六 章 无 源 逆 变 电 路 138第 一 节 无 源 逆 变 电 路 的 原 理 及 分 类 138第 二 节 三 相 桥 式 逆 变 电 路 的 原 理 与 参 数 1

14、43第 三 节 I GBT 三 相 逆 变 电 路 和 三 点 式 逆 变 电 路 148第 四 节 SCR 及 IGBT 谐 振 式 逆 变 电 路 154第 五 节 麦 克 墨 莱 ( M cM ur r ay) SCR 三 相 逆 变 电 路 及 其 参 数 计 算 159第 六 节 电 流 型 ( 源 ) 逆 变 电 路 169第 七 节 逆 变 电 路 的 调 压 、 脉 宽 调 制 和 谐 波 消 除 173第 八 节 P WM 型 逆 变 器 的 控 制 系 统 179第 九 节 电 力 电 子 器 件 的 缓 冲 电 路 184习 题 190第 七 章 相 控 交 -交 变 频

15、 电 路 ( 周 波 变 流 器 ) 192第 八 章 电 力 电 子 器 件 的 门 ( 栅 ) 极 控 制 电 路 206第 一 节 晶 闸 管 对 触 发 电 路 的 要 求 206第 二 节 单 结 晶 体 管 移 相 触 发 电 路 207第 三 节 晶 体 管 移 相 触 发 电 路 211第 四 节 晶 闸 管 的 集 成 触 发 器 与 数 字 式 触 发 器 218第 五 节 触 发 电 路 同 步 电 源 的 选 择 221第 六 节 可 关 断 晶 闸 管 ( GT O) 的 门 控 电 路 223第 七 节 GT R 的 基 极 驱 动 电 路 227第 八 节 电 力

16、 M OSFE T 和 IGBT 的 栅 控 电 路 及 其 模 块 230习 题 236参 考 文 献 2237绪 论 1绪 论电 力 电 子 技 术 ( Power E lectr onics T echnology) 是 应 用 电 力 电 子 器 件 对 电 能 进 行 变 换 与 控 制 的 一 种 现 代 技 术 , 它 使 电 网 的 工 频 电 能 最 终 变 换 成 不 同 用 途 、 不 同 性 质 、 不 同 容 量 和 频 率 的 电 能 , 以 适 应 千 变 万 化 的 用 电 装 置 的 不 同 需 要 。 电 力 电 子 技 术 是 20 世 纪 后 期 新 兴

17、 的 边 缘 学 科 。电 力 电 子 技 术 很 快 发 展 的 物 质 基 础 是 电 力 电 子 器 件 的 发 展 , 从 1947 年 第 一 只 晶 体 管 诞 生 起 , 半 导 体 器 件 及 其 相 应 的 变 流 装 置 在 世 界 范 围 很 快 发 展 起 来 , 从 而 产 生 了 半 导 体 固 态 电 子学 。 到 了 1956 年 , 在 晶 体 管 的 基 础 上 又 制 成 了 晶 闸 管 ( SCR ) , 这 是 一 种 半 导 体 半 控 型 ( 仅 控 制 导 通 ) 的 电 力 电 子 开 关 , 从 此 开 始 了 电 力 电 子 技 术 的 新

18、 时 代 。 半 导 体 固 态 电 子 学 此 后 就 向 两 个 方 向 发 展 , 一 支 是 以 晶 体 管 集 成 电 路 为 核 心 , 形 成 对 信 息 处 理 的 微 电 子 技 术 , 其 特 点 是 集 成度 不 断 提 高 , 集 成 规 模 越 来 越 大 , 器 件 功 能 更 为 完 善 , 目 前 以 计 算 机 为 代 表 的 微 电 子 技 术 已 遍及 各 种 技 术 领 域 。 另 一 支 以 晶 闸 管 为 核 心 , 形 成 对 电 能 进 行 变 换 与 控 制 的 电 力 电 子 技 术 , 其 特 点 是 晶 闸 管 的 派 生 器 件 越 来

