电力电子技术13春

第9章电力电子技术9.1电力电子器件9.2整流电路9.3直流变换电路9.4逆变电路9.5交流变换电路本章要求：1.了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线和主要参数；2.了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形，了解单结晶闸管及其触发电路；3.了解逆变电路、变频电路和交流调压电路及斩波电路的工作原理和应用。第9章电力电子技术9.1电力电子器件(1)不控器件器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管(D)。(2)半控器件器件的导通可控,但关断不可控。如普通晶闸管(T)。(3)全控器件器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断晶闸管(GTO)

、功率晶体管(GTR)

、功率场效晶体管(VDMOS)及绝缘栅双极晶体管(IGBT)。9.1.1电力电子器件的分类电力电子器件的符号电力电子器件的主要性能指标电压、电流、工作频率。KGATKADKGAGTOGSDVDMOSBECGTRGECIGBT9.1.2晶闸管

晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。优点：

体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。（Silicon

ControlledRectifier）G控制极1.基本结构K阴极阳极

AP1P2N1N2晶闸管具有三个PN结。(b)结构KGA(a)符号晶闸管的结构及符号四层半导体三个

PN

结晶闸管的实物图P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合PPNNNPAGK+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG2.工作原理在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。形成正反馈过程EA>0、EG>0AKGEA+_RT1T2EG_+EA+_RT1T2EGA_+K晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。2.工作原理EA>0、EG>0形成正反馈过程G晶闸管导通的条件：(1)晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。(2)晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。

晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：

(1)必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。

(2)将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向转折电压IHOUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U3.伏安特性4.主要参数(1)正向重复峰值电压UDRM晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般UDRM

比正向转折电压UBO低100V。(2)反向重复峰值电压URRM晶闸管控制极开路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。一般URRM

比反向转折电压|UBO|低100V。(3)正向平均电流IF环境温度为40°C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。IFt2如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。(4)维持电流

IH在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。双向晶闸管特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。

晶闸管双向触发导通。

UA2>UA1时控制极相对于A1加正脉冲，uGA1>0，晶闸管正向导通，电流从A2流向A1。

UA2<UA1时

控制极相对于A1加负脉冲，uGA1<0，晶闸管反向导通，电流从A1流向A2。工作原理：(a)结构图(b)GA1PNPNA2NNN(b)符号控制极第二电极TA2GA1第一电极可关断晶闸管符号：KGAGTO特点：控制极加正触发信号，晶闸管导通；控制极加负触发信号，晶闸管关断。GTO全控示意图KGAiGiAREAiGiA9.1.3功率晶体管、功率场效应晶体管

和绝缘栅双极晶体管1.功率晶体管2.功率场效应晶体管3.绝缘栅双极晶体管这种晶体管主要作为功率开关使用。这种场效应管的漏极电流较大，可达几百A；耐压较高，漏-源电压可达千伏；效率较高、速度较快。这种晶体管综合了功率晶体管和功率场效应晶体管的优点，具有较高的电压与电流和工作频率，其关断时间可缩短到40ns。uDO1单相半波整流电路1)工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；2)工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。–++–aTrDuoubRLioutOuoO9.2整流电路9.2.1不可控整流电路3)参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I4)整流二极管的选择平均电流ID与最高反向电压UDRM是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID，URWMUDRM

半波整流电路的优点：结构简单，使用的元件少。缺点：只利用了电源的半个周期，所以电源利用率低，输出的直流成分比较低；输出波形的脉动大；变压器电流含有直流成分，容易饱和。故半波整流只用在要求不高，输出电流较小的场合。2单相桥式整流电路2)工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D1、D3

导通，D2、D4

截止。3)工作波形uD2uD41)电路结构－uouDttRLuiouo1234ab+–+–－u2)工作原理3)工作波形uD2uD41)电路结构RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二极管1、3导通，2、4截止。u

负半周，Va<Vb，二极管2、4导通，1、3截止。uouDttuD1uD3－－u4)参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM(5)变压器副边电流有效值I(1)输出直流电压高；

(2)脉动较小；

(3)二极管承受的最大反向电压较低；(4)电源变压器得到充分利用。目前，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制成单相及三相整流桥模块，这些模块只有输入交流和输出直流引线。减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。桥式整流电路的优点：单相整流模块三相整流模块解：变压器副边电压有效值例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。流过每只二极管电流平均值每只二极管承受的最高反向电压整流电流的平均值考虑到变压器副绕组及二极管上的压降，变压器副边电压一般应高出5%~10%，即取

