电力电子技术的核心

单相半波可控整流电路带电阻负载的工作状况

直流输出电压平均值

〃11K…、…cr1+COS。

Ud=——V2asincold(cot)=-----(1+cosa)=0.45t/2-------

2兀M「2〃2

流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为

续流二极管的电流平均值IdDR和有效值IDR分别为

其移相范围为180,其承受的最大正反向电压均为U2时

峰值即、历4

单相半波可控整流电路的特点是简朴，但输出脉动大，变压

器二次侧电流中含直流分量，导致变压器铁芯直流磁化。为

使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容

量。

单相桥式全控整流电路带电阻负载的工作状况

全波整流

在交流电源时正负半周均有整流输出电流流过负载，因此该

电路为全波整流。

直流输出电压平均值

4=，「行上sin…t)=2周2'+"=0.96

713a7122

负载直流电流平均值

2^2。21+COS6Z八八。21+COS。

------------------------=0.9------------，

7iR2R22=/d

晶闸管参数计算

①承受最大正向电压：*2)

②承受最大反向电压：M

③触发角时移相范围：。=。时，%=。92；a=l8。。时，丸=。。

因此移相范围为18。°。

，dVT二。吟子

④晶闸管电流平均值:

(5)流过晶闸管的电流有效值为：IVT=ld/收

(6)晶闸管时额定电压=(2~3)X最大反向电压

(7)晶闸管的J额定电流=(L5~2)X电流的有效值/L57

单相桥式全控整流电路带阻感负载

直流输出电压平均值

］广乃+ar—2行U2八w

t/=—V2(/sincotd{cot)=---------cosa=0.9t/c°sa

d4Ja2712

触发角的移相范围

。=。时，%=。笫2；”90。时，%=0。因此移相范围为9。。。

晶闸管承受电压：正向：外反向：回

单相桥式半控整流电路，带电阻负载与全控电路在电阻负载

时的工作状况相似。

单相桥式全控整流电路带反电动势负载

Ud=0.9U2cosaId=(Ud-E)/RI2=ld

晶闸管承受的最大反向电压为：叵U2

流过每个晶闸管的电流时有效值为：IVT=ld/拒

三相半波可控整流电路带电阻负载

①屋30。时，整流电压平均值(负载电流持续):

1,一江+ar~3n

4——'sin(md(a)t)=-----1/2cosa=1.17t/2cosa

-712兀

3

当好0。时，4最大，4“河2。

②"30。时，整流电压平均值(负载电流断续):

Lsin(otd(cot)=U[^cost—+a)]=0.675U[^cos(—+a)]

'—+a~2%2~626

—716

3

当。=150。时，力最小，4=。

空+a

cr<60°：4=一P"°瓜J2疝cotd(cot)=2.34^/2COSOf

冗J至+a

.I3

60°<6Z<120°：Ud=,176(72sin(otd((9t)=2.34(72[1+cos(-+a)]

nJ—+。3

—3

3

③输出电流平均值计算公式：

三相桥式全控整流电路带电阻电感负载

Ud=2.34U2cosld=Ud/RIDVT=ld/3IVT

=ld/百

第二章电力电子器件

2.使晶闸管导通的条件是什么？

答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电

流(脉冲)。或：UAK>0且UGK>0。

3.维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？

答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流不小于能保持晶闸管导通的最小

电流，即维持电流。

要使晶闸管由导通变为关断，可运用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管

的电流降到靠近于零的某一数值如下，即降到维持电流如下，便可使导通的晶

闸管关断。

4.图2-27中阴影部分为晶闸管处在通态区间的电流波

形，各波形的电流最大值均为/m，试计算各波形的电流平均

值/dl、/d2＞，d3与电流有效值，1、）2、13。

图2・27晶闸管导电波形

/dl=^-sin=4(

解:a)四+1)=0.2717/m

2n2n2

/1=旧/sin.『"(a)=’忘24767加

/dz=-f：0sin］

b)漏(.)=L(乎+卜0.5434/m

H41T2

%二廊岸嬴嬴彗mI96741。

c)垢=£1〕，/（•）二：治

，3=Ji-f，w?fW)=2/m

5.上题中假如不考虑安全裕量，问100A的晶闸管能送出

的平均电流红、品、品各为多少？这时，对应的电流最大值

/ml、/m2、各为多少?

