西南科技大學(xué)電力電子技術(shù)PPT

電力——交流和直流兩種從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。

電力變換四大類(lèi)交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1

電力變換的種類(lèi)

進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱(chēng)為變流技術(shù)。逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相整流交流交流直流

輸出輸入1.2兩大分支(2)

變流技術(shù)電力電子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。1.1.1

電力電子器件的概念和特征一、電力電子器件概念:通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開(kāi)關(guān)損耗關(guān)斷損耗開(kāi)通損耗1.1.1

電力電子器件的概念和特征

電力電子器件的損耗電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路

和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1

電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成1.1.2

應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成控制電路檢測(cè)電路驅(qū)動(dòng)電路RL主電路V1V2保護(hù)電路電氣隔離控制電路保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個(gè)系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行三、電力電子器件的分類(lèi)電力電子器件半控型器件：晶閘管及其派生器件全控型器件（自關(guān)斷器件）不可控器件：電力二極管按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類(lèi)：(PowerDiode)（Thyristor）（IGBT,MOSFET)基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線(xiàn)以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。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)1.2.1PN結(jié)與電力二極管的工作原理額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1.2.3

電力二極管的主要參數(shù)1)正向平均電流IF(AV)在指定溫度下，流過(guò)某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。3）反向重復(fù)峰值電壓URRM對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

4）反向恢復(fù)時(shí)間trr

trr=td+tf1.2.3

電力二極管的主要參數(shù)（2）2）正向壓降UF結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。6)浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個(gè)或幾個(gè)工頻周期的過(guò)電流。1.2.3

電力二極管的主要參數(shù)（3）5）最高工作結(jié)溫TJM1)普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱(chēng)整流二極管（RectifierDiode）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng),一般5μs以上.正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高(Kv/kA).按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。1.2.4

電力二極管的主要類(lèi)型簡(jiǎn)稱(chēng)快速二極管快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。1.2.4

電力二極管的主要類(lèi)型2)快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短（10~40ns）。正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖。反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。1.2.4

電力二極管的主要類(lèi)型（2）3.肖特基二極管以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱(chēng)為肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。1.3

半控器件—晶閘管·引言1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1.3半控型器件—晶閘管（Thyristor或SCR）1.3.1外型、結(jié)構(gòu)及電氣圖形符號(hào):A—陽(yáng)極K—陰極G—門(mén)極晶閘管的結(jié)構(gòu):管心由硅半導(dǎo)體材料做成，四層三端器件。螺栓型：額定電流小于200A。螺栓為陽(yáng)極A，粗引線(xiàn)為陰極K，細(xì)引為門(mén)極G。平板型：額定電流小于200A。平面為陽(yáng)極A，引出線(xiàn)為門(mén)極G。1.3.3晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

——在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM

——在門(mén)極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。使用注意：1）電壓定額1.3.3晶閘管的主要參數(shù)（2）通態(tài)平均電流IT(AV）——在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)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。標(biāo)稱(chēng)其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流IL

——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過(guò)額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過(guò)載電流。2）電流定額1.3.3晶閘管的主要參數(shù)（3）

除開(kāi)通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(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。電壓上升率過(guò)大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無(wú)有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過(guò)熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)1.3.4晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開(kāi)關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開(kāi)關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。400Hz和10kHz以上的斬波電路或逆變電路.1）快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)1.3.4晶閘管的派生器件（2）2）雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC）圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門(mén)極G。在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱(chēng)的伏安特性。不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。常用于交流調(diào)壓電路,固態(tài)繼電器,交流電機(jī)調(diào)速。a)b)IOUIG=0GT1T21.3.4晶閘管的派生器件（3）逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。一旦承受反向電壓即開(kāi)通。常用于逆變電路。1.3.4晶閘管的派生器件光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性又稱(chēng)光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合，如高壓直流輸電，高壓核聚變裝置。1.3.2晶閘管的基本特性小結(jié)承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。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才能開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。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。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：

定義SCR額定電流時(shí)是在規(guī)定的條件下。

不同形式的整流電路帶不同類(lèi)型的負(fù)載，具有不同的導(dǎo)通角，流過(guò)晶閘管的電流波形不一。額定電流定義是在工頻正弦半波情況下通過(guò)SCR的最大平均電流，所以實(shí)際允許的平均電流與額定電流是有差別的。注意：SCR的額定電流選取問(wèn)題IT(AV)晶閘管電流平均值發(fā)熱量有效值波形系數(shù)T例1.1

流經(jīng)晶閘管的波形如圖1-1所示，試計(jì)算該電流波形的平均值、有效值及波形系數(shù)。若取安全裕量為2，問(wèn)額定電流為100A的晶閘管，其允許通過(guò)的電流平均值和最大值是多少？圖1-1解：電流平均值為：電流有效值為：波形系數(shù)為：考慮2倍安全裕量，100A的晶閘管允許通過(guò)的電流平均值為：電流最大值為：例:ＫＰ２００－８B:表示額定電流２００Ａ／額定電壓８００Ｖ／管壓降0.4v~0.5v的普通晶閘管.Ｋ管壓降等級(jí)額定電壓等級(jí)額定電流Ｐ普通型Ｋ快開(kāi)型Ｎ逆導(dǎo)型Ｇ可關(guān)斷型Ｓ雙向型晶閘管產(chǎn)品型號(hào)管子額定電流的選擇：(1).按電流有效值相等的原則選擇晶閘管；(2).留裕量，取1.5-2倍后取整(3).額定電流等級(jí)：50A以下:1、5、10、20、30、40、50A；

100~1000A:100、200、300、400、500、600、800、1000A。1.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管結(jié)構(gòu)：與普通晶閘管的相同點(diǎn)：PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，外部引出陽(yáng)極、陰極和門(mén)極。和普通晶閘管的不同點(diǎn)：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13GTO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

a)各單元的陰極、門(mén)極間隔排列的圖形b)并聯(lián)單元結(jié)構(gòu)斷面示意圖c)電氣圖形符號(hào)1）GTO的結(jié)構(gòu)和工作原理1.4.1門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管一樣，只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺。GTO關(guān)斷過(guò)程中有強(qiáng)烈正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。多元集成結(jié)構(gòu)還使GTO比普通晶閘管開(kāi)通過(guò)程快，承受di/dt能力強(qiáng)。

