整套课件教程：电力电子技术

1、电力电子技术第1章 电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2功率二极管1.3晶闸管1.4功率场兹应晶体管下一页返回第2章 交流-直流变换电路2. 1单相可控整流电路2. 2三相可控整流电路2. 3相控整流电路的换相压降2. 4有源逆变电路2. 5无源逆变电路2. 6逆变器的SPWM控制技术上一页下一页返回第3章 晶闸管触发电路3. 1对触发电路的要求3. 2单结晶体管触发电路3. 3同步信号为锯齿波的触发电路3. 4 KC04集成移相触发器3. 5六路双脉冲发生器KC41 C3. 6三相全控桥整流电路的集成触发电路上一页下一页返回第4章 直流一直流变换电路4. 1直流变换的基本结构和工作原理4

2、. 2直流斩波器4. 3变压器隔离的直流一直流变换器上一页下一页返回第5章 交流变换电路5. 1晶闸管交流开关电路5. 2交流调压电路5. 3交一交变频电路上一页下一页返回第6章 电力电子技术工程项目设计6. 1项目设计大纲6. 2项目设计任务书6. 3晶闸管整流器项目设计指导书上一页下一页返回第7章 MATLAB仿真7. 1典型电力电子器件的MATLAB仿真模型实训7. 2交流一直流变换电路的MATLAB仿真研究7 .3直流一交流变换电路的仿真7. 4交流一交流变换电路的MATLAB仿真7.5直流一直流变换电路的MATLAB仿真上一页下一页返回项目一 晶闸管导通关断实验上一页下一页返回项目二

3、典型电力电子器件的测试实验任务一晶闸管的简单测试任务二功率场效应晶体管的检测方法上一页下一页返回项目三 晶闸管触发电路的应用任务一单结晶体管触发电路实验任务二音乐彩灯控制器任务三调光灯上一页下一页返回项目四 整流逆变应用任务一 磨床调速装置任务二 电力机车上一页下一页返回项目五 开关电源任务一开关电源电路分析及检测任务二开关电源故障分析及检修方法的讨论上一页下一页返回项目六 交流变换电路的应用任务一龙门铣床调速系统任务二变频电源使用与维护研究上一页返回第1章 电力电子器件1.1电力电子器件概述1.2功率二极管1.3晶闸管1.4功率场兹应晶体管返回1. 1 电力电子器件概述1.1.1电力电子器件

4、的概念电力电子器件是可直接于电能主电路中实现电能变换或控制的电子器件。广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两大类。1. 1. 2电力电子器件的基本模型电力电子器件可以抽象成图I一I所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。1. 1. 3电力电子器件的基本特性及分类电力电子器件种类繁多，其结构特点、工作原理、应用范围各不相同，但是在电力电子电路中它们的功能相同，都是工作在通、断状态。下一页返回1. 1 电力电子器件概述1.电力电子器件的基本特性1)电力电子器件一般都工作在开关状态。2)电力电子器件的开关状态由外电路(驱动电路)来控制。3

5、)在工作中器件的功率损耗(通态、断态、开关损耗)很大，为防止器件温度过高而损坏，一般都要安装散热器。2.电力电子器件的分类按照开关控制特性分为:1)半控型器件，例如晶闸管。2)全控型器件，例如GTO (门极可关断晶闸管)、GTR(电力晶体管)、电力MOSFET(电力场效应晶体管)IGBT(绝缘栅双极晶体管)。3)不可控器件，例如电力二极管。上一页下一页返回1. 1 电力电子器件概述按照控制信号的特性分为:1)电压驱动型器件，例如IGBT, MOSFET。2)电流驱动型器件，例如晶闸管、GTO, GTR根据驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的有效信号波形分为:1)脉冲触发型，例如晶闸管、

6、GTO。2)电子控制型，例如GTR, MOSFET, IGBT。按照电力电子器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为:1)单极型器件，例如电力二极管、晶闸管、GTO, GTR2)双极型器件，例如MOSFET, IGBT。3)复合型器件，例如MCT (MOS控制晶闸管)。上一页下一页返回1. 1 电力电子器件概述3.电力电子器件的优缺点电力二极管:结构和原理简单，工作可靠。晶闸管:承受电压和电流容量在所有器件中最高。IGBT:开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，驱动功率小。缺点:开关速度低于电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。GTO:电压、电

7、流容量大，适用于大功率场合，其通流能力很强。缺点:电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。MOSFET:开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题。缺点:电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10 kW的电力电子装置。上一页返回1.2 功率二极管1. 2. 1功率二极管的结构和工作原理1.元件结构普通功率二极管由N型半导体和P型半导体结合构成的，如图1 -2所示。在PN结的P型端引出的电极称为阳极A，在N型端引出的电极称为阴极K。功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形结构，如图1一3

8、( a)、图1一3(b)所示。2.工作原理功率二极管的工作原理和普通二极管一样，当受到正向电压作用时，PN结导通，正向压降很小;当二极管处于反向电压作用时，PN结截止，仅有极小的漏电流流过二极管。下一页返回1.2 功率二极管1.2.2二极管的伏安特性图1 -4所示是电力二极管的伏安特性曲线。从图中可知电力二极管具有单向导电性。1.2.3功率二极管的主要参数1.额定正向平均电流式IdD(额定电流)IdD是指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流就是这个电流。在实际应用中应按照流过二极管实际波形与工频正弦半波平均电流的有效值(热效应)相等的

