第五讲 电力电子器件概述、整流概述

1、1.7 1.7 电力电子器件器件的保护电力电子器件器件的保护1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护1.7.2 1.7.2 过电流的产生及过电流保护过电流的产生及过电流保护1.7.3 1.7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）返回1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压和内因过电压外因过电压外因过电压主要来自雷击和系统中的操作过程等外因 (1) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起 (2) 雷击过电压：由雷击引起内因过

2、电压内因过电压主要来自电力电子装置内部器件的开关过程 (1) 换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压 (2) 关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压返回1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护 过电压保护措施过电压保护措施 图1-34过电压抑制措施及配置位置F避雷器D变压器静电屏蔽层C静电感应过电压抑制电容RC1阀侧浪涌过电压抑制用RC电路RC2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式RC电路

3、RV压敏电阻过电压抑制器RC3阀器件换相过电压抑制用RC电路RC4直流侧RC抑制电路RCD阀器件关断过电压抑制用RCD电路S图1-34FRVRCDTDCUMRC1RC2RC3RC4LBSDC1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护电力电子装置可视具体情况只采用其中的几种其中RC3和RCD为抑制内因过电压的措施，属于缓冲电路范畴外因过电压抑制措施中，RC过电压抑制电路最为常见，典型联结方式见图1-35RC过电压抑制电路可接于供电变压器的两侧（供电网一侧称网侧，电力电子电路一侧称阀侧），或电力电子电路的直流侧1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产

4、生及过电压保护+-+-a)b)网侧阀侧直流侧图1 -35CaRaCaRaCdcRdcCdcRdcCaRaCaRa图1-35RC过电压抑制电路联结方式a)单相b)三相1.7.1 1.7.1 过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护大容量电力电子装置可采用图1-36所示的反向阻断式RC电路图1-36反向阻断式过电压抑制用RC电路保护电路参数计算可参考相关工程手册其他措施：用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管（BOD）等非线性元器件限制或吸收过电压电力电子装置过电压抑制电路图1-36C1R1R2C21.7.2 1.7.2 过电流的产生及过电流保护过电流的产生及过电流保护 过电流

5、过载和短路两种情况 常用措施（图1-37）图1-37过电流保护措施及配置位置负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器 变流器直流快速断路器电流互感器变压器图1 -37返回1.7.2 1.7.2 过电流的产生及过电流保护过电流的产生及过电流保护 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性 电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作1.7.2 1.7.2 过电流的产生及过电流保护过电流的产生及过电流保护快速熔断

6、器快速熔断器电力电子装置中最有效、应用最广的一种过电流保护措施选择快熔时应考虑：(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定(3)快熔的I 2t值应小于被保护器件的允许I 2t值(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间电流特性1.7.2 1.7.2 过电流的产生及过电流保护过电流的产生及过电流保护 快熔对器件的保护方式：快熔对器件的保护方式：全保护和短路保护两种 全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合 短路保护方式：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用 对重要的且易发生短路的晶闸管设备，或

7、全控型器件（很难用快熔保护），需采用电子电路进行过电流保护 常在全控型器件的驱动电路中设置过电流保护环节，响应最快 1.7.3 1.7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 缓冲电路缓冲电路（吸收电路）：吸收电路）：抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗 关断缓冲电路（du/dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗 开通缓冲电路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一起复合缓冲电路 其他分类法：耗能式

8、缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路） 通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路返回1.7.3 1.7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit）缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析1.无缓冲电路：V开通时电流迅速上升，di/dt很大关断时du/dt很大，并出现很高的过电压2.有缓冲电路V开通时：Cs通过Rs向V放电，使iC先上一个台阶，以后因有Li，iC上升速度减慢V关断时：负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压a)b)图1-38RiVDLVdidt抑制电路缓冲电路LiVDiRsCsVDst

9、uCEiCOdidt抑制电路无时didt抑制电路有时有缓冲电路时无缓冲电路时uCEiC图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形a) 电路 b) 波形1,7.3 1,7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 关断时的负载曲线关断时的负载曲线无缓冲电路时：uCE迅速升，L感应电压使VD通，负载线从A移到B，之后iC才下降到漏电流的大小，负载线随之移到C有缓冲电路时：Cs分流使iC在uCE开始上升时就下降，负载线经过D到达C负载线ADC安全，且经过的都是小电流或小电压区域，关断损耗大大降低ADCB无缓冲电路有缓冲电路图1-39uCE

