电力电子总复习

2023/2/511.电力电子技术定义应用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。弱电控制强电的技术，弱电和强电之间的接口。2.电力变换的分类

交流变直流AC-DC-----整流直流变交流DC-AC-----逆变交流变交流AC-AC----交流电力控制（交流调压、交流调功）和变频电路直流变直流DC-DC---斩波第一章绪论2023/2/52第二章电力电子器件（含第九章）1、电力电子器件：用于处理电能的主电路中实现电能的变换或控制的器件。一、基本概念主要损耗通态损耗：器件功率损耗的主要成因断态损耗开关损耗：开关频率较高时，可能成为器件功率损耗的主要因素：几乎可以忽略2023/2/532、电力电子系统：由控制电路(controlcircuit)、驱动电路(drivecircuit)、保护电路(protectioncircuit)和以电力电子器件为核心的主电路(powercircuit)组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路1.将信息电子信号转换为控制电力电子器件通断的控制信号。2.控制电路和主电路之间的电气隔离，一般为光隔离和磁隔离。控制电路主要包括过电压保护、过电流保护和缓冲电路。在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行2023/2/543.电力电子器件分类不可控器件：电力二极管（PD）双极性,电流驱动半控型器件:晶闸管（SCR）双极性,电流驱动超大功率全控型器件：门极可关断晶闸管（GTO）双极性,电流驱动超大功率电力晶体管（GTR/BJT）双极性,电流驱动电力场效应管（MOSFET）单极性,电压驱动小功率绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）复合型,电压驱动中大功率

电压驱动特点：输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。电流驱动特点：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。2023/2/55IKAPNJAK二、不可控器件—二极管基本结构和电气图形符号基本原理：PN结的单向导电性IOIFUTOUFU图1-4电力二极管的伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。反向时，只有漏电流。电力二极管的主要参数：1.正向平均电流（额定电流）工频正弦半波电流的平均值2.正向压降3.反向重复峰值电压URRM应当留有两倍的裕量2023/2/56三、半控型器件—晶闸管

☞当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

☞当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

☞晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。☞若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。一个三极管集电极同另一三极管基极相接，当有足够门极电流Ig流入，形成强烈正反馈，两个晶体管饱和导通，即晶闸管导通。2023/2/57晶闸管的静态特性正向特性IG=0时，器件加正向电压，有很小漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压时，漏电流急剧增大，器件开通。门极电流幅值增大，正向转折电压降低。晶闸管本身压降很小，1V左右。反向特性类似二极管。反向阻断时，只有极小反相漏电流。反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏2023/2/58参数1.额定电压：断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中小的数值，按标准电压等级取整，为晶闸管额定电压。选晶闸管额定电压应为其正常工作峰值电压的２-３倍，作为安全裕量。2.额定电流：通态平均电流，正弦半波许通过的最大平均电流有效值相等原则选晶闸管额定电流，并考虑一定裕量。一般取1.5-2倍。3.维持电流IH：晶闸管从较大通态电流到恰能保持其导通的最小阳极电流。（通->断）4.擎住电流IL:从阻断状态刚转为导通状态时就去掉触发电压保持晶闸管导通所需要的最小阳极电流。(断->通)

同一个晶闸管，通常其擎住电流要大于维持电流。2023/2/59四、全控型器件门极可关断晶闸管(GTO)☞GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。

☞而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。

☞GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。2.电力晶体管GTR目前大多被IGBT和电力MOSFET取代。2023/2/5103.电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET。导电状态：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT（阈值电压）时，P型半导体反型成N型而成为反型层，J1消失，漏极和源极导电。截止状态：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区的PN结J1反偏，无电流流过。a)转移特性b)输出特性2023/2/5114.绝缘栅极双极性晶体管IGBT

绝缘栅双极晶体管综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)三端器件：栅极G、集电极C和发射极E2023/2/512

IGBT驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。转移特性：集电极电流与栅射电压之间的关系，与功率场效应管的转移特性相似。开启电压:IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压。