9、原则来选取额定电流。上一页下一页返回1.2 功率二极管2.正向压降U(管压降)U是指在规定温度下，流过稳定的额定电流时所对应的正向压降。3.反向重复峰值电压认URRM额定电压)在额定温度条件下，元件反向伏安特性曲线的转拆处对应的反向电压称为反向不重复峰值电压URSM ， URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM(额定电压)，它是功率二极管能重复施加的反向最高电压。一般在选用功率二极管时，以其在电路中可能承受的反向峰值电压的2一3倍来选择额定电压。1.2.4功率二极管的型号和选择原则1.功率二极管的型号国产普通功率二极管的型号规定如图1一5所示。上一页下一页返回1.2 功率二极管2.功率二极

10、管的选择原则(1)选择额定正向平均电流IdD的原则在规定的室温和冷却条件下，要求所选管子的额定电流IdD对应的有效值IdM大于管子在电路中实际可能通过的最大电流有效值IdM ，即IdM Idm.。所以首先要根据电路结构确定IdM ，从而求得IdM,(2)选择额定电压URRM的原则选择功率二极管的反向重复峰值电压等级(额定电压)应为管子在所工作的电路中可能承受的最大反向电压IdM的2 3倍，即:上一页下一页返回1.2 功率二极管1. 2. 5功率二极管的其他派生器件1.快恢复二极管快恢复二极管的特点是恢复时间短，尤其是反向恢复时间短，一般在5s以内，用于反向恢复时间短的电路中，如用于与可控开关配

11、合的高频电路中。2.肖特基二极管肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的二极管，其反向恢复时间更短，一般为10 40 ns，其开关损耗和正向导通损耗都很小。上一页返回1. 3 晶闸管1. 3. 1晶闸管的结构晶闸管是一种具有3个PN结的大功率4层半导体器件，其结构和电气符号如图1一6所示。晶闸管常用的有螺栓式、平板式两种。图1 -6 (a)示出了塑封式、螺栓式和平板式晶闸管的外形。晶闸管的结构如图1 -6 (b)所示。由P,层和N:层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K。由P2层引出的电极是门极G，也称控制极。从晶闸管的结构图可知，晶闸管的内部可以看成是由3个二极管连接而成的。晶闸管的电气符号如

12、图1一6 (c)所示。下一页返回1. 3 晶闸管1.3.2晶闸管的导通关断原理晶闸管内部是PNPN 4层结构，可以看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的等效电路，连接形式如图1 -7所示。控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度，也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。可采用的方法有:将阳极电源断开，改变晶闸管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。1.3.3晶闸管的特性1.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳、阴极间电压UA和阳极电流IA之间的关系特性，如图1一8所示。上一

13、页下一页返回1. 3 晶闸管(1)正向特性晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。(2)反向特性晶闸管的反向特性是指晶闸管的反向阳极电压与阳极漏电流的伏安特性。2.晶闸管的开关特性晶闸管的开关特性如图1 -9所示。晶闸管的开通不是瞬间完成的，开通时阳极与阴极两端的电压有一个下降过程，而阳极电流的上升也有一个过程，这个过程可分为两段。上一页下一页返回1. 3 晶闸管晶闸管的关断过程也如图1 -9所示。电源电压反向后，从正向电流降为零起到能重新施加正向电压为止的时间定义为器件的关断时间toff。通常定义器件的关断时间toff等于反向阻断恢复时间trr与正向阻断恢复时间tgr之和，即1.3.4晶

14、闸管的主要参数1.额定电压UTN及相关参数(1)正向重复峰值电压鱿UDRM;上一页下一页返回1. 3 晶闸管在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM 。一般规定此电压为正向不重复峰值电压UDRM的80%。(2)反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向重复峰值电压鱿URRM ，此电压取反向不重复峰值电压URSM的80%.(3)额定电压UTN 在晶闸管的铭牌上，额定电压是以电压等级的形式给出的，通常标准电压等级规定为:电压在1000V以下，每100 V为一级，1000一3 000 V，每200

15、 V为一级。上一页下一页返回1. 3 晶闸管2.额定电流IT(AV)所谓通态平均电流是指在环境温度为40和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170。电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为晶闸管的额定电流。3.通态平均电压UT(AV)在规定环境温度、标准散热条件下，通过额定电流时，晶闸管阳极和阴极间电压降的平均值，称通态平均电压(一般称管压降)，其数值按表1一1分组。从减小损耗和元件发热来看，应该选择UT(AV)较小的管子。实际当晶闸管流过较大的恒定直流电流时，其通态平均电压比元件出厂时定义的值(如表1一1所示

16、)要大1. 5 V左右。上一页下一页返回1. 3 晶闸管4.维持电流IH和擎住电流IL在室温且控制极开路时，能维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH 。维持电流大的晶闸管容易关断。给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为擎住电流IL 。对同一晶闸管来说，擎住电流IL是维持电流IH的3 5倍。5.门极触发电流ICT门极触发电流ICT汗为在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断状态到完全开通所必需的最小门极直流电流。上一页下一页返回1. 3 晶闸管6.门极触发电压认UCT对应于门极触发电流时的门极电压叫做门极触

17、发电压。对于晶闸管的使用者来说，为使触发器适用于所有同型号的晶闸管，触发器送给门极板的电压和电流应适当地大于所规定的ICT和UCT上限，但不应超过其峰值ICFM和UGFM门极平均功率PC和峰值功率(允许的最大瞬时功率PCM也不应超过规定值。7.通态电流临界上升率di/dt把在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时，晶闸管能够承受而不损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率di/dt。晶闸管所允许的最大电流上升率应小于通态电流临界上升率。上一页返回1.4功率场效应晶体管1. 4. 1功率场效应晶体管的结构及工作原理1. P一MOSFET的结构P - MOSFET主要采用立式结构，其3个外