19、 越 多 , 已 形 成 一 个 SCR 家 族 , 其 功 率 越 来 越 大 , 性 能 逐 步 完 善 , 器 件 的 电 压 、 电 流 、 di/ dt、 dv/ dt 等 额 定 参 数 都 有 很 大 的 提 高 。到 70 年 代 后 期 , 在 SCR 基 础 上 研 制 成 功 的 可 关 断 晶 闸 管 ( GT O ) 以 及 在 晶 体 管 基 础 上 研制 成 功 的 电 力 晶 体 管 ( GT R ) 及 其 模 块 相 继 实 用 化 , 在 中 、 大 容 量 的 变 流 装 置 中 , 传 统 的 晶 闸 管 逐 渐 被 这 些 全 控 型 电 力 电 子

20、 器 件 所 取 代 。 进 入 80 年 代 后 , 随 着 以 计 算 机 为 核 心 的 微 电 子 技 术 与 电 力 电 子 技 术 的 高 电 压 、 大 电 流 技 术 的 发 展 与 结 合 , 在 电 力 电 子 技 术 领 域 里 , 一 方 面 诞 生 了多 种 具 有 自 关 断 功 能 的 器 件 诸 如 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( I GBT 或 IGT ) 、 静 电 感 应 晶 体 管 ( SIT ) 、M OS 控 制 晶 闸 管 ( M CT ) 、 电 力 ( 功 率 ) 场 效 应 晶 体 管 ( 电 力 M OSF E T ) 等 , 形 成

21、了 一 个 新 型 的 全 控 型 电 力 电 子 器 件 家 族 , 其 特 点 是 由 前 述 电 流 型 控 制 转 为 电 压 型 ( 场 控 型 ) 控 制 , 并 使 器 件 的 工 作 频 率 大 大 提 高 ; 另 一 方 面 又 涌 现 了 一 批 多 功 能 的 控 制 模 块 诸 如 各 种 PW M ( 脉 冲 宽 度 调制 ) 模 块 以 及 新 型 全 控 型 器 ( 如 I GBT ) 的 栅 极 驱 动 与 保 护 模 块 等 。从 20 世 纪 90 年 代 起 向 下 一 世 纪 迈 进 的 年 代 里 , 电 力 电 子 技 术 发 展 的 特 点 : 一

22、 方 面 是 原 有 各 新 型 电 力 电 子 器 件 额 定 参 数 的 不 断 提 高 ; 另 一 方 面 是 电 力 电 子 技 术 与 微 电 子 技 术 的 进 一 步结 合 , 使 电 力 电 子 器 件 朝 着 大 容 量 、 智 能 化 方 向 迅 速 发 展 , 其 代 表 是 容 量 已 达 600A、 1200V 的 智 能 电 力 ( 功 率 ) 模 块 ( IPM ) , 这 种 智 能 型 电 力 电 子 器 件 的 出 现 , 预 示 着 电 力 电 子 技 术 由 半 控型 、 全 控 型 器 件 进 入 了 一 个 全 新 的 智 能 型 时 代 。电 力

23、电 子 技 术 是 电 力 、 电 子 、 控 制 三 大 电 气 工 程 技 术 之 间 的 边 缘 学 科 , 其 与 三 者 的 关 系 如 图 01 所 示 。随 着 科 学 技 术 的 发 展 , 电 力 电 子 技 术 又 与 现 代 控 制 理 论 、 材 料 科 学 、 计 算 机 科 学 及 自 动 控 制 学 科 等 许 多 领 域 密 切 相 关 。现 代 电 力 电 子 技 术 已 成 为 以 计 算 机 为 核 心 的 信 息 产 业 和 以 各 种 电 力 装 置 为 对 象 的 传 统 产SCR 是 Sil ico n Co n t ro lled R ect i