2023/2/513StaticcharacteristicsofIGBT输出特性：即伏安特性，以栅射电压为参变，集电极电流与集射电压间的关系。有正向阻断区、有源区和饱和区。IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。◆动态特性

☞开通过程开通时间ton=td(on)+tr+

tfv√开通延迟时间td(on)电流上升时间tr电压下降时间tfv√tfv分为tfv1和tfv2两段。☞关断过程√关断延迟时间td(off)电压上升时间trv电流下降时间tfi

关断时间toff=td(off)+trv+tfi√tfi分为tfi1和tfi2两段，tfi1为MOSFET部分，较快，tfi2为GTR部分，较慢，对应电流成为拖尾电流。2023/2/514IGBT的安全工作区——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt确定。课后题：2、3、4、5

反向偏置安全工作区（RBSOA）——最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。

正偏安全工作区（FBSOA）2023/2/515第三章整流电路单相整流电路形式单相半波可控整流电路单相桥式全控整流电路单相全波可控整流电路单相桥式半控整流电路三相整流电路形式三相半波可控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式半控整流电路负载形式：阻性负载(u,i同相，波形相似)，阻感负载（电流滞后，L无穷大时，电流为直线），反电动势负载

2023/2/516单相触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用a表示导通角θ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度。移相范围：触发角a从0开始到最大触发电角度的区间。2023/2/5171.单相半波可控整流电路两图晶闸管最大正反压：单相半波可控整流电路带大电感负载时，不管怎样调节控制角，其输出直流电压平均值总是很小，平均电流值也很小。所以此电路是无法使用的。为了解决这个问题，通常是在整流电路的负载两端并联一个续流二极管。

2023/2/518基本数量关系（以三相半波为例）1.直流输出电压平均值2.负载电流平均值5.负载电流有效值4.整流输出电压有效值3.流过晶闸管的电流平均值为6.流过晶闸管的电流有效值2023/2/519例2—1.单相半波可控整流电路，电阻性负载，不经整流变压器直接与220V交流电源相接，要求输出的直流平均电压为85V，最大输出直流平均电流为20A，求此电路中、R、U、I2、IT、IdT和，并选择晶闸管（考虑2倍裕量）。解：1.已知,根据公式

2.已知，，可计算负载电阻3.整流输出电压有效值2023/2/5204.

交流侧电流有效值单相半波可控整流电路—阻性负载5.

流过晶闸管的电流有效值和平均值晶闸管电流定额，应选额定电流为50A的晶闸管；6.

功率因数7.

选择晶闸管定额晶闸管的电压定额，应选额定电压为700V左右的晶闸管。2023/2/5212.单相桥式全控整流电路晶闸管承受的最大正向电压为电源电压峰值的一半，最大反向电压为电源电压峰值晶闸管承受的最大正反向电压均为

2023/2/5223.单相全波可控整流电路

a)wtwab)udi1OOt注意晶闸管器件承受的电压：阻性负载时，最大正向电压为，最大反向电压为单相全波中变压器结构较复杂，有中心抽头，材料的消耗多二次侧绕组每周期只工作半个周期，利用率低，故只适用于小容量场合单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应的门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍单相全波导电回路只含1个晶闸管，因而管压降也少1个单相全波电路有利于在低输出电压大电流的场合应用单相全波与单相全控桥的区别：2023/2/5234.单相桥式半控整流电路

若无续流二极管，则当触发脉冲突然增大至180或丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的单相半波整流情况，ud成为正弦半波，平均值保持恒定，此时称为失控。电路失控的原因在于已导通晶闸管的关断是依靠后一晶闸管的开通实现的，如果后一管子不能开通，则正导通的管子就无法关断，从而失控2023/2/524单相可控整流电路总结2023/2/525三相整流电路自然换相点：二极管换相时刻为自然换相点，a=0。1.三相半波三个晶闸管共阴极连接结构，触发电路有公共端三个晶闸管共阳极连接结构整流变压器绕组二次侧必须接成星形，一般一次侧接成三角形，目的是减少高次谐波。2023/2/526三相半波可控整流电路---阻性负载负载电流处于连续和断续之间的临界状态。晶闸管导通角为120