18、引电极为栅极G、源极S和漏极D，但不在芯片的同一侧，如图1一10所示。功率场效应管的导电沟道分为N沟道和P沟道，栅偏压为零时漏源极之间存在导电沟道的称为耗尽型;栅偏压大于零(N沟道)才存在导电沟道的称为增强型。几种功率场效应晶体管的外形如图1一11所示。图1一12是P一MOSFET的电气图形符号，图1一12 (a)表示N沟道功率场效应管，电子流出源极;图1一12 ( b)表示P沟道功率场效应管，空穴流出源极。下一页返回1.4功率场效应晶体管2. P一MOSFET的工作原理1)当栅源极电压UGS= 0时，栅极下的P型区表面呈现空穴堆积状态，不可能出现反型层，无法沟通漏源。此时，即使在漏源之间施加

19、电压，MOS管也不会导通。2)当栅源极电压0 UGS UT (UT为开启电压)时，栅极下面的P型区表面呈现耗尽状态，还是无法沟通漏源，此时MOS管仍保持关断状态，如图1一10(b)所示。3)当栅源极电压UGS UT时，栅极下面的硅表面从P型反型成N型，形成N型沟道把源区和漏区联系起来，从而把漏源沟通，使MOS管进入导通状态，如图1一10 (c)所示。上一页下一页返回1.4功率场效应晶体管1.4.2 P一MOSFET的特性和主要参数1.转移特性转移特性是指在输出特性的饱和区内，维持UGS不变时， UGS与输出电流几之间的关系曲线，如图1一13 (a)所示。2.输出特性P一MOSFET的输出特性如

20、图1一13 ( b)所示，它反映的是当UGS一定时，输出电流ID与漏极电压UDS之间的关系。3.开关特性P - MOSFET的开关时间很短，影响开关速度的主要因素是器件的极间电容。P一MOSFET开关过程及开关时间如图1一14所示。上一页下一页返回1.4功率场效应晶体管4.主要参数1) 通态电阻Ron :是指在确定的u GS下，P一MOSFET由线性导电区进入饱和恒流区时的直流电阻，它是影响最大输出功率的重要参数。2)开启电压UT是指沟道体区形成沟道所需的最低栅极电压。3)漏极击穿电压BuDS是为避免器件进入雪崩击穿区而设的极限参数。4)栅源击穿电压BuCS :表征P一M()SFET栅源极间所

21、能承受的最高正、反向电压。5)漏极连续电流IDS和漏极峰值电流IDM:是表征P一MOSFET在连续电流下和脉冲电流下的电流容量。上一页返回图1一1电力电子器件的理想开关模型返回图1 -2功率二极管的结构和电气符号返回(a)功率二极管的结构;(b)功率二极管的电气符号图1一3功率二极管的外形返回(a)螺栓型:(b)平板型图1一4功率二极管的伏安特性曲线返回图1一5电力二极管型号返回图1 - 6晶闸管的外形、结构和电气符号返回图1-7晶闸管导通、关断原理的等效电路返回图1一8晶闸管的伏安特性曲线返回图1一9晶闸管的开关特性返回表1一1晶闸管通态平均电压分组返回图1一10 P一MOSFET立式结构示

22、意图返回图1一11几种功率场效应晶体管的外形返回图1一12 P一MOSFET的电气图形符号返回图1-13 P-MOSFET的转移特性和输出特性返回图1-14 P-MOSFET开关过程及开关时间返回第2章 交流-直流变换电路2. 1单相可控整流电路2. 2三相可控整流电路2. 3相控整流电路的换相压降2. 4有源逆变电路2. 5无源逆变电路2. 6逆变器的SPWM控制技术返回2. 1单相可控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路(电阻性负载)能实现将交流电能转换为直流电能的电路称为整流电路。在直流电动机的调速、同步电机的励磁、电焊等场合往往需要电压大小可调的直流电源。利用晶闸管的可控单向导电性，

23、控制其移向角能把交流电能变换成大小可调的直流电能，这种整流电路称为相控整流电路。1.电路结构图2一1 (a)是单相半波可控整流电路原理图，晶闸管作为开关元件，变压器Tr起变换电压和隔离的作用，用u1和u2分别表示一次和二次电压瞬时值，二次电压u2为50 Hz正弦波，波形如图2一1 (b)所示，其有效值为UZ。下一页返回2. 1单相可控整流电路2.工作原理在电源电压正半波(0-区间)，晶闸管承受正向电压，脉冲Ug在wt=a处触发晶闸管，晶闸管开始导通，形成负载电流id，负载上有输出电压ud。2)在wt=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。3)在电源电压负半波，uAK

24、0，晶闸管uAK U。在wt=a处触发晶闸管，使其导通，形成负载电流id，负载上有输出电压和电流，此间续流二极管VD承受反向阳极电压而关断。上一页下一页返回2. 1单相可控整流电路2)在电源电压负半波，电感感应电压使续流二极管VD导通续流，此时电压u2 300时，负载电流断续，8=1500 +，输出电压平均值Ud为4)晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值，即 ，最大正向电压为电源相电压，即5)负载电流的平均值流过每个晶闸管的平均电流上一页下一页返回2. 2 三相可控整流电路5.电路特点1) a=00时输出整流电压最大;增大a时，波形的面积减小，即整流电压减小;当a=1500时，整流电压为零