由上述分析我們可以得到以下結(jié)論：1.4.2電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor——GTR，直譯為巨型晶體管）。耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有時(shí)候也稱(chēng)為PowerBJT。

應(yīng)用20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。術(shù)語(yǔ)用法：1.4.2電力晶體管(GTR)一、GTR結(jié)構(gòu)和工作原理

GTR通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)的集成器件。單管的GTR結(jié)構(gòu)與普通的雙極結(jié)型晶體管是類(lèi)似的。GTR是由三層半導(dǎo)體（分別引出集電極、基極和發(fā)射極)形成的兩個(gè)PN結(jié)(集電結(jié)和發(fā)射結(jié))構(gòu)成，多采NPN結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用中，GTR一般采用共發(fā)射極接法。與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開(kāi)關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成。1）GTR的特性:1.4.2電力晶體管1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOSFET)分類(lèi):1)絕緣柵型的電力MOSFET2)結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管SIT特點(diǎn):電力MOSFET是用柵極電壓來(lái)控制漏極電流的，因此它的第一個(gè)顯著特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。其第二個(gè)顯著特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高。另外，電力MOSFET熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)于GTR。但是電力M0SFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kw的電力電子裝置。1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的種類(lèi)

按導(dǎo)電溝道可分為P溝道和N溝道。電力MOSFET主要是N溝道增強(qiáng)型。1、電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和工作原理小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。電力MOSFET的結(jié)構(gòu)1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET的結(jié)構(gòu)是單極型晶體管。導(dǎo)電機(jī)理與小功率MOS管相同，但結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。采用多元集成結(jié)構(gòu)，不同的生產(chǎn)廠家采用了不同設(shè)計(jì)。圖1-19電力MOSFET的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)

概述——符號(hào)、命名、特點(diǎn)N溝道

VDS>0DGSD—（Drain）漏極S—（Source）源極

G—（Gate）門(mén)極、控制極P溝道

VDS<0GDS寄生二極管1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT時(shí)，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。電力MOSFET的工作原理1.4.3電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管不存在少子儲(chǔ)存效應(yīng)，關(guān)斷過(guò)程非常迅速。開(kāi)關(guān)時(shí)間在10~100ns之間，工作頻率可達(dá)100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。場(chǎng)控器件，靜態(tài)時(shí)幾乎不需輸入電流。但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中需對(duì)輸入電容充放電，仍需一定的驅(qū)動(dòng)功率。開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的驅(qū)動(dòng)功率越大。MOSFET的開(kāi)關(guān)速度控制特性：電壓控制型，高輸入電阻，較大輸入電容。性能參數(shù)：高速

高可靠性：無(wú)二次擊穿，開(kāi)啟電壓

3V，過(guò)載2～4倍脈沖電流，正溫度系數(shù)。

高導(dǎo)通壓降

10KW以下小功率方案小結(jié):P-MOSFET特點(diǎn)1.4.4

絕緣柵雙極晶體管(IGBT).前言?xún)深?lèi)器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT)1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。GTR的特點(diǎn)——雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開(kāi)關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。

P-MOSFET的優(yōu)點(diǎn)——單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。1.4.4

絕緣柵雙極晶體管一、IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E,其開(kāi)通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。圖1-22IGBT的結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化等效電路和電氣圖形符號(hào)a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖b)簡(jiǎn)化等效電路c)電氣圖形符號(hào)——符號(hào)、命名、特點(diǎn)CGEGECRdrRbr等效電路二、概述1.4.4

絕緣柵雙極晶體管

驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓UGE決定。導(dǎo)通：UGE大于開(kāi)啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。IGBT的工作原理復(fù)合型器件，輸入特性近似MOSFET，導(dǎo)通特性近似GTR，因此具有控制容易（電壓控制型）、導(dǎo)通電壓低、電流大的優(yōu)點(diǎn)。與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開(kāi)關(guān)頻率高的特點(diǎn)小結(jié)IGBT特點(diǎn)缺點(diǎn)是關(guān)斷時(shí)有拖尾，開(kāi)關(guān)速度低于P-MOSFET，另有擎住效應(yīng)。選用時(shí)注意：IGBT常與反并聯(lián)的快速二極管封裝在一起，制成模塊，成為逆導(dǎo)器件。數(shù)KW到數(shù)十KW中功率首選方案，目前已可做到2.5KV/1800A。外因過(guò)電壓：操作過(guò)電壓雷擊過(guò)電壓內(nèi)因過(guò)電壓：換相過(guò)電壓關(guān)斷過(guò)電壓RC過(guò)電壓抑制電路RC或RCD緩沖電路

采用雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻、硒堆和轉(zhuǎn)折二極管(BOD)等非線(xiàn)性元器件來(lái)限制或吸收過(guò)電壓也是較常用的措施。過(guò)電壓1.7.1過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)

電力電子裝置可能的過(guò)電壓——外因過(guò)電壓和內(nèi)因過(guò)電壓1.7.3緩沖電路緩沖電路作用分析無(wú)緩沖電路：有緩沖電路：圖1-38

di/dt抑制電路和充放電型RCD緩沖電路及波形ADCB無(wú)緩沖電路有緩沖電路uCEiCO

圖1-39關(guān)斷時(shí)的負(fù)載線(xiàn)圖1-42電力電子器件分類(lèi)“樹(shù)”

本章小結(jié)（1）主要內(nèi)容全面介紹各種主要電力電子器件的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、基本特性和主要參數(shù)等。注意幾個(gè)概念：額定電壓、額定電流、平均值、有效值、波形系數(shù)。集中討論電力電子器件的驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和串、并聯(lián)使用。電力電子器件類(lèi)型歸納單極型：電力MOSFET和SIT雙極型：電力二極管、晶閘管、GTO、GTR和SITH

復(fù)合型：IGBT和MCT

本章小結(jié)（2）

特點(diǎn)：輸入阻抗高，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高。電流驅(qū)動(dòng)型：雙極型器件中除SITH外

特點(diǎn)：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大,驅(qū)動(dòng)電路較復(fù)雜。

電壓驅(qū)動(dòng)型：?jiǎn)螛O型器件和復(fù)合型器件，雙極型器件中的SITH.