10、iCO图1-39关断时的负载线 1.7.3 1.7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 充放电型RCD缓冲电路（图1-38），适用于中等容量的场合 图1-40示出另两种，其中RC缓冲电路主要用于小容量器件，而放电阻止型RCD缓冲电路用于中或大容量器件 图1-40另外两种常用的缓冲电路a)RC吸收电路b)放电阻止型RCD吸收电路L缓冲电路L缓冲电路负载负载a)b)图1-40EdRsCsEdRsCsVDs1.7.3 1.7.3 缓冲电路（缓冲电路（Snubber CircuitSnubber Circuit） 缓冲电路中的元件选取及其他注意事项缓

11、冲电路中的元件选取及其他注意事项 Cs和Rs的取值可实验确定或参考工程手册 VDs必须选用快恢复二极管，额定电流不小于主电路器件的1/10 尽量减小线路电感，且选用内部电感小的吸收电容 中小容量场合，若线路电感较小，可只在直流侧设一个du/dt抑制电路 对IGBT甚至可以仅并联一个吸收电容 晶闸管在实用中一般只承受换相过电压，没有关断过电压，关断时也没有较大的du/dt，一般采用RC吸收电路即可1.8 1.8 电力电子器件器件的串电力电子器件器件的串联和并联使用联和并联使用1.8.1 1.8.1 晶闸管的串联晶闸管的串联1.8.2 1.8.2 晶闸管的并联晶闸管的并联1.8.3 1.8.3 电

12、力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并联运行的特点并联运行的特点返回1.8.1 1.8.1 晶闸管的串联晶闸管的串联目的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联 问题问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀 静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等 承受电压高的器件首先达到转折电压而导通，使另一个器件承担全部电压也导通，失去控制作用 反向时，可能使其中一个器件先反向击穿，另一个随之击穿返回1.8.1 1.8.1 晶闸管的串联晶闸管的串联 静态均压措施静态均压措施选用参数和特性尽量一致的器件采用电阻均压，Rp的阻值

13、应比器件阻断时的正、反向电阻小得多图1-41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施b)a)图1-41RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT21.8.1 1.8.1 晶闸管的串联晶闸管的串联动态均压措施动态均压措施 动态不均压由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压 动态均压措施： 选择动态参数和特性尽量一致的器件 用RC并联支路作动态均压 采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间上的差异1.8.2 1.8.2 晶闸管的并联晶闸管的并联目的目的：多个器件并联来承担较大的电流问题问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀均流措施均流措施 挑选特性参数尽量一

14、致的器件 采用均流电抗器 用门极强脉冲触发也有助于动态均流 当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接返回1.8.2 1.8.2 晶闸管的并联晶闸管的并联图143 晶闸管并联均流电路1.8.3 1.8.3 电力电力MOSFETMOSFET和和IGBTIGBT并联运行的并联运行的特点特点 电力电力MOSFET并联运行的特点并联运行的特点 Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联 注意选用Ron、UT、Gfs和Ciss尽量相近的器件并联 电路走线和布局应尽量对称 可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用 IGBT并联运行的特点并联运行的特点 在1/2或1/3额定电

15、流以下的区段，通态压降具有负负的温度系数 在以上的区段则具有正正温度系数 并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联 返回2.0 整流基本概念 利用半导体电力开关器件的通、断控制，将交流电能变为直流电能称为整流。 实现整流的电力半导体开关电路连同其辅助元器件和系统称为整流器。 整流器的类型很多，归纳分类如下：1.按交流电源电流的波形可分为：（1） 半波整流。（2）全波整流。2.按交流电源的相数的不同可分为：（1） 单相整流。（2）三相整流。3.按整流电路中所使用的开关器件及控制能力的不同可分为： (1） 不控整流。（2）半控整流。（3）全控整流。4.按控制原理的不同可分为：（1） 相控整流。

16、（2）高频PWM整流。开关器件为二极管 开关器件为晶闸管开关器件为全控器件2.0 整流基本概念2.0 整流基本概念 对交流直流变换最基本的性能要求： 直流输出电压可以调控（交流输入电压变化时或负载变化时输出的直流电压可保持为任意指令值） 输出电压中交流分量（即谐波电压）被控制在允许值范围以内； 交流侧电流中的谐波电流也要求在允许值以内。 此外交流侧的功率因数、整流器的效率、重量、体积、成本、电磁干扰EMI和电磁兼容性EMC以及对控制指令的响应特性都是评价整流器的重要指标。 2.1 整流器的类型和性能指标 整流器最基本的性能指标有： 1. 电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）

