第五講 電力電子器件概述、整流概述

1、1.7 1.7 電力電子器件器件的保護電力電子器件器件的保護1.7.1 1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護1.7.2 1.7.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護1.7.3 1.7.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）1.7.1 1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 電力電子裝置可能的過電壓電力電子裝置可能的過電壓外因過電壓和內(nèi)因過電壓外因過電壓外因過電壓主要來自雷擊和系統(tǒng)中的操作過程等外因 (1) 操作過電壓：由分閘、合閘等開關(guān)操作引起 (2) 雷擊過電壓：由雷擊引起內(nèi)因過電壓

2、內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置內(nèi)部器件的開關(guān)過程 (1) 換相過電壓：晶閘管或與全控型器件反并聯(lián)的二極管在換相結(jié)束后不能立刻恢復(fù)阻斷，因而有較大的反向電流流過，當恢復(fù)了阻斷能力時，該反向電流急劇減小，會由線路電感在器件兩端感應(yīng)出過電壓 (2) 關(guān)斷過電壓：全控型器件關(guān)斷時，正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓1.7.1 1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護 過電壓保護措施過電壓保護措施 圖1-34過電壓抑制措施及配置位置F避雷器D變壓器靜電屏蔽層C靜電感應(yīng)過電壓抑制電容RC1閥側(cè)浪涌過電壓抑制用RC電路RC2閥側(cè)浪涌過電壓抑制用反向阻斷式RC電路RV壓敏

3、電阻過電壓抑制器RC3閥器件換相過電壓抑制用RC電路RC4直流側(cè)RC抑制電路RCD閥器件關(guān)斷過電壓抑制用RCD電路S圖1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC1.7.1 1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護電力電子裝置可視具體情況只采用其中的幾種其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的措施，屬于緩沖電路范疇外因過電壓抑制措施中，RC過電壓抑制電路最為常見，典型聯(lián)結(jié)方式見圖1-35RC過電壓抑制電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（供電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè)稱閥側(cè)），或電力電子電路的直流側(cè)1.7.1 1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電

4、壓保護+-+-a)b)網(wǎng)側(cè)閥側(cè)直流側(cè)圖1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa圖1-35RC過電壓抑制電路聯(lián)結(jié)方式a)單相b)三相1.7.1 1.7.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護大容量電力電子裝置可采用圖1-36所示的反向阻斷式RC電路圖1-36反向阻斷式過電壓抑制用RC電路保護電路參數(shù)計算可參考相關(guān)工程手冊其他措施：用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元器件限制或吸收過電壓電力電子裝置過電壓抑制電路圖1-36C1R1R2C21.7.2 1.7.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護 過電流過載和短

5、路兩種情況 常用措施（圖1-37）圖1-37過電流保護措施及配置位置負載觸發(fā)電路開關(guān)電路過電流繼電器交流斷路器動作電流整定值短路器電流檢測電子保護電路快速熔斷器 變流器直流快速斷路器電流互感器變壓器圖1 -371.7.2 1.7.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護 快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器 同時采用幾種過電流保護措施，提高可靠性和合理性 電子電路作為第一保護措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護，過電流繼電器整定在過載時動作1.7.2 1.7.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護快速熔斷器快速熔斷器

6、電力電子裝置中最有效、應(yīng)用最廣的一種過電流保護措施選擇快熔時應(yīng)考慮：(1)電壓等級根據(jù)熔斷后快熔實際承受的電壓確定(2)電流容量按其在主電路中的接入方式和主電路聯(lián)結(jié)形式確定(3)快熔的I 2t值應(yīng)小于被保護器件的允許I 2t值(4)為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性1.7.2 1.7.2 過電流的產(chǎn)生及過電流保護過電流的產(chǎn)生及過電流保護 快熔對器件的保護方式：快熔對器件的保護方式：全保護和短路保護兩種 全保護：過載、短路均由快熔進行保護，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合 短路保護方式：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護作用 對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件（

