電力電子課件9

1、電工培訓之電力電子電工培訓之電力電子機械與電氣工程系機械與電氣工程系第一章第一章 電力電子器件簡介電力電子器件簡介分類l不可控器件：電力二極管不可控器件：電力二極管l半控型器件：晶閘管半控型器件：晶閘管l全控型器件：電力晶體管，門極可關(guān)斷晶全控型器件：電力晶體管，門極可關(guān)斷晶閘管，電力場效應管，絕緣柵雙極晶體管閘管，電力場效應管，絕緣柵雙極晶體管一.晶閘管l晶閘管（晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，）是晶體閘流管的簡稱，又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可又可稱做可控硅整流器，以前被簡稱為可控硅控硅 ，晶閘管是，晶閘管是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，四層半導體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰

2、極和門極；晶閘管它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電工作條件為：加正向電壓且門極有觸發(fā)電流流 ，它是一種大功率開關(guān)型半導體器件，它是一種大功率開關(guān)型半導體器件，在電路中用文字符號為在電路中用文字符號為“V”、“VT”表示表示l（舊標準中用字母（舊標準中用字母“SCR”表示）。晶閘管表示）。晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作，且其工作過程可以控制、電流條件下工作，且其工作過程可以控制、被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸被廣泛應用于可控整流、交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。點電子開關(guān)、

3、逆變及變頻等電子電路中。 l晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理晶閘管的工作條件：晶閘管的工作條件：1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。承受何種電壓，晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。 2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。承受正向電壓的情況下晶閘管才導通。 3. 晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。持導通，即晶閘管導通后，

4、門極失去作用。4. 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。電流）減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。 二.電力晶體管 l其特性有：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，其特性有：耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，但驅(qū)動電路復雜，驅(qū)動功率大；但驅(qū)動電路復雜，驅(qū)動功率大；GTR和普和普通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。通雙極結(jié)型晶體管的工作原理是一樣的。GTR是一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、是一種電流控制的雙極雙結(jié)大功率、高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力。高反壓電力電子器件，具有自關(guān)斷能力。l它既具備晶體管飽和壓降低、開關(guān)時間短它既具備晶體管飽和

5、壓降低、開關(guān)時間短和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功和安全工作區(qū)寬等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所組成的電路靈活、率容量，因此，由它所組成的電路靈活、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、成熟、開關(guān)損耗小、開關(guān)時間短，在電源、電機控制、通用逆變器等中等容量、中等電機控制、通用逆變器等中等容量、中等頻率的電路中應用廣泛。頻率的電路中應用廣泛。GTR的缺點是驅(qū)的缺點是驅(qū)動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二動電流較大、耐浪涌電流能力差、易受二次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和不間斷電源次擊穿而損壞。在開關(guān)電源和不間斷電源（UPS）內(nèi)，）內(nèi)，GTR正逐步被功率正逐步被功率MOSFET和和IGBT所

6、代替。所代替。 GTR結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非結(jié)構(gòu)和工作原理都和小功率晶體管非常相似。常相似。GTR由三層半導體、兩個由三層半導體、兩個PN結(jié)組結(jié)組成。和小功率三極管一樣，有成。和小功率三極管一樣，有PNP和和NPN兩種類型，兩種類型，GTR通常多用通常多用NPN結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。電力晶體管工作原理電力晶體管工作原理l在電力電子技術(shù)中，在電力電子技術(shù)中，GTR主要工作在開關(guān)主要工作在開關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)。GTR通常工作在正偏通常工作在正偏(Ib0)時大電時大電流導通；反偏流導通；反偏(Ib0時處于截止狀態(tài)。因時處于截止狀態(tài)。因此，給此，給GTR的基極施加幅度足夠大的脈沖的基極施加幅度足夠大的脈沖驅(qū)

7、動信號，它將工作于導通和截止的開關(guān)驅(qū)動信號，它將工作于導通和截止的開關(guān)狀態(tài)。狀態(tài)。 l電力晶體管的主要參數(shù)電力晶體管的主要參數(shù)l二次擊穿和安全工作區(qū)二次擊穿和安全工作區(qū)l(1)二次擊穿二次擊穿l二次擊穿是影響二次擊穿是影響GTR安全可靠工作的一個安全可靠工作的一個重要因素。二次擊穿是由于集電極電壓升重要因素。二次擊穿是由于集電極電壓升高到一定值高到一定值(未達到極限值未達到極限值)時，發(fā)生雪崩效時，發(fā)生雪崩效應造成的。防止二次擊穿的辦法是：應造成的。防止二次擊穿的辦法是：應應使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低使實際使用的工作電壓比反向擊穿電壓低得多。得多。必須有電壓電流緩沖保護措施。必須有電

