電力電子技術(shù)

緒

論1.什么是電力電子技術(shù)2.電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史

3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用4.本課程的主要內(nèi)容PowerElectronics1.2兩大分支1.3與其他學(xué)科的關(guān)系PowerElectronics1.

什

么

是

電

力

電

子

技

術(shù)信息電子技術(shù)：信息處理電力電子技術(shù)：電力變換電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力

領(lǐng)域的電子技術(shù)，也就是使

用電力電子器件，應(yīng)用電路

理論、控制理論對(duì)電能進(jìn)行

變換、控制的技術(shù)。包括電

壓、電流、頻率、波形等方

面的變換、控制。電子技術(shù)信息電子

電力電子技術(shù)

技術(shù)模擬電子

數(shù)字電子技術(shù)

技術(shù)1.1概念PowerElectronics電力直流

交流電力變換交流變直流(整流)

直流變交流(逆變)

直流變直流(斬波)

交流變交流PowerElectronics電力電子器件制造技術(shù)—電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)變流技術(shù)(電力電子器件應(yīng)用技術(shù))—

—電力電子技術(shù)

的核心

電力電子器件構(gòu)成

變

流

各種電力變換電路技術(shù)對(duì)這些電路進(jìn)行

控制的技術(shù)相互支持、相互促進(jìn)PowerElectronics1.2兩大分支電力電子器件

制造技術(shù)電力電子技術(shù)變流技術(shù)電子學(xué)

邊緣學(xué)科圖0-1描述電力電子學(xué)的倒三角形PowerElectronics1.3與其他學(xué)科的關(guān)系連續(xù)、離散控制理論電力電

子技術(shù)電力學(xué)分析方法、分析軟件PowerElectronics1.3.1與電子學(xué)的關(guān)系理論基礎(chǔ)、材料、制造工藝電力電子器件制造技術(shù)器件、電路電子器件

制造技術(shù)電力電子

電路電子電路電力電子電路——電力變換電子電路——信息處理信息電子電路器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)放大狀態(tài)電力電子

電路器件O開(kāi)關(guān)狀

態(tài)功率損耗PowerElectronics高性能交直流電源電加熱電

鍍電

解交

直

流

電

力

傳

動(dòng)電力機(jī)車(chē)牽引靜止無(wú)功補(bǔ)償高壓直流輸電電力工程電力電子技術(shù)廣泛用于電力工程1.3.2與電力學(xué)的關(guān)系PowerElectronics電力電子技術(shù)控制理論電力電子技術(shù)弱電和強(qiáng)電接口

弱電控制強(qiáng)電1.3.3與控制理論的關(guān)系PowerElectronics實(shí)現(xiàn)紐帶2.

電

力

電

子

技

術(shù)

的

發(fā)

展

歷

史2

.

1電力電子器件的發(fā)展2

.2電力變換電路的發(fā)展

2

.

3控制技術(shù)的發(fā)展PowerElectronics1958工業(yè)用晶閘管問(wèn)世、電力電子技術(shù)誕生

20世紀(jì)70年代低壓小電流、高壓大電流晶

閘管系列化派生型晶閘管：雙向、逆倒、光控20世紀(jì)70年代后期全控型器件迅速發(fā)展GTO

、GTR、MOSFET可通可斷、開(kāi)關(guān)速度

高于晶閘管80年代后期以IGBT為代表的復(fù)合型器件異

軍

突

起

MOSFET與GTR復(fù)合驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度

快；通態(tài)壓降小、載流能力大；主導(dǎo)器件功率集成模塊

把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助元件、

電路模塊化，便于應(yīng)用。結(jié)構(gòu)緊湊、體積小

巧。盡管功率較小，重要發(fā)展方向。Power

Electronics半控型器件全控型器件全控復(fù)合型器件2.1電力電子器件的發(fā)展2.2電力變換電路的發(fā)展整流電路、逆變電路應(yīng)用最為廣泛。20世紀(jì)70年代以前，整流電路占有主導(dǎo)地位；

20世紀(jì)80年代以后，逆變電路的應(yīng)用日益廣泛，

但整流電路仍然占有重要地位。原因?常

用：晶閘管相控整流電路，消耗無(wú)功功率、產(chǎn)生

諧波污染電網(wǎng)。治理：補(bǔ)償無(wú)功功率、抑制諧波。

有

源

電

力

濾

波

器高功率因數(shù)整流電路，采用自關(guān)斷器件、PWM

控

制。功率因數(shù)可以達(dá)到1,基本不消耗無(wú)功功率、

不

產(chǎn)

生

諧

波

。PowerElectronics新型電力變換電路：諧振型逆變電路性能更佳PowerElectronics2.2電力變換電路的發(fā)展軟開(kāi)關(guān)電路。降低電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗、抑

制電磁干擾。利用諧振原理，使電力電子器件在

零電壓或零電流的條件下開(kāi)通、關(guān)斷，理論上可

將開(kāi)關(guān)損耗降至零并抑制電磁干擾。2.3控制技術(shù)的發(fā)展晶閘管電路相位控制方式；全控型器件PWM控

制方式；就異步電動(dòng)機(jī)而言，矢量控制、直接轉(zhuǎn)

矩控制；就控制理論而言，自適應(yīng)控制、模糊控

制

。20世紀(jì)80年代后期高性能單片微機(jī)、數(shù)字信號(hào)

處理器應(yīng)用于電力電子電路控制。模擬、數(shù)字

控制——微機(jī)控制Power

Electronics3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用(1)一般工業(yè)大型同步軋鋼電機(jī)

隱極同步電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī)冶金工業(yè)中高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)備磁懸浮列車(chē)PowerElectronicsDJ

型交流電力傳動(dòng)機(jī)車(chē)施奈德公司

富士公司PowerElectronics國(guó)內(nèi)外知名變頻器西門(mén)子(

Siemens)

公

司安圣(華為電氣)變頻器系列Power

ElectronicsABB公司晶閘管變流裝置

無(wú)功補(bǔ)償裝置PowerElectronics(3)電力系統(tǒng)電子裝置用電源PowerElectronics(4)電子裝置用電源開(kāi)關(guān)、

UPS電源變頻交流電(40V~180V20~120H2)V變頻模塊A+

壓縮機(jī)ACB-交流直流變頻模塊B+

壓縮機(jī)AC交流直流通電轉(zhuǎn)換

位置檢測(cè)電路控制電路部分直流變頻空調(diào)的電路原理圖(5)家用電器PowerElectronics交流變頻控制器的原理框圖變頻空調(diào)控制器直流電310V左右交流電源

220V/50Fz變頻壓

縮機(jī)整流泥波逆變驅(qū)動(dòng)水泵變頻、風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能PowerElectronicsYJ32雙繞組雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)不間斷電源4.本課程的主要內(nèi)容教材的內(nèi)容可分為三大部分第一部分：電力電子器件

(第1章-----全書(shū)的基礎(chǔ))第二部分：電力電子電路

(第2～4章-----全書(shū)的主體)第三部分：PWM

控制技術(shù)(第5章)第四部分：電力電子應(yīng)用(拓展)(

第

6

～

9

兩

章

)Power

Electronics第1章電力電子器件1.1

電力電子器件概述1.2

電力二極管1.3晶閘管及其派生器件1.4

門(mén)極可關(guān)斷晶閘管

1.5電力晶體管1.6

功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.7絕緣柵雙極性晶體管1.8其他新型電力電子器件

本章小結(jié)PowerElectronics1.1

電力電子器件概述1.1.I電力電子器件的概念和特征1.1.2電力電子器件的基本類(lèi)型1.1.3電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域PowerElectronics1.1?

