《電工電子技術(shù)》課件第10章

第10章電力電子技術(shù)10.1電力電子器件10.2相控整流電路10.3逆變與變頻電路10.4交流調(diào)壓和直流斬波電路小結(jié)習(xí)題

10.1電力電子器件

在對電能的變換和控制過程中，電力電子器件可以抽象成如圖10-1所示的理想開關(guān)模型。該模型有三個電極，其中A和B代表開關(guān)的兩個主電極，K是控制開關(guān)通斷的控制極。它只工作在“通態(tài)”和“斷態(tài)”兩種情況，在通態(tài)時其電阻為零，在斷態(tài)時其電阻為無窮大。

圖10-1電力電子器件的理想開關(guān)模型電力電子器件具有如下三個基本特性：

(1)電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。

(2)電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)由外電路(驅(qū)動電路)控制。

(3)在工作中器件的功率損耗(通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗、開關(guān)損耗)很大，尤其是通態(tài)損耗特別大。為保證不因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，在其工作時一般都要安裝散熱器。電力電子器件按器件的開關(guān)控制特性可以分為以下三類：

(1)不可控器件：器件本身沒有導(dǎo)通、關(guān)斷控制功能，而需要根據(jù)電路條件決定其導(dǎo)通、關(guān)斷狀態(tài)的器件。

(2)半控型器件：通過控制信號能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷的電力電子器件，如晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件。

(3)全控型器件：通過控制信號既可控制其導(dǎo)通，又可控制其關(guān)斷的器件，如門極可關(guān)斷晶閘管(GateTurnOffThyristor，GTO)、功率場效應(yīng)管(PowerMOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)等。10.1.1晶閘管

1.晶閘管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

晶閘管的外形及符號如圖10-2所示。按照額定電流的不同，晶閘管可分為小電流塑封式、小電流螺旋式、大電流螺旋式和大電流平板式(額定電流在200A以上)，如圖10-2(a)、(b)、(c)、(d)所示，圖10-2(e)是晶閘管的圖形符號，引出的三個電極分別為陽極A、陰極K和控制極(簡稱門極)G。

下面通過圖10-3所示的實驗線路來說明晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件。圖10-2晶閘管的外型及符號圖10-3晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷測試在該電路中，晶閘管主電路由主電源EA、白熾燈、晶閘管的陽極和陰極通過雙刀開關(guān)S1組成；門極電路由門極電源EG、晶閘管的門極和陰極通過雙刀開關(guān)S2組成，又叫控制電路，也稱為觸發(fā)電路。

分別在晶閘管關(guān)斷和導(dǎo)通的條件下改變開關(guān)位置，通過實驗結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

(1)晶閘管的導(dǎo)通條件為：在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加適當(dāng)?shù)恼螂妷?，兩者缺一不可?/p>

(2)晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，此時可以把門極電壓撤去。因此，門極電壓不需保持直流電壓，常采用脈沖電壓。晶閘管從阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的過程稱為觸發(fā)導(dǎo)通。一般門極的觸發(fā)電流只有幾十毫安到幾百毫安，而晶閘管導(dǎo)通后，卻可以通過幾百安、幾千安的電流。所以說，通過晶閘管實現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制。

(3)晶閘管的關(guān)斷條件為：使流過晶閘管的陽極電流小于維持電流。維持電流是保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。由于門極只能控制晶閘管的導(dǎo)通，無法控制其關(guān)斷，所以晶閘管又稱為半控型器件。

2.晶閘管的伏安特性

晶閘管的陽極與陰極間的電壓和陽極電流之間的關(guān)系稱為陽極伏安特性。其伏安特性曲線如圖10-4所示。圖10-4晶閘管的伏安特性曲線圖10-4中，位于第一象限的是正向特性，位于第三象限的是反向特性，其主要特性表現(xiàn)如下：

(1)在正向偏置下，當(dāng)IG＝0時，如果在晶閘管兩端所加正向電壓UA未增到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO，則元件都處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流。當(dāng)UA=UBO時，發(fā)生轉(zhuǎn)折，漏電流急劇增大，器件由阻斷狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，正向電壓降低，其特性和二極管的正向伏安特性相仿。這種由電壓引起的導(dǎo)通稱為電壓觸發(fā)導(dǎo)通，是一種硬開通，多次這樣會造成晶閘管損壞，所以通常不允許采用。

(2)當(dāng)采用門極觸發(fā)導(dǎo)通方式時，門極觸發(fā)電流IG越大，正向轉(zhuǎn)折電壓UBO就越低。當(dāng)IG足夠大時，管子導(dǎo)通，此時的晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓UBO很小，壓降也很小。晶閘管正向?qū)ǖ姆蔡匦耘c二極管的正向特性類似。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，即使去掉門極信號，器件仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)不變。所以，晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。