本章小結(jié)（3）

IGBT為主體，第四代產(chǎn)品，制造水平2.5kV/1.8kA，兆瓦以下首選。與IGCT等新器件激烈競(jìng)爭(zhēng)，試圖在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首選，制造水平6kV/6kA。光控晶閘管：功率更大場(chǎng)合，8kV/3.5kA，裝置最高達(dá)300MVA，容量最大。P-MOSFET中小功率領(lǐng)域特別是低壓場(chǎng)合地位牢固。功率模塊和功率集成電路是現(xiàn)在電力電子發(fā)展的一個(gè)共同趨勢(shì)。當(dāng)前的格局:第二章整流電路（Rectifier）要求及重點(diǎn)理解和掌握單相橋式、三相半波、三相橋式等整流電路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、波形分析、電氣性能、分析方法和參數(shù)計(jì)算。重點(diǎn)：波形分析和基本電量計(jì)算的方法。難點(diǎn)：不同負(fù)載對(duì)工作情況的影響前言:整流電路的基本概念控制角——從晶閘管開(kāi)始承受正向電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通這一電角度。導(dǎo)通角——晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度。移相——改變控制角的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的相位。移相控制——

調(diào)節(jié)控制角角即來(lái)控制輸出直流電壓平均值Ud的大小的控制方式.整流電路的基本概念（2）移相范圍——控制角的允許調(diào)節(jié)范圍。同步——觸發(fā)脈沖信號(hào)和晶閘管電壓（即電源電壓）在頻率和相位上的協(xié)調(diào)配合關(guān)系。自然換相點(diǎn)——當(dāng)電路中的可控元件全部由不可控元件代替時(shí)，各元件的導(dǎo)電轉(zhuǎn)換點(diǎn)。2.1單相半波可控整流電路.前言負(fù)載的形式電阻性——燈泡、電阻加熱爐、電解電鍍電感性——電機(jī)繞組，帶電感的負(fù)載反電動(dòng)勢(shì)——蓄電池、直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)ACDC,直流輸出與負(fù)載的形式有關(guān)2.1單相半波可控整流電路.電阻負(fù)載工作原理波形分析電阻負(fù)載單相半波整流電路的基本電量直流平均電壓Ud

與控制角的關(guān)系:Ud=f()直流平均電流Id與的關(guān)系:Id=f()負(fù)載兩端的電壓有效值U與的關(guān)系：U=f()Ud受控于單相半波整流電路的基本電量（續(xù)）副邊繞組電流有效值I2與的關(guān)系：I2

=f()流過(guò)SCR的電流有效值IT和平均值IdT

SCR承受的最大正向電壓UDM和最大反向電壓URM功率因數(shù)cos???輸出功率:變壓器二次側(cè)功率:有效值乘積!功率因數(shù):電阻性負(fù)載cos?1,幾個(gè)概念的解釋?zhuān)篣d為脈動(dòng)直流，波形只在U2正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱(chēng)“半波”整流。

采用了可控器件晶閘管，且交流輸入為單相，故該電路為單相半波可控整流電路。

Ud波形在一個(gè)電源周期中只脈動(dòng)1次，故該電路為單脈波整流電路。

該電路中的移相范圍為180°?？梢?jiàn)調(diào)節(jié)角即可控制直流電壓平均值Ud的大小。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．簡(jiǎn)稱(chēng)相控方式。相控方式

例2.1:

某單相半波可控整流電路，電阻性負(fù)載。直接與220V交流電源相接，要求輸出的直流平均電壓為85V，最大輸出直流平均電流為20A。求此電路中，R，U，I2，IVT，IdVT和,并選擇晶閘管(考慮2倍裕量)。2)已知可計(jì)算負(fù)載電阻:1)已知,根據(jù)式(2-1)：解：可計(jì)算觸發(fā)角:4)變壓器二次側(cè)繞組電流有效值:3）整流輸出電壓有效值:5)計(jì)算流過(guò)晶閘管的電流有效值和平均值:6)功率因數(shù):7)選擇晶閘管定額:

晶閘管電流定額為:

應(yīng)選擇額定電流為50A的晶閘管;

晶閘管的電壓定額為:

應(yīng)選擇額定電壓為700V左右的晶閘管.

如KP50-7系列2.帶阻感負(fù)載（L+R）的工作情況

注意：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，電感器件中的電流是不能突變的。（這是分析感性負(fù)載的出發(fā)點(diǎn)）

2.1.1單相半波可控整流電路圖2—2帶阻思負(fù)載的單相半波可控整流電路波形由于電感的存在,輸出電壓波形出現(xiàn)負(fù)的部分.基本數(shù)量關(guān)系：移相范圍：

當(dāng)φ較大時(shí)，L儲(chǔ)能越多,θ越大，Ud的負(fù)的部分越接近正的部分，其平均值越接近于零，輸出電流平均值也越小。為解決這一矛盾，在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管。帶續(xù)流二極管時(shí)的工作狀態(tài)

當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L--R--VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱(chēng)為續(xù)流。1.當(dāng)電感量小，正半周儲(chǔ)能小，則負(fù)半周維持能力小，電流出現(xiàn)斷續(xù)情況。

2.當(dāng)電感量大，正半周儲(chǔ)能多，負(fù)半周維持續(xù)流二極管導(dǎo)通能力大，電流連續(xù)脈動(dòng)。

3.時(shí)。電流的脈動(dòng)分量很小，電流波形近似于一條平行于橫軸直線(xiàn)。

晶閘管導(dǎo)通角單相半波整流帶續(xù)流二極管時(shí)的工作狀態(tài)2.1.1單相半波可控整流電路數(shù)量關(guān)系若近似認(rèn)為id為一條水平線(xiàn)，恒為Id，則有（2-6）（2-5）（2-7）（2-8）帶續(xù)流二極管時(shí)的工作狀態(tài)小結(jié)單相半波整流電路的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單脈波電路電壓脈動(dòng)率高變壓器利用率低變壓器存在直流磁化問(wèn)題

實(shí)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(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念。2.1.2單相橋式全控整流電路1.1．帶電阻負(fù)載的工作情況a)

全波整流b)

無(wú)直流磁化問(wèn)題c)

小容量的SCR整流裝置中常見(jiàn)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，取，這是為了保證電網(wǎng)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，輸出能保證！共陰共陽(yáng)1.單相全控橋式整流電路（R負(fù)載）工作原理波形分析正向阻斷時(shí)，T1和T4串聯(lián)分壓基本數(shù)據(jù)分析(2-9)==0時(shí),

