电力电子复习资料

1、第一章 概述可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。 具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。电能变换的形式共有四种：交流-直流变换、直流-直流变换、直流-交流变换、交流-交流变换。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。变流技术则是电力电子技术的核心。美国学者W. Newell认为电力电子学是由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成的。一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。把驱动、控制、保

2、护电路和电力电子器件集成在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集成技术、混合集成技术以及系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度。 第二章电力电子器件2.1：电力电子器件概述1、电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。电力电子器件一般工作在开关状态2、电力电子器件的功率损耗：通态损耗、

3、断态损耗、开关损耗（开通损耗、关断损耗）通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 3、电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。4、电力电子器件的分类（1）按照能够被控制电路信号所控制的程度：半控型器件、全控型器件、不可控器件。半控型器件是指用控制信号可以控制其导通，但不能控制其关断的电力电子器件。全控型器件是指用控制信号既可以控制其导通，也可以控制其关断的电力电子器件。不控型器件是指用控制信号既不能控制其导通，也不能控制其关断的电力电子器件。（2）按照驱动信号的

4、性质：电流驱动型、电压驱动型。（3）按照驱动信号的波形：脉冲触发型、电平触发性。（4）按照载流子参与导电的情况：单极型器件、双极型器件、复合型器件。2.2：电力二极管1、电力二极管（Power Diode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。 电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。2、电力二极管的

5、基本特性： （1）静态特性：即单向导电性，主要是指其伏安特性 （2）动态特性：因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。 3、电力二极管的主要参数：（1）正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。（2）正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。（3）反向重复峰值电压

6、URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 （4）最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。（5）反向恢复时间trr（6）浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。4、电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。（1）普通二极管：又称整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

7、（2）快恢复二极管：恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5ms以下）。（3）快恢复外延二极管：采用外延型P-i-N结构 ，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。（4）肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 属于多子器件 优点在于：反向恢复时间很短（1040ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率高。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合；反向

8、漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。2.3 半控型器件晶闸管2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。 1、晶闸管的结构： 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构 。引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。内部是PNPN四层半导体结构。 2、晶闸管的工作原理：晶体管的特性是：在低发射极电流下a 是很小的，而当发射极电流建立起来之后，a 迅速增大。在晶体管阻断状态下，IG=0，而a1

9、+a2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。 2.3.2 晶闸管的基本特性 1、静态特性正常工作时的特性：当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压

10、和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流）以下。 2、动态特性（1）开通过程：由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。 延迟时间td (0.51.5ms) 上升时间tr (0.53ms) 开通时间tgt=td+tr 延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电 路电感的严重影响。提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。 （2）关断过程：由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向阻断恢复时

11、间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。2.3.3 晶闸管的主要参数1、电压定额： （1）断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。 （2）反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。 规定反向重复峰值电压URRM为反向不

12、重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。（3）通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。 通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。2、电流定额： （1）通态平均电流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。它是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）

13、的原则所得计算结果的1.52倍。 （2）维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。结温越高，则IH越小。 （3）擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。约为IH的24倍。（4）浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。 3、动态参数：开通时间tgt和关断时间tq 2.4 典型全控型器件2.4.1 门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。 1、GTO的结构 GTO是PNPN四层半导体结 构。 GTO

14、是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。GTO与普通晶闸管的不同 设计a2较大，使晶体管V2控制 灵敏，易于GTO关断。 导通时a1+a2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。 GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使a1+a230时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有:晶闸管承受的最大反

15、向电压为变压器二次线电压峰值,即晶闸管承受的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即2、阻感负载基本数量关系：阻感负载时a的移相范围为90。 整流电压平均值：Ud = 1.17U2cosa变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为：晶闸管的额定电流为：晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。3.2.2 三相桥式全控整流电路1、带电阻负载时的工作情况电路分析各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。当a60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。 a=0时，ud

16、为线电压在正半周的包络线。时段共阴极导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 三相桥式全控整流电路的一些特点 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。对触发脉冲的要求 6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60 。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差

17、120 。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180 。整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲宽脉冲触发 ：使脉冲宽度大于60（一般取80100）双窄脉冲触发 ：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为2030 。常用的是双脉冲触发。晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。2、阻感负载时的工作情况（1）电路分析当a60时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负

18、载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。 区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。当a60时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。（2）基本数量关系：带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。整流输出电压平均值 带阻感负载时，或带电阻负载a60时：Ud=2.34U2 cosa带电阻负载且a60时输出电流平均值为Id=Ud/R。晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时的Id为：3.3

19、变压器漏感对整流电路的影响变压器漏感对整流电路影响的一些结论:出现换相重叠角g，整流输出电压平均值Ud降低。整流电路的工作状态增多。减小晶闸管的di/dt，有利于晶闸管的安全开通，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。 换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。 换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。3.7 整流电路的有源逆变工作状态逆变（invertion）：把直流电转变成交流电的过程。 逆变电路：把直流电逆变成交流电的电路。 当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。 变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可

20、调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。 对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。逆变产生的条件：要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。要求晶闸管的控制角ap/2，使Ud为负值。 两者必须同时具备才能实现有源逆变。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用全控电路。第四章 逆变电路逆变的概念 与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，

21、为无源逆变。逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。4.1 换流方式1、换流 电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 2、换流方式：（1）器件换流、（2）电网换流、（3）负载换流、（4）强制换流。4.2 电压型逆变电路根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类 电压型逆变电路：直流侧是电压源。 电流型逆变电路：直流侧是电流源。电压型逆变电路的特点： 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同

22、。阻感负载的输出电流为正弦波。4.3 电流型逆变电路直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。电流型逆变电路主要特点 直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。阻感负载的输出电压为正弦波。直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。第五章直流直流变流电路直流-直流变流电路（DC/DC Converter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。 直接直流变流电路，也称斩波电路（DC Chopper）。功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况

23、下输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直交直电路。 5.1 基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路：掌握相关计算 5.1.2 升压斩波电路：掌握相关计算 5.1.3 升降压斩波电路和Cuk斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路 第六章 交流-交流变换电路一、交流电力控制电路：是指频率不变，仅改变电压、电流或对电路进行通断控制的电路。交流电力控制电路的分类：（1）交流调压电路：相位控制；（2）交流调功电路：通断控制；（3）交流电力电子开关。二、变频控制电路：是指实现频率变换亦可改

24、变电压大小的电路。变频控制电路的分类：（1）交交变频-直接变频；（2）交直交变频-间接变频。三、单相交流调压：两个晶闸管反并联后，串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。1、 阻性负载：数量关系：移相范围为0 a 。 a 0时，输出电压最大 ，为 U0U1， a增大，U0降低 ， a 时，U00。四、 交流电力电子开关 控制目的：根据需要控制电路的接通和断开。而不控制电路的平均输出功率。特点：晶闸管在承受正半周电压时触发导通，而它的关断是利用电压负半周在管子上的反压来实现，在电流过零时自然关断。第七章 PWM控制技术 在电力电子技术中采用PWM控制技术可以提高电力电路或装置的功率

25、因数，并能实现变压和变频，成为了功率变换电路中的核心控制技术。7.1 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。面积等效原理，是PWM控制技术的重要理论基础。 原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。用PWM波代替正弦半波将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为p/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中

26、点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。 PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。7.2 PWM逆变电路及其控制方法7.2.1 计算法和调制法：计算法：根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形，这种方法称之为计算法。 计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 调制法：把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信