第8章 電力電子學(xué)基礎(chǔ)

第8章電力電子學(xué)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)要求:

掌握電力半導(dǎo)體器件的基本工作原理、特性和主要參數(shù)的含義；掌握幾種單相和三相基本可控整流電路的工作原理及特點(diǎn)；熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制；了解晶閘管工作時(shí)對(duì)觸發(fā)電路的要求和觸發(fā)電路的基本工作原理。前言

電力電子學(xué)的任務(wù)：利用電力半導(dǎo)體器件和線路來(lái)實(shí)現(xiàn)電功率的變換和控制。電力半導(dǎo)體器件弱電強(qiáng)電

電力半導(dǎo)體器件根據(jù)其導(dǎo)通和管斷的可控性可分為

由電力半導(dǎo)體器件和相應(yīng)電路所組成的電力變換電路按功能可以分為：可控整流電路—將固定頻率、電壓的交流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的直流電；交流調(diào)壓電路—將固定頻率、電壓的交流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的交流電；逆變電路—把直流電變?yōu)轭l率固定或可調(diào)的交流電；變頻電路—把固定頻率的交流電變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電；斬波電路—把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)直流電壓；電子開(kāi)關(guān)—功率半導(dǎo)體工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以代替繼電器、接觸器用于頻繁開(kāi)合操作的場(chǎng)合。

8.1半導(dǎo)體器件

一、不可控型開(kāi)關(guān)器件

大功率二極管屬于不可控開(kāi)關(guān)器件二、半控型開(kāi)關(guān)器件

晶閘管（SiliconControlledRectifier簡(jiǎn)稱SCR）是在60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強(qiáng)電輸出之間的橋梁作用。

優(yōu)點(diǎn)：(1)功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬(wàn)倍，即用很小的功率(電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2～4V)可以控制較大的功率(電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏)，(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)；(3)損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右；(4)體積小、重量輕。缺點(diǎn)：

(1)過(guò)載能力弱，在過(guò)電流、過(guò)電壓情況下很容易損杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護(hù)措施，在選用時(shí)，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量；(2)抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當(dāng)外界干擾較強(qiáng)時(shí)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；(3)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備；(4)控制電路比較復(fù)雜，對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求高。

在實(shí)踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時(shí)采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。其中：A—陽(yáng)極，K—陰極，G—控制極。結(jié)構(gòu)示意圖表示符號(hào)4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個(gè)PN結(jié)1.晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

2.晶閘管的工作原理

主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開(kāi)關(guān)S，在t4瞬間拉開(kāi)開(kāi)關(guān)S。

（1）在0~t1之間:開(kāi)關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；

（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開(kāi)關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；

（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；

（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時(shí)ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；

（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；

（6）當(dāng)t=t5時(shí)，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

綜上所述可得出以下結(jié)論：

（1）起始時(shí)若控制極不加電壓，則不論陽(yáng)極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說(shuō)明晶閘管具有正、反向阻斷能力；

（2）晶閘管的陽(yáng)極和控制極同時(shí)正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)條件；

（3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽(yáng)極正向電壓降低到一定值（或斷開(kāi)，或反向）。3.晶閘管的伏安特性

晶閘管陽(yáng)極對(duì)陰極的電壓和流過(guò)晶閘管的電流之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。

正向(uAK>0)

正向阻斷狀態(tài):當(dāng)ug=0，uAK<UDSM，元件中有很小的電流（正向漏電流）流過(guò)，處于截止?fàn)顟B(tài)（稱為正向阻斷狀態(tài)），簡(jiǎn)稱斷態(tài)。

正向擊穿：當(dāng)ug=0，uAK=UDSM，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。UDSM稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，或用UBO表示稱正向轉(zhuǎn)折電壓。

正向?qū)顟B(tài)：ug>0，uAK>0，晶閘管導(dǎo)通，其電流的大小由負(fù)載決定，陽(yáng)極和陰極間的管壓降很小。反向(uAK<0)

反向截止?fàn)顟B(tài):當(dāng)uAK<URSM，元件中有很小的反向電流（反向漏電流）流過(guò)，處于截止?fàn)顟B(tài)。

反向擊穿：當(dāng)uAK=URSM，晶閘管突然由反向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。URSM稱為反向不重復(fù)峰值電壓，或用UBR表示稱反向擊穿電壓。4.晶閘管的主要參數(shù)

1）

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM

-100

在選擇晶閘管時(shí)還要考慮留有足夠的余量，一般：晶閘管的UDRM

、UDRM應(yīng)等于所承受的正、反向電壓的（2~3）倍。

2）反向重復(fù)峰值電壓URRM

晶閘管反向截止?fàn)顟B(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端的反向峰值電壓。URRM=URSM

-1003）額定通態(tài)平均電流（額定電流）IT

在環(huán)境溫度不大于40度的標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流（在一個(gè)周期內(nèi)）平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，簡(jiǎn)稱為額定電流。4）維持電流

IH

在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA～一百多mA三、全控型開(kāi)關(guān)器件1.門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）工作特點(diǎn)：當(dāng)門(mén)極G上加正電壓或正脈沖信號(hào)時(shí)，GTO導(dǎo)通并保持；當(dāng)門(mén)極上加上反向電壓或反向脈沖時(shí)，GTO關(guān)斷并保持。2.電力晶體管（GTR）內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本電路開(kāi)關(guān)時(shí)間主要特性1）