24、fer ( 可 控 硅 整 流 元 件 ) 的 缩 写 , 已 习 惯 用 于 晶 闸 管 ( T h y ris t or ) 的 代 号 。2 绪 论业 之 间 的 重 要 接 口 , 也 是 弱 电 与 被 控 强 电 之 间 的 桥 梁 。 由 于 当 代 许 多 高 新 技 术 均 与 电 网 的 功率 、 电 流 、 电 压 、 频 率 和 相 位 等 基 本 参 数 的 转 换 和 控 制 密 切 相 关 , 供 电 的 可 靠 性 和 连 续 性 更 是 许 多 高 新 技 术 所 依 赖 的 需 求 。 现 代 电 力 电 子 技 术 能 够 实 现 对 这 些 参 数 的

25、精 确 控 制 和 高 效 率 的 处 理 , 特 别 是 能 够 实 现 大 功 率 电 能 的 频 率 变 换 , 以 及 为 信 息 系 统 等 重 要 部 门 提 供 不 停 电 电 源 ( U PS) , 从 而 为 多 项 高 新 技 术 的 发 展 提 供 了 有 力 的 支 持 。 因 此 , 不 但 电 力 电 子 技 术 本 身 是 一 项 高 新 技 术 , 而 且 还 是 其 他 许 多 高 新 技 术 的 发 展 基 础 。 因此 在 一 些 经 济 发 达 国 家 , 电 能 的 60% 要 经 过 电 力 电 子技 术 的 处 理 。 最 终 电 力 电 子 技

26、术 将 处 理 绝 大 部 分 电 能 , 以 求 实 现 为 各 种 用 户 提 供 所 需 的 高 质 量 电 能 、 大 幅 度 降 低 能 量 消 耗 、 材 料 消 耗 以 及 提 高 生 产 效 率 、 提 高 服 务 质 量 等 , 同 时 消 除 电 网 的 谐 波 污 染 和 改 善 功 率 因 数 。 总 之 , 电 力 电 子 技 术 的 应 用 给 现 代 生 产 和 生 活 带 来 深 远的 影 响 。电 力 电 子 技 术 的 应 用 领 域 主 要 有 下 列 各 方 面 : 电 化 学 、 电 镀 、 电 加 工 、 直 流 传 动 、 直 流 电 力 牵 引

27、、 交 流 传 动 、 交 流 电 力 牵 引 、 电 机 励 磁 、 电 磁 合 闸 、 充 电 、 中 频 感应 加 热 、 高 频 感 应 加 热 、 交 流 不 间 断 电 源 、 稳 定 电 源 、 电 子 开 关 , 高 压 静 电 除 尘 、 直 流 高 压 输 电 、 无 功 功 率 补 偿 以 及 深 入 千 家 万 户 的 各 种 家 用 电 器 。图 01电 力 电 子 技 术 与 其 他 学 科 的 关 系电 力 电 子 技 术 包 括 电 力 电 子 元 器 件 ( Element ) 、 电 力 电 子 变 流 技 术 ( Pow er Conver sion) 以

28、 及 控 制 技 术 ( Cont r ol) 等 三 大 部 分 。 元 器 件 是 电 力 电 子 技 术 得 以 发 展 的 物 质 基 础 , 变 流 技 术 或 称 变 流 电 路 , 是 电 力 电 子 技 术 的 主 体 , 控 制 部 分 是 实 现 变 流 功 能 的 弱 电 控 制 手 段 。 本 书 与 此 相 应 , 第 一 章 从 应 用 的 角 度 , 介 绍 了 各 种 电 力 电 子 器 件 , 特 别 是 现 代 自 关 断 器 的 原 理 和 主 要 电 气特 性 。 第 二 章 至 第 七 章 是 电 力 电 子 变 流 技 术 , 是 本 书 的 重 点