解：额定电流/T(AV)=100A的晶闸管，容许的电流有效值/

=157A,由上题计算成果知

a)/mi*——-——乏329・35,/ai«0.2717

'0.4767

/mi=89.48

b)/«_Z_«232.90,/«0.5434

'm20.6741d2

/m24126.56

c)/=2/=314/d3=1/m=78.5

m3f43

第三章整流电路

3.单相桥式全控整流电路，L/2=100V,负载中R=2Q,

L值极大，当。=30°时，规定：①作出Ud、id、和，2的波形;

②求整流输出平均电压为、电流况变压器二次电流

有效值/2；

③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电

流。

解：①Ud、/d、和，2的波形如下图:

②输出平均电压“、电流/d，变压器二次电流有效值12

分别为

t/d=0.9t/2COSa=0.9X100XCOS30°=77.97(V)

ld=Ud//?=77.97/2=38.99(A)

/z=/d=38.99(A)

③晶闸管承受的最大反向电压为：

V2l/2=10072=141.4(V)

考虑安全裕量，晶闸管的额定电压为：

UN=(2~3)X141.4=283-424(V)

详细数值可按晶闸管产品系列参数选用。

流过晶闸管的电流有效值为:

/vT=/d/V2=27.57(A)

晶闸管的额定电流为：

/N=(L5~2)X27.57/1.57=26^35(A)

详细数值可按晶闸管产品系列参数选用。

4.单相桥式半控整流电路，电阻性负载，画出整流二

极管在一周内承受的电压波形。

解：注意到二极管的特点：承受电压为正即导通。因此，二

极管承受的电压不会出现正的部分。在电路中器件均不导通

的阶段，交流电源电压由晶闸管平衡。

整流二极管在一周内承受的电压波形如下：

5.单相桥式全控整流电路，U2=100V,负载中R=20,

心值极大，反电势E=60V,当0=30。时，规定:

①作出Ud、，d和，2的波形；

②求整流输出平均电压Ud、电流品变压器二次侧电流

有效值/2；

③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：①“、，d和，2的波形如下图：

②整流输出平均电压3、电流出变压器二次侧电流有

效值/2分别为

Ud=0.9U2cosa=0.9X100Xcos30°=77.97(A)

/d=(L/d-F)//?=(77.97-60)/2=9(A)

，2=/d=9(A)

③晶闸管承受的最大反向电压为：

V2L/2=100V2=141.4(V)

流过每个晶闸管的电流的有效值为：

/vT=/d/V2=6.36(A)

故晶闸管的额定电压为：

UN=(2~3)X141.4=283~424(V)

晶闸管的额定电流为：

/N=(1.5-2)X6.36/1.57=6-8(A)

晶闸管额定电压和电流的详细数值可按晶闸管产品系列参

数选用。

11.三相半波可控整流电路，U2=100V,带电阻电感负载,

/?=5Q,L值极大，当0=60。时，规定：

①画出Ud、，d和/VTI的波形；

②计算3、屈，dT和/VT。

解：①Ud、和A/T1的波形如下图:

②Ud、/d、加和/vT分别如下

Ud=1.17L/2cosa=1.17X100Xcos60°=58.5(V)

/d=Ud/R=58.5/5=11.7(A)

/dVT=/d/3=11.7/3=3.9(A)

/vT=/d/V3=6.755(A)

13.三相桥式全控整流电路，U2=100V,带电阻电感负载,

R=5Q,L值极大，当860。时，规定：

①画出现、1和A/ri的波形；

②计算Ud、/d>/dT和/vTo

解：①"d、/d和/VTl的J波形如下：

Ud=2.34L/2cosa=2.34X100Xcos60°=117(V)

/d=Ud/R=117/5=23.4(A)

/ovT=/d/3=23.4/3=7.8(A)

/vT=/d/V3=23.4/V3=13.51(A)

15.三相半波可控整流电路，反电动势阻感负载，

U2=100V,R=1Q,£=oo,求当0=30。时、E=50V时

5、/d>/的I值并作出Ud与和im的波形。

解：考虑LB时，有:

Ud=l.17U2Cosa—AUd

△Ud=3XB/d/2"