時(shí),輸出電流平均值：晶閘管的電流平均值：晶閘管的電流有效值：輸出電流有效值：（補(bǔ)）例2.2:

單相全控橋式整流電路,阻性負(fù)載，要求輸出直流電壓可調(diào)，負(fù)載平均電流恒定為20A,晶閘管最小觸發(fā)角限制為，計(jì)算變壓器二次側(cè)電壓，電流值，估計(jì)其容量以及晶閘管導(dǎo)通角的變化范圍并選擇晶閘管。1)已知2)在整個(gè)可調(diào)范圍內(nèi),恒為20A,考慮嚴(yán)重情況,即在時(shí),電路仍然輸出20A電流,據(jù)此可求出最大觸發(fā)角:因此,晶閘管導(dǎo)通角的變化范圍為:解:當(dāng)

一定時(shí),越大,所需I2越大,時(shí)有:因此,變壓器二次側(cè)繞組的電流為:3)估計(jì)變壓器容量:

晶閘管承受的最大反向電壓為：

若考慮2倍裕量為338V,則可選取型號(hào)為KP50-5的晶閘管,其通態(tài)平均電流為50A,正向重復(fù)峰值電壓為五級(jí)(500V).4)選擇晶閘管:考慮2倍裕量時(shí)晶閘管額定電流:2.帶阻感負(fù)載的工作情況工作原理波形分析基本數(shù)量關(guān)系:

=角的移相范圍為.晶閘管承受的最大正反向電壓均為。晶閘管導(dǎo)通角與無(wú)關(guān)，均為180°。電流平均值和有效值分別為：3、單相全控橋式整流電路（反電勢(shì)負(fù)載）工作原理波形分析只有在時(shí)，晶閘管才有導(dǎo)通的可能。2.1.3單相全波可控整流電路返回適用于低輸出電壓場(chǎng)合1、帶電阻負(fù)載2.1.4單相橋式半控整流電路1.阻性負(fù)載的工作情況與全控時(shí)相同。2.感性負(fù)載感性負(fù)載與阻性負(fù)載時(shí)輸出電壓Ud波形完全相同.而晶閘管的電流在一周內(nèi)各占一半,其換流時(shí)刻由門(mén)極觸發(fā)脈沖決定;而二極管VD2,VD4的導(dǎo)通與關(guān)斷僅由電源電壓決定,在換流.各元件導(dǎo)通均為180.電源(0~),(~+)區(qū)間內(nèi)停止對(duì)負(fù)載供電.單相橋式半控整流電路.電阻負(fù)載返回單相橋式半控整流電路（LR負(fù)載）工作原理波形分析失控現(xiàn)象分析產(chǎn)生原因突然將觸發(fā)脈沖切斷將角增大到180o實(shí)質(zhì)：對(duì)晶閘管的工作失去控制作用避免方法：加續(xù)流二極管失控現(xiàn)象分析（2）工作原理波形分析使負(fù)載電路通過(guò)D3續(xù)流,而不再經(jīng)過(guò)T1,D2或T2,D1,這樣可使晶閘管恢復(fù)阻斷能力。圖2-11單相橋式半控整流電路的另一接法例2.3

有一大電感負(fù)載采用單相半控橋有續(xù)流二極管的整流電路,負(fù)載電阻,電源電壓,晶閘管觸發(fā)角,求流過(guò)晶閘管、二極管的電流平均值.解:整流輸出電壓的平均值(同全橋)：負(fù)載電流平均值：1）流過(guò)晶閘管和整流二極管的電流平均值為：2)流過(guò)晶閘管和整流二極管的電流有效值為：3）流過(guò)續(xù)流二極管的電流平均值和有效值分別為：本單元小結(jié):

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單對(duì)觸發(fā)電路的要求較低缺點(diǎn)：輸出直流電壓脈動(dòng)大易造成電網(wǎng)負(fù)載不平衡單相橋式整流電路的優(yōu)、缺點(diǎn)2.2三相可控整流電路交流測(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、容易濾波?；A(chǔ)是三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣

。1.電阻負(fù)載

主電路如圖所示,為得到零線(xiàn)，變壓器二次側(cè)必須接成星形，而一次側(cè)接成三角形，避免3次諧波流人電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入三相電源，它們的陰極連接在一起，稱(chēng)為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路有公共端，連線(xiàn)方便。導(dǎo)通后,負(fù)載電壓為相電壓,截止時(shí),晶閘管承受反向電壓為線(xiàn)電壓.自然換相點(diǎn):2.2.2三相半波可控整流電路一次側(cè)接成三角形共陰極組——陰極連接在一起二次側(cè)接成星形2.2.2三相半波可控整流（R）（1）＝30o的工作情況——此時(shí)負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)。動(dòng)畫(huà)

如果＞30。例如＝60

時(shí)，整流電壓的波形如圖，當(dāng)導(dǎo)通一相的相電壓過(guò)零變負(fù)時(shí)，該相晶閘管關(guān)斷。此時(shí)下一相晶閘管雖承受正電壓，但它的觸發(fā)脈沖還未到，不會(huì)導(dǎo)通，因此輸出電壓電流均為零，直到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)為止。這種情況下，負(fù)載電流斷續(xù)，各晶閘管導(dǎo)通角為90.若角繼續(xù)增大，整流電壓將越來(lái)越小，＝150時(shí)，整流輸出電壓為零。電阻負(fù)載時(shí)角的移相范圍為150。負(fù)載電流斷續(xù)2.2.2三相半波可控整流（R）（續(xù)2）基本數(shù)量關(guān)系(R)：1、整流電流平均值：時(shí)，電流連續(xù)，有：時(shí)，電流斷續(xù)，有：2、負(fù)載電流平均值：3、晶閘管承受的最大反向電壓：4、最大正向電壓：2、阻感負(fù)載（L很大）1）時(shí)，整流電壓波形同電阻負(fù)載。α=0o波形α=30o波形負(fù)載電流連續(xù)2）、時(shí)，例如的波形如圖.2、阻感負(fù)載（L很大）(續(xù)1)

