第八章 电力电子学.

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电力半导体器件根据其导通和管断的可控性可分为导通和管断的可控性可分为 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。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。电输出之间的桥梁作用。 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。导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。 优点优点 ： (1)功率放大倍数可以达到几

5、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(电流约几十毫安一百电流约几十毫安一百多毫安，电压约多毫安，电压约24V)可以控制较大的可以控制较大的功率功率(电流自几十安几千安，电压自几电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏百伏几千伏)， (2) 控制灵敏、反应快，控制灵敏、反应快，晶闸管的导晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；通和截止时间都在微秒级； (3) 损耗小、效率高损耗小、效率高，晶闸管本，晶闸管本身的压降很小身的压降很小(仅仅1V左右左右)，总效率可，总效率可达达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

6、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，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，其电制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；压、电流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差抗干扰能力差，易受冲击电压的影，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；响，当外界干扰较强时，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，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；谐波分量增加，干扰周围的电气设备； (4) 控制电路比较复杂控制电路比

7、较复杂，对维修人，对维修人员的技术水平要求高。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。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管控制系统，获得越来越广泛的应用。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。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 瞬间瞬间合上开关合上开关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: 开开关关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 ，由于开关，由于开关S合上，合上，使使ug0，而，而 ， 即即晶闸管导通；晶闸管导通； （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

9、而 ，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）若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还）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；向阻断

10、能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管）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；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，）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）。定值（或断开，或反向）。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：1)当门极当门极G上加正电压或上加正电压或正脉冲信号时，正脉冲

11、信号时，GTO导导通并保持；通并保持；2)当门极上加上反向电压当门极上加上反向电压或反向脉冲时，或反向脉冲时，GTO关关断并保持。断并保持。2.电力晶体管（电力晶体管（GTR）内部结构内部结构耐高压，电流大，开关性好耐高压，电流大，开关性好3.电力场效应晶体管电力场效应晶体管4.绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 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

12、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 ；晶闸管元件承受晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。的作用点之间的电角度。 导通角导通角 ；是晶闸管在是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。一周期时间内导通的电角度。 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

13、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。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均电压，可采取负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。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

14、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 UttdUUd21902 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 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

15、桥中的两只二极管用两只晶闸管代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。替即构成全控桥。 8.2.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 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 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

16、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，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做为逆变，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。率或可变频率的交流电供给负载，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

17、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（或晶体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，此方法称脉

18、宽控脉宽控制制。 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过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断通和关断N次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲（称次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲（称载波载波），如图），如图所示（这时所示（这时N=5）。）。 逆变器输出电压的幅值是通过改变脉逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲冲总的导通时间与总的关断时间的比率总的导通时间

19、与总的关断时间的比率来来控制的，这有两种基本的方法：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；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。周期内的脉冲数不变。 第一种方法是维持恒定的脉冲宽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。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。持每一半周期内的脉冲数不变。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

20、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 （2）小容量晶闸管触发电路）小容量晶闸管触发电路 （3）晶体管触发电路）晶体管触发电路 10.4.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 实质：晶闸管的可靠触发实质：晶闸管的可靠触发 （1）触发电路应能供给足够大的）触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该，一般要求触发电压应该在在4V以上，以上，10V以下；以下； （2）触发脉冲的宽度触发脉冲的宽度必须在必须在10微秒以上，如微秒以上，如果负载是大电感，电流果负载是大电感，电流 上升比较慢，那么，触发上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。脉冲的宽度还应该增大。 （3）不触发时，触发电路的输出电压应该小）不触发时，触发电路的输出电压应该小于于0.15V0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误，为了提高抗干扰能力，避免误触