/d=(Ud-F)/R

解方程组得：

Ud=(7TR1.171/2COSa+3XBF)/(2TT/?+3XB)=94.63(V)

△Ud=6.7(V)

/d=44.63(A)

又丁

=

COSO—cos(a+/)2/dXB/4GU2

即得出

cos(30°+/)=0.752

换流重叠角

/=41.28°-30°=11.28°

Ud、/VTl和/VT2的J波形如下：

17.三相全控桥，反电动势阻感负载，F=200V,R=1Q,

£8,L/2=220V,o=60。，当①3=0和②LB=lmH状况下分别

求3、船时值，后者还应求了并分别作出i/d与人的波形。

解：①当LB=0时：

Ud=2.34U2COSa=2.34X220Xcos60°=257.4(V)

/d=(Ud—f)/R=(257.4—200)/1=57.4(A)

②当时

Ud=2.34U2cosa—△Ud

△Ud=3XB，d/冗

/d=(Ud-£)/R

解方程组得：

Ud=(2.34^U2/?cosa+3XB£)/(7T/?+3XB)=244.15(V)

/d=44.15(A)

△Ud=13.25(V)

又「cosa-cos(cz+/)=2XB/d/76U2

cos(60°+/)=0.4485

^=63.35°-60°=3.35°

Ud、Am和/VT2的J波形如下：

第1章绪论

1电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的

技术，是应用于电力领域的电子技术，重要用于电力变换。

2电力变换的种类

(1)交流变直流AC-DC：整流

(2)直流变交流DC-AC：逆变

(3)直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现

(4)交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制

3电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。

第2章电力电子器件

1电力电子器件与主电路的关系

(1)主电路：指可以直接承担电能变换或控制任务的电路。

(2)电力电子器件：指应用于主电路中，可以实现电能变换或控制

的电子器件。

2电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小自身损耗。

3电力电子系统基本构成与工作原理

(1)一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等

构成。

(2)检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系

统工作规定形成电力电子器件口勺工作信号。

(3)控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或

关断。

(4)同步，在主电路和控制电路中附加某些保护电路，以保证系统

正常可靠运行。

4电力电子器件的分类

根据控制信号所控制的程度分类

(1)半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断

的电力电子器件。如SCR晶闸管。

(2)全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其

关断的电力电子器件。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。

(3)不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。

如电力二极管。

根据驱动信号的性质分类

(1)电流驱动型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现

导通或关断的电力电子器件。如SCR、GTO、GTRo

(2)电压驱动型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信

号W、J方式来实现导通或关断H勺电力电子器件。如MOSFET、IGBT。

根据器件内部载流子参与导电的状况分类

(1)单极型器件：内部由一种载流子参与导电口勺器件。如MOSFET。

(2)双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电口勺器件。如SCR、

GTO、GTRo

(3)复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。

如IGBTo

5半控型器件一晶闸管SCR

将器件Nl、P2半导体取倾斜截面，则晶闸管变成V1-PNP和V2-NPN

两个晶体管。

电力二极管的重要参数

■正向平均电流IF(AV)

