电力电子必备知识点

1、 / 17电力电子必背知识点1电力电子电路中能实现电能的 变换和控制的半导体电子器件 称为电力电子器件(PowerElectronic Device )。电力电子器件的基本特性 注：很重要，一定记住(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(驱动电路)外电路来控制。(3 )在工作中器件的功率损耗(通态、断态、开关损耗)很大。 为保证不至因损耗散发的热量 导致器件温度过高而损坏，在其 工作时一般都要安装散热器。按器件的开关控制特性可以分为以下三类：不可控器件：器件本身没有 导通、关断控制功能，而需要根 据电路条件决定其导通、关断状 态的器件称为不可控器件。如：

2、电力二极管(Power Diode)；半控型器件：通过控制信号只 能控制其导通，不能控制其关断 的电力电子器件称为半控型器 件。如：晶闸管(Thyristor ) 及其大部分派生器件等；全控型器件：通过控制信号既 可控制其导通又可控制其关断 的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管 (Gate-Turn-OffThyristor )、功率场效应管 (Power MOSFET )和绝缘栅双 极型晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor )等。4 .前面已经将电力电子器件分为 不可控型、半控型和全控型。按 控制信号的性质不同又可分为 两种：电流控制型器件：此类

3、器件采用电流信号来实 现导通或关断控制。女口：晶闸管、 门极可关断晶闸管、功率晶体 管、IGCT等；电压控制半导体器件：这类器件采用电压控制（场 控原理控制）它的通、断，输入 控制端基本上不流过控制电流 信号，用小功率信号就可驱动它 工作。如：代表性器件为MOSFET 管和 IGBT 管。5 几点结论（重要）1晶闸管具有单向导电和可控开 通的开关特性。晶闸管由阻断状态转为导通状 态时，应具备两个条件：从主电 路看，晶闸管应承受正向阳极电 压；从控制回路看，应有符合要 求的正向门极电流。晶闸管导通后，只要具备维持 导通的主回路条件，晶闸管就维 持导通状态，门极便失去控制作 用，其阳极电流由外电路

4、决定。欲使晶闸管关断，必须从主电 路采取措施，使晶闸管阳极电流 下降至维持电流之下，通常还要 施加一定时间的反向阳极电压。晶闸管的正向特性 IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的 正向漏电流流过，正向电压超过 临界极限即正向转折电压Ubo， 则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向 转折电压降低。导通后的晶闸管 特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在 1V 左右。导通期间，如果门极电流 为零，并且阳极电流降至接近于 零的某一数值IH以下，则晶闸 管又回到正向阻断状态。Ih称为 维持电流。晶闸管的反向特性晶闸管上施加反向电压时，伏安 特性类似

5、二极管的反向特性。晶 闸管处于反向阻断状态时，只有 极小的反相漏电流流过。当反向 电压超过一定限度，到反向击穿 电压后，外电路如无限制措施， 则反向漏电流急剧增加，导致晶 闸管发热损坏。1）维持电流IH:在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好能保持 导通的最小阳极电流为维持电 流I H。2）掣住电流I L :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 称掣住电流I L。对同一晶闸管来说，掣住电流I L要比维持电 流I H大24倍。&通态平均电流一额定电流 的计算方法Ita52）焉di/dt9.通态电流临界上升率定

6、义：晶闸管能承受而没有损害 影响的最大通态电流上升率称 通态电流临界上升率di/dt 。 影响：门极流入触发电流后，晶 闸管开始只在靠近门极附近的 小区域内导通，随着时间的推 移，导通区才逐渐扩大到PN结 的全部面积。如果阳极电流上升 得太快，则会导致门极附近的PN结因电流密度过大而烧毁，使 晶闸管损坏。断态电压临界上升率du/dt 定义：把在规定条件下，不导致 晶闸管直接从断态转换到通态 的最大阳极电压上升率，称为断 态电压临界上升率du/dt。影响：晶闸管的结面在阻断状态 下相当于一个电容，若突然加一 正向阳极电压，便会有一个充电 电流流过结面，该充电电流流经 靠近阴极的PN结时，产生相当

