第8章 电力电子学基础

1、 第第8章章 电力电子学基础电力电子学基础学习要求学习要求: 掌握电力半导体器件的基本工作原理、特性和主要参数的含义掌握电力半导体器件的基本工作原理、特性和主要参数的含义； 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制； 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。 前前 言言 电电力力（强强）电电子子学学电电力力半半导导体体器器件件微微（弱弱）电电子子学学集集成成电电路路半半导导体体器器件件

2、电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电 全控型器件全控型器件半控型器件半控型器件不可控器件不可控器件电力半导体器件电力半导体器件 电力半导体器件根据其导通和管断的电力半导体器件根据其导通和管断的可控性可分为可控性可分为 由电力半导体器件和相应电路所组成的电力变换电路按功能可以分为：由电力半导体器件和相应电路所组成的电力变换电路按功能可以分为：可控整流电路可控整流电路将固定频率、电压的交流电变为固定或可调的直流电；将固定频率、电压的交流电变为固定或可调的直流电；交流调压电路交流调压电路将固定频率、电压的交流电变为可调电压

3、的交流电；将固定频率、电压的交流电变为可调电压的交流电；逆变电路逆变电路把直流电变为频率固定或可调的交流电；把直流电变为频率固定或可调的交流电；变频电路变频电路把固定频率的交流电变为频率可调的交流电；把固定频率的交流电变为频率可调的交流电；斩波电路斩波电路把固定的直流电压变为可调直流电压；把固定的直流电压变为可调直流电压；电子开关电子开关功率半导体工作在开关状态，可以代替继电器、接触器用于频繁开合操作的场合。功率半导体工作在开关状态，可以代替继电器、接触器用于频繁开合操作的场合。 8.1半导体器件半导体器件 一、不可控型开关器件一、不可控型开关器件 大功率二极管属于不可控开关器件大功率二极管属

4、于不可控开关器件二、半控型开关器件二、半控型开关器件 晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称简称SCR）是在）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。 优点优点 ： (1)功率放大倍数可以达到几十万倍，功率放大倍数可以达到几十万倍，即用很小的功率即用很小的功率(电电流约几十毫安一百多毫安，电压约流约几十毫安一百多毫安，电压约24V)可以控制较大的功可以控制较大的功率率(电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏电

5、流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏)， (2) 控制灵敏、反应快，控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；级； (3) 损耗小、效率高损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小(仅仅1V左左右右)，总效率可达，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为，而一般机组效率仅为85%左右；左右； (4) 体积小、重量轻体积小、重量轻。缺点：缺点： (1) 过载能力弱过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电其可靠工作，在控制电路中要

6、采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；容易产生误动作； (3) 导致电网电压波形畸变导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；周围的电气设备； (4) 控制电路比较复杂控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。，对维修人员的技术水平要求高。 在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一

7、面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。管控制系统，获得越来越广泛的应用。 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。其中：其中：A阳极，阳极，K阴极，阴极，G控制极。控制极。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结1.晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理

8、主电路加上交流电压主电路加上交流电压u2，控制极电路接入，控制极电路接入Eg，在，在t1 瞬间合上开关瞬间合上开关S，在，在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S。 （1）在）在0t1之间之间: 开关开关S未合上，未合上，ug=0，尽管，尽管uAK0，但，但ud=0，即晶闸，即晶闸管未导通；管未导通； （2）在）在t1t2之间之间: uAK0 ，由于开，由于开关关S合上，使合上，使ug0，而，而 ， 即晶闸即晶闸管导通；管导通； （3）在）在 t2t3 之间，之间， uAK0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）在）在 t3t4 之间，之间， uAK0，这时，这时ug0 ,而而

9、，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；2uud （5）当）当 t=t4 时，时， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态；2uud2uud （6）当）当 t=t5 时，时， uAK=0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；

10、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。值（或断开，或反向）。3.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关

11、系称为晶闸管的伏安特性。 正向正向( uAK 0 ) 正向阻断状态正向阻断状态: 当当ug=0， uAK 0， uAK 0，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向反向( uAK 0 ) 反向截止状态反向截止状态: 当当 uAK URSM ，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。 反向击穿反向击穿：当：当 uAK =URSM ，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状 态。态。 URSM称为称为反