(3)導(dǎo)通之后，只要逐步減小陽極電流IA，使IA下降到小于維持電流IH，器件就又可恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。這種關(guān)斷方式稱為自然關(guān)斷。除此之外，還可采用加反偏電壓的方法進(jìn)行強(qiáng)迫關(guān)斷。

(4)在反向偏置下，其伏安特性和整流管的反向伏安特性相似。處于反向阻斷狀態(tài)時，只有很小的反向漏電流；當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓URO后，反向漏電流急劇增大，造成晶閘管反向擊穿而損壞。

3.晶閘管的主要特性參數(shù)

1)電壓參數(shù)

(1)額定電壓UTN。在門極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向阻斷重復(fù)峰值電壓UDRM。一般規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%。同理，在門極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM。此電壓取反向擊穿電壓URO的80%。一般把UDRM和UDRM中較小的那個值按百位向零取整后作為該晶閘管的額定電壓UTN。晶閘管元件的耐壓會因散熱條件惡化和結(jié)溫升高而降低，因此選擇元件的額定電壓時應(yīng)注意留有充分的裕量，一般應(yīng)按工作電路中可能承受的最大瞬時值電壓UTM的2～3倍來選擇，即

UTN＝(2～3)UTM

(2)通態(tài)平均電壓UT(AV)。當(dāng)流過正弦半波電流并達(dá)到穩(wěn)定的額定結(jié)溫時，晶閘管陽極與陰極之間電壓降的平均值稱為通態(tài)平均電壓。額定電流大小相同的管子，通態(tài)平均電壓越小，耗散功率就越小，管子質(zhì)量就越好。普通晶閘管按照其通態(tài)平均電壓的大小分為9級，即A，B，…，I級，其導(dǎo)通壓降分別為0.4V，0.5，V…，1.2V。

2)電流參數(shù)

(1)通態(tài)平均電流IT(AV)。由于晶閘管具有可控的單向?qū)щ娦裕虼肆鬟^晶閘管的電流為脈動的直流電。晶閘管的額定電流用通態(tài)平均電流來表示。在環(huán)境溫度小于40℃、標(biāo)準(zhǔn)散熱及導(dǎo)通角不小于170°的條件下，晶閘管允許通過的工頻正弦半波電流平均值稱為通態(tài)平均電流IT(AV)或正向平均電流，它按晶閘管標(biāo)準(zhǔn)電流系列取值，該值稱為該晶閘管的額定電流。通常所說晶閘管是多少安就是指這個電流。如果正弦半波電流的最大值為Im，則

額定電流的有效值為當(dāng)晶閘管工作在半波全導(dǎo)通的情況下時，其波形系數(shù)可直接得出：

這說明額定電流為100A的晶閘管，其額定電流的有效值為157A。

一般應(yīng)按工作電路中實際最大電流有效值的1.5～2倍來選擇，即

(2)維持電流IH。在規(guī)定的環(huán)境溫度和門極斷開時，晶閘管從較大的通態(tài)電流降至維持通態(tài)所必需的最小電流稱為維持電流。它一般為十幾毫安到幾百毫安。維持電流與晶閘管的電流容量、結(jié)溫有關(guān)，晶閘管的額定電流愈大，維持電流也愈大，因而晶閘管更容易關(guān)斷。

3)其他參數(shù)

(1)晶閘管的開通時間ton與關(guān)斷時間toff。晶閘管開通時間ton是指從門極觸發(fā)電壓前沿的10%到元件陽極電壓下降至10%所需的時間。普通晶閘管的ton約為6μs。為了縮短開通時間，通常采用實際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大3～5倍、前沿陡的窄脈沖來觸發(fā)。如果觸發(fā)脈沖不夠?qū)?，則晶閘管就不可能觸發(fā)導(dǎo)通。為保證晶閘管可靠觸發(fā)，要求觸發(fā)脈沖的寬度稍大于ton。

晶閘管的關(guān)斷時間toff是指晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需要的時間。晶閘管的關(guān)斷時間與元件結(jié)溫、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反向電壓的大小有關(guān)。普通晶閘管的toff約為幾十到幾百微秒。

(2)斷態(tài)電壓臨界上升率和通態(tài)電流臨界上升率。

在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)所需的最低陽極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。為防止晶閘管誤導(dǎo)通，使用晶閘管時要求斷態(tài)下陽極電壓的上升速度要低于此值。可以通過在晶閘管兩端并接阻容電路，利用電容兩端電壓不能突變的性質(zhì)來限制電壓上升率。