25、。所以，电阻性负载控制角a的移相范围为1500。2)当a300时，负载电流连续，每个晶闸管在一个周期中持续导通1200;当a 300时，负载电流断续晶闸管的导通角为=150-a。3)流过晶闸管的电流等于变压器的二次侧电流。4)输出整流电压ud的脉动频率为3倍的电源频率。2. 2. 2三相半波可控整流电路(阻一感性负载)1.电路结构三相半波共阴极阻一感性负载电路与波形图如图2 -8所示。上一页下一页返回2. 2 三相可控整流电路2.工作原理当a300时，相邻两相的换流在原导通相的交流电压过零变负之前，工作情况与电阻性负载相同。当a300时，假设a=600, VT1已经导通，在u相交流电压过零变负

26、后，由于未到VT2的触发时刻，VT2未导通，在负载电感作用下VT1继续导通，输出电压ud 900的区域内，使红Ud0，如图2一18 (a), (b)所示，电动机M作电机运行。整流器输出功率，电机吸收功率电流值为上一页下一页返回2. 4 有源逆变电路(3)全波整流电路工作在逆变状态整流电路的控制角a必须在9001800范围内变化，如图2一18 (c) , (d)所示。此时，电流Id为2.三相半波有源逆变电路图2一19为三相半波整流器带电动机负载时的电路，并假设负载电流连续。当a在90 0 1800范围内变化时，变流器输出电压的瞬时值在整个周期内虽然有正有负或者全部为负，但负的面积总是大于正的面积

27、，故输出电压的平均值Ud为负值.上一页下一页返回2. 4 有源逆变电路3.三相桥式有源逆变电路三相全控桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥式逆变电路。三相桥式逆变电路的工作与三相桥式整流电路一样，要求每隔60。依次触发晶闸管，电流连续时，每个管子导通1200，触发脉冲必须是双窄脉冲或者是宽脉冲。直流侧电压计算公式为2. 4. 4有源逆变最小逆变角吞min的限制上一页下一页返回2. 4 有源逆变电路1.逆变失败如果逆变角小于换流重叠角Y，即 Y时，从图2 - 20所示的波形中可清楚看到，换流还未结束，电路的工作状态到达uA与uB交点P，从P点之后， uA将高于uB ，晶闸管T承受反压而重新关

28、断，而应该关断的T1却承受正压而继续导通，从而造成逆变失败。2.最小逆变角min的选取1)换相重叠角Y随电路形式、工作电流的大小不同而不同，一般选取为tq电角度。2)晶闸管关断时间t、所对应的电角度。一般t、大的可达200 300s，拆算电角度为40一50.上一页下一页返回2. 4 有源逆变电路3)安全裕量角 。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动等因素影响，还必须有一个安全裕量角，一般选取为100。综上所述，最小逆变角min为上一页返回2. 5 无源逆变电路2. 5. 1电压型单相半桥逆变电路电压型半桥逆变电路结构及波形如图2 -21所示。它由两个导电臂构成，每个导电臂由一个全控器件和一个反并联

29、二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容C1和C2，且满足C1= C2。设感性负载连接在A, 0两点间。T1和T2之间存在死区时间，以避免上、下直通，在死区时间内两晶闸管均无驱动信号。1.电压型逆变电路半桥逆变电路工作原理在一个周期内，电力晶体管T1和T2的基极信号各有半周正偏，半周反偏，且互补。若负载为阻感负载，设t2时刻以前，T1有驱动信号导通，T2截止，则UD=Ud/2。下一页返回2. 5 无源逆变电路2.电压型早相全桥还变电路全控型开关器件T1和T2构成一对桥臂，T2和T3构成一对桥臂，T1和T4同时通、断，T2和T3同时通、断，两对桥臂各交替导通1800。T1(T4)与T2

30、 (T3)的驱动信号互补，即T1和T4有驱动信号时，T2和T3无驱动信号时，反之亦然。图2 - 22所示是RL负载时的电路和波形。2. 5. 2电流型逆变电路1.电流型单相桥式逆变电路 当以频率f交替切换开关管T1, T4和T2 , T3时，则在负载上获得如图2一23 (b)所示的电流波形。输出电流波形为矩形波，与电路负载性质无关，而输出电压波形由负载性质决定。上一页下一页返回2. 5 无源逆变电路 2.电流型三相桥式逆变电路导电方式为1200导通、横向换流方式，任意瞬间只有两个桥臂导通。导通顺序为T1一T2一T3一T4一T5一T6，依次间隔600每个桥臂导通1200。这样，每个时刻上桥臂组和

31、下桥臂组中都各有一个臂导通。输出电流波形与负载性质无关，输出电压波形由负载的性质决定(见图2 -24)。上一页返回2. 6 逆变器的SPWNI控制技术2. 6. 1 SPWM控制的基本原理(1) PWM产生原理将一个正弦波半波电压分成N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到如图2 -25所示的脉冲列。这就是PWM波形。 (2) SPWM控制方式是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或者其他需要的波形。下一页返回2. 6 逆变器的SPWNI控制