7、 于触发电流的作用，如果这个电 流过大，将会使元件误触发导 通。.电力晶体管GTR的二次击穿一次击穿：集电极电压升高 至击穿电压时，Ic迅速增大，出 现雪崩击穿。只要Ic不超过限 度，GTR 一般不会损坏，工作特 性也不变。二次击穿：一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然 急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常常立即导致器件的永久损 坏，或者工作特性明显衰变 。M0SFET 的特点开关速度快，一般为 10ns100ns。温度稳定性好，通态电阻具有 正温度系数，可实现自动均流。输入阻抗大、驱动功率小，因 此驱动电路也较简单。导通电阻大、通态压降大，因 此在大电流时通态损耗较大。散热问题电力半导体

8、器件在电能变换、开 关动作中会产生功率损耗，使得 器件发热，结面温度上升。但是, 电力半导体器件均有其安全工 作区所允许的工作温度(结面温 度)，无论任何情况下都不允许 超过其规定值。为此，必须要对 电力半导体器件进行散热。电力半导体器件的散热，一般有 三种冷却方式：自然冷却：只适用于小功率 应用场；风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT应用电路；水冷却：适用于大功率应用 场合，如大功率GTO、IGCT及 SCR等应用电路；14.IGBT :绝缘栅双极型晶体管，兼具功率MOSFET高速开 关特性和GTR的低导通压降特 性两者优点的一种复合器件。IGBT的特点开关速度高，开关损耗小。 在电

9、压1000V以上时，开关损耗 只有GTR的1/10，与电力MOSFET 相当。 相同电压和电流定额时，安 全工作区比GTR大，且具有耐 脉冲电流冲击能力。通态压降比 VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域。输入阻抗高，输入特性与MOSFET 类似。与 MOSFET 和 GTR 相比， 耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。15 整流电路的整流原理：利用整流管和晶闸管的单相导电开 关特性，构成输出单一的电力变 换电路，从而将输入的交流电能 转换为输出的直流电能。整流电路通常由整流变压器 将电源电压变换为适宜的电压 幅值，为负载提供需要的直流电 压及合理的电压调整范围。整

10、流电路的基本类型对于n相半波整流电路而 言，共有n条整流工作回路，各 回路中均含有一个开关元件。n 条整流工作回路的电源电压有 一定的相序，相邻两条整流工作 回路的电源电压相位差均为2 n /n半波整流电路的电源变压器 次级绕组只通过单方向电流，变 压器利用率低，且有的电路存在 直流磁势，造成铁芯直流磁化。对于n相(单相时n取2)桥 式整流电路而言，共有n( n-1) 条整流工作回路，各回路中均含 有二个开关元件。各整流工作回 路的电源电压有一定的相序，相 邻两条整流工作回路的电源电 压相位差均为2n/n(n-1)。在不可控整流电路中，整流 管将按电源电压变化规律自然 换相，自然换相的时刻称为

11、自然 换相点。对于共阴极组接法的半波 不可控整流电路而言，为高通电 路，即总是相电压最高的一相元 件导通。所以，自然换相点在相 邻两相工作回路电源电压波形 正半周交点，输出电压波形为电 源电压波形正半周包络线。基本概念1 从自然换相点计起，到晶闸 管门极触发脉冲前沿为止的时 间间隔，以电角度表示，称为控 制角a。在自然换相点给予触发 时控制角a =0改变a便可以改 变输出电压波形和平均值。2 控制角a的有效变化范围称 为移相范围，移相范围决定于整 流电路的类型和负载性质。晶闸管在一个电源周期内的 导通时间，以电角度表示，称为 导通角0,在可控整流电路的分 析中，应注意其移相范围和导通 角0与控

12、制角a的关系。通过改变控制角a来调整输 出电压的称为相位控制。触发脉冲和主电路电压在频 率和相位上要有相互协调的配 合关系，称为同步。1 电阻负载 特点：电压、电流的波形形状相同。2 电感性负载（主要指电 感与电阻串联的电路） 特点： 负载电流不能突变，波形分为连 续和不连续两种情况。3.反电势负载（整流输出供 蓄电池充电或直流电动机，即负 载有反电势） 特点：只有当 输出电压大于反电动势时才有 电流流通，电流波形也呈较大的 脉动。20 主要研究内容和步骤（重要）根据开关元件的理想开关特 性和负载性质，分析电路的工作 过程。根据电路工作过程得出波形 分析，包括输出电压ud、各晶闸 管端电压uV