7、很難用快熔保護），需采用電子電路進行過電流保護 常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快 1.7.3 1.7.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 緩沖電路緩沖電路（吸收電路）：吸收電路）：抑制器件的內(nèi)因過電壓、du/dt、過電流和di/dt，減小器件的開關(guān)損耗 關(guān)斷緩沖電路（du/dt抑制電路）吸收器件的關(guān)斷過電壓和換相過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗 開通緩沖電路（di/dt抑制電路）抑制器件開通時的電流過沖和di/dt，減小器件的開通損耗 將關(guān)斷緩沖電路和開通緩沖電路結(jié)合在一起復(fù)合緩沖電路 其他分類法：耗能式緩沖電路和饋

8、能式緩沖電路（無損吸收電路） 通常將緩沖電路專指關(guān)斷緩沖電路，將開通緩沖電路叫做di/dt抑制電路1.7.3 1.7.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit）緩沖電路作用分析緩沖電路作用分析無緩沖電路：V開通時電流迅速上升，di/dt很大關(guān)斷時du/dt很大，并出現(xiàn)很高的過電壓有緩沖電路V開通時：Cs通過Rs向V放電，使iC先上一個臺階，以后因有Li，iC上升速度減慢V關(guān)斷時：負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓a)b)圖1-38RiVDLVdidt抑制電路緩沖電路LiVDiRsCsVDstuCEiCOdidt抑制

9、電路無時didt抑制電路有時有緩沖電路時無緩沖電路時uCEiC圖1-38di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形a) 電路 b) 波形1,7.3 1,7.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 關(guān)斷時的負載曲線關(guān)斷時的負載曲線無緩沖電路時：uCE迅速升，L感應(yīng)電壓使VD通，負載線從A移到B，之后iC才下降到漏電流的大小，負載線隨之移到C有緩沖電路時：Cs分流使iC在uCE開始上升時就下降，負載線經(jīng)過D到達C負載線ADC安全，且經(jīng)過的都是小電流或小電壓區(qū)域，關(guān)斷損耗大大降低ADCB無緩沖電路有緩沖電路圖1-39uCEiCO圖1-39關(guān)斷時的

10、負載線 1.7.3 1.7.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 充放電型RCD緩沖電路（圖1-38），適用于中等容量的場合 圖1-40示出另兩種，其中RC緩沖電路主要用于小容量器件，而放電阻止型RCD緩沖電路用于中或大容量器件 圖1-40另外兩種常用的緩沖電路a)RC吸收電路b)放電阻止型RCD吸收電路L緩沖電路L緩沖電路負載負載a)b)圖1-40EdRsCsEdRsCsVDs1.7.3 1.7.3 緩沖電路（緩沖電路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 緩沖電路中的元件選取及其他注意事項緩沖電路中的元件選取及其他

11、注意事項 Cs和Rs的取值可實驗確定或參考工程手冊 VDs必須選用快恢復(fù)二極管，額定電流不小于主電路器件的1/10 盡量減小線路電感，且選用內(nèi)部電感小的吸收電容 中小容量場合，若線路電感較小，可只在直流側(cè)設(shè)一個du/dt抑制電路 對IGBT甚至可以僅并聯(lián)一個吸收電容 晶閘管在實用中一般只承受換相過電壓，沒有關(guān)斷過電壓，關(guān)斷時也沒有較大的du/dt，一般采用RC吸收電路即可1.8 1.8 電力電子器件器件的串電力電子器件器件的串聯(lián)和并聯(lián)使用聯(lián)和并聯(lián)使用1.8.1 1.8.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)1.8.2 1.8.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)1.8.3 1.8.3 電力電力MOSFETMOS

12、FET和和IGBTIGBT并聯(lián)運行的特點并聯(lián)運行的特點1.8.1 1.8.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)目的目的：當晶閘管額定電壓小于要求時，可以串聯(lián) 問題問題：理想串聯(lián)希望器件分壓相等，但因特性差異，使器件電壓分配不均勻 靜態(tài)不均壓：串聯(lián)的器件流過的漏電流相同，但因靜態(tài)伏安特性的分散性，各器件分壓不等 承受電壓高的器件首先達到轉(zhuǎn)折電壓而導(dǎo)通，使另一個器件承擔全部電壓也導(dǎo)通，失去控制作用 反向時，可能使其中一個器件先反向擊穿，另一個隨之擊穿1.8.1 1.8.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián) 靜態(tài)均壓措施靜態(tài)均壓措施選用參數(shù)和特性盡量一致的器件采用電阻均壓，Rp的阻值應(yīng)比器件阻斷時的正、反向電阻小得