32、技术2.6.2单极性SPWM控制方式(1)定义三角载波只在一个方向变化，得到的PWM波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性SPWM控制方式。(2)原理如图2一26所示为单相桥式PWM逆变电路原理图。(3)晶体管的控制规律调节调制信号u1的幅值可以使输出调制脉冲宽度作相应的变化，这能改变逆变器输出电压的基波幅值，从而可实现对输出电压的平滑调节;改变调制信号u1的频率则可以改变输出电压的频率。所以，从调节的角度来看，SPWM逆变器非常适用于交流变频调速系统。波形如图2一27。上一页下一页返回2. 6 逆变器的SPWNI控制技术2.6.3双极性SPWM控制方式1)定义:三角载波是正负两个方向变化

33、，所得到的SPWM波形也是在正负两个方向变化控制方式。2)原理。在uf的一个周期内，PWM输出只有士Ud，两种电平。逆变电路同一相上下臂的驱动信号是互补的。在实际应用时，为了防止上下两个桥臂同时导通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟t时间，然后给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短取决于功率开关器件的关断时间。需要指出的是，这个延迟时间将会给输出的PWM波形带来不利影响，使其偏离正弦波。波形如图2一28。上一页下一页返回2. 6 逆变器的SPWNI控制技术2. 6. 4 SPWM控制的逆变电路的优点1)可以得到接近正弦波的输出电压，满足负载需要。2)整流电路采用二极管整流，可获得较高

34、的的功率因数。3)只用一级可控的功率的环节，电路结构简单。4)通过对输出脉冲宽度控制就可改变输出电压的大小，大大加快了逆变器的动态响应速度。上一页返回图2一1单相半波整流电路(阻性负载)返回图2一2单相半波整流电路(阻一感性负载)返回图2一3单相全控桥式整流电路带电阻性负载的电路与工作波形返回图2 -4单相全控桥式整流电路带电感性负载电路与波形图返回图2 -5三相半波整流电路带阻性负载电路与波形图返回图2-6 a = 300时三相半波整流阻性负载波形返回图2一7 a = 600时三相半波整流阻性负载波形返回图2一8三相半波整流电路带阻一感性负载电路与波形图返回图2一9三相半波共阳极可控整流电路

35、及波形返回图2一10三相桥式相控整流电路带电阻负载a=00返回图2一11三相桥式相控整流电路带电阻负载a =30 0返回图2一12三相桥式相控整流电路带电阻负载a =900返回图2一13大电感负载三相全控整流电路及波形返回图2一14大电感负载三相全控整流波形返回图2一15三相桥式半控整流电路及其电压电流波形返回图2一16考虑变压器的漏抗后相控整流电路的等效电路及输出电压电流的波形返回图2一17逆变电路工作原理返回图2一18单相有源逆变电路返回图2一19三相半波有源逆变电路返回图2一20交流侧电抗对逆变的影响返回图2 -21电压型半桥逆变电路及其电压电流波形返回图2 - 22电压型单相全桥逆变电

36、路和电压、电流波形图返回图2 - 23电流型单相桥式逆变电路及电流波形返回图2 - 24电流型三相桥式逆变电路与波形图返回图2一25 PWM波形返回图2 - 26电压型单相桥式PWM逆变电路原理图返回图2一27单极性PWM控制方式返回图2一28双极性PWM控制方式返回第3章 晶闸管触发电路3. 1对触发电路的要求3. 2单结晶体管触发电路3. 3同步信号为锯齿波的触发电路3. 4 KC04集成移相触发器3. 5六路双脉冲发生器KC41 C3. 6三相全控桥整流电路的集成触发电路返回3. 1 对触发电路的要求晶闸管触发主要有移相触发、过零触发和脉冲列调制触发等。触发电路对其产生的触发脉冲要求如下

37、:1)触发信号可为直流、交流或脉冲电压。2)触发信号应右早磅的功率(触发电压和触发电流)。 3)触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通，强触发电流波形如图3一1所示。4)触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。返回3. 2单结晶体管触发电路由单结晶体管构成的触发电路具有简单、可靠、抗干扰能力强、温度补偿性能好、脉冲前沿陡等优点，在小容量的晶闸管装置中得到了广泛应用。单结晶体管触发电路由自激振荡、同步电源、移相、脉冲形成等部分组成。(1)单结晶体管自激振荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可

38、组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。工作原理:下一页返回3. 2单结晶体管触发电路经D1D4整流后的直流电源UW，一路经R, R2加在单结晶体管两个基极b1, b2之间，另一路通过Re对电容C充电，通过单结晶体管放电，控制BT的导通、截止，在电容上形成锯齿波振荡电压，在R1上得到一系列前沿很陡的触发尖脉冲，如图3 -2所示。其振荡频率为(2)同步电源同步电压由变压器TB获得，而同步变压器与主电路接至同一电源，故同步电压与主电压同相位、同频率。(3)移相控制当Re增大时，单结晶体管发射极充电到峰点电压up的时间增大，第一个脉冲出现的时刻推迟，即控制角a增大，实现了移相。上一页下一页返回3. 2

39、单结晶体管触发电路(4)脉冲输出触发脉冲ug由R1直接取出，这种方法简单、经济，但触发电路与主电路有直接的电联系，不安全。无法工作于晶闸管串联接法的全控桥电路。所以一般采用脉冲变压器输出。上一页返回3. 3 同步信号为锯齿波的触发电路(1)锯齿波形成、同步移相环节锯齿波形成电路由T1 , T2 , T3和C2等元件组成，其中T1、D4、RP2和R3为一恒流源电路，如图3 -3所示。T2截止时，恒流源电流IIC对电容C2充电，所以C2两端电压uc为(2)同步移相环节T4基极电位由锯齿波电压uh、控制电压u2、直流偏移电压up三者共同决定。(3)同步环节同步环节是由同步变压器TB和作同步开关用的晶