在規(guī)定條件下，晶閘管在門極觸發(fā)開通時能夠承受而不致?lián)p壞的最大通態(tài)電流上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率。為限制通態(tài)電流臨界上升率，可以在陽極回路中串入小電感，以對增長過快的電流進(jìn)行限制。

4.晶閘管的型號

晶閘管通常有兩種命名標(biāo)準(zhǔn)：一種為KP型，另一種為原來的CT型。命名如下：

KP［額定電流等級］-［額定電壓等級］［通態(tài)平均電壓組別］

3CT［額定電流等級］/［額定電壓］

其中，K和3CT代表晶閘管；P代表類型為普通型，可以替換為S(雙向型)、G(可關(guān)斷型)、N(逆導(dǎo)型)；額定電壓為額定電壓等級乘以100；當(dāng)額定電流小于100A時，通態(tài)平均電壓組別可以不標(biāo)。10.1.2派生器件

1.門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)

1)結(jié)構(gòu)和符號

GTO廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車的逆變器和大功率的直流斬波器等需要元件強(qiáng)迫關(guān)斷的地方。GTO的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管類似，有陽極A、陰極K和門極G三個電極，但內(nèi)部包含數(shù)百個共陽極的小GTO單元。GTO的電氣符號如圖10-5所示。

GTO的工作原理也與普通晶閘管相似。圖10-5

GTO的電氣符號

2)主要參數(shù)

(1)開通時間ton：延遲時間與上升時間之和。延遲時間一般為1~2ms，上升時間則隨通態(tài)陽極電流值的增大而增大。

(2)關(guān)斷時間toff：一般指儲存時間和下降時間之和，不包括尾部時間。GTO的儲存時間隨陽極電流的增大而增大，下降時間一般小于2ms。

(3)額定電流：即GTO的最大可關(guān)斷陽極電流IATO。GTO的陽極電流不能過大，在使用中必須小于最大可關(guān)斷陽極電流IATO，否則雖然管子不至于燒壞，但是GTO的臨界導(dǎo)通條件被破壞，會導(dǎo)致門極關(guān)斷失敗。

(4)電流關(guān)斷增益βoff：為最大可關(guān)斷陽極電流IATO與門極負(fù)電流最大值IGM之比，用來反映GTO的關(guān)斷能力。βoff

一般較小，只有3～5，這是GTO的一個主要缺點。由于使GTO關(guān)斷的門極負(fù)電流比較大，約為陽極電流的1/5，因此GTO在關(guān)斷時一般要求觸發(fā)驅(qū)動電路采用高幅值的窄脈沖以減少關(guān)斷所需的能量。一個1000A的GTO關(guān)斷時門極負(fù)脈沖電流峰值為200A。

2.雙向晶閘管(TRIAC)

雙向晶閘管TRIAC是一個NPNPN五層三端器件，有兩個主電極T1、T2和一個門極G，觸發(fā)信號加在T1極和G極之間。它在正、反兩個方向電壓下均可用同一門極控制觸發(fā)導(dǎo)通，所以在結(jié)構(gòu)上可以看做是一對普通晶閘管的反并聯(lián)。雙向晶閘管的符號和陽極伏安特性如圖10-6所示。其特性反映了反并聯(lián)晶閘管的組合效果，即在第一象限和第三象限具有對稱的陽極伏安特性。圖10-6雙向晶閘管的符號和陽極伏安特性

3.逆導(dǎo)型晶閘管(RCT)

普通晶閘管表現(xiàn)為正向可控閘流特性和反向高阻特性，為逆阻型器件；逆導(dǎo)型晶閘管是一個反向?qū)ǖ木чl管，相當(dāng)于是將一個晶閘管與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構(gòu)成的新器件。逆導(dǎo)型晶閘管正向表現(xiàn)為晶閘管的正向伏安特性，反向表現(xiàn)為二極管的正向伏安特性。與普通晶閘管相比，逆導(dǎo)型晶閘管有如下特點：正向轉(zhuǎn)折電壓比普通晶閘管高，電流容量大，易于提高開關(guān)速度，高溫特性好(允許結(jié)溫可達(dá)150℃以上)，減小了接線電感，縮小了裝置體積。逆導(dǎo)型晶閘管的型號用KN表示。

4.快速晶閘管(FST)

快速晶閘管通常是指那些關(guān)斷時間toff≤50μs、響應(yīng)速度快的晶閘管。它的基本結(jié)構(gòu)、伏安特性和符號與普通晶閘管完全一樣；不同之處在于其開通速度快，關(guān)斷時間短，一般開通時間約為1～2μs，關(guān)斷時間約為數(shù)微秒，比普通晶閘管快一個數(shù)量級。快速晶閘管的通態(tài)壓降低，開關(guān)損耗小，有較高的通態(tài)電流臨界上升率以及斷態(tài)電壓臨界上升率，使用頻率范圍廣，從幾十赫茲至幾千赫茲。這種快速晶閘管主要應(yīng)用于直流電源供電的逆變器的斬波器中?？焖倬чl管的型號用KK表示。