17、 2. 电压脉动系数Sn 3. 输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion) 4. 输入功率因数PF（Power Factor） 上述基本性能指标能比较科学地评价各种整流电路的性能优劣 。2.1 整流器的类型和性能指标（续1） 纹波电压的定义：整流输出电压中除直流平均值电压VD外全部交流谐波分量有效值VH可以进一步表示为 ：DHvVVRF/12DrmsdHvVVVV22DrmsHVVVq电压谐波（纹波）系数的定义：输出电压中的交流谐波有效值 VH与直流平均值VD 之比值。表示为电压谐波系数或纹波系数RF（Ripple Factor）2.1 整流器的类型和性能指

18、标（续2）定义：整流输出电压中最低次谐波幅值Vnm与直流平均值VD之比 。Sn=Vnm/VD 电压脉动系数Sn2.1 整流器的类型和性能指标（续3） 交流输入电流中除基波电流Is1外通常还含有各次谐波电流Isn（n2，3，4，） 。 THD的定义：除基波电流外的所有谐波电流总有效值与基波电流有效值之比值 22122212 由于hSnSnSSIIIII1222121121211SnSnSSSSSShIIIIIIIIITHD输入电流总畸变率THD (Total Harmonic Distortion)SPPFAC/SSIVS 11111cos/)(cos)/(cos)/( SSSSSSSSACII

19、IVIVIVPPF221222221111111THDIIIIIIISnSnnSnSSSS输入功率因数PF（Power Factor） ：基波电流数值因数（简称基波因数）是基波电流有效值与总电流有效值之比值。交流侧电压与电流基波分量之间的相位角1称为基波位移角；基波功率因数 cos1称为基波位移因数DPF。若交流输入电压为无畸变的正弦波，则只有输入电流中的基波电流形成有功功率。这时，定义：交流电源输入有功功率PAC 与其视在功率S 之比，即2.1 整流器的类型和性能指标（续4）2.2.1单相半波不控整流（复习内容概述）主电路：不控二极管D1、D0工作原理：（理想情况下）在电源电压的正半周wt=

20、0p D1承受正向电压而导通。vD=vs, iD=isq 在电源电压的负半周wt=p2p D1受反压截止，阻断电路。 vD=0, iD=0q 如果负载有电感，则负载电流通过D0续流。2.2.1单相半波不控整流（续1） 特点： 整流电压直流平均值 SSSDVVtdtVV45. 02sin221 0 pwwpp q VD只与VS有关，不能被调控；q 输出电压脉动大，脉动频率低，难于滤波；q 仅正半周有输出（一个电源周期中仅一个电压脉波，即脉波数为1，称为“半波”）；q 电源电流的直流分量很大。几个重要的基本概念：几个重要的基本概念： 触发延迟角触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉

21、冲止的电角度,用a表示,也称触发角或控制角 导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用表示 2.2.1 2.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路( (Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)1.带电阻负载的工带电阻负载的工作情况作情况变压器T起变换电压和隔离的作用电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同 TVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2pwtwtwtwtu2uguduVTa0b)c)d)e)00图2-1 单相半波可控整流电路及波形返回2 2 电力电子电路分析方法电力电子电路分析方法对

22、电力电子电路的器件分析可基于下述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于导通状态时，VT相当于开关闭合，VT管压降为0。电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计0a)b)VTRLVTRLu2u2图2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态 b) VT处于导通状态 2.2.1 2.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路基本数量关系基本数量关系 直流输出电压平均值为 (2-1) VT的a 移相范围为180这种通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方

23、式paaapwwp2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU2.2.1 2.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化实际上很少应用此种电路分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念2.2.2单相桥式不控整流（复习内容） q原理及波形分析：q与两相半波电路相比：q 相同点：整流输出电压、交流电源电流波形。q 多用了两个二极管，但可略去有中心抽头的变压器。q 在中小容量的不控整流领域中应用广泛。 2.2.2 2.2.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1. 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况 工作原理及波形分析工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断 VT