當(dāng)U2過(guò)零時(shí)，由于電感的存在，阻止電流下降，因而VTl繼續(xù)導(dǎo)通，直到下一相晶閘管VT2的觸發(fā)脈沖到來(lái)，才發(fā)生換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VTl施加反壓使其關(guān)斷。這種情況下ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分，如到＝90時(shí)，ud波形中正負(fù)面積相等，ud的平均值為零?？梢?jiàn)阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90。負(fù)載電壓出現(xiàn)負(fù)的部分續(xù)23)基本數(shù)量關(guān)系a）、電流連續(xù)，整流電壓平均值：b）、變壓器二次電壓即晶閘管電流有效值：c）、由此可得晶閘管的額定電流為：d）、晶閘管最大正反向電壓峰值均為變壓器二次線(xiàn)電壓峰值：補(bǔ)例2.4

已知三相半波可控整流電路帶大電感負(fù)載,,整流器二次側(cè)繞組電壓,求不接續(xù)流二極管時(shí)的值,并選擇晶閘管元件.輸出波形解：不接續(xù)流二極管時(shí)，大電感負(fù)載下：流過(guò)晶閘管電流有效值：考慮2倍裕量，晶閘管定額電流為：考慮2倍裕量，晶閘管定額電壓為：可選型號(hào)為KP50-10的晶閘管。單元小結(jié):三相半波可控整流電路的優(yōu)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：——輸出電壓脈動(dòng)小——輸出功率大——三相負(fù)載平衡缺點(diǎn)——變壓器利用率低——容易出現(xiàn)直流磁化現(xiàn)象——零線(xiàn)上通過(guò)較大的負(fù)載電流2.2.2三相橋式全控整流電路

目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理如圖，習(xí)慣將其中陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管(VTl、VT3、VT5)稱(chēng)為共陰極組；陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管(VT4、VT6、VT2)稱(chēng)為共陽(yáng)極組。按此編號(hào)，晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)閂T1—VT2—VT3一VT4一VT5一VT6。圖2-17三相橋式全控整流電路原理圖共陰極組共陽(yáng)極組三相橋式全控整流電路的觸發(fā)要求本組內(nèi)SCR每隔120換流一次；

共陰極與共陽(yáng)極組的換流點(diǎn)相隔60。SCR的導(dǎo)通順序：(6-1)(1-2)(2-3)(3-4)(4-5)(5-6)自然換相點(diǎn)為相電壓（或線(xiàn)電壓）的交點(diǎn)。必須使用雙窄脈沖或?qū)捗}沖（見(jiàn)下頁(yè)）。1.帶電阻負(fù)載

時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相，各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時(shí)也是線(xiàn)電壓的交點(diǎn)。輸出整流電壓ud為這兩個(gè)相電壓相減，是線(xiàn)電壓中最大的一個(gè)，因此輸出整流電壓ud波形為線(xiàn)電壓在正半周期的包絡(luò)線(xiàn)。

三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)(1)

（2）對(duì)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(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各1，且不能為同一相器件。三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)(2)

（3）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。（4）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)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(shí)相同，晶閘管承受最大正、反向電壓的關(guān)系也相同。續(xù)：當(dāng)時(shí)，晶閘管從自然換相點(diǎn)向后移角開(kāi)始換相。如時(shí)，晶閘管導(dǎo)通順序不變，相位后移30°，電壓波形由三段組成。

移相范圍120波形如圖波形如圖2.阻感負(fù)載(L很大)

當(dāng)時(shí)，ud波形連續(xù)，電路的工作情況與帶電阻負(fù)載時(shí)十分相似，區(qū)別在于負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加到負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同。當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流的波形可近似為一條水平線(xiàn)。α=0oα=30o續(xù)當(dāng)時(shí)，由于電感L的作用，電源電壓過(guò)零后，晶閘管仍然導(dǎo)通，直到下一個(gè)晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通為止。這樣，輸出電壓波形出現(xiàn)負(fù)的部分。α=60o當(dāng)時(shí)，若電感L值足夠大，ud中正負(fù)面積將基本相等，ud平均值近似為零。α=90o3.定量分析：1）整流輸出電壓的平均值：電阻負(fù)載且阻感負(fù)載或電阻負(fù)載時(shí)，2）阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流有效值：3）晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。三相橋式全控整流電路小結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：——由兩個(gè)（一個(gè)為共陰極，一個(gè)為共陽(yáng)極）三相半波整流電路組成?！窘M內(nèi)SCR每隔120換流一次；共陰極與共陽(yáng)極組的換流點(diǎn)相隔60。SCR的導(dǎo)通順序：(6-1)(1-2)(2-3)(3-4)(4-5)(5-6)優(yōu)點(diǎn)：——變壓器繞組無(wú)直流磁勢(shì)；——變壓器繞組正負(fù)半周都工作，效率高。2.3變壓器漏感對(duì)整流電路的影響

實(shí)際上變壓器繞組總有漏感，該漏感可用一個(gè)集中的電感LB表示，并將其折算到變壓器二次側(cè),因此換相過(guò)程不能瞬間完成，而是會(huì)持續(xù)一段時(shí)間。

以三相半波為例分析考慮變壓器漏感時(shí)的換相過(guò)程.換相過(guò)程持續(xù)的時(shí)間用電角度表示，稱(chēng)為換相重疊角.隨其他參數(shù)變化的規(guī)律:1)Id越大則越大。2)XB越大則越大。3)當(dāng)時(shí),α越小則越大.總的來(lái)說(shuō),變壓器漏感的作用利：限制短路電流，使電流變化相對(duì)緩和，對(duì)di/dt和du/dt

值的限制有利。弊：使電網(wǎng)波形畸變，加大干擾；使功率因數(shù)降低。

漏感對(duì)整流電路的影響為:1)出現(xiàn)換相重疊角

,整流輸出電壓平均值降低.2)整流電路的工作狀態(tài)增多.（續(xù)）2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路（１）常用于小功率單相交流輸入的場(chǎng)合，如目前大量普及的微機(jī)、電視機(jī)等家電產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)電源中。

1.工作原理及波形分析圖2-26電容濾波的單相橋式不可控整流電路及其工作波形a)電路b)波形2.4電容濾波的不可控整流電路充電放電2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路主要的數(shù)量關(guān)系（圖2-26）

1）輸出電壓平均值整流電壓平均值Ud可根據(jù)前述波形及有關(guān)計(jì)算公式推導(dǎo)得出，但推導(dǎo)繁瑣?？蛰d時(shí)，。重載時(shí)，Ud逐漸趨近于0.9U2，即趨近于接近電阻負(fù)載時(shí)的特性。通常在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)負(fù)載的情況選擇電容C值，T為交流電源的周期，此時(shí)輸出電壓為：Ud≈1.2U22）電流平均值

