第八章 电力电子学

第8章电力电子学基础学习要求:

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；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。前言

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。电力半导体器件弱电强电

电力半导体器件根据其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：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；交流调压电路—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—把直流电变为频率固定或可调的交流电；变频电路—把固定频率的交流电变为频率可调的交流电；斩波电路—把固定的直流电压变为可调直流电压；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。

8.1半导体器件

一、不可控型开关器件

大功率二极管属于不可控开关器件二、半控型开关器件

晶闸管（SiliconControlledRectifier简称SCR）是在60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。

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。

优点：(1)功率放大倍数可以达到几十万倍，即用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)可以控制较大的功率(电流自几十安～几千安，电压自几百伏～几千伏)，(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3)损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右；(4)体积小、重量轻。缺点：

(1)过载能力弱，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、电流应适当留有余量；(2)抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，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，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；(4)控制电路比较复杂，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管控制系统，获得越来越广泛的应用。其中：A—阳极，K—阴极，G—控制极。结构示意图表示符号4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结1.晶闸管的结构和符号

2.晶闸管的工作原理

主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S。

（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK>0，但ud=0，即晶闸管未导通；

（2）在t1~t2之间:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，而，即晶闸管导通；

（3）在t2~t3之间，uAK<0，尽管ug>0，但ud=0，即晶闸管关断；

（4）在t3~t4之间，uAK>0，这时ug>0,而，所以，晶闸管又导通；

（5）当t=t4时，ug=0，但uAK>0，，即晶闸管仍处于导通状态；

（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而ud=0，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：

（1）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；

（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；

（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值（或断开，或反向）。三、全控型开关器件1.门极可关断晶闸管（GTO）工作特点：当门极G上加正电压或正脉冲信号时，GTO导通并保持；当门极上加上反向电压或反向脉冲时，GTO关断并保持。2.电力晶体管（GTR）内部结构耐高压，电流大，开关性好3.电力场效应晶体管4.绝缘栅双极晶体管8.2单相可控整流电路整流——将交流电变为直流电的过程；整流电路——将交流电变为直流电的电路；整流单相三相8.2.1单相半波可控整流电路

u2－输入电压；ud－输出电压；α－控制角；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。θ－导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。一、带电阻性负载的可控整流电路输入电压：负载电压：负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压：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。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均电压，可采取负载两端并联一只二极管的措施。晶闸管电流平均值：

续流二极管的电流平均值：输入电压：负载电压：晶闸管承受的最大正反向电压：8.2.2单相桥式整流电路

一、晶闸管组成的半控桥式整流电路。1.电阻性负载

负载电压：负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压：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。

8.2.3三相可控整流电路一、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。自然换相点：触发相序：ABC触发脉冲的相位：1200设输入电压为：8.3逆变器

利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。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负载，则称为。有源逆变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

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2.单相晶闸管桥式逆变器二、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2.在逆变器内部的电压控制

（1）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，此方法称脉宽控制。

若使延迟角从0变到1800，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（PWM）

如果使VS1与VS4，VS2与VS3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被调制的矩形脉冲（称载波），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总的导通时间与总的关断时间的比率来控制的，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。10.4晶闸管的触发电路

向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。

（1）单结晶体管触发电路

（2）小容量晶闸管触发电路

（3）晶体管触发电路10.4.1晶闸管对触发电路的要求

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压和触发电流，一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下；

（2）触发脉冲的宽度必须在10微秒以上，如果负载是大电感，电流上升比较慢，那么，触发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于0.15V～0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个1V～2V的负偏压；（4）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。（5）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围要足够宽。8.4.2单结晶体管触发电路一、单结晶体管

单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。

1.工