5.光控晶閘管(LTT)

光控晶閘管又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長的光照信號觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光控晶閘管的電氣圖形符號和伏安特性如圖10-7所示。小功率光控晶閘管只有陽極和陰極兩個端子；大功率光控晶閘管則還帶有光纜，光纜上裝有作為觸發(fā)光源的發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前光控晶閘管在高壓大功率的場合(如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中)占據(jù)重要的地位。圖10-7光控晶閘管的符號和伏安特性10.1.3新型電力電子器件

1.電力晶體管

1)GTR的主要參數(shù)

(1)最大電流額定值ICM和IBM。一般將電流放大倍數(shù)β下降到額定值的1/2～1/3時的集電極電流IC的值定義為集電極最大電流ICM。在使用時絕不能讓IC值達(dá)到ICM，否則會使GTR

的電氣性能變差，甚至使器件損壞?；鶚O電流的最大額定

值IBM規(guī)定為內(nèi)引線允許流過的最大基極電流，通常取IBM=(1/2～1/6)ICM。

(2)集電極的額定電壓UCEM。集電極的最高工作電壓不可超過規(guī)定值，否則會出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。它與GTR本身的特性及外電路的接法有關(guān)，常用BUCBO、BUCEO、BUCES、BUCER和BUCEX表示。其中，BUCBO為發(fā)射結(jié)開路時集基極的擊穿電壓；BUCEO為發(fā)射結(jié)開路時集射極的擊穿電壓；BUCES為發(fā)射結(jié)短路時集射極的擊穿電壓；BUCER表示基射極并聯(lián)電阻時集射極的擊穿電壓，它隨并聯(lián)電阻的減小而增大；BUCEX表示集射極施加反偏電壓時的集射極擊穿電壓。一般情況下，BUCEO＞BUCEX＞BUCES＞BUCER＞BUCEO，GTR的最高工作電壓BUCEM應(yīng)比最小擊穿電壓BUCEO低，從而保證元器件的工作

安全。

(3)飽和壓降UCES。單個GTR的飽和壓降一般不超過1～1.5V，UCES隨集電極電流的增大而增大。

(4)集電極最大允許耗散功率PCM。PCM即GTR在最高允許結(jié)溫TjM時所對應(yīng)的耗散功率，它等于集電極工作電壓與集電極工作電流的乘積。這部分能量轉(zhuǎn)化為熱能而使GTR發(fā)熱，在使用中要特別注意GTR的散熱。如果散熱條件不好，則器件會因溫度過高而迅速損壞。所以，在使用GTR時必須選配合適的散熱器。

2)二次擊穿及安全工作區(qū)

安全工作區(qū)(SafeOperationArea，SOA)是指在輸出特性曲線圖上GTR能夠安全運行的電流、電壓的極限范圍。它是基極正向偏置條件下由GTR的最大允許集電極電流ICM、最大允許集電極電壓BUCEO、最大允許集電極功耗PCM以及二次擊穿功率PSB四條限制線所圍成的區(qū)域，如圖10-8所示。圖中，Ⅰ表示直流工作條件下的安全工作區(qū)，該區(qū)對應(yīng)的條件最惡劣，允許運行的范圍最??；Ⅱ、Ⅲ分別對應(yīng)于脈沖電流的脈寬為1ms和10μs時的安全工作區(qū)，隨著脈沖寬度的減小，導(dǎo)通時間縮短，安全工作區(qū)會擴(kuò)大。由圖10-8中Ⅳ區(qū)可見，當(dāng)脈沖寬度小于1μs時，不存在PCM和PSB的限制。

圖10-8

GTR的安全工作區(qū)

2.電力場效應(yīng)晶體管

就像用于信息處理的小功率場效應(yīng)晶體管(FieldEffectTransistor，F(xiàn)ET)分為結(jié)型和絕緣柵型一樣，電力場效應(yīng)晶體管也有這兩種類型，但通常主要指絕緣柵型中的MOS型(MetalOxideSemiconductorFET)，簡稱電力MOSFET(PowerMOSFET)。電力MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，輸入阻抗高(可達(dá)40MΩ以上)，開關(guān)速度快，工作頻率高(開關(guān)頻率可達(dá)1000kHz)，熱穩(wěn)定性好，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)(SOA)寬，但是電流容量小，耐壓低，在高頻中小功率的電力電子裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.絕緣柵雙極晶體管