輸出電流平均值IR為：

IR=Ud/R

（2-47）

Id=IR

（2-48）二極管電流iD平均值為：

ID=Id/2=IR/2

（2-49）3）二極管承受的電壓

2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路2.4.1電容濾波的單相不可控整流電路（２）感容濾波的二極管整流電路實(shí)際應(yīng)用為抑制電流沖擊，在直流側(cè)串入小電感，但分析復(fù)雜。ud波形更平直，電流i2的上升段平緩了許多，這對(duì)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i2的上升平緩ud的波形更平直２.４.2電容濾波的三相不可控整流電路1.基本原理圖2-30電容濾波的三相橋式不可控整流電路及其波形返回2.4.2電容濾波的三相不可控整流電路圖2-31電容濾波的三相橋式整流電路當(dāng)wRC等于和小于時(shí)的電流波形

a）wRC=

b）wRC<臨界條件:感容濾波的三相不可控整流電路圖2-32考慮電感時(shí)電容濾波的三相橋式整流電路及其波形

a）電路原理圖b）輕載時(shí)的交流側(cè)電流波形

c）重載時(shí)的交流側(cè)電流波形

有電感時(shí)，電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。電容濾波的三相不可控整流電路2.主要數(shù)量關(guān)系

1）輸出電壓平均值

Ud在（2.34U2~2.45U2）之間變化

2）電流平均值

輸出電流平均值IR為：

IR=Ud/R

（2-51）

Id=IR

（2-52）二極管電流平均值為Id的1/3，即：

ID=Id/3=IR/3

（2-53）

3）二極管承受的電壓

二極管承受的最大反向電壓為線(xiàn)電壓的峰值，為。2.5整流電路的諧波(harmonics)和功率因數(shù)1、許多電力電子裝置要消耗無(wú)功功率(reactive)，會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)帶來(lái)不利影響：1)無(wú)功功率會(huì)導(dǎo)致電流增大和視在功率增加，導(dǎo)致設(shè)備容量增加。2)無(wú)功功率增加，會(huì)使總電流增加，從而使設(shè)備和線(xiàn)路的損耗增加。3)使線(xiàn)路壓降增大，沖擊性無(wú)功負(fù)載還會(huì)使電壓劇烈波動(dòng)。

2、電力電子裝置還會(huì)產(chǎn)生諧波，對(duì)公用電網(wǎng)產(chǎn)生危害，包括：

1)諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線(xiàn)會(huì)使線(xiàn)路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

2)諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大。

3)諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

4)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)熱，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞。

5)諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。諧波的幾個(gè)基本概念對(duì)于周期為T(mén)=2π/ω的非正弦電壓,滿(mǎn)足狄里赫利條件,可分解為傅里葉級(jí)數(shù).其中,頻率與共頻相同的分量稱(chēng)為基波,頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量稱(chēng)為諧波。n次諧波電流含有率：電流諧波總畸變率：帶阻感負(fù)載時(shí)可控整流電路交流側(cè)諧波和功率因數(shù)分析（略）2.6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流電路2.6.2多重化整流電路低電壓大電流場(chǎng)合采用相同器件可達(dá)到更大的功率2.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路

電解電鍍等化工業(yè)中應(yīng)用，特點(diǎn)：低電壓大電流（例如幾十伏，幾千至幾萬(wàn)安）可調(diào)直流電源。圖2-35帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路2.6.1帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路整流電壓平均值與三相半波整流電路的相等，為:

Ud=1.17U2cos

將雙反星形電路與三相橋式電路進(jìn)行比較可得出以下結(jié)論：

（1）三相橋?yàn)閮山M三相半波串聯(lián)，而雙反星形為兩組三相半波并聯(lián)，且后者需用平衡電抗器。（2）當(dāng)U2相等時(shí)，雙反星形的Ud是三相橋的1/2，而Id是單相橋的2倍。（3）兩種電路中，晶閘管的導(dǎo)通及觸發(fā)脈沖的分配關(guān)系一樣，ud和id的波形形狀一樣。2.6.2多重化整流電路整流裝置功率進(jìn)一步加大時(shí)，所產(chǎn)生的諧波、無(wú)功功率等對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，可采用多重化整流電路

2.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)

2.7.1逆變的概念:

即把直流電轉(zhuǎn)變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過(guò)程，定義為逆變(Invertion)。實(shí)例：電力機(jī)車(chē)下坡行駛，把直流電逆變成交流電作為發(fā)電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行，將機(jī)車(chē)的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反送到交流電網(wǎng)中去。應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。

1、幾個(gè)基本概念把直流電逆變成交流電的電路稱(chēng)為逆變電路。當(dāng)交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)時(shí)，這種逆變電路稱(chēng)為有源逆變電路。如果變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載，即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載，稱(chēng)為無(wú)源逆變。將在第5章介紹。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)的整流電路，稱(chēng)為變流電路（Converter）。整流和有源逆變的根本區(qū)別即在于能量傳遞方向的不同。

2.7整流電路的有源逆變工作狀態(tài)圖2-45單相全波電路的整流和逆變返回

整流電路的有源逆變工作狀態(tài)3、逆變產(chǎn)生的條件以單相全波電路代替上述發(fā)電機(jī)供電極性實(shí)現(xiàn)有源逆變必須同時(shí)具備的條件：

1)要有直流電動(dòng)勢(shì)，其極性須和晶閘管的導(dǎo)通方向一致，其值應(yīng)大于變流電路直流側(cè)的平均電壓。

2)要求晶閘管的控制角，使Ud為負(fù)值。

注：實(shí)現(xiàn)有源逆變，只能采用全控電路。

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)