1電力電子器件的概念和特征1.概念主電路

(Power

Circuit)

在電氣設(shè)備或電力

系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路

。電力電子器件

(PowerElectronicDevice)

直接

用于處理電能的主電路中，以開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)電

能的變換或控制的電子器件。Power

Electronics2.特征電力電子器件是功率半導(dǎo)體器件。1)電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的

參數(shù)。其處理電功率的能力

一般遠(yuǎn)大于處理信息的電

子器件。2)電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損

耗、提高效率，

一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。3)電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中往往由信息電子電路來(lái)控

制。信息電子電路是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。4)電力電子器件盡管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但是自身的功率

損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為了保證不至于因

損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器

件封裝上考慮散熱設(shè)計(jì)，而且在其工作時(shí)一般都還需

要設(shè)計(jì)安裝散熱器。PowerElectronics1.1

電力電子器件概述1.1.I電力電子器件的概念和特征1.1.2電力電子器件的基本類(lèi)型1.1.3

電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4

電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域PowerElectronics通過(guò)控制信號(hào)可控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷通過(guò)控制信號(hào)即可控制

其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷自關(guān)斷器件PowerElectronics晶閘管及其派生器件絕緣柵雙極晶體管

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

門(mén)極可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.1.2電力電子器件的基本類(lèi)型1.按照電力電子器件的可控程度關(guān)

斷全控型器件處理兆瓦級(jí)

大功率電能半控型器件主

電

路電

壓電

流不控型器件電

電壓

流只有兩個(gè)端子通

斷電流驅(qū)動(dòng)型

ykK2.按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)不能用控制信號(hào)控制其通斷，不需要驅(qū)動(dòng)電路PowerElectronics電力二極管電壓驅(qū)動(dòng)型通斷主

電路參3.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況單極型器件

由一種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件Power

Electronics1.1.3電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件最初是單管結(jié)構(gòu)、分立器件電力電子設(shè)備電力電子器件及其散熱器、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路結(jié)構(gòu)松散、體積大、可靠性差、成本高電力電子器件的模塊化與集成化結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠

性高、成本低PowerElectronics由若干功率開(kāi)關(guān)器件與快速二極管組合而成單片集成式模塊功率器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路集成于一個(gè)硅片智能功率模塊將具有驅(qū)動(dòng)、自保護(hù)、自診斷功能的集成芯片

再度與電力電子器件集成Power

Electronics類(lèi)

型名稱(chēng)中文名稱(chēng)英文名稱(chēng)分立器件不可控器件電力二極管Power

Diode半控型器件晶閘管(可控硅)Thyristor(SCR)全控型器件電流控制器件電力晶體管(雙極型晶體管)GTR

(BJT)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO電壓控制器件電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管Power

MOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT場(chǎng)控晶閘管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)晶閘管SITH集成模塊We

ron1CS功率模塊Power

Module單片集成模塊System

on

a

Chip智能功率模塊IPM表1-1

電力電子器件1.1.4電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電力電子器件應(yīng)用廣泛P/VA100M電力電子器件允許的開(kāi)關(guān)頻率與允許功率范圍及主要應(yīng)用領(lǐng)域Power

Electronics10M1M100k10k1k10010IGBT(電機(jī)調(diào)速、逆變器、

變頻器等中等功率范圍)MOSFET

(開(kāi)關(guān)電源、日用電器、汽車(chē)電子等)S

C

R

(高

壓

直

流

輸電、靜止

無(wú)

功

補(bǔ)

償

等

高

壓

領(lǐng)

域

)鐵、S

V

G

等

)GT0

(

機(jī)

車(chē)

、

地調(diào)

、

冰箱

等

)GTR

(UPS、f/Hz100k10M10k100H1M1k電力二極管(半導(dǎo)體整流管)結(jié)

構(gòu)

和

原

理

簡(jiǎn)

單現(xiàn)

在

仍

大

量

應(yīng)

用

于

許

多

電

氣

設(shè)

備工

作

可

靠斬波、逆變高頻低壓儀表、

開(kāi)關(guān)電源1.2

電力二極管20世紀(jì)50年代

初獲得應(yīng)用快恢復(fù)二極管

肖特基二極管PowerElectronics應(yīng)用電力二極管在本質(zhì)

上是一個(gè)PN

節(jié)，只是加上電極引線、

管殼封裝。PN

節(jié)的工作原理已經(jīng)在

模擬電子技術(shù)課程

中涉及，不再展開(kāi)

討論。a)圖1-2

電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形

b)

結(jié)構(gòu)

c)

電氣圖形符號(hào)Power

Electronics1.2.1

PN結(jié)的工作原理PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài)

PN結(jié)在正向電流很大

時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN

結(jié)表現(xiàn)為低阻狀態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)

微弱的反向電流。Power

ElectronicsPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕撼惺苷?/p>

電壓導(dǎo)通，承受反向電壓截止PN結(jié)反向擊穿反向電流

急劇增大PowerElectronics施加PN

結(jié)反

向電壓過(guò)大破壞PN

結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)1.2

電力二極管1.2.1

PN結(jié)的工作原理1.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類(lèi)型PowerElectronicsPowerElectronics正向電壓為零，電流為零。正向電壓較小，正向電流很

小，幾乎為零。正向電壓升高至UTo,

正向電

流明顯增加。門(mén)檻、閾值電壓正向電壓大于UTo,正向電流(a)線性增長(zhǎng)。Power

Electronics1.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性電力二極管

靜態(tài)特性圖1-4電力二極管的伏安特性1.靜態(tài)特性伏安特性電力二極管

靜態(tài)特性o正向電流I

對(duì)應(yīng)

的電力二極管兩

端的電壓Up為其

正向電壓降。只有微小而數(shù)

值恒定的反向

漏電流。1.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性PowerElectronics1.靜態(tài)特性圖1

-

4電力二極管的伏安特性伏安特性電力二極管的動(dòng)態(tài)狀態(tài)反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性Power