12、向不重复峰值反向不重复峰值电压电压，或用，或用UBR表示称表示称反向击穿电压反向击穿电压。4. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1） 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压端的正向峰值电压 。UDRM=UDSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般： 晶闸管的晶闸管的UDRM 、 UDRM应等于所承受的正、反向电压的（应等于所承受的正、反向电压的（23）倍。）倍。 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM

13、 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压的反向峰值电压 。URRM=URSM -100 3）额定通态平均电流（额定电流）额定通态平均电流（额定电流）IT 在环境温度不大于在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。额定通态平均电流，简称为额定电流。 4）维持电流）维持电流 IH 在规定的环境温度和控制极断路时

14、，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA一百多一百多mA 三、全控型开关器件三、全控型开关器件1.门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）工作特点：工作特点：当门极当门极G上加正电压或正脉冲信号时，上加正电压或正脉冲信号时，GTO导通并保持；导通并保持；当门极上加上反向电压或反向脉冲当门极上加上反向电压或反向脉冲时，时，GTO关断并保持。关断并保持。2.电力晶体管（电力晶体管（GTR）内部结构内部结构基本电路基本电路开关时间开关时间主要特性主要特性 1） 开路关断电压开路关断电压基极开路时另两个极之间

15、能承受的最高电压；基极开路时另两个极之间能承受的最高电压； 2）集电极最大持续电流）集电极最大持续电流基极偏置时，集电极能流过的最大电流。基极偏置时，集电极能流过的最大电流。3.电力场效应晶体管电力场效应晶体管主要参数：主要参数：1）开启电压）开启电压UT当当uGS上升到开启电压上升到开启电压UT时，开始时，开始出现漏极电流出现漏极电流;漏极电压漏极电压漏极直流电流和脉冲直流峰值漏极直流电流和脉冲直流峰值删源电压删源电压2)极间电容极间电容4.绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管简化等效电路简化等效电路图形符号图形符号基本电路基本电路 8.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 整流整流将交流电变为

16、直流电的过程；将交流电变为直流电的过程；整流电路整流电路将交流电变为直流电的电路；将交流电变为直流电的电路；整流整流单相单相 三相三相 不可控不可控可控可控 不可控不可控可控可控 8.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 u2输入电压输入电压 ；ud输出电压输出电压 ；控制角控制角 ；晶闸管元件承受正向电压起始点晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。到触发脉冲的作用点之间的电角度。 导通角导通角 ；是晶闸管在一周期时间内导是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。通的电角度。 的的范范围围 00 一、带电阻性负载的可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路 的的范范

17、围围 214502 cosRU.RUIdd 2cos145. 0)(sin22122UttdUUdtsinUu 222 输入电压输入电压：负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U二、带电感性负载的可控整流电路二、带电感性负载的可控整流电路 单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。三、加续流二极管的电路三、加续流二极管的电路 为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平为了提高大电感负载时的单相

18、半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取负载两端并联一只二极管的措施。均电压，可采取负载两端并联一只二极管的措施。ddVS2II ddv22II 晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值： 续流二极管的电流平均值：续流二极管的电流平均值： 2cos145. 0)(sin22122UttdUUdtsinUu 222 输入电压输入电压：负载电压负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U 8.2.2 单相桥式整流电路单相桥式整流电路 一、晶闸管组成的半控桥式整流电路。一、晶闸管组成的半控桥式整流电路。 1. 电阻性负载电阻性负载 2cos19 . 0)(sin2122 Uttd

19、UUd21902 cosRU.RUIdd负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U 2. 电感性负载电感性负载 有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。 流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流： dI 2cos19 . 0)(sin2122 UttdUUd负载电压负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最

20、大正反向电压：22U 半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。 这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过V1和和V2形成续流，确保形成续流，确保VS1或或VS2可靠关断，这样也就不会出现失控现象。可靠关断，这样也就不会出现失控现象。流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2流过续流二极管的平均电流流过续流二极管的平均电流 ：ddvII 222cos19 . 0)(sin2122 UttdUUd负载电压负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U 为了