通常把時(shí)的控制角用表示，稱(chēng)為逆變角。逆變角和控制角的計(jì)量方向相反，其大小自＝0的起始點(diǎn)向左方計(jì)量。逆變電路電量計(jì)算：1）2）3）4）從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：5）變壓器二次線(xiàn)電流的有效值為：圖2-47交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響返回5、逆變失敗的原因及最小逆變角的限制5、逆變失敗的原因及最小逆變角的限制1．逆變失致的原因1)觸發(fā)電路工作不可靠,不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖.2)晶鬧管發(fā)生故障.3)在逆變工作時(shí)，交流電源發(fā)生缺相或突然消失.4)換相的裕量角不足.2．確定最小逆變角的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角:本章小結(jié)掌握可控整流電路（特別是單相橋式全控和三相橋式全控）的工作原理分析與計(jì)算、各種負(fù)載對(duì)整流電路工作情況的影響。理解變壓器漏抗對(duì)整流電路的影響。（換相壓降與重疊角的概念）。了解整流電路的諧波和功率因數(shù)特點(diǎn)。理解可控整流電路的有源逆變狀態(tài)，掌握有源逆變的條件。了解集成觸發(fā)電路芯片及其組成三相橋式全控整流電路的觸發(fā)電路。思考題：P98：9；12；18；19；23；26；作業(yè)：P97：3，6，11，13，30單相可控整流的各種聯(lián)接方式與參數(shù)

(純電阻性負(fù)載)電路名稱(chēng)單相半波單相橋式全控單相橋式半控電路圖輸出電壓平均值Ud=0.45U2*(1+cosα)/2最大移相范圍1800晶閘管導(dǎo)通角1800－a晶閘管最大正向電壓晶閘管最大反向電壓?jiǎn)蜗嗫煽卣鞯母鞣N聯(lián)接方式與參數(shù)

(阻感性負(fù)載)電路名稱(chēng)單相半波單相橋式全控單相橋式半控是否要續(xù)流二極管要要不要要不要輸出電壓平均值最大移相范閘管導(dǎo)通角1800－a18001800－a1800續(xù)流管最大反向電壓電路名稱(chēng)三相半波三相橋式全控輸出平均電壓范圍0～1.17U20～2.34U2脈動(dòng)頻率3f=150Hz6f=300Hz電阻性負(fù)載移相范圍150°

120°晶閘管最大正向電壓晶閘管最大反向電壓晶閘管導(dǎo)通角120°(≤30°）120°（≤60°）(>30°)

(＞60°)不同時(shí)Ud(≤30°)(≤60°)(30°＜≤150°)(60°≤≤120°)電路名稱(chēng)三相半波三相橋式全控輸出平均電壓范圍0～1.17U20～2.34U2脈動(dòng)頻率3f=150Hz6f=300Hz電感性負(fù)載移相范圍

90°

90°晶閘管導(dǎo)通角120°120°晶閘管電流平均值晶閘管電流有效值晶閘管最大正向電壓晶閘管最大反向電壓不同時(shí)Ud第3章直流斬波電路

直流斬波電路(DCChopper)的功能是將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電，也稱(chēng)為直接直流—直流變換器(DC/DCConverter)。(一般指將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟姡话ㄖ绷鳌涣鳌绷鳌?

直流斬波電路的種類(lèi)較多，包括:1、基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬被電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路.2、復(fù)合斬波電路——不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。3、多相多重?cái)夭娐贰嗤Y(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。3.1.1降壓斬波電路(BuckChopper)

廣泛用于單電源輸入，而又有多電源需求的電子系統(tǒng)，如PDA、便攜式電腦、隨身聽(tīng)、移動(dòng)電話(huà)等等。同時(shí)，也用于要求動(dòng)態(tài)特性好、響應(yīng)速度快的高頻斬波式直流電源。1.電路拓?fù)洌?）Buck電路拓?fù)鋷c(diǎn)假設(shè)：L純電感，足夠大C純電容，足夠大零功耗器件典型用途之一是拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，也可帶蓄電池負(fù)載。兩個(gè)規(guī)律：

在穩(wěn)態(tài)情況下（1）在一個(gè)周期內(nèi)，電感兩端平均電壓為零。（2）在一個(gè)周期內(nèi)，流過(guò)電容器平均電流為零。

波形及等效UgTONTOFFTttttUDSUSUS-Uo-UoULiLIBIpIo

電路結(jié)構(gòu)（直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載）

全控型器件,若為晶閘管，須有輔助關(guān)斷電路。續(xù)流二極管負(fù)載出現(xiàn)的反電動(dòng)勢(shì)降壓斬波電路（2）工作原理

t=0時(shí)刻驅(qū)動(dòng)V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線(xiàn)上升。t=t1時(shí)控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線(xiàn)下降。通常串接較大電感L使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小。c)

電流斷續(xù)時(shí)的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時(shí)的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)

電路圖基本電量關(guān)系：電流連續(xù)：負(fù)載電壓平均值：（3-1）ton——V通的時(shí)間toff——V斷的時(shí)間

α——導(dǎo)通占空比簡(jiǎn)稱(chēng)占空比或?qū)ū?。?fù)載電流平均值：（3-2）

電流斷續(xù)，Uo被抬高，一般不希望出現(xiàn)。斬波電路控制方式斬波電路可有三種控制方式：

1)保持開(kāi)關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，稱(chēng)為脈沖寬度調(diào)制(PulseWidthModulation縮寫(xiě)為PWM)或脈沖調(diào)寬型。

2)保持開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton不變，改變開(kāi)關(guān)周期T，稱(chēng)為頻率調(diào)制或調(diào)頻型。

3)ton和T都可調(diào)，使占空比改變，稱(chēng)為混合型。其中第1種方式應(yīng)用最多。此種方式應(yīng)用最多3.1.2升壓斬波電路（BoostChopper）保持輸出電壓儲(chǔ)存電能

電路結(jié)構(gòu)1)升壓斬波電路的基本原理3.1.2升壓斬波電路工作原理假設(shè)L和C值很大。V處于通態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，電流恒定I1，電容C向負(fù)載R供電，輸出電壓Uo恒定。V處于斷態(tài)時(shí)，電源E和電感L同時(shí)向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。0iGE0ioI1設(shè)V通態(tài)的時(shí)間為ton，此階段L上積蓄的能量為設(shè)V斷態(tài)的時(shí)間為toff，則此期間電感L釋放能量為穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中L積蓄能量與釋放能量相等：（3-21）（3-20）化簡(jiǎn)得：T/toff>1，輸出電壓高于電源電壓，故為升壓斬波電路。

——升壓比；升壓比的倒數(shù)記作b，即 。b和a的關(guān)系：因此，式（3-21）可表示為（3-23）（3-22）基本數(shù)量關(guān)系升壓斬波電路（3）:電壓升高的原因：電感L儲(chǔ)能使電壓泵升的作用