8、壓電流緩沖保護措施。(2)安全工作區(qū)安全工作區(qū) 以直流極限參數(shù)以直流極限參數(shù)ICM、PCM、UCEM構(gòu)成構(gòu)成的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，以的工作區(qū)為一次擊穿工作區(qū)，以USB (二次二次擊穿電壓擊穿電壓)與與ISB (二次擊穿電流二次擊穿電流)組成的組成的PSB (二次擊穿功率二次擊穿功率)是一個不等功率曲線。是一個不等功率曲線。為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的為了防止二次擊穿，要選用足夠大功率的GTR，實際使用的最高電壓通常比，實際使用的最高電壓通常比GTR的的極限電壓低很多。極限電壓低很多。三三.門極可關(guān)斷晶閘管門極可關(guān)斷晶閘管 lGTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦

9、稱門）亦稱門控晶閘管控晶閘管 。其主要特點為：當門極加負向。其主要特點為：當門極加負向觸發(fā)信號時晶閘管能自行關(guān)斷。觸發(fā)信號時晶閘管能自行關(guān)斷。l普通晶閘管（普通晶閘管（SCR）靠門極正信號觸發(fā)之）靠門極正信號觸發(fā)之后，撤掉信號亦能維持通態(tài)。欲使之關(guān)斷，后，撤掉信號亦能維持通態(tài)。欲使之關(guān)斷，必須切斷電源，使正向電流低于維持電流必須切斷電源，使正向電流低于維持電流IH，或施以反向電壓強近關(guān)斷。，或施以反向電壓強近關(guān)斷。l這就需要增加換向電路，可關(guān)斷晶閘管克這就需要增加換向電路，可關(guān)斷晶閘管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐服了上述缺陷，它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點，以具有自關(guān)斷能力

10、，壓高、電流大等優(yōu)點，以具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。件。GTO的容量及使用壽命均超過巨型晶的容量及使用壽命均超過巨型晶體管（體管（GTR）。）。四四.電力場效應管電力場效應管(電力電力MOSFET)l特點特點用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。開關(guān)速度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于度快，工作頻率高。熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。但電流容量小，耐壓低，一般只適用于功但電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過率不超過10kW的電力電子裝置的電力電子裝置 。 l

11、電力電力MOSFET的開關(guān)速度的開關(guān)速度l電力電力MOSFET的開關(guān)速度和的開關(guān)速度和C充放電有很充放電有很大關(guān)系?？山档万?qū)動電路內(nèi)阻大關(guān)系。可降低驅(qū)動電路內(nèi)阻Rs減小時間減小時間常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效常數(shù)，加快開關(guān)速度。不存在少子儲存效應，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在應，關(guān)斷過程非常迅速。開關(guān)時間在10100ns之間，工作頻率可達之間，工作頻率可達100kHz以以上，是主要電力電子器件中最高的。場控上，是主要電力電子器件中最高的。場控器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。一般來器件，靜態(tài)時幾乎不需輸入電流。一般來說，電力說，電力MOSFET不存在二次擊穿問題。不存在二次擊穿問題。五五.

12、絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三雙極型三極管和極管和MOS(絕緣柵型場效應管絕緣柵型場效應管)組成的復組成的復合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件合全控型電壓驅(qū)動式功率半導體器件, 兼有兼有MOSFET的高輸入阻抗和的高輸入阻抗和GTR的低導通壓的低導通壓降兩方面的優(yōu)點。降兩方面的優(yōu)點。GTR飽和壓降低，載流飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大密度大，但驅(qū)動電流較大; MOSFET驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導通壓降大，載流