40、体管T2组成。下一页返回3. 3 同步信号为锯齿波的触发电路(4)脉冲形成环节脉冲形成环节由T4、T5组成，T7、T8组成脉冲放大电路。(5)双窄脉冲形成环节T5、T6构成“或”门。 T5、T6的导通使T7、T8都导通，输出脉冲。上一页返回3. 4 KC04集成移相触发器KC04集成移相触发器可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲输出等几部分电路。(1)同步电路同步电路由晶体管T1T4等元件组成。正弦波同步电压。uT经限流电阻加到T1、T2基极。在uT正半周， T2截止， T1导通，D1导通，T4由于得不到足够的基极电压而截止。在uT的负半周， T1截止，T2, T3导通，D2导通，T4

41、同样由于得不到足够的基极电压而截止。在上述uT的正、负半周内，当uS 0. 7 V时，T6导通，即u c5 + Up + Uk控制了T6的导通与截止时刻，也就是控制了脉冲的移相。(4)脉冲形成电路T7与外围元件组成脉冲形成电路。(5)脉冲输出电路T8 T15组成脉冲输出电路。同步电压uT的一个周期内，T7的集电极输出两个相位差为1800的脉冲。上一页返回3. 5 六路双脉冲发生器KC41 C如图3一5所示，KC41 C的一脚是六路脉冲输入端(如三片KC04的六个输出脉冲)，每路脉冲由输入二极管送给本相和前相，再由T1一T6组成的六路电流放大器，分六路输出。当控制端脚接低电平时，T7截止。当脚接

42、高电平时，T7导通，各路输出脉冲被封锁。返回3. 6三相全控桥整流电路的集成触发电路利用三片KC04与一片KC41 C可以组成如图3一6所示的三相全控桥式整流电路的触发电路。三相全控桥整流要求用双窄脉冲触发，即用两个间隔600的窄脉冲去触发晶闸管。返回图3一1强触发电流波形返回图3一2单结晶体管触发电路与波形返回图3一3锯齿波触发电路返回图3一4 KC04集成移相触发器返回图3一5六路双脉冲发生器KC41 C返回图3一6三相全控桥整流电路的集成触发电路返回第4章 直流一直流变换电路4. 1直流变换的基本结构和工作原理4. 2直流斩波器4. 3变压器隔离的直流一直流变换器返回4. 1 直流变换的

43、基木结构和工作原理直流变换电路是利用电力开关器件周期性的开通与关断来改变输出电压的大小，将固定的直流电压改变成可调的直流电压的一种电力电子电路，广泛地应用于直流开关电源和直流电机驱动系统。图4一1 (a)是直流斩波器的结构原理图。图中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压E为固定的直流电压。当开关S闭合时，直流电源经过S给感性负载供电;开关S断开时，直流电源供给负载RL的电流被切断，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。根据控制开关S对输入直流电压调制方式的不同，直流斩波电路有三种不同的斩波形式，即:1)脉冲宽度调制方式(PWM):斩波开关的调制周期T不变，调节斩

44、波开关导通时间ton与关断时间toff的比值。下一页返回4. 1 直流变换的基木结构和工作原理2)脉冲频率调制形式(PFM:斩波开关导通时间ton不变，改变斩波开关的工作周期T。3)混合调制形式:同时改变斩波开关导通时间， ton和斩波开关的工作周期孔采取这种调制方法，输出直流平均电压的可调范围较宽，但控制电路较复杂。在这三种方法中，除在输出电压调节范围要求较宽时采用混合调制外，一般都采用频率调制或脉宽调制，原因是它们的控制电路比较简单。在直流斩波器中，比较常用的是脉冲宽度调制。上一页返回4. 2 直流斩波器4. 2. 1降压式直流斩波电路1.电路结构降压式直流斩波器又称为Buck变换器，它是

45、一种降压型DC一DC变换器，它的输出电压平均值U0(u0(的平均值)恒小于输入电压E，主要用于开关电源以及需要直流降压的环节，如图4 -2所示。电路中的控制开关VT采用全控器件IGBT，也可使用GTR , P一MOSFET等其他全控器件，如果要使用普通晶闸管等半控器件，则必须增设辅助关断电路。电路中的二极管VD起续流作用，在VT关断时为电感L储存的能量提供续流通路，为获得平直的输出直流电压，输出端采用了LC低通滤波电路，R为负载，E为输入直流电源，U0为输出电压u0的直流平均电压。电路输出端的滤波电容足够大，以保证输出电压恒定。下一页返回4. 2 直流斩波器2.工作原理1)在控制开关VT导通期

46、间(ton)，二极管VD反偏，电源E通过电感L向负载R供电，此间iL增加，电感L的储能也增加，导致在电感两端有一个正向电压UL= E一u0，左正右负，如图4-2 (a)所示。这个电压引起电感电流i:的线性增加。2)在控制开关VT关断期间toff ，电感产生感应电势，左负右正，使续流二极管VD导通，电流i:经二极管VD续流， UL= -u0 ，电感L向负载R供电，电感的储能逐步消耗在R上，电流iL线性下降。如此周而复始进行周期变化。3.基本数量关系在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的。电感电压在一个周期内对时间的积分为0，即上一页下一页返回4. 2 直流斩波器4. 2. 2升压式直流斩波电路