29、 , 它 包 括 整 流 电 路 、 有 源 逆 变 电 路 、 直 流 斩 波 电 路 、 交 流 调 压 电 路 、 脉 冲 变 流 电 路 、 无 源 逆 变 电 路 ( 变 频 电 路 ) 以 及 周 波 变 流 电 路 等 , 这 部 分 内 容 是 阐 述 各 种 变 流 电 路 的 原 理 和 设 计 计 算 方 法 。 第 八 章 是 电 力 电 子 装 置 的 控 制 部分 , 主 要 是 电 力 电 子 装 置 的 门 极 ( 基 极 或 栅 极 ) 控 制 技 术 。本 书 具 有 下 列 特 点 :1. 反 映 近 代 电 力 电 子 技 术 的 新 成 就 , 除 适

30、 当 阐 述 传 统 的 晶 闸 管 ( SCR ) 外 , 重 点 说 明 可 关断 晶 闸 管 ( GT O ) 、 电 力 晶 体 管 ( GT R ) 、 电 力 ( 功 率 ) 场 效 应 晶 体 管 ( 电 力 M OSFE T 、 简 称 P- M OSFE T ) 、 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( I GBT 或 I GT ) , 同 时 也 兼 顾 M OS 控 制 晶 闸 管 ( M CT ) , 以 及 智 能 电 力 ( 功 率 ) 模 块 ( IP M ) 等 一 批 新 型 电 力 电 子 器 件 的 基 本 电 气 性 能 和 门 ( 栅 ) 极 的 控 制

31、 电 路 。 为 了 突 出 物 理 本 质 , 便 于 读 者 理 解 和 掌 握 , 教 材 中 避 开 了 元 器 件 内 部 的 具 体 结 构 , 而 以 原理 清 晰 的 等 效 电 路 深 入 浅 出 地 阐 述 元 器 件 的 构 成 , 从 而 也 节 省 了 教 学 时 间 。2. 充 实 了 近 代 发 展 起 来 的 变 流 电 路 , 这 些 新 电 路 有 的 是 随 着 新 器 件 的 出 现 而 产 生 的 , 有 的 则 是 变 流 技 术 的 发 展 , 而 这 种 发 展 往 往 是 与 微 电 子 技 术 的 渗 入 密 切 相 关 。 前 者 如 GT

32、 O 或 I GBT 逆 变 电 路 、 三 点 式 逆 变 电 路 , 后 者 如 脉 冲 变 流 电 路 , PW M 逆 变 电 路 等 。这 里 采 用 “ 电 路 ”而 不 用 “器 ”, 是 因 为 这 部 分 内 容 实 质 上 是 变 流 装 置 的 电 力 电 路 , 而 不 是 全 部 的 器 件 , 器 件 的 控 制 等 部 分 将 在 其 他 章 节 中 阐 述 。绪 论 33. 在 控 制 部 分 重 视 集 成 电 路 的 应 用 技 术 , 对 近 年 应 用 较 多 、 性 能 较 好 的 典 型 集 成 电 路 ( 模块 ) , 给 以 优 先 的 介 绍

33、或 分 析 。4. 对 各 类 主 要 的 变 流 装 置 基 本 性 能 、 电 路 原 理 、 参 数 计 算 方 法 作 了 系 统 的 深 入 浅 出 的 论 述 。 内 容 比 较 精 炼 ; 叙 述 方 法 上 先 易 后 难 、 循 序 渐 进 , 例 如 与 一 般 变 流 技 术 教 材 不 同 , 本 书 先 讲 自 关 断 器 件 的 逆 变 电 路 或 斩 波 电 路 , 后 讲 带 有 强 迫 关 断 电 路 的 变 流 电 路 , 进 一 步 的 深 入 分 析 放 在 最 后 。5. 每 章 附 有 复 习 题 和 习 题 , 书 后 附 有 参 考 文 献 。