13、密度小。導通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為降低。非常適合應用于直流電壓為600V及及以上的變流系統(tǒng)如以上的變流系統(tǒng)如交流電機交流電機、變頻器變頻器、開開關(guān)電源關(guān)電源、照明電路、牽引傳動等領域。、照明電路、牽引傳動等領域。l lIGBT 中雙極性中雙極性PNP晶體管的存在，雖然帶晶體管的存在，雖然帶來了電導調(diào)制效應的好處，但也引入了少來了電導調(diào)制效應的好處，但也引入了少子儲存現(xiàn)象。因此子儲存現(xiàn)象。因此IGBT的開關(guān)速度低于的開關(guān)速度低于MOSFET，但明顯高于，但明顯高于GTR。I

14、GBT在關(guān)斷在關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時不需要負柵壓來減少關(guān)斷時間，但關(guān)斷時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增時間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。加。IGBT的開啟電壓約的開啟電壓約34V，和，和MOSFET相當。相當。六六.電力電子器件的驅(qū)動電力電子器件的驅(qū)動l可控型電力電子器件（包括全控和半控）可控型電力電子器件（包括全控和半控）多為三端器件，其中有兩個電極接主電路，多為三端器件，其中有兩個電極接主電路，如晶閘管的陽極和陰極、如晶閘管的陽極和陰極、GTR 的集電極和的集電極和發(fā)射極。工作時可承受很高的電壓和通過發(fā)射極。工作時可承受很高的電壓和通過很大的電流。另一個電極起

15、控制作用，如很大的電流。另一個電極起控制作用，如晶閘管的門極，晶閘管的門極，MOSFET 的柵極，在其上的柵極，在其上面施加一定的電壓或通以適當?shù)碾娏骺梢悦媸┘右欢ǖ碾妷夯蛲ㄒ赃m當?shù)碾娏骺梢钥刂破骷耐〝??？刂破骷耐〝唷較之主電路的電壓或電流，這個起控制作較之主電路的電壓或電流，這個起控制作用的電壓或電流都很小，這種用的電壓或電流都很小，這種“以弱控強以弱控強”的作用稱之為驅(qū)動的作用稱之為驅(qū)動，與之相關(guān)的電路叫做，與之相關(guān)的電路叫做驅(qū)動電路。電力電子器件的結(jié)構(gòu)和性能各驅(qū)動電路。電力電子器件的結(jié)構(gòu)和性能各不相同，對驅(qū)動信號的要求也不一樣，這不相同，對驅(qū)動信號的要求也不一樣，這使得各種器件的驅(qū)

16、動電路存在著很大的差使得各種器件的驅(qū)動電路存在著很大的差異。異。l按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和按照驅(qū)動電路加在電力電子器件控制端和公共端的信號的性質(zhì)，將電力電子器件分公共端的信號的性質(zhì)，將電力電子器件分為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類。晶閘管為電流驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型兩類。晶閘管雖然是電流驅(qū)動器件，但是它是半控型器雖然是電流驅(qū)動器件，但是它是半控型器件，驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路。對典型的件，驅(qū)動電路常稱為觸發(fā)電路。對典型的全控器件全控器件GTO,GTR屬于電流驅(qū)動型屬于電流驅(qū)動型,電力電力MOSFET和和IGBT屬于電壓驅(qū)動型。主要介屬于電壓驅(qū)動型。主要介紹晶閘管的驅(qū)動電路。紹晶閘管的驅(qū)動電路

17、。l晶閘管驅(qū)動電路（觸發(fā)電路）晶閘管驅(qū)動電路（觸發(fā)電路） 晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求：晶閘管觸發(fā)電路應滿足下列要求： 1）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。）觸發(fā)脈沖的寬度應保證晶閘管可靠導通。采用寬脈沖或雙窄脈沖。采用寬脈沖或雙窄脈沖。2)脈沖應有足夠的幅度。對戶外寒冷場合，脈沖應有足夠的幅度。對戶外寒冷場合，脈沖電流的幅度增大為器件最大觸發(fā)電流脈沖電流的幅度增大為器件最大觸發(fā)電流的的35倍，脈沖前沿的陡坡也需增加，一般倍，脈沖前沿的陡坡也需增加，一般需大需大12A/ss。3 3）所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的）所提供的觸發(fā)脈沖應不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額。且在門極伏安