1)IGBT的結(jié)構(gòu)和工作原理

IGBT的電氣符號如圖10-9所示。IGBT有三個電極：集電極Ｃ、發(fā)射極Ｅ和柵極G。

IGBT也屬于場控器件，其驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，是一種由柵極電壓UGE控制集電極電流的柵控自關(guān)斷器件。UGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通，電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，并使通態(tài)壓降低。柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT

關(guān)斷。圖10-9

IGBT的電氣符號

2)IGBT的主要參數(shù)

(1)最大集射極間電壓BUCEM。最大集射極間電壓是指IGBT在關(guān)斷狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間能承受的最高電壓。它是IGBT的額定電壓，是由內(nèi)部的晶體管所能承受的擊穿電壓確定的，具有正的溫度系數(shù)，其值大約為0.63V/℃。

(2)通態(tài)壓降UCE(on)。通態(tài)壓降是指IGBT在導(dǎo)通狀態(tài)時集電極和發(fā)射極之間的管壓降。由于通態(tài)壓降決定了其通態(tài)損耗，因此IGBT的通態(tài)壓降越小越好。通常IGBT的通態(tài)壓降約為2~3V。

(3)集電極電流最大值ICM。IGBT的IC增大，可致器件發(fā)生擎住效應(yīng)，ICM就是為防止發(fā)生擎住效應(yīng)而規(guī)定的集電極電流的最大值。

(4)最大集電極功耗PCM。最大集電極功耗是指正常工作溫度下允許的最大功耗。

(5)安全工作區(qū)。IGBT在正向偏置時的安全工作區(qū)如圖10-10(a)所示；IGBT在反向偏置時的安全工作區(qū)如圖10-10(b)所示。IGBT的導(dǎo)通時間越長，發(fā)熱越嚴(yán)重，安全工作區(qū)越小。圖10-10

IGBT的安全工作區(qū)

4.其他新型電力電子器件

1)MOS控制晶閘管MCT

2)靜電感應(yīng)晶體管SIT

3)靜電感應(yīng)晶閘管SITH

4)集成門極換流晶體管IGCT

5)功率集成電路與功率模塊10.1.4電力電子器件的保護(hù)

1.過流保護(hù)(過流包括過載和短路)

1)快速熔斷器保護(hù)

快速熔斷器是最有效、最簡單的過電流保護(hù)元件，專門為保護(hù)大功率半導(dǎo)體器件而制造，簡稱快熔。與普通熔斷器相比，快速熔斷器具有快速熔斷的特性。當(dāng)電流超過流過的短路電流時，其熔斷時間小于20ms，能保證在晶閘管損壞之前快速切斷短路故障。

快速熔斷器的熔體采用一定形狀的銀質(zhì)熔絲，周圍填充以石英砂，構(gòu)成封閉式熔斷器。銀質(zhì)熔絲導(dǎo)熱性好，熱量小，與普通的熔絲相比，在同樣的過電流下，它的熔斷時間要短得多。

2)過流繼電器保護(hù)

過流繼電器保護(hù)是在輸入端(交流側(cè))或輸出端(直流側(cè))接入過電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，繼電器動作，使電路自動切斷的保護(hù)措施。

3)過流截止保護(hù)

過流截止保護(hù)是在輸入端(交流側(cè))設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路的保護(hù)措施。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。

通常電力電子系統(tǒng)同時采用電子電路、快速熔斷器、直流快速斷路器和過電流繼電器等多種過電流保護(hù)措施，以提高保護(hù)的可靠性和合理性?？烊蹆H作為短路時部分區(qū)段的保護(hù)，直流快速斷路器整定在電子電路動作之后實現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。圖10-11所示為電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案。圖10-11電力電子系統(tǒng)中常用的過流保護(hù)方案

2．過電壓保護(hù)

圖10-12所示是電力電子系統(tǒng)中常用的過電壓保護(hù)方案。圖10-12電力電子系統(tǒng)中常用的過電壓保護(hù)方案

3．散熱系統(tǒng)