♦指电力二极管长期运行时，在指定内管壳温度(简称壳温，用

TC表达)和散热条件下，其容许流过的最大工频正弦半波电流的平

均值。

♦IF(AV)是按照电流日勺发热效应来定义日勺，使用时应按有效值

相等日勺原则来选用电流定额，并应留有一定的裕量。

■正向压降UF

♦指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时

对应H勺正向压降。

■反向反复峰值电压URRM

♦指对电力二极管所能反复施加快I反向最高峰值电压。

♦使用时，应当留有两倍的裕量。

■最高工作结温TJM

♦结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表达。

♦最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受日勺最高

平均温度。

♦TJM一般在125〜175C范围之内。

■反向恢复时间trr

■浪涌电流TFSM

指电力二极管所能承受最大W、J持续一种或几种工频周期W、J过电

流。

电力二极管的重要类型

一般二极管又称整流二极管，快恢复二极管，快恢复外延二极管，肖

特基二极管

肖特基二极管优缺陷

•长处：反向恢复时间很短（10~40ns）,正向恢复过程中不会有明显

的电压过冲；在反向耐压较低的状况下其正向压降也很小，明显低于

快恢复二极管；因此，其开关损耗和正向导通损耗都比迅速二极管还

要小，效率高。

射弱点：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能

满足规定，因此多用于200V如下的低压场所；反向漏电流较大且对

温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽视，并且必须更严格地限制其工

作温度。

晶闸管的导通工作原理

(1)当AK间加正向电压以，晶闸管不能导通，重要是中间存在反向

PN结。

(2)当GK间加正向电压%,NPN晶体管基极存在驱动电流上，NPN

晶体管导通，产生集电极电流〃2。

(3)集电极电流匕构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，深入放大

产生PNP集电极电流必。

(4)以与匕构成NPNH勺驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反

馈，这样NPN和PNP两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。

2.3.1.4.3晶闸管是半控型器件的原因

(1)晶闸管导通后撤掉外部门极电流/G，不过NPN基极仍然存在电

流，由PNP集电极电流J供应，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸

管继续维持导通。

(2)因此，晶闸管的门极电流只能触发挖制其导通而不能控制其关

断。

2.3.1.4.4晶闸管的关断工作原理

满足下面条件，晶闸管才能关断：

(1)去掉AK间正向电压；

(2)AK间加反向电压；

(3)设法使流过晶闸管H勺电流减少到靠近于零口勺某一数值如下。

2.3.2.1.1晶闸管正常工作时的静态特性

(1)当晶闸管承受反向电压时，不管门极与否有触发电流，晶闸管

都不会导通。

(2)当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的状况下晶闸

管才能导通。

(3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不管门极触发电流与

否还存在，晶闸管都保持导通。

(4)若要使已导通的晶闸管关断，只能运用外加电压和外电路向作

用使流过晶闸管日勺电流降到靠近于零的某一数值如下。

2.4.1.1GTO的构造

(1)GTO与一般晶闸管的相似点：是PNPN四层半导体构造，外部引

出阳极、阴极和门极。

(2)GT0与一般晶间管的不一样点：GTO是一种多元日勺功率集成器件,

其内部包括数十个甚至数百个供阳极日勺小GTO元，这些GTO元的阴极

和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊构造才能实现门极关断

作用。

2.4.1.2GTO的静态特性

(1)当GTO承受反向电压时，不管门极与否有触发电流，晶闸管都

不会导通。

(2)当GTO承受正向电压时，仅在门极有触发电流的状况下晶闸管

才能导通。

(3)GTO导通后，若门极施加反向驱动电流，则GTO关断，也即可

以通过门极电流控制GTO导通和关断。

(4)通过AK间施加反向电压同样可以保证GTO关断。

2.4.3电力场效应晶体管MOSFET

(1)电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的J,因此它是电压型

器件。

(3)当UGS不小于某一电压值四时，栅极下P区表面的电子浓度将

超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层。

2.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT

(1)GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其长处是通流能力强，耐

压及耐电流等级高，但局限性是开关速度低，所需驱动功率大，驱动

电路复杂。

(2)电力MOSFET是单极型电压驱动器件，其长处是开关速度快、所

需驱动功率小，驱动电路简朴。

(3)复合型器件：将上述两者器件互相取长补短结合而成，综合两

者长处。

(4)绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合型器件，由GTR和MOSFET

两个器件复合而成，具有GTR和MOSFET两者［I勺长处，具有良好的特

性。

（1）IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。

（2）IGBT由MOSFET和GTR组合而成。

3.7.1.3逆变产生的条件

（1）单相全波电路（相称于发电机）-电动机系统

（2）单相全波电路（整流状态）-电动机（电动状态）系统

①电动机处在电动运行状态,全波电路处在整流工作状态（0＜a＜£），

2

直流输出电压Ud＞。，并且为＞而，才能输出电枢电流/d=小皿。

RE

②能量流向：交流电网输出电功率，电动机输入电功率。

（3）单相全波电路（有源逆变状态）-电动机（发电回馈制动）系

统