18、特電壓、電流和功率定額。且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。4 4）應有良好的抗干擾能、溫度穩(wěn)定性及主電）應有良好的抗干擾能、溫度穩(wěn)定性及主電路的電氣隔離。路的電氣隔離。lGTO的驅(qū)動的驅(qū)動 GTO一般應用于大容量的場合，驅(qū)動電路一般應用于大容量的場合，驅(qū)動電路通常包括三部分：開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)通常包括三部分：開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分?？煞譃槊}動電路和門極反偏電路三部分。可分為脈沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。沖變壓器耦合式和直接耦合式兩種類型。直接耦合式驅(qū)動電路可以避免電路內(nèi)部相直接耦合式驅(qū)動電路可以避免電路內(nèi)部相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡

19、的脈沖前互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿，目前應用比較廣泛，但功耗大，效率沿，目前應用比較廣泛，但功耗大，效率較低。較低。l lGTR的驅(qū)動的驅(qū)動 GTR也是一種電流控制型器件，但也是一種電流控制型器件，但GTR有有線性放大區(qū)。在電力電子電路中線性放大區(qū)。在電力電子電路中GTR多工多工作在開關(guān)狀態(tài)，應回避其進入線性放大區(qū)。作在開關(guān)狀態(tài)，應回避其進入線性放大區(qū)。l電壓控制型器件驅(qū)動電壓控制型器件驅(qū)動 以電力以電力MOSFET驅(qū)動為例，由于柵極和源驅(qū)動為例，由于柵極和源極之間是絕緣的，所以在器件導通和關(guān)斷極之間是絕緣的，所以在器件導通和關(guān)斷的穩(wěn)定狀態(tài)都不可能出現(xiàn)柵極電流，需要的穩(wěn)定狀態(tài)都不可

20、能出現(xiàn)柵極電流，需要的僅是一個柵極電壓。但是器件的各電極的僅是一個柵極電壓。但是器件的各電極之間都存在著電容，因此驅(qū)動電壓的變化之間都存在著電容，因此驅(qū)動電壓的變化將產(chǎn)生電容充放電電流，充放電時間常數(shù)將產(chǎn)生電容充放電電流，充放電時間常數(shù)決定柵極電壓變化的速率，進而影響器件決定柵極電壓變化的速率，進而影響器件的開關(guān)速度。為了減小時間常數(shù)，要求驅(qū)的開關(guān)速度。為了減小時間常數(shù)，要求驅(qū)動回路的電阻盡可能小。動回路的電阻盡可能小。練習（牛刀小試）練習（牛刀小試）l1.電力場效應管電力場效應管MOSFET()現(xiàn)象?，F(xiàn)象。A、有二次擊穿、有二次擊穿 B、無二次擊穿、無二次擊穿 C、防止二、防止二次擊穿次擊穿

21、 D、無靜電擊穿、無靜電擊穿l2. 逆變電路輸出頻率較高時，電路中的開逆變電路輸出頻率較高時，電路中的開關(guān)元件應采用關(guān)元件應采用()。A、晶閘管、晶閘管 B、電力晶體管、電力晶體管 C、可關(guān)斷晶閘、可關(guān)斷晶閘管管 D、電力場效應管、電力場效應管l3. 電力晶體管是電力晶體管是()控制型器件。控制型器件。A、電流、電流 B、電壓、電壓 C、功率、功率 D、頻率、頻率練習練習l4. 逆變器輸出頻率較高時，電路中的開關(guān)逆變器輸出頻率較高時，電路中的開關(guān)元件應采用電力晶體管。（元件應采用電力晶體管。（ ）l5. 絕緣柵雙極晶體管內(nèi)部為四層結(jié)構(gòu)。（）絕緣柵雙極晶體管內(nèi)部為四層結(jié)構(gòu)。（）l6. 電力場效應

22、管電力場效應管MOSFET是理想的（）控是理想的（）控制器件。制器件。A、電壓、電壓 B、電流、電流 C、電阻、電阻 D、功率、功率練習練習l7.電力晶體管的缺點是電力晶體管的缺點是()。 A、功率容量小、功率容量小 B、必須具備專門的強迫、必須具備專門的強迫換流電路換流電路 C、具有線性放大特性、具有線性放大特性 D、易受、易受二次擊穿而損壞二次擊穿而損壞l 8.在電力電子裝置中，電力晶體管一般工在電力電子裝置中，電力晶體管一般工作在作在(D)狀態(tài)。狀態(tài)。lA、放大、放大 B、截止、截止 C、飽和、飽和 D、開關(guān)、開關(guān)l9.電力晶體管電力晶體管GTR有（）個有（）個PN結(jié)。結(jié)。A、1 B、2