Electronics過(guò)渡過(guò)程中，

其電壓—電

流關(guān)系隨時(shí)

間而變化2.動(dòng)態(tài)特性反向偏置正向偏置零偏置a)電力二極管的關(guān)斷在tp時(shí)刻外加電壓突然反

向。經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間

才能重新獲得反向阻斷能

力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。在關(guān)斷之前有較大的

反向電流，伴隨明顯

的反向電壓過(guò)沖。ta=t?-to——延遲時(shí)間t=t?-t?——電流下降時(shí)間

t=ta+t—

—反向恢復(fù)時(shí)間普通：

5～幾十微秒快速：

幾百納秒肖特基：幾十納秒PowerElectronics注意：電流、電壓反向問(wèn)題

過(guò)沖正偏壓時(shí)，正向偏壓降約為1V左右；導(dǎo)通時(shí)，

二極管看成是理想開(kāi)關(guān)元件，因?yàn)樗拈_(kāi)通

時(shí)間很短；但在關(guān)斷時(shí)，它需要一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間(reverser-recovery

time)。影響二極管開(kāi)關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)

時(shí)間。Power

Electronics1.2

電力二極管1.2.1

PN結(jié)的工作原理1.2.2電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.2.3電力二極管的主要參數(shù)1.2.4電力二極管的主要類(lèi)型PowerElectronics1.2.3電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用

時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流

額定值，應(yīng)留有一定的裕量。正向壓降Up

→

電力二極管在正向電流導(dǎo)

通時(shí)二極管上的正向壓降。Power

Electronics1.2.3電力二極管的主要參數(shù)反向重復(fù)峰值電壓UR

RM

對(duì)電力二極管所

能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。

額定電壓。2～3倍裕量。最高工作結(jié)溫反向恢復(fù)時(shí)間浪涌電流PowerElectronics普通二極管(整流二極管)正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上1.2.4電力二極管的主要類(lèi)型多用于開(kāi)關(guān)頻率

不

高

(

1kH?

以下)

的整流電路中反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)

一般在5μs以

上PowerElectronics恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短(5μs以下，數(shù)百ns)

的二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)快速二

極管。PowerElectronics快恢復(fù)二極管肖特基二極管導(dǎo)通壓降只有0.3～0.6V,

反向恢復(fù)時(shí)間短，10～40ns。缺點(diǎn)：漏電流很大、耐壓低。PowerElectronics1.3晶閘管及其派生器件PowerElectronics圖1-6晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)a)外形

b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號(hào)PowerElectronicsAP1N1P12NKJ?J?J?GKAG1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理b)

c)a)GINo晶閘管屬于電流驅(qū)動(dòng)、雙極型、半控型器件，

可等效為可控的單向?qū)щ婇_(kāi)關(guān)。反向承受

一

定電壓，處于阻斷(截止)狀態(tài)。正向承受一定電壓，兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：高

阻抗的阻斷工作狀態(tài)和低阻抗的導(dǎo)通工作狀態(tài)。PowerElectronicsa)

b)圖1-7

晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型

b工作原理)Power

Electronics對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)觸發(fā)產(chǎn)生注入門(mén)極的觸發(fā)

電流Ig的電路門(mén)極觸發(fā)電路反向截止正向阻斷晶閘管工作原理如以下方程所示Ic?=a?IA+ICBO1

(1-1)Ic?=a?Ik+ICBO2(1-2)Ik=IA+Ig

(1-3)IA=Ici+Ic?

(1-4)a?和a?分別是晶體管V?和V?的共基極電流增

益；IcBO?和ICBO2分別是V?和V?的共基極漏電

流。由式(1

-

1)～式(1

-

4)得：Power

Electronics(1-5)晶體管的特性是：

在低發(fā)射極電流下α是很小的，

而

當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后，a

迅速增大。阻斷狀態(tài)：Ig=0,a?+a?很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍

大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通(門(mén)極觸發(fā)):

注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極

電流增大以致a?+a?趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流

IA(陽(yáng)極電流)將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。

IA實(shí)際由外電路決定。PowerElectronics晶閘管的開(kāi)通、關(guān)斷規(guī)律：1)承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管均不導(dǎo)通。2)承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管開(kāi)通。3)晶閘管

一

旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。即

使去除門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，仍然維持導(dǎo)通。

自鎖、

掣

住4)要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到

接近于零的某

一數(shù)值以下。維持電流PowerElectronics1.3晶閘管及其派生器件PowerElectronics第II

象限是反向特性Power

Electronics1.3.2晶閘管的基本特性及主要參數(shù)1.陽(yáng)極伏安特性及靜態(tài)參數(shù)第

I

象限是正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電

壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小

的正向漏電流流過(guò)，正向電壓

超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓

UDB,

則漏電流急劇增大，器

件并通。隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管

的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在

1V

左右。導(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的

某

一數(shù)值I

以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。I

稱(chēng)為維

持電流。PowerElectronics晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類(lèi)似二極管的反向

特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)

時(shí)，只有極小的反向漏電流

流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，

到反向擊穿電壓后，外電路

如無(wú)限制措施，則反向漏電

流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管反

向擊穿、損壞。PowerElectronicsPowerElectronics晶閘管的靜態(tài)參數(shù)UDB、URB

正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓；UDsM

、UDRM

正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓和重復(fù)峰值電壓；

URSM

、URRM

反向不重復(fù)峰值電壓和重復(fù)峰值電壓；不重復(fù)峰值電壓是指不造成正向轉(zhuǎn)折和反向擊穿的最大電壓，一

般不允許多次施加。重復(fù)電壓是指晶閘管在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)渡過(guò)程中，可重復(fù)經(jīng)受的

最大瞬時(shí)電壓。取正、反向不重復(fù)峰值電壓的90%作為正、反向重復(fù)峰值電壓。

取正、反向重復(fù)峰值電壓中的較小者作為晶閘管的額定電壓。PowerElectronics晶閘管的靜態(tài)參數(shù)取晶閘管的UDRM

和URRM

中較小者作為額定

電壓。額定電壓要留有一定裕量，

一般取額

定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓

的2～3倍。正向通態(tài)電壓指晶閘管通過(guò)額定電流時(shí)陽(yáng)極與陰極間

的

電壓降，也稱(chēng)管壓降，該參數(shù)直接反映了器件的通態(tài)損

耗特性。若通過(guò)晶閘管的電流為通態(tài)平均電流，則電壓

降為通態(tài)平均管壓降。Power

Electronics額定電流、通態(tài)平均電流/T(AV晶閘管在環(huán)境溫度為40°℃和規(guī)定的冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超