34、电 力 电 子 技 术 课 程 的 基 本 要 求 是 :1. 了 解 电 力 电 子 技 术 的 发 展 概 况 、 动 向 、 应 用 领 域 和 与 有 关 课 程 的 基 本 关 系 。2. 了 解 与 熟 悉 以 SCR 为 代 表 的 半 控 型 器 件 和 以 GT O 及 IGBT 为 代 表 的 全 控 型 器 件 的工 作 机 理 、 电 气 特 性 和 主 要 参 数 。3. 熟 悉 与 掌 握 单 相 、 三 相 整 流 电 路 和 有 源 逆 变 电 路 的 原 理 、 电 路 结 构 、 波 形 的 道 理 、 电 气 性 能 , 并 能 进 行 初 步 设 计 。

35、4. 熟 悉 与 掌 握 直 流 斩 波 、 交 流 调 压 、 脉 冲 变 ( 整 ) 流 、 的 原 理 、 电 路 结 构 、 波 形 的 道 理 、 电 气 性 能 , 并 能 进 行 初 步 设 计 。5. 了 解 主 要 电 力 电 子 器 件 ( 如 SCR 、 GT O、 I GBT ) 的 门 ( 栅 ) 极 控 制 要 求 和 门 ( 栅 ) 极 模 块 的 基 本 性 能 。上 述 目 标 是 为 电 气 自 动 化 、 电 力 传 动 与 控 制 等 专 业 提 出 的 。 本 教 材 也 可 用 于 其 他 电 类 专业 , 但 可 适 当 降 低 设 计 计 算 等

36、 要 求 。学 习 这 门 课 程 的 时 候 重 在 理 解 , 在 掌 握 其 概 念 和 本 质 的 前 提 下 , 学 会 计 算 和 初 步 设 计 、 实 验 和 调 试 的 知 识 和 技 能 。 逆 变 电 路 ( 变 频 电 路 ) 是 本 书 的 重 点 , 应 着 重 掌 握 其 原 理 和 电 路 的 基 本 结 构 , 通 过 了 解 波 形 和 主 要 电 气 参 数 的 计 算 方 法 , 从 而 达 到 这 些 要 求 。第 一 章 电 力 电 子 器 件 的 原 理 与 特 性4第 一 章 电 力 电 子 器 件 的原 理 与 特 性 第 一 节 电 力 电

37、子 器 件 的 发 展 、 分 类 与 应 用一 、 电 力 电 子 器 件 的 发 展 及 近 代 电 力 电 子 器 件 的 特 点电 力 电 子 技 术 是 以 电 力 为 对 象 的 电 子 技 术 , 这 是 一 门 利 用 电 力 电 子 器 件 对 电 能 进 行 转 换与 控 制 的 新 型 学 科 。 电 力 电 子 技 术 包 括 电 力 电 子 器 件 、 变 流 电 路 和 控 制 电 路 三 大 部 分 。 电 力 电 子 器 件 是 电 力 电 子 技 术 发 展 的 物 质 基 础 。自 1947 年 第 一 只 晶 体 管 研 制 成 功 之 后 , 半 导 体

38、 固 态 电 子 学 这 一 新 兴 的 学 科 便 应 运 而 生 , 到 1956 年 晶 闸 管 ( 可 控 硅 ) 问 世 , 标 志 着 电 力 电 子 技 术 的 开 端 , 从 此 电 子 技 术 朝 两 个 分 支 发 展 。 一 支 是 以 晶 体 管 集 成 电 路 为 核 心 , 发 展 成 为 对 信 息 处 理 的 微 电 子 技 术 , 其 发 展 的 特 点 是 集 成 度 越 来 越 高 , 集 成 规 模 越 来 越 大 , 各 种 功 能 越 来 越 全 。 另 一 支 是 以 晶 闸 管 ( SCR ) 为 核 心 , 形 成 对 电 力 处 理 的 电

39、力 电 子 技 术 , 其 发 展 的 特 点 是 晶 闸 管 的 派 生 器 件 越 来 越 多 , 功 率 越 来 越 大 , 性 能 越来 越 好 。到 了 70 年 代 , 传 统 的 电 力 电 子 器 件 已 由 普 通 的 晶 闸 管 派 生 出 了 快 速 晶 闸 管 、 逆 导 晶 闸 管 ( R CT ) , 双 向 晶 闸 管 ( T RI AC) 、 不 对 称 晶 闸 管 ( A SCR ) 等 器 件 , 从 而 形 成 了 一 个 晶 闸 管 大 家 族 。 与 此 同 时 , 各 类 SCR 的 电 压 、 电 流 、 dv/ dt、 di/ dt 等 参 数