開(kāi)路關(guān)斷電壓—基極開(kāi)路時(shí)另兩個(gè)極之間能承受的最高電壓；2）集電極最大持續(xù)電流—基極偏置時(shí)，集電極能流過(guò)的最大電流。3.電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要參數(shù)：1）開(kāi)啟電壓UT—當(dāng)uGS上升到開(kāi)啟電壓UT時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流;漏極電壓漏極直流電流和脈沖直流峰值刪源電壓極間電容4.絕緣柵雙極晶體管簡(jiǎn)化等效電路圖形符號(hào)基本電路8.2單相可控整流電路整流——將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程；整流電路——將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單相三?.2.1單相半波可控整流電路

u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；α－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。θ－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。一、帶電阻性負(fù)載的可控整流電路輸入電壓：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負(fù)載的可控整流電路

單相半波可控整流電路用于大電感性負(fù)載時(shí)，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。三、加續(xù)流二極管的電路

為了提高大電感負(fù)載時(shí)的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管的措施。晶閘管電流平均值：

續(xù)流二極管的電流平均值：輸入電壓：負(fù)載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：8.2.2單相橋式整流電路

一、晶閘管組成的半控橋式整流電路。1.電阻性負(fù)載

負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：2.電感性負(fù)載

有了續(xù)流二極管，當(dāng)電源電壓降到零時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過(guò)每只晶閘管平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：

負(fù)載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：

半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時(shí)，可以不加續(xù)流二極管。

這是因?yàn)樵陔娫措妷哼^(guò)零時(shí)，電感中的電流通過(guò)V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。流過(guò)每只晶閘管平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：負(fù)載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：

為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用如圖所示的接線，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動(dòng)的直流電，然后用一只晶閘管進(jìn)行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。3.反電勢(shì)負(fù)載

當(dāng)整流電路輸出接有電勢(shì)負(fù)載時(shí),只有當(dāng)電源電源的瞬時(shí)值大于反電勢(shì)，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢(shì)。a.負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時(shí)高

b.負(fù)載電流平均值比電阻性負(fù)載時(shí)低

因?yàn)閷?dǎo)通角小，導(dǎo)電時(shí)間短，回路電阻小，所以，電流的幅值與平均值之比值相當(dāng)大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須降低電流定額使用。另外，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對(duì)于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)或蓄電池負(fù)載，常常串聯(lián)電抗器，用以平滑電流的脈動(dòng)。

二、單相全控橋式整流電路

單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。

例10.1欲裝一臺(tái)白熾燈泡調(diào)光電路，需要可調(diào)的直流電源，調(diào)節(jié)范圍：電壓U0=0V~180V,電流I0=0~10A。現(xiàn)采用單相半控橋式整流電路，試求最大輸入交流電壓和電流有效值，并選擇整流元件。

解:設(shè)在晶閘管導(dǎo)通角θ為π(控制角為0)時(shí)輸出電壓值為最大（180V），則對(duì)應(yīng)的輸入交流電壓有效值為最大。

實(shí)際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了1800

，交流電壓要比上述計(jì)算而得到的值適當(dāng)加大10%左右，即大約為220V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。

交流電流有效值：

晶閘管所承受的最大正向電壓、最大反向電壓和二極管所承受的最大反向電壓相等，即：流過(guò)晶閘管和二極管的平均電流：8.2.3三相可控整流電路一、三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路圖如圖所示。自然換相點(diǎn)：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設(shè)輸入電壓為：

可能承受的最大反向電壓為：

當(dāng)晶閘管沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管承受的最大正向電壓為:8.3逆變器

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過(guò)程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器交流側(cè)接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為。有源逆變逆變無(wú)源逆變變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去

一、無(wú)源逆變電路的工作原理

無(wú)源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開(kāi)關(guān)電路來(lái)說(shuō)明。1.無(wú)源逆變器的簡(jiǎn)單工作原理2.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無(wú)源逆變器的電壓控制

1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制

（1）脈寬控制

不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過(guò)改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。

若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）

如果使VS1與VS4，VS2與VS3通過(guò)高頻調(diào)制控制，能在半個(gè)周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時(shí)N=5）。

逆變器輸出電壓的幅值是通過(guò)改變脈沖總的導(dǎo)通時(shí)間與總的關(guān)斷時(shí)間的比率來(lái)控制的，這有兩種基本的方法：

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)。

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。三、無(wú)源逆變器的換相（換流）

但由于電流是直流電，沒(méi)有像交流電那樣電壓有過(guò)零變負(fù)的時(shí)候，所以，如不采取措施，則晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后就關(guān)斷不了。

兩組晶閘管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷的過(guò)程，就是電流轉(zhuǎn)換的過(guò)程，簡(jiǎn)稱換流。

負(fù)載是由電感L和補(bǔ)償電容C組成的并聯(lián)諧振回路，Ld為限流電抗器。10.4晶閘管的觸發(fā)電路

向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。

（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

（2）小容量晶閘管觸