對于電力半導(dǎo)體器件，一般有以下三種冷卻方式：

(1)自然冷卻：只適用于小功率應(yīng)用場合。

(2)風(fēng)扇冷卻：適用于中等功率應(yīng)用場合，如IGBT應(yīng)用電路。

(3)水冷卻：適用于大功率應(yīng)用場合，如大功率GTO、IGCT及SCR等應(yīng)用電路。

10.2相控整流電路

10.2.1單相半波相控整流電路

把不可控的單相半波整流電路中的二極管用晶閘管代替，就成為單相半波可控整流電路。圖10-13(a)所示是單相半波可控整流帶電阻性負(fù)載時的電路，由晶閘管V、負(fù)載Rd和單相整流變壓器T組成。u2為變壓器T次級正弦交流電壓，ud、id分別為整流輸出電壓瞬時值和負(fù)載電流瞬時值，uT、iV分別為晶閘管兩端電壓瞬時值和電流瞬時值。該電路工作時的波形如圖10-13(b)所示。圖10-13單相半波可控整流帶電阻性負(fù)載時的電路及波形在單相半波可控整流電路中，通常把晶閘管承受正向電壓但沒有被觸發(fā)導(dǎo)通的范圍稱為控制角，用α表示，而觸發(fā)導(dǎo)通的范圍稱為導(dǎo)通角，用θ表示。整流輸出電壓的平均值為需要指出的是，如果負(fù)載是電感性的，則由于負(fù)載中存在電感，會使負(fù)載電壓波形出現(xiàn)負(fù)值部分，晶閘管的導(dǎo)通角θ變大，且負(fù)載中L越大，θ越大，輸出電壓波形圖上負(fù)壓的面積越大。因此，要使輸出電壓平均值減小，應(yīng)在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管。圖10-14為帶大電感負(fù)載且反并聯(lián)續(xù)流二極管的電路和波形圖。在電源電壓正半周，負(fù)載電流由晶閘管導(dǎo)通提供；在電源電壓負(fù)半周，續(xù)流二極管VD維持負(fù)載電流。因此，負(fù)載電流是一個連續(xù)且平穩(wěn)的直流電流。帶大電感負(fù)載時，負(fù)載電流波形是一條平行于橫軸的直線，其值為Id。圖10-14單相半波可控整流帶電感性負(fù)載時的電路及波形10.2.2單相橋式相控整流電路

為了在負(fù)載上得到全波整流電壓，實現(xiàn)雙半周整流，在實用中大量采用單相橋式相控整流電路。圖10-15是單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載的電路與工作波形。圖10-15單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載的電路與工作波形整流輸出電壓的平均值：

即Ud為最小值時，α=180°，Ud為最大值時，α=0°，所以單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時，控制角α的移相范圍是0°～180°，輸出電壓Ud的調(diào)節(jié)范圍為0~0.9U2。輸出電流的平均值和有效值分別為由于兩組晶閘管輪流導(dǎo)通，因此流過每個晶閘管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，即

流過晶閘管的電流有效值為

晶閘管承受的最大正、反向電壓為變壓器次級電壓的峰值，即10.2.3電源電路

在電子電路中，通常需要輸出電壓穩(wěn)定的直流電源供電。根據(jù)所提供的功率大小，通?？梢詫⒅绷麟娫捶譃樾」β史€(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。電源電路一般包括變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四部分。電源變壓器將交流電壓變換為符合整流需要的電壓。整流電路將工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄绷麟姵煞值拿}動直流電。濾波電路將脈動直流中的交流成分濾除，以減少交流成分，增加直流成分。穩(wěn)壓電路對整流后的直流電壓采用負(fù)反饋技術(shù)進(jìn)一步穩(wěn)定直流。

10.3逆變與變頻電路

10.3.1有源逆變

圖10-16(a)、(b)分別為單相全波整流電路工作于整流和逆變狀態(tài)的電路圖和波形。圖(a)中，Ud>E，電流順時針流，直流電機(jī)的電壓和電流方向相同，電機(jī)相當(dāng)于負(fù)載，工作于電動機(jī)狀態(tài)，能量由交流電網(wǎng)傳遞給直流電機(jī)；圖(b)中，E>Ud，電流逆時針流，直流電機(jī)的電壓和電流方向相反，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，能量由電機(jī)返送電網(wǎng)。圖10-16單相全波整流電路工作于整流和逆變狀態(tài)的電路圖和波形由以上分析我們可以得出，要實現(xiàn)有源逆變，必須滿足如下條件:

(1)外部條件：直流側(cè)必須外接一個直流電源勢(如直流電動機(jī)的電樞電勢、蓄電池電勢等)，其方向與直流電流Id的方向一致，其大小比Ud稍大。

(2)內(nèi)部條件：晶閘管控制角α＞90°，使Ud＜0。

以上兩個條件缺一不可。由單相全波整流電路工作于逆變狀態(tài)的電路圖和波形可以得到：

由于α＞90°，因此為了計算方便，引入逆變角的概念。逆變角β由觸發(fā)脈沖的位置從α=π的時刻左移β角來確定，因而任意時刻β的大小與α滿足關(guān)系式：α+β=π。在此將α=π－β