13、T、负载电流id、通 过各晶闸管电流iVT、变压器次 级i2和初级电流i1等。3.在波形分析的基础上，求得一 系列电量间的基本数量关系，以 便对电路进行定量分析。在设计 整流电路时，数量关系可作为选 择变压器和开关元件的依据。单相桥式与半波电路比较、a的移相范围相等，均为0180 、输出电压平均值Ud是半波 整流电路的2倍；、在相同的负载功率下，流过 晶闸管的平均电流减小一半；、功率因数提高了 2倍。 单相全控桥式整流电路具有输 出电流脉动小，功率因数高，变 压器次级中电流为两个等大反 向的半波，没有直流磁化问题， 变压器的利用率高。在大电感负载情况 下，a接近n 12时，输出电压的 平均值接

14、近于零，负载上的电压 太小。且理想的大电感负载是不 存在的，故实际电流波形不可能 是一条直线，而且在a= n之前， 电流就出现断续。电感量越小， 电流开始断续的a值就越小。失控现象与续流二极管 当控制角突然增大至180或 触发脉冲丢失时，会发生一个晶 闸管持续导通而两个二极管轮 流导通的情况，这使ud成为正 弦半波，即半周期ud为正弦， 另外半周期ud为零，其平均值 保持恒定，称为失控。为了防止失控的发生，必须消 除自然续流现象：必须加续流二 极管，以提供一条通路。有续流二极管 VDR时，续流 过程由VDR完成，晶闸管关断， 避免了某一个晶闸管持续导通 从而导致失控的现象。同时，续 流期间导电

15、回路中只有一个管 压降，有利于降低损耗。应当指 出，实现这一功能的条件是VDR 的通态电压低于自然续流回路 开关元件通态电压之和，否则不 能消除自然续流现象，关断导通 的晶闸管。实现有源逆变的条件为： 一是负载侧有一个提供直流电 能的直流电动势，电动势的极性 对晶闸管而言为正向电压，在整 流回路交流电源电压为负期间， 提供晶闸管维持导通的条件；二 是要求变流器控制角a n /2使 变流器输出电压极性为负且维 持电流连续，提供改变能流方向 的条件。逆变失败（逆变颠覆）变流器为逆变工作状态时，若发 生换相失控，就会导致外接电动 势通过晶闸管形成短路，或者发 生输出平均电压和外接电动势 顺向串联形成

16、短路，这种情况称 为逆变失败或称为逆变颠覆。逆变失败的原因（1）触发电路工作不可靠，不 能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时 等，致使晶闸管 不能正常换相。（2 ）晶闸管发生故障，该断时 不断，或该通时不通。（3）交流电源缺相或突然消失。（4 ）换相的裕量角不足，引起 换相失败。晶闸管相控触发电路中，实 现触发脉冲随控制信号变化作 相位移动的控制为移相控制。延时移相控制方法由同步环 节提供自然换相点，再由自然换 相点开始计时，以控制 角对应 的延时时间确定触发脉冲产生 的时刻。垂直移相控制方法：应用条件 是具有一个与主电路同步、在移 相范围内单调变化的周期性移 相信号电压Us

17、y。线性垂直移相控制方法：移相 信号电压Usy在移相范围内线 性变化。余弦交点移相控制方法：移相 信号电压usy在移相范围内余弦 变化。在各种相控变流电路中，晶 闸管触发脉冲前沿对应的控制 角a是以晶闸管的自然换相点为 计量起点的角度。自然换相点则 决定于加在晶闸管两端的交流 电源电压。因此为保证正确的相 位关系，实现同步触发控制，在 触发电路中必须引入与电网电 压严格同步的基准信号，称为同 步信号。（1）.独立同步海个SCR都有相对 独立的相控触发电路。为使各晶 闸管具有相同的控制角，各相触 发电路采用同一控制电压进行 移相控制。（2）.按相同步：利用全控桥式变流 电路中同一相的两个 SCR

18、的自 然换相点相差1800的特点，每相设置一个触发电路。为实现三 相主电路工作的对称性，要求三 相移相控制的一致性，故三相触 发电路由同一个控制电压控制。.单相同步：利用各SCR自然 换相点间有固定的相位关系特 点，用一个元件的同步电路准确 提供各元件的自然换相点。26 .对相控触发电路的基本要求触发电路的触发信号必须在 晶闸管门极伏安特性的可靠触 发区。同时要求脉冲功率不超过 允许瞬时最大功率限制线和平 均功率限制线。触发脉冲应具有一定的宽度， 触发脉冲消失前，阳极电流应能 上升至掣住电流，保证晶闸管可 靠开通。触发脉冲应满足晶闸管电路 的工作要求。触发脉冲与主电路电源电压 必须同步，并保持