47、1.电路的结构升压式斩波器也称为Boost变换器，它是一种升压型DC一DC变换器，其输出电压平均值U,恒大于输入电压E，主要用于开关电源以及直流电动机能量回馈制动中。升压式斩波电路与降压式斩波电路最大的不同点是，控制开关VT与负载R呈并联形式连接，具体电路及工作波形如图4一3所示。2.工作原理假设电路输出端的滤波电容器足够大，以保证输出电压恒定，电感L的值也很大。上一页下一页返回4. 2 直流斩波器1)当控制开关VT导通时，电源E向串接在回路中的电感充电储能，电感电压UL左正右负，而负载电压u0上正下负，此时在R与L之间的续流二极管VD被反偏，VD截止。2)在控制开关VT关断时，储能电感L两端

48、电势极性变成左负右正，续流二极管VD转为正偏，储能电感L与电源E叠加共同向电容C充电，向负载R提供能量，如果VT的关断时间为toff，则此段时间内电感L释放的能量可以表示为3.基本数量关系当电路处于稳态时，一个周期内电感L储存的能量与释放的能量相等，即上一页下一页返回4. 2 直流斩波器由上式可以求出负载电压u0的表达式，即4. 2. 3升一降压复合式直流斩波电路1.电路结构升一降压式直流斩波电路也称为反极性斩波电路，该电路的输出电压可以高于或低于输入电压，电路结构图如图4-4 (a)所示。该电路的结构特征是储能电感L与负载R并联，续流二极管VD反向串接在储能电感与负载之间。电路分析前可先假设

49、电感L很大，电容C也很大，使电感电流iL和电容电压uc即负载电压(u0 = uc)基本恒定。上一页下一页返回4. 2 直流斩波器2.工作原理1)当控制开关VT导通时，直流电源E经VT给电感L充电储存能量，电感电压上正下负，此时二极管VD被负载电压(下正上负)和电感电压反偏，流过VT的电流为i1(=iL)，方向如图4一4 (a)所示。2)当控制开关VT关断时，电感L极性变反(上负下正)，VD正偏导通，电感L中储存的能量通过VD向负载R和电容C释放，放电电流为i2，电容C被充电储能，负载R也得到电感L提供的能量。3.基本数量关系结合图4 -4分析可知，电路处于稳态时，每个周期T内电感两端电压UL对

50、时间的积分值为零，即上一页返回4. 3变压器隔离的直流一直流变换器4. 3. 1正激变换器1.电路结构在图4 -2的降压变换器中，如果将变压器接入VT管的右侧及VD管的左侧位置，即得图4 -5所示的正激变换器主电路。由于图中变压器一次侧流过单向脉动电流，铁芯极易饱和，为此必须采取防饱和措施，使变压器铁芯磁场周期性复位，防止变压器铁芯饱和。另外，开关器件位置可稍作变动，使其发射极与电源相连接，便于设计控制电路。图4一6是采用能量消耗法磁场复位方案的正激变换器原理图。N1、N2分别为变压器一、二次绕组匝数。下一页返回4. 3变压器隔离的直流一直流变换器2.工作原理在图4一6中:1)开关管VT导通时

51、，有U2 = (N2 /N1) E，电源能量经变压器传递到负载侧。2)开关管VT截止时，变压器一次侧电流经VD3和稳压管DW续流，磁场能量主要消耗在稳压管上。VT承受的最高电压为E及UDW之和， UDW为稳压管DW的稳压值。正激变换器是具有隔离变压器的降压变换器，因而具有降压变换器的一些特性。上一页下一页返回4. 3变压器隔离的直流一直流变换器4. 3. 2反激变换器1.电路结构反激变换器电路原理如图4 -7所示。与升一降压变换器相比较，反激变换器用变压器代替了升一降压变换器中的储能电感。这里的变压器除了起输入输出电隔离作用外，还起到储能电感的作用。2.工作原理1)当开关管VT导通时，由于VD

52、，承受反向电压，变压器二次侧相当于开路，此时变压器一次侧相当于一个电感。电源E向变压器一次侧输送能量，并以磁场形式存储起来。2)当开关管VT截止时，线圈中磁场储能不能突变，将会在变压器二次侧产生上正下负的感应电势，该感应电势使VD1承受正向电压而导通，从而磁场储能转移到负载上。考虑滤波电感L及续流二极管VD2的实用反激变换器电路如图4一8所示.上一页下一页返回4. 3变压器隔离的直流一直流变换器4. 3. 3半桥式隔离的降压变换器1.电路结构半桥式隔离的降压变换器如图4 -9所示，C1, C2为滤波电容，VD1, VD2为VT1 , VT2的续流二极管，VD3 , VD4为整流二极管，LC为输

53、出滤波电路。4. 3. 4全桥式隔离的降压变换常见的全桥式隔离的降压变换器电路如图4一10所示。1)电路的工作原理是:将VT1, VT4作为一组，VT2 , VT3作为另一组，交替控制两组开关的关断与导通，即可利用变压器将电源能量传递到二次侧。变压器二次侧电压经VD1及VD2整流、LC滤波后即得直流输出电压。改变占空比即可控制输出电压大小。上一页下一页返回4. 3变压器隔离的直流一直流变换器2)电容C0的作用是防止变压器流过直流电流分量而设置的。由于正负半波控制脉冲的宽度难以做到绝对相同，同时开关器件特性难以完全一致，从而电路工作时流过变压器一次侧的电流正负半波难以完全对称，因此，加上C0以防