U=1.1111122V例1：单相桥式整流电路，已知交流电网电压为220V，负载电阻RL=50，负载电压Uo=100V，试求变压器的变比和容量，并选择二极管。

I=1.11Io=21.11=2.2A

变压器副边电流有效值变压器容量

S=UI=122

2.2=207.8VA变压器副边电压U

122V可选用二极管2CZ11C，其最大整流电流为1A，反向工作峰值电压为300V。例2：试分析图示桥式整流电路中的二极管D2

或D4

断开时负载电压的波形。如果D2

或D4接反，后果如何？如果D2或D4因击穿或烧坏而短路，后果又如何？

uo+_~u+_RLD2D4D1D3解：当D2或D4断开后电路为单相半波整流电路。正半周时，D1和D3导通，负载中有电流过，负载电压uo=u；负半周时，D1和D3截止，负载中无电流通过，负载两端无电压，uo=0。

uo

u

π2π3π4πtwtwπ2π3π4πoo

如果D2或D4接反则正半周时，二极管D1、D4或D2、D3导通，电流经D1、D4或D2、D3而造成电源短路，电流很大，因此变压器及D1、D4或D2、D3将被烧坏。

如果D2或D4因击穿烧坏而短路则正半周时，情况与D2或D4接反类似，电源及D1或D3也将因电流过大而烧坏。uo+_~u+_RLD2D4D1D33三相桥式整流电路2)工作原理在每一瞬间共阴极组中阳极电位最高的二极管导通；共阳极组中阴极电位最低的二极管导通。1)电路D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––o三相变压器原绕组接成三角形，副绕组接成星形共阳极组共阴极组在t1~

t2

期间共阴极组中a点电位最高，D1导通；共阳极组中b点电位最低，D4导通。负载两端的电压为线电压uab。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2)工作原理变压器副边电压uouaubuC2uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9在t2~

t3

期间共阴极组中a点电位最高，D1导通；共阳极组中c点电位最低，D6导通。负载两端的电压为线电压uaC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2)工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo在t3~

t4

期间共阴极组中b点电位最高，D3导通；共阳极组中c点电位最低，D6导通。负载两端的电压为线电压ubC。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2)工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo在t4~

t5

期间共阴极组中b点电位最高，D3导通；共阳极组中a点电位最低，D2导通。负载两端的电压为线电压uba。D1RLuoD6D3D5D4D2io

Cbau++––

o负载电压2)工作原理变压器副边电压uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理结论：

在一个周期中，每个二极管只有三分之一的时间导通（导通角为120°）。D1RLuoD6D3D5D4D2iocbau++––

o变压器副边电压负载电压负载两端的电压为线电压。uouaubuC23)参数计算(1)整流电压平均值Uo(2)整流电流平均值Io(3)流过每管电流平均值ID(4)每管承受的最高反向电压UDRM9.2.2可控整流电路

1.单相半波可控整流电路(1)电阻性负载

u>0时：若uG=0，晶闸管不导通，u

<0时:晶闸管承受反向电压不导通,

uO=0,uT=u，故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，uuoRL+–+uT+––TiotO工作原理t12u

<

0时:

可控硅承受反向电压不导通即：晶闸管反向阻断加触发信号，晶闸管承受正向电压导通tOu

>0时:tOtO接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形控制角t1tOt22tO导通角整流输出电压及电流的平均值由公式可知：改变控制角，可改变输出电压UO。(2)电感性负载与续流二极管

当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。uuOR+–+uT+––T⃝LeL⃝在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。tOtOt1tOt22tO工作波形u>0时：

D反向截止，不影响整流电路工作。u

<0时：

D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uO波形与电阻性负载相同(见波形图)。电感性负载(加续流二极管)uuOR+–+uT+––LTioDio+–tO工作波形(加续流二极管)iLttOtO22.单相半控桥式整流电路(1)电路(2)工作原理T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为T1、T2晶闸管D1、D2晶体管aRLD2T1b电压u为正半周时：此时，T1和D2均承受反向电压而截止。io+–+–T1T2RLuOD1D2au+–bT2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为电压u为负半周时：bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。io+–+–T1T2RLuOD1D2au+–btOttOtO(3)工作波形2(4)输出电压及电流的平均值两种常用可控整流电路电路特点该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D1D4uORLD3+-+-电路特点1.电路接入电感性负载时，二极管D1、D2起续流作用。2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。(2)T1T2D1D2uuORL+-+-3单结晶体管触发电路1.单结晶体管B2第二基极B1N欧姆接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号(b)符号(1)结构B2EB1(2)工作原理UE<

UBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小；PN结正向导通,IE迅速增加。UE

UP时

–分压比(0.5~0.9)UP

–峰点电压UD–

PN结正向导通压降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路测量单结晶体管的实验电路由图可求得RERB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1RE(3)单结晶体管的伏安特性UV、IV(谷点电压、电流):维持单结管导通的最小电压、电流。

UP(峰点电压)：

单结管由截止变导通

所需发射极电压。IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区UE>UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻-负阻区。P(1)UE<UP时单结管截止；UE>UP时单结管导通，UE<UV时恢复截止。单结晶体管的特点(2)晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比

有关，峰点电压UP或分压比不同，则峰值电压UP不同。(3)不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都比一样。谷点电压大约在2~5V之间。常选用

稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。B2EB12.单结晶体管触发电路(1)振荡电路单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F(2)振荡过程分析设通电前uC=0。接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。当uC

UP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。UpUVUp-UDuCtugt电容放电至uC

Uv时，单结管重新关断，使uO0。ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。uCttuOuPuV(b)电压波形主电路触发电路(3)单结管触发的半控桥式整流电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+1)整流削波U2M削波UZU2MtOtt整流Ru2+–+–uO+–uZ2)触发电路UZUP-UDR1R2RPCuC+Rug+uZ+ttttUVUpRLT1D1D2T2uL+3)输出电压uL

交流电压经整流电路整流后输出的是脉动直流，其中既有直流成份又有交流成份。

滤波原理：滤波电路利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。方法：将电容与负载RL并联(或将电感与负载RL串联)。9.2.3滤波电路1电容滤波器

1)电路结构2)工作原理

u>uC时，二极管导通，电源在给负载RL供电的同时也给电容充电，uC

增加，uo=uC

。

u<uC时，二极管截止，电容通过负载RL

放电，uC按指数规律下降，uo=uC

。+Cici–++–aDuoubRLio=uC

3)工作波形二极管承受的最高反向电压为。uoutOtO4)电容滤波电路的特点(T—电源电压的周期)(1)输出电压的脉动程度与平均值Uo与放电时间常数RLC有关。

RLC

越大电容器放电越慢输出电压的平均值Uo越大，波形越平滑。近似估算取：

Uo

=1.2U(

桥式、全波）

Uo

=1.0U（半波）当负载RL开路时，UO

为了得到比较平直的输出电压(2)外特性曲线有电容滤波1.4U无电容滤波0.45UUooIO结论

采用电容滤波时，输出电压受负载变化影响较大，即带负载能力较差。因此电容滤波适合于要求输出电压较高、负载电流较小且负载变化较小的场合。(3)流过二极管的瞬时电流很大选管时一般取：

IOM=2ID

RLC

越大ＵO

越高，IO

越大整流二极管导通时间越短iD

的峰值电流越大。uotOiDtO例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo++––~+C解：1.选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAURWM=50V

例：有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：2.选择滤波电容器可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器2电感电容滤波器1)电路结构L

uRLuo++––~+C2)滤波原理对直流分量:XL=0，L相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:f越高,XL越大,电压大部分降在L上。因此,在负载上得到比较平滑的直流电压。当流过电感的电流发生变化时，线圈中产生自感电势阻碍电流的变化,使负载电流和电压的脉动减小。

LC滤波适合于电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，用于高频时更为合适。3形滤波器形LC滤波器

滤波效果比LC滤波器更好，但二极管的冲击电流较大。

比形LC滤波器的体积小、成本低。LuRLuo++––~+C2+C1形RC滤波器RuRLuo++––~+C2+C1

R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R大将使直流压降增加，主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动很小的场合。交直流收扩两用机电源N1N3C20.047FD2D3D4D12CZ12A×4N2FU23A2000F/50V+C1–24VFU11A直流24V交流～220V如图电源输出电压为24V,电流为1.8A。变压器副绕组N3的电压约为20V,C2起抑制高频干扰作用；副绕组N2的电压为5.5V，供照明指示灯用。直流24V电池的极性可任意接入。9.3直流变换电路