19、与工作状态相 适应的相位关系。触发电路应保证变流电路各元件触发脉冲的对称性。相控触发电路应采取电磁兼 容技术措施，防止因各方面的电 磁干扰而出现失控。27.变频器先将固定频率和电压 的交流电能整流为直流电能，再 将直流电能变换为频率和电压 符合要求的交流电能，供负载使 用。AC 输H整流器DC 滤波器DC 一逆变器AC输岀整流器:将固定频率和电压的交 流电能整流为直流电能，可以是 不可控的，也可以是可控的。 滤波器:将脉动的直流量滤波成 平直的直流量，可以对直流电压 滤波(用电容),也可以对直流电 流滤波(用电感)。因为逆变器的 负载为异步电动机，属于感性负 载，无论电动机处于电动或发电 制动

20、状态，其功率因数总不会为 1,总会有无功功率的交换，要 靠中间直流环节的储能元件来 缓冲。逆变器:将直流电能逆变为交流 电能,直接供给负载,它的输出频 率和电压均与交流输入电源无 关，称为无源逆变器。它是变频器 的核心。28 变频器常用的调压方法 可控整流器调压：根据负载对变 频器输出电压的要求，通过可控 整流器实现对变频器输出电压 的调节。直流斩波器调压：采用不可控整 流器，保证变频器电源侧有较高 的功率因数，在直流环节中设置 直流斩波器完成电压调节。逆变器自身调压：采用不可控整 流器，通过逆变器自身的电子开 关进行斩波控制，使输出电压为 脉冲列。改变输出电压脉冲列的 脉冲宽度，便可达到调节

21、输出电 压的目的。这种方法称为脉宽调 制(PulseWidthModulation-PWM).PWM根据调制波形的不同，可 分为：单脉冲调制：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。多脉冲调制：在输出电压波形的 半周期内有多个脉冲。正弦波脉宽调制：在输出电压波 形的半周期内为多脉冲调制，而 且每个脉冲的宽度按正弦规律 变化。变频器中逆变器的基本类型按直流输入端滤波器分类 电压型逆变器：中间直流环节采 用大电容作为滤波器，逆变器的 输入电压平直且电源阻抗很小， 类似于电压源。电流型逆变器：中间直流环节采 用大电感作为滤波器，逆变器的 输入电流平直且电源阻抗很大， 类似于电流源。按电子开关的开关频率

22、分类.180导电型逆变器：三相逆变 器的6个电子开关按顺序相差 60导通，每个开关导通180。任 何时候都有3个开关导通，换流 在同一相的两个桥臂上进行。其 输出电压波形与负载的功率因数无关。.120导电型逆变器：三相逆变 器的6个电子开关按顺序相差 60导通，每个开关导通120。任 何时候都有2个开关导通，换流 在同一组的相邻桥臂上进行。其 输出电压波形受与负载的功率 因数影响电压型逆变器特点：（1）直流侧接有大电容，相当 于电压源，直流电压基本无脉 动，直流回路呈现低阻抗状态。（2）由于直流电压源的箝位作 用，交流侧电压波形为矩形波， 与负载阻抗角无关，而交流侧电 流波形因负载阻抗角的不同

23、而 不同，其波形接近三角波或正 弦波。（3）当交流侧为电感性负载时 需提供无功功率，直流侧电容起 缓冲无功能量的作用。为了给交 流侧向直流侧反馈能量提供通 道，各臂都并联了续流二极管。（4）变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是 由直流电流的脉动来体现的。（5）当变频电路的负载是电动 机时，如果电动机工作在再生制 动状态，就必须向交流电源反馈 能量。因直流侧电压方向不能改 变，只能靠改变直流电流的方向 来实现，这就需要给电路再反并 联一套变频桥， 这将使电路变 得复杂。电流型逆变器特点：（1）直流侧接有大电感，相当 于电流源，直流电流基本无脉 动，直流回路

24、呈现高阻抗状（2）由于各开关器件主要起改 变直流电流流通路径的作用， 故交流侧电流为矩形波，与负载 性质无关， 而交流侧电压波形 因负载阻抗角的不同而不同。（3）直流侧电感起缓冲无功能 量的作用，因电流不能反向，故 可控器件不必反并联二极管。当变频电路的负载为电动 机时，若变频电路中的交 一直变 换是可控整流时，则可很方便地 实现再生制动，不需另加一套变 频桥。开关(1).硬开关：开关器件在其端电压 不为零时开通(硬开通) ，在 其电流不为零时关断(硬关断)， 硬开通、硬关断统称为硬开关。特点：开关的开通和关断过 程伴随着电压和电流的剧烈变 化。产生较大的开关损耗和开关 噪声。.软开关：开关器