過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義。選擇晶閘管時(shí)根

據(jù)有效值相等的原則，在選擇晶閘管定額電流時(shí)，通常需要根

據(jù)電流波形，做平均值與有效值的換算。以正弦半波為例?？紤]到實(shí)際散熱條件、過(guò)載現(xiàn)象，留有1.5～2倍的裕度。PowerElectronics維持電流lH晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。若晶閘管陽(yáng)極電流小于維持電流，則晶閘管進(jìn)入阻斷狀態(tài)。掣住電流lz晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持其導(dǎo)通所

必需的最小陽(yáng)極電流。對(duì)同

一

晶閘管來(lái)說(shuō)，通常

l

約為

lH的

2～4倍。是晶閘管的臨界開(kāi)通電流，若陽(yáng)極電流A

未達(dá)到/時(shí)就去掉門(mén)

極信號(hào)，晶閘管將自動(dòng)返回阻斷狀態(tài)。在感性負(fù)載電路中，由

于陽(yáng)極電流上升到/需要一定的時(shí)間，若門(mén)極信號(hào)持續(xù)時(shí)間低

于此值，晶閘管則不能維持住導(dǎo)通狀態(tài)。PowerElectronics2.動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù)動(dòng)態(tài)特性：晶閘管在阻斷、導(dǎo)通這兩種狀態(tài)變換過(guò)

程中所體現(xiàn)的特性，包括開(kāi)通特性和關(guān)斷特性。開(kāi)通特性：晶閘管在正向偏置并受到理想電流觸發(fā)

時(shí)的導(dǎo)通情況。關(guān)斷特性：已導(dǎo)通的晶閘管在施加反向電壓時(shí)的關(guān)

斷情況。PowerElectronics延遲時(shí)間ta從門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，

陽(yáng)極電流上升到額定值的10%所需時(shí)間上升時(shí)間t陽(yáng)極電流從額定值10%上

到90%所需時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgttgt=ta+tp普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.5us,

上升時(shí)間為0.5~3us

。其延遲時(shí)間隨門(mén)極電

流的增大而減小。

強(qiáng)觸發(fā)Power

Electronics開(kāi)通過(guò)程關(guān)斷過(guò)程反向恢復(fù)時(shí)間t正

向電流降為零到反向恢復(fù)

電流衰減至近于零的時(shí)間?；謴?fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。門(mén)

極恢復(fù)時(shí)間tgr晶閘管完全關(guān)斷至恢復(fù)阻斷

能力所需時(shí)間?；謴?fù)對(duì)正向

電壓的阻斷能力。關(guān)斷時(shí)間tqtq=trr+tgr普通晶閘管的時(shí)間約為幾百

微秒PowerElectronics斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從

斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。

過(guò)大，誤

導(dǎo)通通態(tài)電流臨界上升率di/dt在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升

率。

過(guò)大，門(mén)極局部過(guò)熱PowerElectronics1.3.3晶閘管的派生器件快速、逆倒、雙向、光控晶閘管PowerElectronics1.

4

門(mén)

極

可

關(guān)

斷

晶

閘

管1.4.1結(jié)構(gòu)與工作原理1.4.2動(dòng)態(tài)特性1.4.3主要參數(shù)PowerElectronics1.4門(mén)極可關(guān)斷晶閘管晶閘管由于耐壓高、電流大和相對(duì)較強(qiáng)的過(guò)載能力，在高壓大功率領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)廣泛應(yīng)用。半控型器件，如何關(guān)斷即換流?必須借助外部手段使其電流小于維持電流。為此必須附加強(qiáng)迫換流電路，使

電力電子裝置復(fù)雜化。為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要，在晶閘管基礎(chǔ)之上研制成功門(mén)

極可關(guān)斷晶閘管，GTO

。

全控型器件電壓、電流容量高于其它全控型器件，但驅(qū)動(dòng)技術(shù)復(fù)雜、

價(jià)位高，使其推廣受到限制。PowerElectronics1.4門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.4.1GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理Power

ElectronicsG-AKPNPN

四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陽(yáng)極A、

陰

極K、門(mén)

極G多元功率集成器件內(nèi)部包含數(shù)

百個(gè)小GTO

元GTO元陽(yáng)極共有GTO

元陰極、門(mén)極在器件內(nèi)部

并聯(lián)陰極呈島狀結(jié)構(gòu)，周?chē)婚T(mén)極所

包圍，以減小門(mén)極和陰極之間的

距離。陰極寬度越窄、門(mén)極與陰

極距離越短(橫向電阻小),越

利于關(guān)斷。與晶閘管的相同點(diǎn)G

KN?

N?

N?P?N?不同點(diǎn)P?APower

ElectronicsGTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶

閘管相同，如何?

只是

導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺、

臨界飽和狀態(tài)。導(dǎo)通：V1

、V2飽和

a?+a?→

1,α?+a?>1;關(guān)斷：V1

、V2是不飽和的，a?+a?

<1臨界飽和：

a?+a?=1晶閘管導(dǎo)通時(shí)α?+a?=1.15GTO導(dǎo)通時(shí)α?+a?=1.05Power

Electronics工作原理GTO關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)烈正

反饋———門(mén)極加負(fù)脈沖

即從門(mén)極抽出電流，則減

小

，

使I

和

Ic2減小，的減小又使

和1

C1

減

小，又進(jìn)一步減小V,的基極電流。當(dāng)IA和I

的減

小使a?+a,

1時(shí)，退出飽

和而關(guān)斷。C2B2Power

Electronics工作原理開(kāi)通特性與普通

晶閘管類(lèi)似，開(kāi)

通時(shí)間。由延

遲時(shí)間和上升

時(shí)間t組成。關(guān)斷過(guò)程則與晶

閘管有所不同，

可用3個(gè)不同的

時(shí)間來(lái)表示，即

存儲(chǔ)時(shí)間t、下降時(shí)間t及尾部

時(shí)間t1.4.2.GTO

的動(dòng)態(tài)特性Power

Electronics存儲(chǔ)時(shí)間t從關(guān)斷過(guò)程開(kāi)始

到陽(yáng)極電流下降

到90%/為止的

時(shí)間間隔。在這

段時(shí)間內(nèi)，依靠

門(mén)極負(fù)脈沖電壓

從門(mén)極抽出電流，

晶體管飽和深度

變淺，由于PN結(jié)還處于正向偏

置，陽(yáng)極電流變化很小，門(mén)極電流乙達(dá)負(fù)的最

大值。1.4.2.GTO

的動(dòng)態(tài)特性PowerElectronics下降時(shí)間tr陽(yáng)極電流從90%/A

起到下降到10%A為止的時(shí)間間隔。在這段時(shí)間里，繼

續(xù)從門(mén)極抽出電流，

陽(yáng)極電流逐漸減小，

當(dāng)α?+

a,≤1

后

，內(nèi)部正反饋停止而

使GTO

退出飽和。1.4.2.GTO

的動(dòng)態(tài)特性PowerElectronics尾部時(shí)間t陽(yáng)極電流從10%lA

起減小到維持電流

為止的時(shí)間間隔。

在這段時(shí)間里，繼

續(xù)從門(mén)極抽出電流，

陽(yáng)極電流繼續(xù)減小，

直至小于維持電流

GTO關(guān)斷。關(guān)斷時(shí)間PowerElectronicstff=t+t數(shù)個(gè)微秒1.4.2.GTO的動(dòng)態(tài)特性1.4.3.GTO的主要參數(shù)最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流/ATo