代入上式，則圖10-17是三相半波整流器帶電動機(jī)負(fù)載時的電路和波形(假設(shè)負(fù)載電流連續(xù))。當(dāng)α在范圍內(nèi)變化時，變流器輸出電壓的瞬時值在整個周期內(nèi)雖然有正有負(fù)或者全部為負(fù)，但負(fù)的面積總是大于正的面積，故輸出電壓的平均值Ud為負(fù)值。電機(jī)E的極性具備有源逆變的條件。圖10-17三相半波整流器帶電動機(jī)負(fù)載時的電路和波形由于電流連續(xù)，因此*10.3.2無源逆變及變頻

無源逆變中的直流電源可由直流發(fā)電機(jī)獲得，也可通過交流電網(wǎng)整流獲得。如果是由交流電網(wǎng)獲得，則稱為變頻。無源逆變分為電壓型和電流型兩大類。圖10-18為電壓型逆變的原理圖。圖10-18電壓型逆變的原理圖圖10-18中，主電路開關(guān)S1~S4實際上是各種半導(dǎo)體開關(guān)器件的一種理想模型。逆變電路中常用的開關(guān)器件有快速晶閘管、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。圖10-19所示為電壓型單相半橋逆變電路的主電路圖及波形。圖10-19電壓型單相半橋逆變電路的主電路圖及波形圖10-20為電流逆變電路的主電路和輸出電流的波形。

當(dāng)V1、V4導(dǎo)通，V2、V3關(guān)斷時，Io=Id

；反之，Io=－Id。

當(dāng)以頻率f交替切換開關(guān)管V1、V4和V2、V3時，在負(fù)載上獲得如圖10-20(b)所示的電流波形。圖10-20電流逆變電路的主電路和輸出電流的波形

10.4交流調(diào)壓和直流斬波電路

10.4.1交流調(diào)壓

圖10-21所示為交流調(diào)壓電路及波形。在電源電壓正半周，晶閘管V1承受正向電壓，當(dāng)ωt=α?xí)r，觸發(fā)V1使其導(dǎo)通，負(fù)載上得到缺α角的正弦半波電壓；電源電壓過零時，V1管電流下降為零而關(guān)斷；到電源電壓負(fù)半周，晶閘管V2承受正向電壓，當(dāng)ωt=π+α?xí)r，觸發(fā)V2使其導(dǎo)通，則負(fù)載上又得到了缺α角的正弦負(fù)半波電壓。持續(xù)這樣控制，在負(fù)載電阻上便得到每半波缺α角的正弦電壓。圖10-21交流調(diào)壓電路及波形改變α角的大小，便可改變輸出電壓有效值的大小。

帶電阻負(fù)載的單相交流調(diào)壓電路的輸出交流電壓的有效值為

電流有效值為

功率因數(shù)為*10.4.2直流斬波電路

圖10-22所示為直流斬波電路的原理示意圖。圖中，S是可控開關(guān)，R為純阻性負(fù)載。當(dāng)開關(guān)S接通時，電流經(jīng)負(fù)載電阻R流過，R兩端就有電壓；當(dāng)開關(guān)S斷開時，R中電流為零，電壓也變?yōu)榱?。圖10-22直流斬波電路的原理示意圖電路中開關(guān)的占空比為

因為D是0～1之間變化的系數(shù)，所以在D的變化范圍內(nèi)輸出電壓uo總是小于輸入電壓Ud，改變D值就可以改變其大小。直流變換電路的常用工作方式主要有以下三種：

(1)脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作方式：維持脈沖寬度不變，改變Ts。在這種調(diào)壓方式中，由于輸出電壓波形的周期是變化的，因此輸出諧波的頻率也是變化的，這使得濾波器的設(shè)計比較困難，輸出諧波干擾嚴(yán)重，一般很少采用。

(2)脈寬調(diào)制(PWM)工作方式：維持Ts不變，改變脈沖寬度。在這種調(diào)壓方式中，輸出電壓波形的周期是不變的，因此輸出諧波的頻率也不變，這使得濾波器的設(shè)計容易。

(3)脈沖混合控制：同時改變周期和脈沖寬度的調(diào)節(jié)方式。

1.降壓式直流斬波電路

圖10-23所示為降壓式直流斬波電路及其波形圖。該電路導(dǎo)通期間(ton)電力開關(guān)器件導(dǎo)通，電感蓄能，二極管VD反偏，等效電路如圖(b)所示；關(guān)斷期間(toff)電力開關(guān)器件斷開，電感釋能，二極管VD導(dǎo)通續(xù)流，等效電路如圖(c)所示。由等效電路可繪制其波形，如圖(d)所示。圖10-23降壓式直流斬波電路及其波形圖由波形圖可以計算出輸出電壓平均值為

