电力电子应用技术书 7.1节

第7章电力电子变流器设计技术在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常被称为主电路（main power circuit），电力电子器件（power electronics device）是指可在直接处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

而由电力电子器件所构成的主电路常被称为电力电子变流器或功率变换器（power converter）。

电力电子变流器如果从电路拓扑（circuit topology）形式来看，种类凡多。

为了满足实际应用的需要，每个电路都有不同的考虑和设计方法，如果对不同种类的电路逐一进行描述是非常困难的。

在这里我们把握电力电子变流器所具有的共性，将其分为如下几个组成部件或模块来描述。

如电力电子器件，电力电子器件的驱动电路，电力电子器件与变流器的保护，电力电子器件与变流器的串并联，电力电子变流器的辅助部件，电力电子变流器的热设计，电力电子变流器的电磁兼容问题等。

这些部件全部或部分的集成就构成了电力电子变流器。

对这些部件的组成原理和功能的描述，以及为了满足实际应用的需要对各部件参数的计算、选择、考虑和分析就是电力电子变流器的设计过程。

7.1 电力电子器件的性能与选择目前，电力电子器件往往指主要采用硅半导体材料的电力半导体器件。

各种类型的电力电子器件具有的共同特征是：一般工作在开关状态；所能处理的电压电流较大（处理的电功率可以从毫瓦级至兆瓦级）；功率损耗和散热问题是影响其处理功率能力的重要问题；一般需要驱动与隔离；还应特别注重对器件的保护。

按照电力电子器件能够被控制信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为三类：半控型器件，如晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；全控型器件，也称为自关断器件，如绝缘栅极晶闸管（Insulated-Gate Bipolar Transistor—IGBT）、电力场效应晶体管（Power MOSFET，或称为电力MOSFET）、门极可关断晶闸管（Gate-Turn Off thyristor—GTO）等；不可控器件，如电力二极管、快速恢复型二极管等。

按照驱动电路的控制信号的性质，又可将电力电子器件（电力二极管除外）分为电流驱动型和电压驱动型两类。

其中电压驱动型器件又被称为场控器件或者场效应器件。

按照电力电力器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为单极型器件、双极型器件和复合型器件三类。

为便于对器件外特性的理解，在实际应用中一般采用第一种分类方法，即将器件分为不可控型器件、半控型器件和全控型器件。

正确选择和使用电力电子器件是保证电力电子变流器成功设计和可靠运行（工作）的关键，正确理解电力电子器件的参数和性能是合理选择和使用元件的基础。

一个器件在装置中的实际效能取决于两方面的因素：制作工艺（参数设计、材料性质、工艺水平和散热能力）和运行条件（电路特点、工作频率、环境温度和冷却条件）。

后一个因素与元件的选择和使用有关。

由于变流装置的运行条件千差万别，制造厂家只能根据典型的标准条件进行测试，因此使用者必须了解实际运行条件与标准测试条件的差别，以及这些差别对元件性能产生何等影响，这样才能合理地选择和使用元件，使它们在装置中最大限度地发挥效能。

在选择和使用电力电子器件时，要掌握器件的主要性能参数，包括静态参数和动态.参数参数、极限参数和特性参数、电气参数和热力参数等等。

需要注意的是，各国、各厂家对各种电力电子器件型号的命名方法是有所不同的，一定要区别对待。

电力电子器件的工作原理及其外部特性在先修课程《电力电子技术》中已作了详细介绍，以下的内容将从使用者的角度着重分析对电路稳定可靠运行影响最直接的一些性能参数。

7.1.1 二极管二极管具有单向导电性，是电子电气线路中运用极为广泛的一种电子元件。

应用在强电领域中的二极管，一般具有大容量、耐高压大电流的特点，称为电力二极管，是电力电子变流器主电路中不可缺少的元气件。

1． 二极管的基本应用二极管的五种基本应用如图7-1所示，相应地，常常又根据其在电路中的作用而分别取名为五种二极管，它们是：（1）整流二极管，如图7-1(a) 所示，实现将交流变换为直流，这是最广泛的应用。

（2）续流二极管，如图7.1(b)所示，当开关S 切断电感电路时，常接入二极管D 为电感电流提供继续流动的回路，避免因电感断开而在开关器件S 两端出现高电压。

（3）限幅二极管，如图7-1(c)所示，当输入电压U i 低于二极管阈值电压V th 时二极管截止不导通，0U =i U ；当i U >V th 时，二极管导通，二极管电压被限制为正向导通电压。

改变串联二极管的个数可以得到不同的限幅值。

（4）钳位二极管，如图7-1(d)所示，只要二极管D 处于导通状态，则输出端电压0U =C U +D U ，与负载无关，即0U 被钳位到C U +D U 。

（5）稳压二极管，如图7-1(e)所示。

这种二极管的正常工作区是在反向击穿区。

当i U 改变时，通过稳压管的反向电流发生改变，使稳压电阻R 上的压降改变，从而使负载电压0U 基本不变。

应确保稳压管在结构设计、制造上能承受在反向击穿区工作时的发热功耗，不至过热损坏。

（a ）整流（b ）续流（c ）限幅Dd u i u i u （e ）稳压图7-1 二极管的应用+oU2．电力二极管电力二极管，早期称整流二极管，大量应用于电气设备中。