一

G

TO額定

電流。若陽(yáng)極電流過(guò)大，GTO

處于深度飽和

狀態(tài)，導(dǎo)致門(mén)極關(guān)斷失敗。由門(mén)極可靠關(guān)斷

為決定條件的最大陽(yáng)極電流稱(chēng)為最大可關(guān)斷

陽(yáng)極電流電流關(guān)斷增益

βoff

最大可關(guān)斷陽(yáng)極電

流與門(mén)極負(fù)脈沖電流最大值IGM之比。數(shù)值低、

4～5,主要缺點(diǎn)。

舉例PowerElectronics耐高電壓、大電流的雙結(jié)晶體管其基本原理是通過(guò)控制基極電流來(lái)控制集電極電流的通斷。相對(duì)于GTO,GTR

具有控制方便、開(kāi)關(guān)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速、不間斷電源

(UPS)

以及家用電器等中小容量的變流裝置中。Power

Electronics1.5電力晶體管電力晶體管集電極cPowerElectronics1.5電力晶體管CebGTR的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及極限參數(shù)與

普通晶體管類(lèi)似，不予詳述。PowerElectronics功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，是一種單極型電壓控制器件，通

過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極電流。顯著優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小，同時(shí)開(kāi)關(guān)速

度快(開(kāi)關(guān)時(shí)間10～100ns),

工作頻率可達(dá)1

MHz,不存在二次擊穿問(wèn)題；其缺點(diǎn)是電流容量小，耐壓低，

通態(tài)壓降大。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管適用于開(kāi)關(guān)電源、高頻感應(yīng)加熱等

高頻場(chǎng)合，但不適用于大功率裝置。電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管

PowerMOSFET1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管電壓電流能力利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電

VVMOSFET具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)VDMOSFET1.6功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1.6.1

結(jié)構(gòu)和工作原理小功率MOS

橫向?qū)щ姽β蔒OSFET垂直導(dǎo)電Power

ElectronicsUgs=0時(shí)，無(wú)導(dǎo)電溝道，Ip=0

UGs=0

時(shí)，存在導(dǎo)電溝道種類(lèi)增強(qiáng)型

耗盡型結(jié)型——靜電感應(yīng)晶體管P溝

道

N溝

道空穴

電子絕緣柵型一一Power

ElectronicsP溝道當(dāng)漏、源極間加正向電壓，柵、源極間Ugs=0

時(shí)，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。

如在柵源極間加正電壓UGs,柵極是

絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。

但當(dāng)Ugs>UT(UT

為開(kāi)啟電壓或閾值

電壓)時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電，流過(guò)漏

極電流。N

溝道GDS1.6.2特性、

1.6.3參數(shù)與MOSFET類(lèi)似，

不再展開(kāi)討論。PowerElectronics1.7.4掣住效應(yīng)與安全工作區(qū)PowerElectronics1

.

7

絕

緣

柵

雙

極晶

體

管1.7.1結(jié)構(gòu)與工作原理1.7.2特性絕緣柵雙極晶體管，是一種復(fù)合型電壓控制器件。顯著優(yōu)點(diǎn)：它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功

率小、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好。中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，隨著其電壓和電

流容量的不斷升高，有進(jìn)一步取代GTO

的趨勢(shì)。PowerElectronics1.7絕緣柵雙極晶體管IGBTa)b)c)N溝道MOSFET與雙極型晶體管復(fù)合而成；以GTR為主導(dǎo)元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)

構(gòu)。等效電路中Rdr是GTR基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。PowerElectronics1.7.1結(jié)構(gòu)和工作原理發(fā)射極

柵

極IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷由柵極電壓控制。以N溝道IGBT為例，柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET

內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，為

PNP晶體管提供基極電流，IGBT

導(dǎo)通。在柵極施以負(fù)

壓

時(shí)

，MOSFET

內(nèi)導(dǎo)電溝道消失，PNP晶體管無(wú)基極電

流

，IGBT關(guān)斷。1.7.2特性靜態(tài)特性——輸出特性

以柵射電壓UGo為參變量，反

映集電極電流Ic與集電極、發(fā)射極電壓UcE間關(guān)系的曲線族PowerElectronicsIc個(gè)飽和區(qū)擊穿區(qū)UGE2UGEIU截止區(qū)0當(dāng)UGE<U時(shí)，IGBT處于截止?fàn)顟B(tài)，微弱漏電流。Power

Electronics放大區(qū)UGE3GE

增加U

CEc飽和區(qū)UGE2UGEIU截止區(qū)0CE當(dāng)UGe>U時(shí)

，IGBT

處于放大區(qū)。集電極電流工大小

幾乎不隨ucE而變化，其大小取決于ucE,正常情況下

不會(huì)進(jìn)入擊穿區(qū)。PowerElectronics放大區(qū)UGE3擊穿區(qū)增加GEUJ當(dāng)Uc>U,集電極電流I與uc

成線性關(guān)系，不隨UGE而變化

，IGBT

處于飽和區(qū)，導(dǎo)通壓降較小。UT=2~6V,UGE=15VPowerElectronicsIc個(gè)飽和區(qū)0放大區(qū)UGE3UGE2UGEIU截止區(qū)擊穿區(qū)增加GECE1.7.2特性靜態(tài)特性——轉(zhuǎn)移特性

集電極電流Ic和柵射電壓UcE的

關(guān)系，它表征UGE對(duì)Ic的控制能力。PowerElectronics當(dāng)UGE

小于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT

處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)UGE

大

于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT

開(kāi)通，導(dǎo)通后，Ic

與

UGE

基本呈

線性關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性輸入電壓(uGn)和集電極電流(Ic)、輸出電

壓

(uCE)

的關(guān)系1

.

7

.2特性PowerElectronicst延遲時(shí)間ta從驅(qū)動(dòng)電壓UGE

的前沿上升至其

幅值10%時(shí)刻開(kāi)

始，到集電極電

流ic上升至其幅

值的10%所需時(shí)間上升時(shí)間t集電極電流ic從

其幅值10%上升

至90%所需時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tonton=ta+tr集射電壓UcE的

下降過(guò)程分為tv?