40、定 额 都 有 很 大 的 提 高 , 开 关 特 性 也 有 很 大 改 善 , 到 此 时 传 统 的 电 力 电 子 技 术 已 发 展 到 了 相 当 成 熟 的 地 步 , 它 们 的 应 用 在 国 内 外 都 已 普 及 到 相 当 广 宽 的 经 济 与 国 防 领 域 , 我 们 称 这 一 阶 段 为 传 统 的 电 力 电 子 技 术 阶 段 。 在 这 个 阶 段中 , 以 晶 闸 管 为 核 心 的 电 力 电 子 器 件 主 要 构 成 相 控 整 流 器 , 使 交 流 电 变 为 可 控 的 直 流 电 , 用 于 以 直 流 电 动 机 为 驱 动 电 机 的

41、 直 流 传 动 系 统 , 其 中 包 括 电 气 化 铁 道 上 广 泛 应 用 的 交 -直 流 制 电 力 牵 引 系 统 , 目 前 数 以 千 计 的 干 线 电 力 机 车 , 都 采 用 这 类 技 术 。 其 次 是 通 过 SCR 构 成 直 流 斩 波器 , 使 恒 定 的 直 流 电 ( 它 们 大 多 由 不 可 控 整 流 器 获 得 能 源 ) 变 为 可 控 直 流 电 以 驱 动 电 动 机 , 如 城 市 电 车 几 乎 毫 无 例 外 地 采 用 这 种 装 置 。 交 -直 变 流 的 另 一 主 要 用 途 是 在 电 化 学 加 工 中 的 普 遍

42、应用 。 此 外 在 大 功 率 的 周 波 变 换 器 中 , SCR 也 获 得 了 一 定 的 发 展 。 总 之 , 这 一 时 期 电 力 电 子 技 术 的 基 本 特 征 是 整 流 或 交 流 到 直 流 的 顺 变 , 故 可 称 为 顺 变 时 期 , 此 后 SCR 家 族 步 入 了 衰 退 时 期 。SCR 及 其 家 族 由 鼎 盛 过 渡 到 衰 退 的 原 因 主 要 是 有 两 个 制 约 其 继 续 发 展 的 重 要 因 素 。 一 是 控 制 功 能 上 的 欠 缺 , 因 为 它 通 过 门 极 只 能 控 制 开 通 , 而 不 能 控 制 关 断

43、, 所 以 称 为 半 控 型 器 件 。 要 想 关 断 这 种 器 件 必 须 另 外 加 电 容 、 电 感 和 辅 助 开 关 器 件 , 组 成 强 迫 换 流 电 路 , 这 样 将 使 整 机 的 体 积 增 大 、 重 量 增 加 、 效 率 降 低 。 二 是 它 的 工 作 频 率 较 低 , 一 般 情 况 下 不 能 高 于 400Hz, 因 而 大 大 限 制 了 它 的 应 用 范 围 。 然 而 SCR 的 耐 压 高 、 电 流 大 , 因 此 在 高 电 压 大 容 量 的 变 流 装 置 中 , 例 如 直 流 输 电 系 统 中 仍 处 于 难 以 取 代

44、 的 地 位 。80 年 代 以 来 , 微 电 子 技 术 与 电 力 电 子 技 术 在 各 自 发 展 的 基 础 上 相 结 合 , 产 生 了 一 批 工 作频 率 高 , 具 有 门 极 全 控 性 能 的 功 率 集 成 器 件 , 从 而 使 电 力 电 子 技 术 由 传 统 电 力 电 子 技 术 跨 入 现第 一 节 电 力 电 子 器 件 的 发 展 、 分 类 与 应 用 5代 电 力 电 子 技 术 的 新 时 代 。从 70 年 代 后 期 开 始 , 可 关 断 晶 闸 管 ( GT O) 、 电 力 晶 体 管 ( GT R 或 BJT ) 及 其 模 块 相