23、 C、3 D、4第第2章章 整流電路整流電路引言引言整流電路的分類：整流電路的分類：按組成的器件可分為按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路橋式電路和和零式電路零式電路。按交流輸入相數(shù)分為按交流輸入相數(shù)分為單相電路單相電路和和多相電路多相電路。按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為按變壓器二次側(cè)電流的方向是單向或雙向，又分為單單拍電路拍電路和和雙拍電路雙拍電路。整流電路整流電路： 出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟?。出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?.1 單相可控整流電路單相可控整流電路 2.1.1 單相

24、半波可控整流電路單相半波可控整流電路 2.1.2 單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 2.1.3 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路 2.1.4 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路圖2-1 單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負載的工作情況）帶電阻負載的工作情況變壓器變壓器T起變換電壓和起變換電壓和電氣隔離的作用。電氣隔離的作用。電阻負載的特點：電壓電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波與電流成正比，兩者波形相同。形相同。2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路首先，引入兩個重要的基本概念：首先，引入兩個重要的

25、基本概念：觸發(fā)延遲角觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用用a a表示表示,也稱也稱觸觸發(fā)角發(fā)角或或控制角控制角。導通角導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用電角度，用表示表示 。直流輸出電壓平均值為直流輸出電壓平均值為aaa2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路2) 帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況 圖2-2 帶阻感負載的單相半波電路及其波形阻感負載的特點阻感負載的

26、特點：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。討論負載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導通角的關(guān)系。2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路對單相半波電路的分析對單相半波電路的分析可基于上述方法進行：可基于上述方法進行：v當當VTVT處于處于斷態(tài)斷態(tài)時，相當于時，相當于電路在電路在VTVT處斷開，處斷開，i id d=0=0。v當當VTVT處于處于通態(tài)通態(tài)時，相當于時，相當于VTVT短路。短路。圖2-3 單相半波可控整流電路的分段線性等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài) b)VT處于導通狀態(tài) a)b)VTRLVTRLu2u2電力電子電路的一種基本分析方法電力電子電路的一種基本分析方

27、法v通過器件的理想化，將電路簡化為通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路分段線性電路。v器件的每種狀態(tài)對應于一種器件的每種狀態(tài)對應于一種線性電路線性電路拓撲。拓撲。2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路當VT處于通態(tài)時，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT處于導通狀態(tài)tURitiLsin2dd2dd（2-2）)sin()sin(tanjajaje（2-4）v 初始條件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并將初始條件代入可得v 當t=+a 時，id=0，代入式（2-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djjaatZUeZUitLR（2-3）22)( LRZRLj

28、arctan其中 ，2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路續(xù)流二極管續(xù)流二極管圖2-4 單相半波帶阻感負載有續(xù)流二極管的電路及波形 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）ddVT2IIad2dVT2)(21ItdIIaaddVDRIIa2d22dVD2)(21RItdIIaa2.1.1單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路VTVT的的a a 移相范圍為移相范圍為180180 。簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中簡單，但輸出脈動大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化直流磁化。實際上很少應用此種電路。實際上很少應用此種電路。分析該電路的主

29、要目的建立起整流電路的基分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。本概念。 單相半波可控整流電路的特點單相半波可控整流電路的特點2.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況圖2-5 單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關(guān)斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)2.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系aaa2cos19 . 02cos

30、122)( dsin21222dUUttUUa 角的移相范圍為180。 向負載輸出的平均電流值為： 流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII2cos19 . 02cos12222ddaaRURURUI2.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 流過晶閘管的電流有效值： 變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等： 由上兩式得：不考慮變壓器的損耗時，要求變壓器的容量 S=U2I2。aaa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUIaaa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VT2.1

31、.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路2）帶阻感負載的工作情）帶阻感負載的工作情況況 u圖2-6 單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形 假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。 u2過零變負時，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。 至t=+a 時刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導通。 VT2和VT3導通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相換相，亦稱換流換流。2.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系aaaacos9 . 0cos22)( d

32、sin21222dUUttUU 晶閘管移相范圍為90。 晶閘管導通角與a無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值： 變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III 晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U2.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路3） 帶反電動勢負載時的工作情況帶反電動勢負載時的工作情況圖2-7 單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負載時的電路及波形 在|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。導通之后， ud=u2， ，直至|u2|=E，i