13、多圖1-41晶閘管的串聯(lián)a)伏安特性差異b)串聯(lián)均壓措施b)a)圖1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT21.8.1 1.8.1 晶閘管的串聯(lián)晶閘管的串聯(lián)動態(tài)均壓措施動態(tài)均壓措施 動態(tài)不均壓由于器件動態(tài)參數(shù)和特性的差異造成的不均壓 動態(tài)均壓措施： 選擇動態(tài)參數(shù)和特性盡量一致的器件 用RC并聯(lián)支路作動態(tài)均壓 采用門極強脈沖觸發(fā)可以顯著減小器件開通時間上的差異1.8.2 1.8.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)目的目的：多個器件并聯(lián)來承擔較大的電流問題問題：會分別因靜態(tài)和動態(tài)特性參數(shù)的差異而電流分配不均勻均流措施均流措施 挑選特性參數(shù)盡量一致的器件 采用均流電抗器 用門極

14、強脈沖觸發(fā)也有助于動態(tài)均流 當需要同時串聯(lián)和并聯(lián)晶閘管時，通常采用先串后并的方法聯(lián)接1.8.2 1.8.2 晶閘管的并聯(lián)晶閘管的并聯(lián)圖143 晶閘管并聯(lián)均流電路1.8.3 1.8.3 電力電力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并聯(lián)運行的并聯(lián)運行的特點特點 電力電力MOSFET并聯(lián)運行的特點并聯(lián)運行的特點 Ron具有正溫度系數(shù)，具有電流自動均衡的能力，容易并聯(lián) 注意選用Ron、UT、Gfs和Ciss盡量相近的器件并聯(lián) 電路走線和布局應(yīng)盡量對稱 可在源極電路中串入小電感,起到均流電抗器的作用 IGBT并聯(lián)運行的特點并聯(lián)運行的特點 在1/2或1/3額定電流以下的區(qū)段，通態(tài)壓降具有負負的溫度

15、系數(shù) 在以上的區(qū)段則具有正正溫度系數(shù) 并聯(lián)使用時也具有電流的自動均衡能力，易于并聯(lián) 2.0 整流基本概念 利用半導(dǎo)體電力開關(guān)器件的通、斷控制，將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芊Q為整流。 實現(xiàn)整流的電力半導(dǎo)體開關(guān)電路連同其輔助元器件和系統(tǒng)稱為整流器。 整流器的類型很多，歸納分類如下：1.按交流電源電流的波形可分為：（1） 半波整流。（2）全波整流。2.按交流電源的相數(shù)的不同可分為：（1） 單相整流。（2）三相整流。3.按整流電路中所使用的開關(guān)器件及控制能力的不同可分為： (1） 不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按控制原理的不同可分為：（1） 相控整流。（2）高頻PWM整流。開關(guān)器件為二極管

16、開關(guān)器件為晶閘管開關(guān)器件為全控器件2.0 整流基本概念2.0 整流基本概念 對交流直流變換最基本的性能要求： 直流輸出電壓可以調(diào)控（交流輸入電壓變化時或負載變化時輸出的直流電壓可保持為任意指令值） 輸出電壓中交流分量（即諧波電壓）被控制在允許值范圍以內(nèi)； 交流側(cè)電流中的諧波電流也要求在允許值以內(nèi)。 此外交流側(cè)的功率因數(shù)、整流器的效率、重量、體積、成本、電磁干擾EMI和電磁兼容性EMC以及對控制指令的響應(yīng)特性都是評價整流器的重要指標。 2.1 整流器的類型和性能指標 整流器最基本的性能指標有： 1. 電壓諧波系數(shù)或紋波系數(shù)RF（Ripple Factor） 2. 電壓脈動系數(shù)Sn 3. 輸入電流