稳压电路（稳压器）是为电路或负载提供稳定的输出电压的一种电子设备。

稳压电路的输出电压大小基本上与电网电压、负载及环境温度的变化无关。理想的稳压器是输出阻抗为零的恒压源。实际上，它是内阻很小的电压源。其内阻越小，稳压性能越好。

稳压电路是整个电子系统的一个组成部分，也可以是一个独立的电子部件。一、稳压管稳压电路2、工作原理UO

=UZ

IR=IO+IZUIUZRL(IO)IR设UI一定，负载RL变化UO

基本不变IR

(IRR)基本不变UO

(UZ

)IZ1、电路+–UIRL+CIOUO+–+–uIRRDZIz限流调压稳压电路9.3.1线性直流稳压电路二、串联型稳压电路1、电路结构串联型稳压电路由基准电压、比较放大、取样电路和调整元件四部分组成。调整元件比较放大基准电压取样电路UiTR3UZRLUO+–R4++––+UB+–DZ+–Uf+–R2R1当由于电源电压或负载电阻的变化使输出电压UO

升高时，有如下稳压过程：2、稳压过程由电路图可知UOUfUBUOICUCE由于引入的是串联电压负反馈，故称串联型稳压电路。TUOUiR3UZRL+–R4++––+UB+–DZ+–Uf+–R2R13、输出电压及调节范围

输出电压UiTR3UZRLUO+–R4++––+UB+–DZ+–Uf+–R2R1三、集成稳压电源单片集成稳压电源，具有体积小,可靠性高,使用灵活,价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端,故称之为三端集成稳压器。1.分类XX两位数字为输出电压值三端稳压器输出固定电压输出可调电压输出正电压78XX输出负电压79XX（1.25~37V连续可调）2.外形及引脚功能W7800系列稳压器外形1—输入端3—公共端2—输出端78xxW7900系列稳压器外形1—公共端3—输入端2—输出端79xx塑料封装3.性能特点（7800、7900系列）输出电流超过1.5A（加散热器）不需要外接元件内部有过热保护内部有过流保护调整管设有安全工作区保护输出电压容差为4%输出电压额定值有:

5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V等。4.主要参数(1)电压调整率SU(稳压系数)

反映当负载电流和环境温度不变时，电网电压波动对稳压电路的影响。(2)电流调整率SI

反映当输入电压和环境温度不变时，输出电流变化时输出电压保持稳定的能力，即稳压电路的带负载能力。0.005~0.02%0.1~1.0%(3)输出电压UO

(6)最大输入电压UiM

(7)最大功耗PM

(4)最大输出电流IOM

(5)最小输入、输出电压差(Ui-UO

)min

输出为固定正电压时的接法如图所示。(1)

输出为固定电压的电路输入与输出之间的电压不得低于3V！5.三端固定输出集成稳压器的应用COW7805CiUi+_+_UO123

0.1~1F1F为了瞬时增减负载电流时，不致引起输出电压有较大的波动。即用来改善负载的瞬态响应。用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止产生自激振荡。即用以改善波形。(2)同时输出正、负电压的电路23220V

24V+C

24V+CW7815Ci+15V123CiW79151COCO–15V1F1F0.33F0.33F1000F1000FUXX:

为W78XX固定输出电压UO=UXX+UZ（3）提高输出电压的电路COW78XXCiUI+_+_UO123UXXUZRDZ+_+_IO=I2+IC（4）提高输出电流的电路当IO较小时，UR较小，T截止，IC=0。COW78XXCiUI+_+_UO123RURICI2IOT+–当IO>

IOM时，UR较大，T导通，IO=IOM+IC

R可由功率管T的UBE和稳压器的IOM确定,即RUBE/IOM。6.三端可调输出集成稳压器的应用流过调整端电流<100µA，在要求不高的场合它在R2上的压降可以忽略2、1两端电压为1.25V—

基准电压COCW117CiUi+_+_UO321AdjR1R22401µF0.1µF1

BuckConverter电感电流：

连续

(CCM-ContinuousCurrentMode)

临界

断续(DCM-DiscontiuousCurrentMode)电压纹波、谐波、内阻……9.3.2开关直流稳压电路电流的不同状态1★电流连续状态：稳定状态下：——直流变压器2

BoostConverter

电感电流：

连续临界断续

电压纹波电流的不同状态1★电流连续状态：稳定状态下：★电流临界状态：临界电流平均值：19.4逆变电路能够实现DC-AC变换的电路称为逆变电路。逆变器UDDCuO

,