21、节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。 3.反电势负载反电势负载 当整流电路输出接有电势负载时当整流电路输出接有电势负载时,只有当只有当电源电源的瞬时值大于反电势电源电源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在电

22、路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。 a. 负载两端的电压平均值比电阻性负载时高负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 b. 负载电流平均值比电阻性负载时低负载电流平均值比电阻性负载时低 REUIdd 因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要管必须降低电流定额使

23、用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动。求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动。 二、单相全控桥式整流电路二、单相全控桥式整流电路 单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。 例例10.1 欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节

24、范围：电压U0=0V180V,电流电流I0=010A。现采用单相半。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。 解解: 设在晶闸管导通角设在晶闸管导通角为为(控制角为控制角为0 )时输出电压值为最大（时输出电压值为最大（180V），）， 则对应的则对应的输入交流电压有效值输入交流电压有效值为最大。为最大。V.UU20090180900 实际上还要考虑实际上还要考虑电网电压波动电网电压波动、管压降管压降以及以及导通角导通角常常到不了常常到不了1800 ，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大，交

25、流电压要比上述计算而得到的值适当加大10%左左右，即大约为右，即大约为220V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。的交流电源上。 交流电流有效值交流电流有效值 ：A.AVVRUIL21210180220 晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压相等，即：相等，即：VV.UUURMFM3102204112流过晶闸管和二极管的平均电流流过晶闸管和二极管的平均电流 ：AAIIIVVS52102108.2.3 三相可控整流电路三相可控

26、整流电路 一、三相半波可控整流电路一、三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路图如图所示。三相半波可控整流电路图如图所示。 自然换相点：自然换相点：0 时时：当当01 .触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200PPdU.)t(tdsinUU265621712321 设输入电压为：设输入电压为：tsinUuPA 22 cosU.)t(tdsinUUP)()(Pd265621712321时时：当当602 .时时当当6563 .330117123210262 cosU.)t(tdsinUUP)(Pd 可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为：PU22PPUU226

27、32 当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为: 8.3 逆变器逆变器 利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器逆变器。变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载，则称为。负载，则称为。 逆变逆变无源逆变无源逆变变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为变流器的交流侧接到交

28、流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去同频率的交流电反馈到电网去 一、无源逆变电路的工作原理一、无源逆变电路的工作原理 无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。 1. 无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理 2.单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器 二、单相无源逆变器的电压控制二、单相无源逆变器的电压控制 1. 控制逆变器的输入直流电压控制逆变器的输入直流电压 2. 在逆变器内部的电压控制在逆变器内部的电压控制 （1）脉宽控制）脉宽控制 不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶

29、体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称改变逆变器输出电压，此方法称脉宽控制脉宽控制。 若使延迟角从若使延迟角从0变到变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。 （2）脉冲宽度调制（）脉冲宽度调制（PWM） 如果使如果使VS1与与VS4，VS2与与VS3通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断N次，则其输出电压波形为一系列次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉

30、冲（称被调制的矩形脉冲（称载波载波），如图所示（这时），如图所示（这时N=5）。）。 逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲总的导通时间与总的总的导通时间与总的关断时间的比率关断时间的比率来控制的，这有两种基本的方法：来控制的，这有两种基本的方法： 第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数；第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数； 第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。 第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期

31、内的脉冲数。内的脉冲数。 第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。脉冲数不变。三、无源逆变器的换相（换流三、无源逆变器的换相（换流） 但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如不采取措施，则晶闸管一旦过零变负的时候，所以，如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。触发导通后就关断不了。 两组晶闸管交替地两组晶闸管交替地导通和关断的过程导通和关断的过程，就是电流转换的过程，简称，就是电流转换的过程，简称换流换流。 负载是由电感负载是由电感L和补偿电容和补偿电容C组成的并联谐振回路，组成的并联谐振回路，Ld为限流电抗器。为限流电抗器。10.4 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路触发电路。 （1）单结晶体管触发电路）单结晶体管触发电路