54、止铁芯磁场饱和。上一页返回图4-1脉宽调速系统原理图与工作波形图返回(a)结构原理图:(b)波形图图4 -2降压式直流斩波电路(Buck变换器)与工作波形图返回(a)结构原理图:(b)波形图图4一3 升压式斩波电路及工作波形图返回(a)结构原理图:(b)波形图图4-4升一降压式斩波电路及工作波形返回图4一5正激变换器主电路原理图返回图4 - 6能量消耗法磁场复位方案的正激变换器原理图返回图4一7反激变换器电路原理图返回图4一8带LC滤波的反激变换器实用电路返回图4一9半桥式降压变换器返回图4一10全桥式隔离的降压变换器电路返回第5章 交流变换电路5. 1晶闸管交流开关电路5. 2交流调压电路5

55、. 3交一交变频电路返回5. 1晶闸管交流开关电路5.1.1晶闸管交流开关电路晶闸管交流开关的基本形式在图5一1中给出了两种电路连接结构。该电路中的晶闸管交流开关可以在毫安级门极电流的触发下，控制几十至几百安培以上的负载电流的通断。交流开关的工作特点是晶闸管在承受正向电压时触发导通，而在电压过零或承受反向电压时自然关断。 图5一1 (a)是采用两个单向晶闸管反向并联构成的交流开关，其优点是负载回路结构简单。图5一1 ( b)是采用二极管全桥整流电路与一个晶闸管构成的交流开关，负载串接在二极管全桥的交流输入端，直流输出端接单向晶闸管，其优点是晶闸管的触发电路相对比较简单。下一页返回5. 1晶闸管

56、交流开关电路5. 1. 2双向晶闸管交流开关电路图5一1 (a)所示晶闸管交流开关中的两只晶闸管也可以用一只双向晶闸管替代，这样可以简化负载控制回路和触发回路的结构。双向晶闸管交流开关电路如图5 -2所示。双向晶闸管在应用中要注意触发的灵敏度。双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式:(1) I+触发方式(2) I一触发方式(3)+触发方式(4)-触发方式上一页下一页返回5. 1晶闸管交流开关电路由于双向晶闸管的内部结构原因，四种触发方式中触发灵敏度不相同。 +触发方式灵敏度最低，使用时要尽量避开，常用的触发方式为I+和-。如果设I

57、+的触发电流为1，则各种方式的大致触发特性比较见表5一1。5. 1. 3自动恒温电热炉自动恒温电热炉的应用如图5 -3所示。图中由双向晶闸管替代传统的交流接触器构成三相自动温控电热炉电路，当开关Q拨到“自动”位置时，炉温可以自动保持在给定温度范围内。上一页下一页返回5. 1晶闸管交流开关电路带抽头变压器的晶闸管稳压电源由于电源电压和负荷的改变，变压器的副边电压往往会变动，为使电压稳定，最简便的方法是改变变压器的匝数比，即调节变压器原边或副边绕组的抽头，对于大功率的电热炉变压器，当需要随负荷改变而调压时就常用这种方式。如图5一4所示，在变压器副边设置若干抽头，改接抽头进行调压。由于电热炉功率大，

58、一般是用晶闸管(或其他电力电子器件)开关进行切换。像这类具有功率切换功能的开关称为交流开关或交流无触点开关。若需要调节功率大小，则称为交流功率调节器。上一页返回5. 2 交流调压电路交流调压电路是一种能调节交流电压有效值大小的电路。交流调压电路中的晶闸管通常有两种控制方式。(1)相位控制在电源电压的每一周期，在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻即可达到调压的目的，如图5-5所示。(2)通断控制将晶闸管作为开关，使负载与电源接通若干周波，然后再断开若干周波，通过改变通断的时间比达到调压的目的。波形如图5 -6所示，有全周波连续式和全周波间隔式两种形式。通断控制采取的是过零触发方式。这种控

59、制方式的交流调压电路多用于输出功率的调节，所以又叫交流调功电路。下一页返回5. 2 交流调压电路5. 2. 1双向晶闸管构成的交流调压电路双向晶闸管通常与双向二极管配合组成交流调压电路。1.双向二极管(1)外形与符号双向二极管又称双向触发二极管，它在电路中可以双向导通。双向二极管的实物外形和图形符号如图5 -7所示。(2)性质普通二极管具有单向导电性，而双向二极管具有双向导电性，但它的导通电压通常比较高。下面通过图5-8所示电路来说明双向二极管性质。上一页下一页返回5. 2 交流调压电路(3)特性曲线双向二极管的性质可用图5 -9所示的曲线来表示，坐标中的横轴表示双向二极管两端的电压，纵坐标表

60、示流过双向二极管的电流。从图中可以看出，当双向二极管两端加正向电压时，如果两端电压低于UB1，流过的电流很小，双向二极管不能导通，一旦两端的电压达到UB1 (称为触发电压)，双向二极管马上导通，流过的电流增大，同时双向二极管两端的电压会下降(低于UB1)。(4)检测双向二极管的检测包括好坏检测和触发电压检测。好坏检测。将万用表拨至R x 1 k挡，测量双向二极管正、反向电阻，如图5-10所示。若双向二极管正常，正、反向电阻均为无穷大。若测得的正、反向电阻很小或为0，说明双向二极管漏电或短路，不能使用。上一页下一页返回5. 2 交流调压电路触发电压检测。检测双向二极管的触发电压方法如下:第1步: