电力电子技术项目教程PPT完整全套教学课件

铁道机车专业电力电子技术全套PPT课件1.1晶闸管(1.3).pptx1.2全控型器件(1.4).pptx2.1单相可控整流电路(2.1).pptx2.2三相可控整流电路(2.2).pptx3.1降压式斩波电路(3.2).pptx3.2升压式斩波电路(3.3).pptx4.1交流调压(4.1).pptx4.2交-交变频电路(4.3).pptx5电压型逆变电路(5.2).pptx6.1PWM控制的基本原理(6.1).pptx6.2PWM逆变电路(6.2).pptx7软开关与谐振变换技术(7.1).ppt1.1晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR），以前被简称为可控硅。其承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。3）SL16螺栓型散热器4）模块散热器2）SS11型水冷散热器1）SF11型风冷散热器晶闸管晶闸管晶闸管具有三个电极：阳极A、阴极K和门极G，它是一个四层（PNPN）三端器件，形成J1、J2、J3共3个PN结。晶闸管①当门极G电压信号为零时，即使在阳极A和阴极K两端施加正电压，由于中间的PN结J2为反偏置，所以晶闸管不导通。PPNNJ1J2J3晶闸管②在阳极A和阴极K两端施加反电压，中间的PN结J2为正偏置，但PN结J1和J3为反偏置，呈反向阻断状态，所以晶闸管仍然不会导通。PPNNJ1J2J3晶闸管③只有当在阳极A和阴极K两端施加正向电压，同时在门极G和阴极K之间也施加正向触发信号，此时晶闸管可等效为两个互补的三极管，门极有足够的电流IG流入时，就形成强烈的正反馈，使两个三极管饱和导通，也即是晶闸管导通。PPNNJ1J2J3晶闸管③此工作过程可简单表示为：UGK>0→产生IG

→T2导通→产生IC2

→T1导通→IC1↗→IC2

↗→出现强烈的正反馈此时即使将IG调整为0也不能解除正反馈，晶闸管会继续导通，即G极失去控制作用。PPNNJ1J2J3正向转折导通：阳极电压UAK升高至相当高的数值，阳极电流iA增加，直至晶闸管转入导通。du/dt导通：阳极电压上升率du/dt过高(相当于阳极电流增加)；温度导通：结温较高（流过J2的反偏漏电流增加）；其他几种可能导通的情况：非正常控制晶闸管只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段！晶闸管的静态伏安特性门极电流IG为0时，在器件的阳极A和阴极K两端施加正向电压，晶闸管呈现正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。晶闸管的静态伏安特性正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo时，漏电流急剧增大，特性从高阻区（阻断状态）经负阻区（虚线）到达低阻区（导通状态）。在正常工作时，不允许在IG为0时把正向阳极电压加到转折电压Ubo。高阻区低阻区晶闸管的静态伏安特性随着门极电流IG幅值的增大，正向转折电压Ubo降低。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性类似。导通期间，如果门极电流IG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。晶闸管的静态伏安特性晶闸管施加反向电压时，其伏安特性类似二极管的反向特性。在这种情况下，无论门极是否有触发电流IG，晶闸管总是处于反向阻断状态，只有极小的反相漏电流流过。晶闸管的静态伏安特性当反向电压超过一定限度到反向击穿电压时，外电路若没有限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。晶闸管的动态特性晶闸管只有导通和阻断这两种稳定状态，不能作为波形放大使用。晶闸管的动态特性在坐标轴原点时刻，施加理想的门极触发信号，由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，同时有外电路中电感的限制，阳极电流不能瞬时增加。晶闸管的动态特性延迟时间td上升时间tr开通时间即为td和tr两者之和。普通晶闸管的延迟时间td为0.5~1.5μs，上升时间tr为0.5~3μs晶闸管的动态特性在某一时刻，外加的阳极电压突然反向，此时门极没有触发信号，由于外电路中电感的存在，阳极电流的衰减也存在着过渡过程。阳极电流逐渐衰减到零，在反方向流过反向恢复电流，到达最大值IRM后，再反方向衰减。晶闸管的动态特性在恢复电流快速衰减的同时，由于外电路中电感的作用，会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压URRM，其大小与外电路电感有密切关系。晶闸管的动态特性反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq=trr+tgr关断时间约几百微秒。晶闸管的动态特性在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。在实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM晶闸管处于额定结温且门极开路时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。此电压规定为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。晶闸管的主要参数反向重复峰值电压URRM晶闸管处于额定结温且门极开路时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。此电压规定为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬时电压）URSM的90%。晶闸管的主要参数额定电压通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压，并按标准电压等级取整数。实际选用时，额定电压一般取正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍作为安全裕量。晶闸管的主要参数通态平均电流IT(AV)

在环境温度为40℃和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许连续流过的最大单相工频正弦半波电流的平均值，定义为通态平均电流。

晶闸管的主要参数维持电流IH晶闸管被触发导通后，若流过晶闸管的阳极电流下降，能保持晶闸管继续导通的最小阳极电流称为维持电流IH，一般为几十到几百毫安。它的大小与结温有关，结温越高，则维持电流IH越小。维持电流越大的晶闸管更容易关断。晶闸管的主要参数擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通态即移除触发信号，在这种情况下能维持晶闸管导通所需的最小阳极电流，称为擎住电流IL。对同一晶闸管来说，通常擎住电流比维持电流大。

为什么？晶闸管的主要参数

晶闸管的主要参数

门极触发电流双向晶闸管可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。由于双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。补充：

晶闸管常见型号（KP型）认识

KP

□－□□表示晶闸管普通反向阻断型额定通态平均电流正反向重复峰值电压等级通态平均电压组别思考题型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管使用在下图中电路里，问是否合理？为什么?（暂不考虑电压电流裕量）思考题铁道机车专业电力电子技术1.2全控型器件电力场效应晶体管（PowerMOSFET）电力MOSFET电力场效应晶体管电力场效应晶体管又称电力MOSFET，是一种全控型电力电子器件。它显著的特点是用栅极电压来控制漏极电流，因此所需驱动功率小，驱动电路简单；又由于是靠多数载流子导电，没有少数载流子导电所需的存储时间，开关速度快，工作频率高。但器件的电流容量小、耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。电力场效应晶体管G为栅极，S为源极，D为漏极栅极（Gate——G，也叫做门极）源极(Source——S)

漏极(Drain——D)电力场效应晶体管漏极电流ID不仅受到栅源电压UGS的控制，而且与漏极电压UDS也密切相关。当漏极电流ID较大时，漏极电流ID和栅源电压UGS的关系近似为线性。电力场效应晶体管图1-8（b）有截止区、饱和区和非饱和区三个区域。这里的饱和是指漏源电压UDS增加时漏极电流ID不再增加，非饱和是指漏源电压UDS增加时漏极电流ID相应增加。电力MOSFET工作在开、关两种状态，即指它在截止区和非饱和区之间反复切换。电力MOSFET的动态特性电力MOSFET的动态特性开通时，由于电力MOSFET存在输入电容，栅极电压UGS波形呈指数规律上升。当UGS上升到开启电压UT时，电力MOSFET开始导通，漏极电流iD出现，且随着UGS的上升而增加。当UGS达到使电力MOSFET进入非饱和区的栅源电压UGSP后，电力MOSFET进入非饱和区，虽然此时UGS继续升高，但ID已不再变化。电力MOSFET的动态特性从UGS开始上升至电力MOSFET开始导通，这段时间称为开通延迟时间td(on)；UGS从UT上升到UGSP的时间段称为上升时间tr。电力MOSFET的开通时间ton定义为开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和。电力MOSFET的动态特性关断时，同样由于输入电容的影响，UGS波形呈指数规律下降。当UGS呈低于UGSP时，漏极电流ID开始下降，直至UGS低于开启电压UT，ID下降到零。电力MOSFET的动态特性从UGS开始下降至电力MOSFET开始关断的时间称为关断延迟时间td(off)。UGS从UGSP下降到UGS小于UT时沟道消失，ID从通态电流下降到零，这段时间称为下降时间tf。电力MOSFET的关断时间toff定义为关断延迟时间td(off)

与下降时间tf之和。电力MOSFET的主要参数a）漏源击穿电压UDSBUDSB是指结温在25~150℃之间漏源极的击穿电压。该参数决定了电力MOSFET的最高工作电压，常用的电力MOSFET的UDSB通常在1000V以下。需要注意的是常用的电力MOSFET的漏源击穿电压具有正温度系数，因此在温度低于测试条件时，UDSB会低于产品手册数据。电力MOSFET的主要参数b）漏极连续电流额定值ID和漏极脉冲电流峰值IDM

这是标称电力MOSFET电流定额的参数，一般情况下，IDM是ID的2~4倍。工作温度对器件的漏极电流影响很大，在实际器件参数计算时，必须考虑其损耗及散热情况得出壳温，由此核算器件的电流定额。如在壳温为80~90℃时，器件可用的连续工作电流只有壳温为25℃时ID的60%~70%。电力MOSFET的主要参数c）栅源电压UGS由于栅源之间的绝缘层很薄，当UGS>20V将导致绝缘层击穿，因此在焊接、驱动等方面必须注意。

电力MOSFET的主要参数d）极间电容电力MOSFET的3个电极之间分别存在极间电容CGS、CGD和CDS，极间电容是影响开关工作速度的主要因素。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor）简称为IGBT。它是一种电压控制型器件，具有耐高电压和大电流、工作频率高、易于驱动、低功耗等优点，成为当前在工业领域应用最广泛的电力电子器件。轴控指每个逆变器独立控制一个电机。架控指每个逆变器控制两个以上的电机。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）栅极G、集电极C和发射极Ee=Emitter(发射极)

c=Collector(集电极)g=Gate(栅极)

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）a）转移特性当栅射电压UGE高于开启电压UGE（th）时，IGBT开始导通，UGE（th）的值一般为2~6V。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）b）输出特性

与上一张图对应绝缘栅双极型晶体管（IGBT）IGBT的开通过程与电力MOSFET十分相似。从驱动电压UGE上升至其幅值的10%至集电极电流IC上升到稳态值的10%，这段时间称为开通延迟时间td(on)；IC从10%稳态值上升至90%稳态值，这段时间称为上升时间tr。IGBT的开通时间ton定义为开通延迟时间td(on)与上升时间tr之和。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在关断过程中，从驱动电压UGE下降至其幅值的90%到集电极电流IC下降为稳态值的90%，这段时间称为关断延迟时间td(off)；集电极电流IC从稳态值的90%下降至10%，这段时间称为下降时间tf。IGBT的关断时间toff定义为关断延迟时间td(off)与下降时间tf之和。IGBT的主要参数和性能a）最大集射极间电压UCES

该参数决定了器件的最高工作电压，由内部等效的PNP晶体管所能承受的击穿电压确定。IGBT的主要参数和性能

IGBT的主要参数和性能c）集射饱和压降UCE(sat)它是指栅射间施加一定电压，在一定的结温及集电极电流条件下，集射间饱和通态压降。此压降在集电极电流较小时为负温度系数，较大时为正温度系数。它表征了IGBT的通态损耗，应该选取UCE(sat)较小的IGBT。IGBT的主要参数和性能

IGBT的主要参数和性能e）结温它指IGBT工作时不导致其损坏所允许的最高结温。IGBT的主要参数和性能

其他新型器件功率模块与功率集成电路目前，电力电子器件的主要发展趋势就是模块化。按照典型电力电子电路所需要的拓扑结构，将多个相同的电力电子器件或多个相互配合使用的不同电力电子器件封装在一个模块中。其优点是：缩小装置的体积，降低成本，提高可靠性，更重要的是对工作频率较高的电路，可以达到减小线路电感，从而简化对吸收或缓冲电路的要求。这种模块称为功率模块（PowerModule），如IGBT模块（IGBTModule）。其他新型器件

其他新型器件

功率模块与功率集成电路智能功率模块（IntelligentPowerModule，简称IPM），将保护和驱动电路与IGBT器件集成在一起。铁道机车专业电力电子技术2.1单相可控整流电路回顾1.晶闸管导通条件是什么？2.晶闸管关断条件是什么？单相可控整流电路单相半波可控整流电路交流直流晶闸管单相半波电阻性负载可控整流电路由晶闸管VT、电阻R及单相整流变压器T组成。单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路在

α(触发延迟角)之前晶闸管虽然承受正向电压，但因触发电路尚未向门极送出触发脉冲，晶闸管仍保持阻断状态，无直流电压输出。单相半波可控整流电路②在α时刻触发电路向门极送出触发脉冲，晶闸管被触发导通。若不计管压降影响，则负载电阻两端的电压波形ud就是变压器二次侧电压u2的波形，流过负载的电流波形id与ud相似。单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路②在α时刻由于二次侧绕组、晶闸管以及电阻负载时是串联的，故id波形也就是流过晶闸管的电流iT及流过变压器二次侧电流i2的波形。单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路

单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路

交流直流单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路输出电压平均值与平均电流的计算：单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路输出电压平均值与平均电流的计算：

单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路负载上电压有效值与电流有效值单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路晶闸管可能承受的正反向峰值电压

晶闸管电流有效值电路中，晶闸管与负载串联，所以负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效值。单相可控整流电路（电阻性负载）单相半波可控整流电路功率因数单相可控整流电路（电阻性负载）单相可控整流电路（电感性负载）阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。

单相可控整流电路（电感性负载）

（a）电流id增大时Ld两端感应电动势方向

（b）电流id减小时Ld两端感应电动势方向图2-2电感线圈对电流变化的阻碍作用单相可控整流电路（电感性负载）无续流二极管

单相可控整流电路（电感性负载）无续流二极管

单相可控整流电路（电感性负载）无续流二极管③在π时刻：交流电压过零，由于电感的存在，流过晶闸管的阳极电流仍大于零，晶闸管会继续导通，此时电感储存的能量一部分释放变成电阻的热能，同时另一部分送回电网，电感的能量全部释放完后，晶闸管在电源电压u2的反压作用下而截止。直到下一个周期的正半周，即2π＋α时刻，晶闸管再次被触发导通。如此循环。单相可控整流电路（电感性负载）无续流二极管

单相可控整流电路（电感性负载）有续流二极管由于该二极管是为电感负载在晶闸管关断时提供续流回路，因此称作续流二极管。在电源电压正半周（0～π区间），晶闸管承受正向电压，触发脉冲在α时刻触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流。在此期间续流二极管VD承受反向电压而关断。U2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。单相可控整流电路（电感性负载）u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+aiVDR

单相可控整流电路（电感性负载）u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-ap+aiVDR基本物理量单相可控整流电路（电感性负载）基本物理量单相可控整流电路（电感性负载）基本物理量单相可控整流电路（电感性负载）基本物理量单相可控整流电路（电感性负载）工作原理单相可控整流电路（电感性负载）单相半波可控整流电路的特点控制角α移相范围为180。电路简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。实际上很少应用此种电路。平均来看，交流电是不会使铁芯永远处于饱和状态的，只有瞬间的饱和，随后就得到恢复。单相桥式整流电路单相桥式整流电路可分为单相桥式全控整流电路单相桥式半控整流电路这里的全控、半控不是指器件。单相桥式全控整流电路（电阻性负载）晶闸管VT1和VT4为一组桥臂，而VT2和VT3组成另一组桥臂。单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4在

α(触发延迟角)之前：电路不导通。两个晶闸管均分，Uvt1，4为U2的一半。单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4在相当于控制角α的时刻，给VT1和VT4同时加脉冲，则VT1和VT4会导通。单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4在相当于控制角π+α的时刻，给VT2和VT3同时加脉冲，则VT2和VT3会导通。单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4为什么波形是这样？单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4留意i2电流方向变负向直流单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4整流电压平均值为：是单相半波可控整流电路输出电压平均值的2倍。α角的移相范围为180单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4向负载输出的直流电流平均值为：单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4单相桥式全控整流电路（电阻性负载）u(i)pwtwtwt000i2udidddaauVT1,4单相桥式全控整流电路（电感性负载）2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。t=+时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。单相桥式全控整流电路（电感性负载）2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u两组管子轮流导通，每只晶闸管的导通时间较电阻性负载时延长了，导通角为π，与α无关。单相桥式全控整流电路（电感性负载）2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u整流电压平均值为：当=0时，Ud0=0.9U2=90时，Ud=0晶闸管移相范围为0~90单相桥式全控整流电路（电感性负载）2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u单相桥式全控整流电路（电感性负载）2OwtOwtOwtudidi2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u为什么没有一半的波形了？单相桥式全控整流电路（电感性负载）为了扩大移相范围，去掉输出电压的负值，提高Ud的值，也可以在负载两端并联续流二极管，如图2-8所示。接了续流二极管以后，α的移相范围可以扩大到0~180°。单相桥式半控整流电路（电阻性负载）为了简化电路，实际上可以采用一只晶闸管来控制导电回路，然后用一只整流二极管来代替另一只晶闸管。单相桥式半控整流电路（电阻性负载）1）电阻负载情况单相桥式半控电路与单相桥式全控电路在电阻负载时的工作情况相同。单相桥式半控整流电路（电感性负载）每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。在u2正半周，处触发VT1，u2经VT1和VD4向负载供电。u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通，但因a点电位低于b点电位，电流是由VT1和VD3续流，ud=0。在u2负半周，处触发触发VT3，向VT1加反压使之关断，u2经VT2和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT2和VD4续流，ud又为零。单相桥式半控整流电路（电感性负载）若无续流二极管，则当突然增大至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，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。有续流二极管VD时，续流过程由VD完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。续流二极管VD单相桥式半控整流电路（电感性负载）O2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVD电流波形单相桥式半控整流电路（电感性负载）单相不可控整流电路1.某电阻需要0～24V可调直流电压，采用单相可控半波整流电路。现有两种供电方案：（1）220V交流电网直接供电；（2）用整流变压器供电，U2=60V。试比较两种供电方案下晶闸管的导通角以及所选单相可控半波整流电路是否能满足负载的要求？2.一单相可控半波整流电路，负载电阻RL=10Ω，由电网220V电压供电，控制角α=60°，试计算整流电压的平均值、电流的有效值以及管子承受的最大正反向电压。3.一单相半控桥式整流电路，其输入交流电压有效值为220V，负载为1kΩ电阻，试求控制角α=0°及α=90°时负载上电压和电流的平均值，并画出相应的波形。4.在电阻性负载单相半控桥式整流电路中，已知当控制角α=0°时，输出直流电压Uo=150V，输出直流电流Io=50A。如果将输出直流电压调到Uo=120V，则需要将控制角α调到多大？这时的输出直流电流Io是多少？铁道机车专业电力电子技术2.2三相可控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路2.2.2三相桥式全控整流电路2.2.1三相半波可控整流电路

■电阻负载电路分析

☞为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而

一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。

☞三个晶闸管按共阴极接法连接,这种接法触发电

路有公共端，连线方便。

☞假设将晶闸管换作二极管，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。

☞自然换相点

√在相电压的交点t1、t2、t3处，均出现了二

极管换相，称这些交点为自然换相点。

√将其作为的起点，即=0。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形

2.2.1三相半波可控整流电路☞=0(波形见上页)

√三个晶闸管轮流导通120

，ud波形为

三个相电压在正半周期的包络线。

√变压器二次绕组电流有直流分量。

√晶闸管电压由一段管压降和两段线电

压组成，随着增大，晶闸管承受的电

压中正的部分逐渐增多。☞=30

√负载电流处于连续和断续的临界状态，

各相仍导电120。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形2.2.1三相半波可控整流电路☞>30

√当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。

√负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。wwttwtwtau2uaubucOOOOuGudiVT1三相半波可控整流电路，电阻负载，=60时的波形2.2.1三相半波可控整流电路基本数量关系

☞的移相范围为90。

☞整流电压平均值

☞Ud/U2与的关系√L很大，如曲线所示。

√L不是很大，则当>30后，ud中负

的部分可能减少，整流电压平均值

Ud略为增加，如曲线3所示。2.2.1三相半波可控整流电路

☞变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为☞晶闸管的额定电流为☞晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值，即

三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。2.2.2三相桥式全控整流电路

原理图阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，

VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连

接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，

VT2）称为共阳极组。共阴极组中与a，b，c三相电源相

接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，

共阳极组中与a，b，c三相电源相接

的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4

-VT5-VT6。2.2.2三相桥式全控整流电路■带电阻负载时的工作情况电路分析

☞各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。☞当≤60时√ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。

√=0时，ud为线电压在正半周的包络线。三相桥式全控整流电路电阻负载=0时晶闸管工作情况2.2.2三相桥式全控整流电路√=30时，晶闸管起始导通时刻推迟了30，组成ud的每一段线电压因此推迟30，ud平均值降低。

√=60时，ud波形中每段线电压的波形继续向后移，ud平均值继续降低。=60时ud出现了为零的点。☞当>60时

√因为id与ud一致，一旦ud降为至零，id也降至零，晶闸管关断，输出整流电压ud为零，ud波形不能出现负值。三相桥式全控整流电路的一些特点☞每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。2.2.2三相桥式全控整流电路☞对触发脉冲的要求

√6个晶闸管的脉冲按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

。☞整流输出电压ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。☞在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲

√宽脉冲触发：使脉冲宽度大于60（一般取80~100）

√双脉冲触发：用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60，脉宽一般为20~30

。√常用的是双脉冲触发。☞晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。2.2.2三相桥式全控整流电路■基本数量关系带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。整流输出电压平均值

☞带阻感负载时，或带电阻负载≤60时

☞带电阻负载且>60时铁道机车专业电力电子技术3.2降压式斩波电路降压式斩波电路

降压式斩波电路VT通态时等效电路图

降压式斩波电路VT断态时等效电路图当可控开关VT处于断态时，电感L产生感应电动势，二极管VD导通续流，为负载提供电流通路。降压式斩波电路

降压式斩波电路电流连续导通

+-U降压式斩波电路电流连续导通

降压式斩波电路电流连续导通

降压式斩波电路电流连续导通

降压降压式斩波电路电流临界连续降压式斩波电路电流不连续

铁道机车专业电力电子技术3.3升压式斩波电路升压式斩波电路

升压式斩波电路

升压式斩波电路

升压式斩波电路

升压升压式斩波电路

电流连续导通的波形图

电流不连续导通的波形铁道机车专业电力电子技术4.1交流调压回顾频率不变，只改变电压，称为交流电压变换器或交流斩波器。频率、电压均改变，则称为直接变频器。{AC-AC交流调压电路交流调压电路通常由晶闸管组成，用于调节输出电压的有效值。与常规的调压变压器相比，晶闸管交流调压器有体积小、重量轻的特点。其输出是交流电压，但它不是正弦波形，其谐波分量较大，功率因数也较低。思考：和变压器调压的共同点是什么？交流调压电路控制方法：通断控制。即把晶闸管作为开关，通过改变通断时间比值达到调压的目的。这种控制方式电路简单，功率因数高，适用于有较大时间常数的负载；缺点是输出电压或功率调节不平滑。相位控制。它是使晶闸管在电源电压每一周期中、在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压的目的。单相交流调压电路（电阻性负载）单相交流调压电路（电阻性负载）思考：为什么左图是AC-DC电路，而采用双向晶闸管是AC-AC电路？单相交流调压电路（电阻性负载）

何时功率因素最大？何时功率因素最小？对比P36公式单相交流调压电路（电感性负载）对比P37图示1、α＞φ由图可见，α＞φ,θ＜180°，正负半波电流断续。α愈大，θ愈小。即α的移相在（180°-φ）范围内，可以得到连续可调的交流电压。2、α=φ由图b可见，当α=φ时,θ=180°，即正负半周电流临界连续。相当于晶闸管失去控制。3、α＜φ负载电流只有正半波部分，出现很大直流分量，电路不能正常工作。

铁道机车专业电力电子技术4.3交-交变频电路单相交-交变频器变流器P和N都是相控整流电路。单相交-交变频器三相桥式全控整流电路带阻感负载a=0时的波形参考P58单相交-交变频器三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形参考P61单相交-交变频器三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形单相交-交变频器为使uo波形接近正弦波，可按正弦规律对α角进行调制。在半个周期内让P组α角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°，每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律从零增至最高，再减到零。另外半个周期可对N组进行同样的控制。uo由若干段电源电压拼接而成，在uo的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。单相交-交变频器改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率0。改变变流电路工作时的控制角，就可以改变交流输出电压的幅值。铁道机车专业电力电子技术5.2电压型逆变电路电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种：电压型逆变电路或电压源型逆变电路电流型逆变电路或电流源型逆变电路电压型逆变电路电压型逆变电路的特点：(1)

直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。(2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。(3)阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。半桥逆变电路t1~t2：C1—V1—负载，输出电压右正左负-+Um=Ud/2半桥逆变电路t2~t3：C2—VD2—负载，二极管VD2续流，输出电压左正右负+-半桥逆变电路t3~t4：C2—V2—负载，输出电压右正左负+-半桥逆变电路-+t4~t5：C1—VD1—负载，二极管VD1续流，输出电压左负右正半桥逆变电路-++-+--+工作原理V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。半桥逆变电路优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源。单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。全桥逆变电路V1,V4同时通断；V2,V3同时通断。V1,V4与V2,V3信号互补，各导电180°（对比半桥思考）P121图5.4全桥逆变电路共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通180°。输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。全桥逆变电路输出电压定量分析uo成傅里叶级数

基波幅值基波有效值uo为正负各180°时，要改变输出电压有效值只能改变Ud来实现。全桥逆变电路tOtOtOtOtOθb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo全桥逆变电路及波形阻感性负载时，调节输出电压，可通过改变θ的大小来实现。

（0°<θ<180°）全桥逆变电路单相电压全桥输出电压uo定量分析对应uo展开成傅里叶级数

基波幅值

基波有效值

全桥逆变电路负载各相到电源中点N'的电压：U相，V1通，uUN'=Ud/2，V4通，uUN’=-Ud/2全桥逆变电路负载线电压全桥逆变电路铁道机车专业电力电子技术6.1PWM控制的基本原理概述PWM(PulseWidthModulation)控制就是脉宽调制技术：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)。概述直流斩波电路采用PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型。降压斩波电路

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。混合型：ton和T都可调，改变占空比PWM控制的基本原理冲量大小相等的各种窄脉冲重要理论基础—（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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同PWM控制的基本原理用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等。用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化。SPWM波形—脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。用PWM波代替正弦半波❓铁道机车专业电力电子技术6.2PWM逆变电路PWM逆变电路目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。PWM逆变电路单相桥式PWM逆变电路逆变电路的控制方法有单极型和双极型两种方式。单极型单极型PWM控制方式原理波形

单极型PWM控制方式原理波形

单极型单极型PWM控制方式原理波形

单极型双极型PWM控制方式原理波形

双极型双极型PWM控制方式原理波形

双极型三相桥式PWM逆变电路

三相桥式PWM逆变电路三相桥式PWM逆变电路输出波形

三相桥式PWM逆变电路三相桥式PWM逆变电路输出波形

三相桥式PWM逆变电路电力电子技术软开关与谐振变换技术软开关与谐振变换技术

在任何一种电力电子装置中，滤波电感、电容及变压器的体积和重量都占到了很大的比例。而现代电力电子装置朝着小型化、轻量化的方向发展，从电路有关的知识可以知道，提高工作频率可以减少变压器绕组的匝数，并减少磁芯的尺寸。但在提高开关频率的同时，开关损耗也在增加，电路效率会严重下降，电磁干扰也增大。因此，简单提高开关频率是不行的。

针对以上问题，软开关技术应运而生，它利用以谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和噪声问题，可以将开关频率大幅度提高。硬开关技术

在电力电子装置中，硬开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。硬开关技术软开关技术

如图所示，软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。

降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关