和tf?兩段。tfv?MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓

下降時(shí)間tfv?MOSFET和

PNP晶體管同時(shí)

工作的電壓下降

時(shí)

間只有在tfv?段結(jié)束時(shí)

，IGBT

才

完全進(jìn)入飽和狀態(tài)t關(guān)斷延遲時(shí)間ts從驅(qū)動(dòng)電壓UGE的后沿下降至其幅值90%時(shí)刻開(kāi)始，到集電極電流ic下降至其幅值的90%所需時(shí)間電流下降時(shí)間tg

集電極電流ic從

其幅值90%下降

至10%所需時(shí)間關(guān)斷時(shí)間tofto=ts+tf集電極電流ic

的

下降過(guò)程分為t

和tr?兩段。tn1對(duì)

應(yīng)MOSFET

的關(guān)斷過(guò)程tn?對(duì)

應(yīng)PNP晶

體

管的關(guān)斷過(guò)程，

集電極電流ic下

降較慢。集射電

壓UcE建立，功

耗較大開(kāi)

通tfv2t1.7.3

主要參數(shù)·

集射極擊穿電壓UCES

決定器件的最高工作電

壓，由內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。

隨溫度的升高而增大?！ぷ畲髺派錁O電壓

柵射極電壓是由柵極氧化層的厚度和特性所限制的，為了限制故障電流、確保

長(zhǎng)期使用的可靠性，應(yīng)將柵極電壓限制在20V

之內(nèi)，

其最佳值一般取15V左右。Power

Electronics·

集電極連續(xù)電流Ic

、

集電極峰值電流IcM

表征電流容量，額定電流。集電極連續(xù)電流Ic主要受

結(jié)溫限制。集電極峰值電流Icm為避免掣住效應(yīng)而定

義。只要不超過(guò)額定結(jié)溫，

IGBT可以工作在峰值電

流范圍內(nèi)，峰值電流大約是額定值的2倍。·

最大集電極功率PcM

在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。Power

Electronics1.7.4IGBT

的掣住效應(yīng)和安全區(qū)掣住效應(yīng)(自鎖效應(yīng))>IGBT內(nèi)部存在寄生晶閘管，若集電極電流過(guò)大或

duce/dt過(guò)大，寄生晶閘管將開(kāi)通，柵極就失去對(duì)

集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件損壞。這種電流失控現(xiàn)象被稱(chēng)為掣住效

應(yīng)或自鎖效應(yīng)。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)。溫度升高動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)比靜態(tài)掣住效應(yīng)所允許的集電極電

流小。因此IGBT所允許的最大集電極電流實(shí)際上

根據(jù)動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)確定。限制電流容量原因之

一PowerElectronics1.7.4IGBT

的掣住效應(yīng)和安全區(qū)正向偏置安全工作區(qū)

規(guī)范開(kāi)通過(guò)程、通態(tài)工作點(diǎn)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大

集電極功耗確定IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)

極限范圍。反向偏置安全工作區(qū)

規(guī)范關(guān)斷過(guò)程、斷態(tài)工作點(diǎn)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大

最大允許電壓上升率確定IGBT在阻斷工作狀

態(tài)的參數(shù)極限范圍。PowerElectronics進(jìn)行電路原理分析時(shí)，出于簡(jiǎn)便目的：關(guān)斷時(shí)，電阻無(wú)窮大；導(dǎo)通時(shí)，電阻為零；忽略開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間。Power

Electronics第2章

相控整流電路器件理想化第2章

相控整流電路整流電路：出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的電力電子電路。功率從電網(wǎng)流向負(fù)載、將交流電變換為固定或可調(diào)的

直流電稱(chēng)為“整流”,即AC/DC變換器；反之，功率

從負(fù)載流向電網(wǎng)、將直流電變換為交流電稱(chēng)為“有源

逆變”,即DC/AC變換器。有源逆變電路可以看成是整流電路的另外一種工作方

式，同一裝置既可工作在整流狀態(tài)，又可工作在逆變狀態(tài)?？刂品绞剑合辔豢刂?/p>

觸發(fā)角輸出直流電壓平均值Power

Electronics第2章

相控整流電路整流電路的分類(lèi)：按器件組成：不可控、

半控、全控按電網(wǎng)、交流電相數(shù)：?jiǎn)蜗?、三相、多?/p>

按接線方式：

半波、全波PowerElectronics第2章

相控整流電路整流電路形式繁雜，重點(diǎn)掌握：電路拓?fù)淇刂撇呗怨ぷ髟?、波形分析?shù)量關(guān)系PowerElectronics2.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響

2.4有源逆變電路

重

點(diǎn)2.5電容濾波的不可控整流電路

2.6整流電路的諧波和功率因數(shù)

2.6其他可控整流電路2.1單相可控整流電路2.2三相可控整流電路第2章

相控整流電路重點(diǎn)重點(diǎn)Power

Electronics2

.

1

單

相

可

控

整

流

電

路2.1.I單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式可控整流電路單相橋式全控整流電路

單相橋式半控整流電路2.1.3單相全波可控整流電路PowerElectronicsa)b)c)d)e)PowerElectronics2.1?

1單相半波可控整流電路交流輸入為單相，直流輸

出電壓波形只在交流輸入

的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱(chēng)為

單相半波可控整流電路。特點(diǎn)：電壓與電流波形相同2.1.1單相半波可控整流電路變換電壓PowerElectronics變壓器Ta)b)c)d)e)1.電阻負(fù)載隔

離工作過(guò)程1)0<wt<a

區(qū)

域2)wt=a

時(shí)刻3)wt=π時(shí)刻2.1.1單相半波可控整流電路Power

Electronicsa)b)c)d)e)重要概念觸發(fā)延遲角

—從晶閘管開(kāi)始承受正向陽(yáng)極電

壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用a

表示，也稱(chēng)觸

發(fā)角或控制角。移相范圍

使輸出電壓從最大值到最小值

變化的觸發(fā)延遲角的變化范圍導(dǎo)通角

晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通

態(tài)的電角度，用θ表示。PowerElectronics當(dāng)觸發(fā)角α=0時(shí)，直流輸出電壓平均值Ua最大，隨著觸

發(fā)角α的增大，

Ua減少，到α=π時(shí)，Ua=0。單相半波可

控整流電路的最大移相范圍是0~π,相應(yīng)Ua調(diào)節(jié)范圍為

0.45U?~0,θ=π-a。這種通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)控制直流輸出電壓大

小的方式稱(chēng)為相位控制方式(相控方式)Power

Electronics數(shù)量關(guān)系晶閘管在工作中可能承受的最大正、反向電壓為電源

電壓的峰值Power

Electronics變壓器二次側(cè)有功功率、視在功率、功率因數(shù)P=I2R=UIS=U?Iλ是α的函數(shù)，α越大，功率因數(shù)越低。即使是電阻性負(fù)載，由于存