輸出電壓有效值為

2.升壓式直流斬波電路

圖10-24所示為升壓式直流斬波電路及其波形。電路的工作過程可以描述為：ton工作期間，二極管反偏截止，電感L儲能，電容C

給負(fù)載R提供能量，相當(dāng)于輸入端與輸出端隔離，等效電路如圖(b)所示；toff工作期間，電感上的感應(yīng)電勢與輸入電壓Ud疊加，使二極管VD正向?qū)?，同時向負(fù)載供電并向C補(bǔ)充能量，此時等效電路如圖(c)所示。由等效電路可繪制其波形，如圖(d)所示。圖10-24升壓式直流斬波電路及其波形由波形圖可得：

顯然，作為升壓式直流斬波電路，此電路的輸出電壓將永遠(yuǎn)高于輸入電壓。

3.升降壓式直流斬波電路

升降壓式直流斬波電路是由降壓式和升壓式兩種基本變換電路混合串聯(lián)而成的，主要用于可調(diào)直流電源。

如圖10-25所示，這種電路的輸出電壓幅值可以高于或低于輸入電壓，其極性為負(fù)。穩(wěn)定時輸出電壓與輸入電壓之間的變化是兩級變換電路變化的乘積。若兩級變換電路的占空比相同，則有

上式表明，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，其數(shù)值大小取決于占空比D的大小。圖10-25升降壓式直流斬波電路小結(jié)

一、基本要求

1.熟練掌握各器件的圖形符號、控制特性。

2.了解各元件的工作原理。

3．掌握各元件的使用場合。

4.理解整流、逆變、變頻、調(diào)壓等電路的工作原理。

5.掌握整流電路中的定量計算公式。

二、內(nèi)容提要

1.能實現(xiàn)電能的變換和控制的半導(dǎo)體電子器件稱為電力電子器件。電力電子器件按器件的開關(guān)控制特性可分為不可控器件、半控型器件和全控型器件。

2.只有在晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，同時在它的門極和陰極間也加適當(dāng)?shù)恼螂妷?，晶閘管才能導(dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用。

3.GTO是晶閘管的一種派生器件，與普通晶閘管的主要區(qū)別就在于其不僅可以控制導(dǎo)通，而且可以通過在門極和陰極之間施加負(fù)的脈沖電流迫使其關(guān)斷，因而屬于全控型器件。

4.雙向晶閘管在結(jié)構(gòu)上可以看做是一對普通晶閘管的反并聯(lián)。

5.普通晶閘管表現(xiàn)為正向可控閘流特性，反向高阻特性，稱為逆阻型器件。逆導(dǎo)型晶閘管是一個反向?qū)ǖ木чl管，相當(dāng)于是將一個晶閘管與一個續(xù)流二極管反并聯(lián)集成在同一硅片上構(gòu)成的新器件。

6.快速晶閘管通常是指那些關(guān)斷時間toff≤50μs、響應(yīng)速度快的晶閘管。

7.電力晶體管是一種耐高壓、大電流的雙極晶體管。自20世紀(jì)80年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管的主要是GTR。

8.電力場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，輸入阻抗高，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性好，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬，但是電流容量小，耐壓低。

9.絕緣柵雙極晶體管綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的輸入/輸出特性。

10.電力電子系統(tǒng)在發(fā)生故障時可能會發(fā)生過電流、過電壓，造成開關(guān)器件的永久性損壞。過流、過壓保護(hù)包括器件保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)兩個方面。

11.單相半波可控整流電路：

單相橋式相控整流電路：

單相可控整流電路輸出脈動大，容量小。在負(fù)載容量超過4kW以上，或要求直流脈動較小的場合，應(yīng)采用三相整流電路。

12.將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程，稱為整流。在生產(chǎn)實際中，整流的逆過程稱為逆變。在許多場合，同一晶閘管既可用于整流，又可用于逆變。這兩種不同的工作狀態(tài)可依照工作條件相互轉(zhuǎn)化，此類電路稱為變流電路。

13.逆變可分為有源逆變和無源逆變兩類。有源逆變的交流側(cè)接電網(wǎng)，將直流電逆變成與電網(wǎng)同頻的正弦交流電后返送回電網(wǎng)，無源逆變是把直流電轉(zhuǎn)化為交流電提供給負(fù)載。

14.交流調(diào)壓電路是用來變換交流、電壓幅值(或有效值)的電路。通過控制晶閘管在每一個電源周期內(nèi)導(dǎo)通角的大小可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

15.利用電力開關(guān)器件周期性的開通與關(guān)斷可改變輸出電壓的大小。將直流電能轉(zhuǎn)換為另一固定電壓或可調(diào)電壓的直流電能的電路稱為直流變換電路。習(xí)題