25、件在开通过 程中端电压很小，在关断过程中 其电流也很小，这种开关过程的 功率损耗不大，称之为软开关。特点：不存在电压和电流的 交迭。降低开关损耗、开关噪声。 提高开关频率。(1).单相半波电路R负载：o 角的有效移相范围为OW a，史In通角为0 =n a晶闸管可能承受的最大 电压为：U m =、2U 2整个电路只有一个等效 工作回路，两种工作状态，三个 阶段.单相半控桥RL负载淀量 计算：满足假设3 LF时，id= ld=Ud/ R 。晶闸管可能承受的最大 电压为：Um =、2U 2有三个等效工作回路(两个整流回路，一个续流回 路)电路工作分为电流断续与电 流连续两种情况，电流断续时有 四种

26、工作状态，电流连续时有三 种工作状态。U d = 2U 2 (1 cos ： ) = 0.9U 21 8S (3-64)兀2定量计算：满足假设3 L时，id= Id=Ud/ R 。.三相半波整流R负载有三个等效工作回路轮流工作，对于共阴极接法，自然 换相点在st= n/6处(按前面假 设a相的初始相位为0)，每个自 然换相点相差2n/3，因此，每 个晶闸管的触发脉冲也相差2 n /3有效移相范围0 a 5 n 以a = n /6为分界，当a n /6时为电流 断续。电流连续时电路有三种工 作状态，电流断续时电路有四种 工作状态。电流连续(a n的定量计 算：id=ud/R.晶闸管上最大电压 为

27、U m = 、 6U 2导通角 9 =(5 n /6) a.三相半波整流RL负载 带有续流二极管的情况：当 aWn时续流二极管不工作，电 路工作过程与无续流二极管时完全相同。当an/6时，续流二极管工作， 每个电源周期续流三次，故续流 二极管的导通角为9 VDR=3( a-on /6)输出电压ud的波形与纯电阻负 载时一样，故Ud的计算也一样。 续流二极管工作时晶闸管关断， 故晶闸管的导通角为9 VT=(5 n /6) o - a续流二极管承受的最大电压为、一 2U 2三相全控桥式的触发方式按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60 o共阴极组VT1、VT3、VT5

28、的脉 冲依次差 120、VT6、VT2也依次差 120 o同一桥臂的二个元件，即VT1与 VT4 , VT3 与 VT6 , VT5 与 VT2， 脉冲相差.。.三相全控桥式电路RL负 载三相桥式电路有六个工作回路 轮流工作，电流比较容易连续， 故只考虑电流连续的情况。电流 连续的必要条件是：an/2 六个工作回路的自然换相点，从 相电压图上看，在相电压的交点 处；从线电压图上看，是对应整 流回路的线电压瞬时值变为最 高的时刻。当a n /3时，ud 波形中出现负的部分；当a =n /2 时，ud中正、负两部分包围的 面积相等。晶闸管承受的最大电压为 u”6U2 .有效移相范围0 a (2 n

29、 /3).三相全控桥式电路R负 载三相桥式电路有六个工作回路 轮流工作，id=ud/R当aWn时， 电流连续，有关电压波形与RL由于电感的储能作用，在整流回 路电源电压瞬时下降为u2 n时3每个工作回路导通时 间为(2 n/3)- a晶闸管每个电源 周期导通二次/导通角为e VT=2 (2 n /3)- a三相半控桥式整流电路 应注意的几个问题：1晶闸管要触发后才能换流，二 极管则自然换流。只要a0六个等效回路的工 作时间就不一样。如果共阳极组为二极管，则共 阳极端的电位与a、b、c三点电 位中最低的那一点相同。电感负载时必须接续流二极管，以防止失控。. RLE负载中电感L的作用电感的自感电势可提供正向电 压，整流回路将继续维持导通状 态直至电流id下降为零自然关 断或电路换相为止。延长了整流回路晶闸管导通时间，使负载电流id平稳。在u20且id上升期间，由电源 提供能量，供电感储能及电动势 做功。在u20且id下降期间，由电源 提供能量及电感释放能量，供电 动势做功。在u2的条件下，受电感L 的影响R，可视为id =Id ;