33、d即降至0使得 晶閘管關(guān)斷，此后ud=E 。REuidd與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電， 稱為停止導電角，212sinUE2.1.2單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路當當 30 的情況的情況 特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120 。2.2.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路aaaacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU當a=0時，Ud最大，為 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262daaaUttdUU整流電壓平均值的計算整流電壓平均值的計算a30時，負載電流連續(xù)，有：a3

34、0時，負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角減小，此時有：2.2.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的規(guī)律如圖2-15中的曲線1所示。圖2-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1電阻負載 2電感負載 3電阻電感負載2.2.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路 負載電流平均值為 晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即RUIdd222RM45.2632UUUU22UUFM2.2.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路2）阻感負載）阻感負載圖2-16 三相半波可控整流電路，阻感負載時的電

35、路及a =60時的波形 特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直。 a30時：整流電壓波形與電阻負載時相同。 a30時（如a=60時的波形如圖2-16所示）。u2過零時，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，ud波形中出現(xiàn)負的部分。id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。 阻感負載時的移相范圍為90。2.2.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 由于負載電流連續(xù)， Ud可由式（2-18）求出，即2d0d17.1UUU Ud/U2與a成余弦關(guān)系，如圖2-15中的曲線2所示。如果負載中的電感量不是很大，Ud/U2與a的關(guān)系將介于曲線1和

36、2之間，曲線3給出了這種情況的一個例子。圖2-15 三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1電阻負載 2電感負載 3電阻電感負載2.2.1三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為 晶閘管的額定電流為 晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值 三相半波的主要缺點在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應用較少。ddVT2577. 031IIIIdVTVT(AV)368.057.1III2RMFM45. 2UUU2.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路共陰極組共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，V

37、T3，VT5）共陽極組共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖2-17 三相橋式全控整流電路原理圖導通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT62.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路1）帶電阻負載時的工作情況）帶電阻負載時的工作情況當a60 時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù) 波形圖： a =0 （圖218 ） a =30 （圖219） a =60 （圖220）當a60 時，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值 波形圖： a =90 （ 圖221）帶電阻負載時三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是1202.2

38、.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表21所示時 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 請參照圖2182.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路（2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差

39、120。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差180。 三相橋式全控整流電路的特點特點（1）2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。2.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路（3）u ud d一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā) 一種是雙脈沖觸發(fā)（常用） (5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。 三相橋式全控整流電路的特點特點a60 時時 當電感足夠大的時候， id

40、的波形可近似為一條水平線。2.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路2) 阻感負載時的工作情況阻感負載時的工作情況a =0a =302.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路2) 阻感負載時的工作情況阻感負載時的工作情況a 60 時（時（ a =90） 阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同。 電阻負載時，ud波形不會出現(xiàn)負的部分。 阻感負載時，ud波形會出現(xiàn)負的部分。帶阻感負載時，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90 。2.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路3) 定量分析定量分析當整流輸出電壓連續(xù)時（即帶阻感負載時，或帶電阻負載a60 時）的平均值為： 帶電阻負

41、載且a 60時，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ：Id=Ud /Raaacos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232daaUttdUU2.2.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流電路當整流變壓器為圖2-17中所示采用星形接法，帶阻感負載時，變壓器二次側(cè)電流波形如圖2-23中所示，其有效值為：ddddIIIII816.03232)(3221222晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時一致。接反電勢阻感負載時，在負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同。僅在計算Id時有所不同，接反電勢阻感負載時

42、的Id為：REUIdd式中R和E分別為負載中的電阻值和反電動勢的值。2.4電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路2.4.1 電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路2.4.2 電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路2.4電容濾波的不可控整流電路電容濾波的不可控整流電路在交直交變頻器、不間斷電源、開關(guān)電源等應用場合中，大量應用。 最常用的是單相橋和三相橋兩種接法。 由于電路中的電力電子器件采用整流二極管，故也稱這類電路為二極管整流電路。2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析a) 電路