17、總畸變率THD (Total Harmonic Distortion) 4. 輸入功率因數(shù)PF（Power Factor） 上述基本性能指標能比較科學(xué)地評價各種整流電路的性能優(yōu)劣 。2.1 整流器的類型和性能指標（續(xù)1） 紋波電壓的定義：整流輸出電壓中除直流平均值電壓VD外全部交流諧波分量有效值VH可以進一步表示為 ：DHvVVRF/12DrmsdHvVVVV22DrmsHVVVq電壓諧波（紋波）系數(shù)的定義：輸出電壓中的交流諧波有效值 VH與直流平均值VD 之比值。表示為電壓諧波系數(shù)或紋波系數(shù)RF（Ripple Factor）2.1 整流器的類型和性能指標（續(xù)2）定義：整流輸出電壓中最低次諧波

18、幅值Vnm與直流平均值VD之比 。Sn=Vnm/VD 電壓脈動系數(shù)Sn2.1 整流器的類型和性能指標（續(xù)3） 交流輸入電流中除基波電流Is1外通常還含有各次諧波電流Isn（n2，3，4，） 。 THD的定義：除基波電流外的所有諧波電流總有效值與基波電流有效值之比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD輸入電流總畸變率THD (Total Harmonic Distortion)SPPFAC/SSIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACIIIVIVIVPPF22122222111

19、1111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS輸入功率因數(shù)PF（Power Factor） ：基波電流數(shù)值因數(shù)（簡稱基波因數(shù)）是基波電流有效值與總電流有效值之比值。交流側(cè)電壓與電流基波分量之間的相位角1稱為基波位移角；基波功率因數(shù) cos1稱為基波位移因數(shù)DPF。若交流輸入電壓為無畸變的正弦波，則只有輸入電流中的基波電流形成有功功率。這時，定義：交流電源輸入有功功率PAC 與其視在功率S 之比，即2.1 整流器的類型和性能指標（續(xù)4）2.2.1單相半波不控整流（復(fù)習(xí)內(nèi)容概述）主電路：不控二極管D1、D0工作原理：（理想情況下）在電源電壓的正半周wt=0p D1承受正向電壓而導(dǎo)通。vD=vs

20、, iD=isq 在電源電壓的負半周wt=p2p D1受反壓截止，阻斷電路。 vD=0, iD=0q 如果負載有電感，則負載電流通過D0續(xù)流。2.2.1單相半波不控整流（續(xù)1） 特點： 整流電壓直流平均值 SSSDVVtdtVV45. 02sin221 0 pwwpp q VD只與VS有關(guān)，不能被調(diào)控；q 輸出電壓脈動大，脈動頻率低，難于濾波；q 僅正半周有輸出（一個電源周期中僅一個電壓脈波，即脈波數(shù)為1，稱為“半波”）；q 電源電流的直流分量很大。幾個重要的基本概念：幾個重要的基本概念： 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起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制

21、角 導(dǎo)通角導(dǎo)通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用表示 2.2.1 2.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路( (Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)帶電阻負載的工帶電阻負載的工作情況作情況變壓器T起變換電壓和隔離的作用電阻負載的特點電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同 TVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTa0b)c)d)e)00圖2-1 單相半波可控整流電路及波形2 2 電力電子電路分析方法電力電子電路分析方法對電力電子電路的器件分析可基于下述方法進行：當VT

22、處于斷態(tài)時，相當于電路在VT處斷開，id=0。當VT處于導(dǎo)通狀態(tài)時，VT相當于開關(guān)閉合，VT管壓降為0。電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路，分段進行分析計0a)b)VTRLVTRLu2u2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(dǎo)通狀態(tài) 2.2.1 2.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系 直流輸出電壓平均值為 (2-1) VT的a 移相范圍為180這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式paaapwwp2cos145. 0)cos1

23、 (22)(sin221222dUUttdUU2.2.1 2.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路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，造成變壓器鐵芯直流磁化實際上很少應(yīng)用此種電路分析該電路的主要目的在于利用其簡單易學(xué)的特點，建立起整流電路的基本概念2.2.2單相橋式不控整流（復(fù)習(xí)內(nèi)容） q原理及波形分析：q與兩相半波電路相比：q 相同點：整流輸出電壓、交流電源電流波形。q 多用了兩個二極管，但可略去有中心抽頭的變壓器。q 在中小容量的不控整流領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。 2.2.2 2.2.2 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 工作原理及波形分析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(dǎo)通，當u2過零時關(guān)斷 VT