在諧波電流，最大功率因數(shù)小于1,為0.707。PowerElectronics2.阻感負(fù)載a)b)c)d)e)f)PowerElectronics阻感負(fù)載的特點(diǎn)電感對(duì)電流變化有抗拒

作用，使流過(guò)電感的電

流不發(fā)生突變。PowerElectronicsa)b)c)d)e)f)當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：當(dāng)wt=θ+a時(shí)，ia=0

θ>π-a初始條件：wt=a,i

=0。Power

Electronics工作過(guò)程1)0<wt<a

區(qū)

域2)wt=a

時(shí)刻

ia=0

3)a<wt<a+θ

區(qū)域PowerElectronicsa)b)c)d)f)Ud=UR電感元件的一個(gè)重要特性：在穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端

的電壓平均值恒等于零。換言之，在一個(gè)周期內(nèi)，電

感儲(chǔ)存的能量等于釋放的能量。Power

Electronics負(fù)載阻抗角φ、

觸

發(fā)

角a

、

晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系●若φ為定值，a

越大，在u?正半周L儲(chǔ)能越少，維持導(dǎo)電的

能力就越弱，0越小●若α為定值，φ

(L)

越大，則L貯能越多，θ越大；且φ越

大，在u?

負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管

在u?正半周導(dǎo)通的時(shí)間，ua中負(fù)的部分越接近正的部分，

平均值U?

越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。PowerElectronicsOL^n0a^,0PIL^,0PIp?0VPn1oZnSOIUOJ100[EIOMOd(8(I(?(p(o(q暴二紫季共器坐特要明話申紫我‘[￥nr

冊(cè)10l20+1(eO10101010100當(dāng)u?過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDr

導(dǎo)通，ua為零。此時(shí)為負(fù)的u?通過(guò)

VDp向VT

施加反壓使其關(guān)

斷

，L儲(chǔ)存的能量保證了電

流ia在L-R-VDp回路中流通，

此過(guò)程通常稱(chēng)為續(xù)

流。續(xù)

流期間u為

零

，ua

中不再出

現(xiàn)負(fù)的部分。u?0“a0iIa0ivTIa0iDr0uvT0a)b)c)d)e)f)g)Power

Electronicsototπ十a(chǎn)-元

awt?ototwtt續(xù)流二極管的作用：a.提高整流平均電壓Ud。當(dāng)u?

為正時(shí)，VD

承受反向

電壓呈關(guān)斷狀態(tài)，不起作用。當(dāng)u?進(jìn)入負(fù)半周時(shí)VD

導(dǎo)通，負(fù)載電流通過(guò)VD繼續(xù)流通，負(fù)載上的電壓箱

位在零電位，u中負(fù)電壓消失，使輸出平均電壓Ua得

以提高。b.

減輕晶閘管的負(fù)擔(dān)。

u?

負(fù)半周時(shí)段。c.

消除失控事故。在整流電路中，電感L大而儲(chǔ)能大

時(shí)有可能使晶閘管在整個(gè)u?負(fù)半周區(qū)域都導(dǎo)通，使晶

閘管不會(huì)關(guān)斷，造成失控事故。加入續(xù)流二極管后，

L中的電流通過(guò)VD形成通路，晶閘管自然關(guān)斷。Power

Electronics導(dǎo)通角是π

-a移相范圍是0~π數(shù)量關(guān)系

與電阻負(fù)載相同Power

Electronics晶閘管在工作中可能承受的最大正、反向電壓為電源電壓的峰值Power

Electronics若近似認(rèn)為i

為一條水平線，恒為I,

則有Power

Electronics單相半波可控整流電路的特點(diǎn)·

簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大。交流回路中含有直流分量，

造成換流變壓器鐵芯飽和，設(shè)備利用率下降。·

分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特

點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念。PowerElectronics特點(diǎn)：◆VT?

和VT?組成一對(duì)橋臂，

在u?正半周承受電壓u?,得

到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通?！鬡T?和VT?組成另一對(duì)橋臂，在u?負(fù)半周承受電壓-U?,得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通。b)c)d)Power

Electronics21.2單相橋式全控整流電路a)a)b)c)d)I)0<wt<a

區(qū)域2)wt=α

時(shí)刻至wt=π時(shí)刻VT1

、VT4導(dǎo)通

VT2、VT3承受反壓阻斷3)wt=π

時(shí)刻4)π<wt<π+a區(qū)

域5)wt=π+a時(shí)刻至wt=2π

時(shí)

刻VT2

、VT3導(dǎo)通

VT1

、

VT4承受反壓阻斷單相橋式全控電路PowerElectronics1.

電阻負(fù)載

工作過(guò)程a)b)c)d)流過(guò)晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即數(shù)量關(guān)系移相范圍：0~πPower

Electronics變壓器無(wú)直流磁化問(wèn)題晶閘管在工作中可能承受的最大正向電壓、反向電壓分別為0.5電源電壓的峰值、電源電壓的峰值Power

Electronics變壓器二次測(cè)電流有效值I?與輸出直流電流有效值相等：流過(guò)晶閘管的電流有效值：假設(shè)電路已工作

于穩(wěn)態(tài)，ia的平均

值不變。假設(shè)負(fù)載電感很

大，負(fù)載電流ia連

續(xù)且波形近似為

一

水平線。2.

阻感負(fù)載Power

Electronicsu?過(guò)零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT?

和VT?

中仍流過(guò)電

流i,

并不關(guān)斷。至wt=π+α

時(shí)刻，給VT?

和VT?

加觸發(fā)脈沖，因VT2

和VT3本已

承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。VT?

和VT?

導(dǎo)通后，u?

通過(guò)VT?和VT?

分別向VT1

和VT?

施加反

壓使VT?

和VT?

關(guān)斷，流過(guò)VT?和VT?

的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT?

和

VT?

上，此過(guò)程稱(chēng)換相，亦稱(chēng)換

流。PowerElectronics移相范圍：0~π/2晶閘管承受的最大正反向電壓均為

√2U?晶閘管導(dǎo)通角θ與α無(wú)關(guān)，均為180°,平均值和有效值分別為：變壓器二次側(cè)電流i?

的波形為正負(fù)各180°的矩形波，

其相位由α角決定，有效值I?=Ia。Power

Electronics數(shù)量關(guān)系在α角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。Power

Electronics3.反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載

|u?I>E

時(shí)，晶閘管承受正電壓，才有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后直至|u?I=E,ia

即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ua=E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱(chēng)為停止導(dǎo)電角a)

b)Ud=U?