45、 继 实 用 化 , 在 中 、 大 容 量 的 变 流 装 置 中 , 传 统 的 SCR 逐 渐 被 这 些 新 型 器 件 取 代 。 此 后 各 种 频 率 高 、 全 控 型 器 件 不 断 问 世 , 并 得 到 迅 速 发 展 。 这 些 器 件 有 : 电 力 场 控 晶 体 管 , 即 电 力 MO SFE T ( P- M OSFE T ) 、 绝 缘 栅 极 双 极 晶 体 管 ( IGT 或 I GBT ) 、 静 电 感 应 晶 体 管 ( SIT ) 、 静 电 感 应 晶 闸 管 ( SI T H) 、 M OS 控 制 晶 体 管 ( M GT ) 与 MO S

46、 控 制 晶 闸 管 ( M CT 或 M CT H ) 等 , 这 些 器 件 的 产 生 和 发 展 , 已 形 成 了 一 个 新 型 的 全 控 型 电 力 电 子 器 件 的 大 家 族 。 由 图 11 可 以 看 出 , 在 电 力 电 子 发 展 过 程 的 寿 命 曲 线 上 , 这 些 全 控 型 器 件 正 处 在 引 入 期 或 称 生 长 期 , 发 展 远 景 十 分 乐 观 。 通 常 称 无 关 断 能 力 的 SCR 为 第 一 代 电 力 电 子 器 件 , 有 自 关 断 能 力 的 GT O 、 GT R 等 为 第 二 代 电 力 电 子 器 件 ,

47、性 能 优 异 的 复 合 型 器 件 如 IGBT 和 后 面 将 要 介 绍 的 智 能 器 件 IPM 等 为 第 三 代 器件 。图 11 电 力 电 子 器 件 的 寿 命 周 期 曲 线0 IP M 及 SP IC; 1 P IC; 2 M C T ; 3 IGBT ; 4 SIT H ; 5 S IT ; 6 VDM O S;7 GT O; 8 GT R ; 9 AS CR ; 10 T R IA C ; 1 1 快 速 整 流 管 ; 12 低 频 双 极 电 力 晶 体 管 ;1 3 信 号 晶 体 管 ; 1 4 SC R ; 1 5 普 通 整 流 管 ; 1 6 信 号

48、 二 极 管 ; 1 7 齐 纳 二 极 管 ; 18 锗 管 。新 一 代 器 件 的 问 世 , 使 电 力 电 子 变 换 电 路 及 其 控 制 系 统 不 断 革 新 , 例 如 各 种 脉 宽 调 制 ( PW M ) 电 路 、 零 电 流 零 电 压 开 关 谐 振 电 路 以 及 高 频 斩 波 电 路 等 已 成 为 现 代 电 力 电 子 技 术 的 重要 组 成 部 分 。 这 些 新 颖 电 路 的 主 要 作 用 是 使 直 流 电 逆 变 成 各 种 工 作 频 率 的 交 流 电 , 因 此 电 力 电 子 技 术 已 由 顺 变 时 期 进 入 今 天 的 逆 变 时 期 。 与 新 颖 电 路 相 适 应 的 新 一 代 交 流 电 机 调 速 装 置 、 不 间 断 电 源 以 及 其 他 电 力 电 子 装 置 相 继 研 制 成 功 , 于 是 电 力 电 子 技 术 更 广 泛 、 更 深 入 地 进 入 各 个 应 用 领 域 , 成 为 世 界 范 围 内 的 一 项 重 要 的 产 业 。现 代 电 力 电 子 技 术 除 了 不 断 向 高 电 压 、 大 电 流 方 向 发 展 外 , 在 器 件 、 电 路 及 其 控 制 技 术