①电动机处在发电回馈制动运行状态，由于晶闸管单向导电性，电

路内人的方向仍然不变。

②这样，要保证电动机有电动运行变成发电回馈制动运行，必须变

化EM的极性，同步直流输出电压人也变化极性（为＜。，

③此时，必须保证同|＞%］，小为尹，才能把电能从直流侧送到

交流侧，实现逆变。

④能量流向：电动机输出电功率，交流电网吸取电功率。

⑤全波电路有源逆变工作状态下，为何晶闸管触发角处在丑＜°＜乃，

2

仍能导通运行？

答：重要由于全波电路有外接直流电动势为的存在且|以|＞也|，这是

电动机处在发电回馈制动状态时得到的，这样可以保证系统得到很大

的续流，虽然晶闸管的阳极电位大部分处在交流电压为负的半周期，

不过仍能承受正向电压而导通。

（4）有源逆变产生的条件

①变流电路外侧要有直流电动势，其极性必须和晶闸管W、J导通方向

一致，其值应不小于变流电路直流侧的平均电压。

②规定晶闸管的控制触发角a〉］,使4为负值。

第4章逆变电路

（1）逆变定义：将直流电能变成交流电能。

（2）有源逆变：逆变电路口勺交流输出侧接在电网上。

（3）无源逆变：逆变电路H勺交流输出侧直接和负载相连。

换流方式

♦分为外部换流和自换流两大类，外部换流包括电网换流和负载

换流两种，自换流包括器件换流和强迫换流两种。

♦换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有

所下降。

酎分类

J直接耦合式强迫换流（也叫电压换流）：由换流电路内电容直

接提供换流电压。

J电感耦合式强迫换流（也叫电流换流）：通过换流电路内向电

容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。

熄灭：当电流不是从一种支路向另一种支路转移，而是在支路内部终

止流通而变为零，则称为熄灭。

4.2电压型逆变电路

(1)逆变电路分类：根据直流侧电源性质可以分为电压(源)型逆

变电路和电流(源)型逆变电路。

(2)电压(源)型逆变电路VSI：直流侧为电压源。

(3)电流(源)型逆变电路CST：直流侧为电流源。

(4)电压型逆变电路举例：

①直流侧为电压源，或并联有大电容。直流侧电压基本无脉动，直

流回路呈低阻抗。

②由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并

且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗状况

的I不一样而不一样。

③当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲

无功能量的作用。

④图中逆变桥各臂都并联反馈二极管，为了给交流侧向直流侧反馈

时无功能量提供通道。

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。

♦由于直流电压源内钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载

阻抗不一样而不一样。

♦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。

■半桥逆变电路：在直流侧接有两个互相串联的足够大的电容，两个

电容的联结点便成为直流电源口勺中点，负载联接在直流电源中点和两

个桥臂联结点之间。

■全桥逆变电路

♦共四个桥臂，可当作两个半桥电路组合而成。

♦两对桥臂交替导通180°。

♦输出电压和电流波形与半桥电路形状相似，但幅值高出一倍。

♦在这种状况下，要变化输出交流电压的有效值只能通过变化直流电

压Ud来实现。

■三个单相逆变电路可组合成一种三相逆变电路。

4.3电流型逆变电路

■直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。

■电流型逆变电路重要特点：

♦直流侧串大电感，电流基本无脉动，相称于电流源。

♦交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相

位因负载不一样而不一样。

♦直流侧电感起缓冲无功能量日勺作用，不必给开关器件反并联二极

管。

■自励方式：实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工

作频率适应负载H勺变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。

■他励方式：固定工作频率的控制方式称为他励方式。

第7章

■PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲出J宽度进行调制

丛J技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要

波形(含形状和幅值)。

PWM逆变电路控制波常用措施

计算法

♦根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲

数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔精确计算出来，按照计算成果

控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形,

这种措施称之为计算法。

调制法

♦把但愿输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载

波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。

♦一般采用等腰三角波或锯齿波作为载波,其中等腰三角波应用

最多。

■载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比N=fc/fr

PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。

异步调制：载波信号和调制信号不保持同步的I调制方式称为异步调

制。

同步调制：载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步

的方式称为同步调制。

自然采样法:在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关器件的

通断，这种生成SPWM波形的措施称为自然采样法。

规则采样法：是一种应用较广的工程实用措施，其效果靠近自然采

样法，但计算量却比自然采样法小得多。

第九章

L驱动电路

——主电路与控制电路之间的伪接口

*驱动电路作用：