,δ=arcsinEwtwtUdad0a)

b)數(shù)量關(guān)系Power

Electronics當(dāng)

a<δ

時(shí)

，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不能導(dǎo)通。為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足夠的寬度，保證當(dāng)wt=δ

時(shí)，晶閘管承受正電壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相

當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為δ,即α=δ若α<δ,觸發(fā)脈沖寬度足夠，相當(dāng)于a=δ電流斷續(xù)ia波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況電流連續(xù)ia波形在一周期內(nèi)不出現(xiàn)為0的情況3.反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)則

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將很軟。為了克服此缺點(diǎn)，

一般在主電路中直流輸

出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器，用來(lái)減少電流的

脈動(dòng)和延長(zhǎng)晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間。>這時(shí)整流電壓ua的波形和負(fù)載電流ia的波形

與電感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ua

的計(jì)

算公式亦一樣。PowerElectronics2

.

1

單

相

可

控

整

流

電

路2.1.I單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式可控整流電路單相橋式全控整流電路單相橋式半控整流電路

自

學(xué)2.1.3單相全波可控整流電路自學(xué)PowerElectronics2.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響

2.4有源逆變電路

重

點(diǎn)2.5電容濾波的不可控整流電路

2.6整流電路的諧波和功率因數(shù)

2.6其他可控整流電路2.1單相可控整流電路2.2三相可控整流電路第2章

相控整流電路重點(diǎn)重點(diǎn)Power

Electronics2.2三相可控整流電路單相可控整流電路簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、直流輸出波形脈動(dòng)大交流測(cè)由三相電源供電負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、易濾波

時(shí)采用?；镜氖侨喟氩煽卣麟娐?，三相橋式全控整

流電路、雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整

流電路等，均可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。Power

Electronics2

.

2

三

相

可

控

整

流

電

路2.2.1

三相半波可控整流電2.2.2

三相橋式全控整流電PowerElectronics2.2.1三相半波可控整流電路a)b)c)d)e)

f)電路的特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形

得到零線，而一次側(cè)接成

三角形避免3次諧波流入電

網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、

b、C三相電源，其陰極連接在一起為共陰極接法。3個(gè)單相半波整流電路2.2.1三相半波可控整流電路PowerElectronicsTaba)i“2Aα=0b)wt“Gc)wtd)wte)wt@t“ab

“ac自然換相點(diǎn)：當(dāng)把電路中所有的可控元

件用不可控元件代替時(shí)，

各元件的導(dǎo)電轉(zhuǎn)換點(diǎn)，又

稱(chēng)為自然換流點(diǎn)。假設(shè)將電路中的晶閘管換

作二極管，用VD表示，成為三相半波不可控整流電路。一周期中●

在wt?~wt?

期間，

VD?

導(dǎo)

通，ua=ua●

在

wt?~wt?期間，

VD?

導(dǎo)

通

，ua=ub●

在

wt?~wt?

期間，

VD?導(dǎo)通

，ua=ucPowerElectronics1.電阻負(fù)載0

ot?Ot?

ot3“d“

RVT?VT?

VT?f)“vIubua00二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，

是各相晶閘管能

觸發(fā)導(dǎo)通的最早

時(shí)刻，將其作為

計(jì)算各晶閘管觸發(fā)

角a的

起

點(diǎn)

，

即

a

=0°

wt?=30

度

。單相整流電路a)b)c)d)e)

f)a=0°

時(shí)的工作原理分析：變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT?

的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成：●

第1段，VT?

導(dǎo)通期間，為

一

管壓降，

可近似為Uvr?=0●第2段，在VT?

關(guān)斷后，VT?

導(dǎo)通期間，

UT?=ua-u,=uab,

為一段線電壓?！竦?段，在VT?導(dǎo)通期間，UT?=ua-uc=ua

為另

一段線電壓。PowerElectronicsa=30°負(fù)載電流處

于連續(xù)和斷

續(xù)之間的臨

界狀態(tài)，各

相仍導(dǎo)電120°a>30°負(fù)載電流斷

續(xù)，晶閘管導(dǎo)

通

角

小

于

120°。當(dāng)a=0時(shí)，Ua最大，為Ua=Udo=1.17U?(2)a>30°時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：基本數(shù)量關(guān)系：(1)a

≤30°時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：當(dāng)a=150°時(shí)

，Ua=0負(fù)載電流平均值為晶閘管電流平均值為

晶閘管電流有效值為a>30°時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)a≤30°時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)Iavr

=Ia/3晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值URM=√2×√3U?=√6U?=2.45U?晶閘管陽(yáng)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。為什么?U

FM=√2U?2.阻感負(fù)載2.阻感負(fù)載特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，ia波形基本平直。●a≤30°時(shí)整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同●a>30°

時(shí)u?

過(guò)零時(shí)，VT?不關(guān)斷，直到VT?

的脈沖到來(lái)，才換流，

由VT?導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT?施加反壓使其關(guān)斷——Ua波形中出現(xiàn)負(fù)的部分?！駃a

波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，

可將ia近似為

一

條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90°數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)，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Power

Electronics晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值UFM=URM=2.45U?三相半波的主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流

中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。PowerElectronics鄂申裂犟酐手懲些聯(lián)三乙℃℃2.2.2三相橋式全控整流電路共陰極組

陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管

(VT?,VT?,VT?)共陽(yáng)極組

陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管

(VT?,VT?,VT?)導(dǎo)通順序：

晶閘管編號(hào)方法VT?->VT?->VT?

一

>

VT?

一>VT?->VT?自然換相(三相橋式不可控整流電路)時(shí)，每時(shí)刻導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管分別對(duì)應(yīng)陽(yáng)極所接交流電壓值最

高的一個(gè)和陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)。PowerElectronics1.電阻負(fù)載卷假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)

角α=0。三相橋式不可控整流電路。二極管導(dǎo)通與關(guān)斷由

外加三相電壓決定舉共陰極組的3個(gè)二極管、晶閘管，陽(yáng)極所接交流電壓值最

高的一個(gè)導(dǎo)通。共陽(yáng)極組的3個(gè)二極管、晶閘管，陰極所接交流電壓值最

低的一個(gè)導(dǎo)通。舉任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)

通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。PowerElectronicsa

=0時(shí)，各晶閘管

均在自然換相點(diǎn)換相共陰極組處于通態(tài)

的晶閘管對(duì)應(yīng)最大的相電壓共陽(yáng)極組處于通態(tài)

的晶閘管對(duì)應(yīng)最小

的相電壓輸出整流電壓ua為

這兩個(gè)相電壓相減輸出整流電壓ua波

形為線電壓在正半

周的包絡(luò)線雙脈沖觸發(fā)Power

Electronics“ab“ac時(shí)

段IIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的

晶閘管VT?VT?VT?VT?VT?VT?共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的

晶閘管VT?VT?VT?VT?VT?VT?整流輸出電壓uaUa-Ub=UabUa-Uc=uacUb-Uc=UbcUb-Ua