電容C可將輸出電壓保持住

輸出電流的平均值Io為：(3-25)升壓斬波電路（3）如果忽略電路中的損耗，則由電源提供的能量?jī)H由負(fù)載R消耗，即：。（3-24）與降壓斬波電路一樣，升壓斬波電路可看作直流變壓器。舉例分析例3-1：在圖3-1a所示的降壓斬波電路中，已知E=100V，R=5，L值極大，EM=20V。采用脈寬調(diào)制控制方式，當(dāng)時(shí)，計(jì)算輸出電壓平均值、輸出電流平均值。解：圖3-1a例3-2：在圖示升壓斬波電路中，，L值和C值極大，采用脈寬調(diào)制控制方式，已知：計(jì)算輸出電壓平均值和輸出電流平均值。

解：

3.2復(fù)合斬波電路和多相多重?cái)夭娐?.2.1電流可逆斬波電路3.2.2橋式可逆斬波電路3.2.3多相多重?cái)夭娐繁菊陆榻B了基本斬波電路。本章的重點(diǎn)是，理解降壓斬波電路和升壓斬波電路的主電路結(jié)構(gòu)和工作原理，掌握這兩種電路的輸入輸出關(guān)系和計(jì)算、工作特點(diǎn)。從應(yīng)用情況看：直流傳動(dòng)是斬波電路應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，而開(kāi)關(guān)電源則是斬波電路應(yīng)用的新領(lǐng)域，前者的應(yīng)用在逐漸萎縮，而后者的應(yīng)用是電力電子領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。作業(yè)：P111：1，2，4，5；本章小結(jié)第4章交流電力控制電路

本章講述的是交流—交流變流電路，即把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路。在進(jìn)行交流—交流變流時(shí)，可以改變相關(guān)的電壓、電流、頻率和相數(shù)等。

只改變電壓、電流或?qū)﹄娐返耐〝噙M(jìn)行控制，而不改變頻率的電路稱(chēng)為交流電力控制電路。改變頻率的電路稱(chēng)為變頻電路。交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。交流調(diào)壓電路：相位控制交流調(diào)功電路：通斷控制4.1交流調(diào)壓電路

原理

兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)在交流電路中，通過(guò)對(duì)晶閘管的控制就可控制交流電力。

電路圖4.1交流調(diào)壓電路（2）

應(yīng)用

1、燈光控制（如調(diào)光臺(tái)燈和舞臺(tái)燈光控制)。

2、異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)。

3、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。

4、在高壓小電流或低壓大電流直流電源中，用于調(diào)節(jié)變壓器一次電壓。

分類(lèi)

1、單相交流調(diào)壓電路

2、三相交流調(diào)壓電路

4.1.1單相交流調(diào)壓電路1、電阻負(fù)載相控方式圖4-1電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形負(fù)載電壓、電流有效值見(jiàn)（4-1）-（4-3）功率因數(shù)隨α變化。

若晶閘管短接，穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j

，當(dāng)用晶閘管控制時(shí)，只能進(jìn)行滯后控制，使負(fù)載電流更為滯后。a

=0時(shí)刻仍定為u1過(guò)零的時(shí)刻，a的移相范圍應(yīng)為j

≤a

≤π。

負(fù)載阻抗角：

j

=arctan(wL

/R)圖4-2

電阻負(fù)載單相交流調(diào)壓電路及其波形0.6Ou1

u1uoiouVTwtOwtOwtwtOuuG1

G1uG2OOwtwtVT12)

阻感負(fù)載4.1.1單相交流調(diào)壓電路4．?dāng)乜厥浇涣髡{(diào)壓電路 一般采用全控型器件作為開(kāi)關(guān)器件工作原理基本原理和直流斬波電路有類(lèi)似之處u1正半周，用V1進(jìn)行斬波控制，V3提供續(xù)流通道u1負(fù)半周，用V2進(jìn)行斬波控制，V4提供續(xù)流通道設(shè)斬波器件（V1或V2）導(dǎo)通時(shí)間為ton，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，則導(dǎo)通比a=ton/T，改變a可調(diào)節(jié)輸出電壓4.1.1單相交流調(diào)壓電路特性電源電流的基波分量和電源電壓同相位，即位移因數(shù)為1電源電流不含低次諧波，只含和開(kāi)關(guān)周期T有關(guān)的高次諧波功率因數(shù)接近1圖4-7斬控式交流調(diào)壓電路圖4-8電阻負(fù)載斬控式交流調(diào)壓電路波形4.2其他交流電力控制電路以交流電源周波數(shù)為控制單位——交流調(diào)功電路對(duì)電路通斷進(jìn)行控制——交流電力電子開(kāi)關(guān)4.2.1交流調(diào)功電路

交流調(diào)功電路與交流調(diào)壓電路的異同比較相同點(diǎn)

電路形式完全相同不同點(diǎn)

控制方式不同交流調(diào)壓電路在每個(gè)電源周期都對(duì)輸出電壓波形進(jìn)行控制。交流調(diào)功電路是將負(fù)載與交流電源接通幾個(gè)周期,再斷開(kāi)幾個(gè)周期,通過(guò)控制通斷周波數(shù)的比值來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)載所消耗的平均功率。4.2.1交流調(diào)功電路控制對(duì)象時(shí)間常數(shù)很大，以周波數(shù)為單位控制即可。通常晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻為電源電壓過(guò)零的時(shí)刻，負(fù)載電壓電流都是正弦波，不對(duì)電網(wǎng)電壓電流造成通常意義的諧波污染。應(yīng)用常用于電爐的溫度控制;

因其直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率，所以稱(chēng)為交流調(diào)功電路。

電阻負(fù)載時(shí)的工作情況控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個(gè)周期導(dǎo)通，后M－N個(gè)周期關(guān)斷。負(fù)載電壓和負(fù)載電流（也即電源電流）的重復(fù)周期為M倍電源周期。應(yīng)用于電爐溫度控制：直接調(diào)節(jié)對(duì)象是電路的平均輸出功率。圖a電阻負(fù)載單相交流調(diào)功電路p2NpM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導(dǎo)通段=M3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13交流調(diào)功電路典型波形(M=3、N=2)*4.2.2交流電力電子開(kāi)關(guān)概念

把晶閘管反并聯(lián)后串入交流電路中，代替電路中的機(jī)械開(kāi)關(guān)，起接通和斷開(kāi)電路的作用。優(yōu)點(diǎn)

響應(yīng)速度快，無(wú)觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，可