43、 b) 波形圖2-26 電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形基本工作過程基本工作過程：在u2正半周過零點至 t=0期間，因u2ud，故二極管均不導通，電容C向R放電，提供負載所需電流。至 t=0之后，u2將要超過ud，使得VD1和VD4開通，ud=u2，交流電源向電容充電，同時向負載R供電。2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路2) 2) 主要的數(shù)量關(guān)系主要的數(shù)量關(guān)系 輸出電壓平均值輸出電壓平均值 電流平均值電流平均值 輸出電流平均值IR為： IR = Ud /R Id =IR 二極管電流iD平均值為： ID = Id / 2=IR/ 2 二極管承受的電壓二

44、極管承受的電壓 22U 空載時， 重載時，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負載時的特性。 在設計時根據(jù)負載的情況選擇電容C值，使 , 此時輸出電壓為： Ud1.2 U2。2d2UU2/)53(TRC 2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路電容濾波的單相不可控整流電路 感容濾波的二極管整流電路感容濾波的二極管整流電路實際應用為此情況，但分析復雜。u ud d波形更平直，電流i i2 2的上升段平緩了許多，這對于電路的工作是有利的。圖2-29 感容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a） 電路圖 b）波形2.4.2電容濾波的三相不可控整流電路電容濾波的三相不可控整流電路1 1） 基本

45、原理基本原理 某一對二極管導通時，輸出電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。 當沒有二極管導通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。圖2-30 電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形2.6 大功率可控整流電路大功率可控整流電路2.6.1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路流電路2.6.2 多重化整流電路多重化整流電路2.6 大功率可控整流電路大功率可控整流電路引言引言帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路的特點：適用于低電壓、大電流的場合。多重化整流電路的特點：在采用相同器件時可達到更大的功率?？蓽p少交流側(cè)輸入電流的諧波或提高功率因

46、數(shù)，從而減小對供電電網(wǎng)的干擾。2.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路電路結(jié)構(gòu)的特點電路結(jié)構(gòu)的特點圖2-35 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路 二次側(cè)為兩組匝數(shù)相同極性相反的繞阻，分別接成兩組三相半波電路。 二次側(cè)兩繞組的極性相反可消除鐵芯的直流磁化。 平衡電抗器是為保證兩組三相半波整流電路能同時導電。 與三相橋式電路相比，雙反星形電路的輸出電流可大一倍。2.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路 繞組的極性相反的目的：消除直流磁通勢消除直流磁通勢 如圖可知，雖然兩組相電流的瞬時值不同，但是平均電流相等而繞組的極性相反

47、，所以直流安匝互相抵消。圖2-36 雙反星形電路，a a =0時兩組整流電壓、電流波形2.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路雙反星形電路中如不接平衡電抗器，即成為六相半波整流電路：六相半波整流電路：平衡電抗器的作用：平衡電抗器的作用： 使得兩組三相半波整流電路同時導電。對平衡電抗器作用的理解是掌握雙反星形電路原理的關(guān)鍵。2.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路原理分析原理分析(續(xù)續(xù))：圖2-38 平衡電抗器作用下兩個晶閘管同時導電的情況 雖然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶閘管VT6和VT1同時導通。 時間推遲至ub

48、與ua的交點時， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，電流才從VT6換至VT2。此時VT1、VT2同時導電。 每一組中的每一個晶閘管仍按三相半波的導電規(guī)律而各輪流導電。21dduu0pu2.7 整流電路的有源逆變工作狀態(tài)整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.7.1 逆變的概念逆變的概念2.7.2 三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)三相橋整流電路的有源逆變工作狀態(tài)2.7.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變失敗與最小逆變角的限制2.7.1 逆變的概念逆變的概念1) 什么是逆變？為什么要逆變？什么是逆變？為什么要逆變？逆變（Invertion）把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過程。逆變電路把直流電逆變成

49、交流電的電路。v有源逆變電路交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)。 應用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串級調(diào)速以及高壓直流輸電等。v無源逆變電路變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載，將在后面介紹。對于可控整流電路，滿足一定條件就可工作于有源逆變，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路變流電路。2.7.1 逆變的概念逆變的概念2) 直流發(fā)電機直流發(fā)電機電動機系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)電動機系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖2-44 直流發(fā)電機電動機之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動勢同極性EG EM b）兩電動勢同極性EM EG c）兩電動勢反極性，形成短路 電路過程分析。 兩個電動勢同極性相接時，電流總是從電動勢高的流向低的，回路電阻小，可在兩個電動勢間交換很大的功率。2.7.1 逆