负载电流断续，晶闸管导通角小于120，为2023/2/527三相半波可控整流电路---阻感负载特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直a≤30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a>30时u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，——ud波形中出现负的部分id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线阻感负载时的移相范围为90电流连续各管均导通1202023/2/528

例2—4.已知三相半波可控整流电路带大电感负载，，，整流变压器二次侧绕组电压u2=200V，求Id值，并选择晶闸管元件。

三相半波可控整流电路例题解：大电感负载下,有2023/2/529可选型号为KP50—10的晶闸管三相半波可控整流电路例题流过晶闸管电流有效值考虑2倍裕量，晶闸管电流定额考虑2倍裕量，晶闸管电压定额

2023/2/530三相桥是应用最为广泛的整流电路共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图2-17三相桥式全控整流电路原理图导通顺序：

VT1－VT2－VT3－

VT4－VT5－VT62.三相桥式全控整流电路2023/2/531工作原理及波形分析，假设将电路中的晶闸管均换作二极管，对于共阴极组的3个管子，阳极所接交流电压值最高的一个管子导通，而对于共阳极组的3个管子，则是阴极所接交流电压值最低的一个管子导通。任意时刻共阳极组和共阴极组各有一个管子处于导通状态。

三相桥式全控整流电路---阻性负载2023/2/532三相桥式全控整流电路---阻性负载图2-18三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT12023/2/533三相桥式全控整流电路---阻性负载图2-20三相桥式全控整流电路带电阻负载a=60时的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT12023/2/534三相桥式全控整流电路---阻性负载

对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180

三相桥式全控整流电路的特点

2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发，一种是双脉冲触发（常用）2023/2/535漏抗的存在对电路电流变化起阻碍作用，换相过程不能瞬时完成存在换相重叠过程漏抗的存在引起换相压降，降低输出电压

整流装置功率进一步加大时，所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，为减轻干扰，采用多重化整流电路原理：按照一定的规律将两个或更多的相同结构的整流电路进行组合得到效果：移相多重联结可减少交流侧输入电流谐波，串联多重整流电路采用顺序控制可提高功率因数变压器漏抗对整流电路的影响多重化：2023/2/536逆变的概念

逆变电路(Inverter):把直流电逆变成交流电的电路有源逆变电路—交流侧和电网连结无源逆变电路—变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载可控整流电路满足一定条件就可工作于有源逆变，电路形式未变，只是工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路

0<<p/2时，电路工作在整流状态

p/2<<p时，电路工作在逆变状态

把p/2<时的控制角用p-=b表示，b称为逆变角，最小逆变角一般取30°~35°课后题：3、4、7、11、132023/2/537负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2第四章逆变电路（含第七章）当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负，这样就把直流电变成了交流电。换流方式分为以下几种：器件换流--全控型器件电网换流--电网提供换流电压的换流方式负载换流--负载提供换流电压的换流方式,应用于负载电流的相位超前于负载电压的场合.强迫换流--设置附加的换流电路.2023/2/538■根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类◆电压型逆变电路：直流侧是电压源。◆电流型逆变电路：直流侧是电流源。■电压型逆变电路的特点◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。◆由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。◆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。多重化：◆可以提高电路的输出功率；此外，把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。2023/2/539PWM(PulseWidthModulation)控制技术就是脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)PWM控制的基本原理重要理论基础——面积等效原理冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，2023/2/540双极性PWM控制方式在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制IGBT的通断。防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。2023/2/541根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）

异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式异步调制和同步调制2）

同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。2023/2/542三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。规则采样法使两者重合，使计算大为减化。如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

规则采样法原理规则采样法课后题：1、2、3、82023/2/543

直流斩波电路的种类6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、降升压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合，电流可逆斩波电路，桥式可逆斩波电路多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合第五章直流-直流变流电路直流-直流变流电路包括直接直流变流电路（也称斩波电路）和间接直流变流电路（直—交—直电路）。2023/2/544☞电流连续时

√负载电压的平均值为

√负载电流平均值为

◆斩波电路有三种控制方式☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。☞频率调制：ton不变，改变T。