在工业应用中，三相桥式不控整流电路、三相桥式半控整流电路等都是由电力二极管和晶闸管组成的典型电路。

特别是快速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占据了不可替代的地位。

（1） 电力二极管的主要参数① 通态平均电流I F(AV) 是二极管参数手册上给出的标称额定电流。

它指二极管持续运行时，在指定的管壳温度（简称壳温）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。

元件的损耗造成元件的结温升高，因此器件的载流能力受其电流的发热效应所限制。

而决定发热的因素是电流的有效值，因此按照工作中实际波形的电流与通态平均电流发热效应相等的原则，即有效值相等的原则，来选取管子的电流定额，其产生的结温为元件所允许。

通过换算，并考虑（1.5~2）倍的裕量，可得二极管的电流定额选取值为()(1.5~2(1.5~2A 1.572F AV II I π==）） （） （7-1） 式中，I —通过二极管电流的有效值)(AV F I —换算成的二极管标称额定平均电流在频率较高的场合，除正向通态电流造成的通态损耗外，其动态开关损耗往往不能忽略；当采用反向漏电流较大的二极管时，其断态损耗造成的发热效应同样应予重视。

② 正向压降U F 在指定温度下，流过某一指定的稳定正向电流时对应的正向压降，一般在1V 左右。

有时也给出在指定的温度下流过某一瞬态正向大电流时电力二极管的最大瞬时正向压降。

③ 反向重复峰值电压U RRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。

通常为其雪崩击穿电压U B 的2/3。

使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定二极管的电压定额。

④ 最高工作温度T JM 最高工作结温T JM 是指在PN 结不致损坏的前提下，所能承受的最高平均温度。

T JM 通常在125~175℃范围之内。

⑤ 反向恢复时间t rr 普通电力二极管的反向恢复时间t rr 在5µs 以上，快恢复二极管在5µs 以下。

常用的快恢复二极管在数十ns 至数百ns 。

t rr 对于电力二极管的开关特性及开关频率而言是一个至关重要的参数。

⑥ 浪涌电流I FSM 指电力二极管所能承受最大的、连续一个或几个工频同期的过电流。

浪涌电流是描述电力二极管耐电流冲击能力的一个参数。

（2）常用电力二极管常用电力二极管，按照半导体物理结构和工艺的差别，即正向压降、反向压降、反向漏电流，特别是反向恢复特性的不同，可分成如下三类：① 普通二极管（General Purpose Diode ） 又称为整流二极管（Rectifier Diode ），多用于低工作（开关）频率（1kHz 以下）的整流电路中。

反向恢复时间较长，一般在5µs 以上，其正向电流定额和反向电压定额分别可达数kA 和数kV 以上。

② 快恢复二极管（Fast Recovery Diode —FRD ） 其反向恢复过程很短，t rr <5µs,简称快速二极管。

特别是超快速二极管，其反向恢复时间可低于50ns ，但其反向电压和正向电流定额要低于普通二极管。

③ 肖特基二极管（Schottky Barrier Diode —SBD ） 以金属和半导体接触形成的势垒为基础而形成的，它与以PN 结为基础的电力二极管相比，优点是反向恢复时间短（10~40ns ）、正向压降小、正向恢复过程中没有明显的电压过冲、其开关损耗和正向导通损耗比快速二极管要小，效率高。

其弱点在于反向耐压较低，因此多用于200V 以下的低压场合，当其所能承受的反向耐压较高时，其正向压降也会较高；反向漏电流较大且对温度敏感，反向稳态损耗不能忽略，因此必须严格地限制其工作温度。

7.1.2 晶闸管晶闸管（Thyristor ）又称为可控硅（Silicon Controlled Rectifier-SCR ），属于半控型器件。

在电力电子器件中，它能承受的电压和电流量仍然是目前最高的，且工作可靠，因此在大容量的应用场合占有重要的地位。

除普通晶闸管，还有很多派生型，如快恢复晶闸管（Fast Switching Thyristor —FST ）、双向晶闸管（Triode AC Switch —TRIAC ）、逆导晶闸管（Reverse Conducting Thyristor —RCT ）、光控晶闸管(Light Triggered Thyristor —LTT)等。

晶闸管的的性能参数很多，但扼要说来是，断态下的阻断能力和通态下的载流能力、开通过程的速度和电流上升率、关断过程的速度和电压上升率。

1．晶闸管的性能参数（1）晶闸管的阻断能力晶闸管的正反向阻断能力分别用断态重复峰值电压U DRM 和反向重复峰值电压U RRM 表示，规定断态重复峰值电压U DRM 和反向重复峰值电压U RRM 分别为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）DSM U 和反向不重复峰值电压RSM U 的90%。

通常取晶闸管的U DRM 和U RRM 中较小者作作该器件的额定电压。

选取电压定额时，要留有裕量，一般取额定电压为正常工作时间晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。

（2）晶闸管的载流能力晶闸管的载流能力用通态平均电流I T(AV) 表示。

国标规定，通态平均电流为晶闸管在环境温度为40℃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。