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电力二极管

1、电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。

在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。

电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。

从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。

2、电力二极管的基本特性：

（1）静态特性：

即单向导电性，主要是指其伏安特性

（2）动态特性：

因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。

3、电力二极管的主要参数：

（1）正向平均电流IF（AV）

指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

IF（AV）是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。

（2）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的正向压降。

（3）反向重复峰值电压URRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。

使用时，应当留有两倍的裕量。

（4）最高工作结温TJM

结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。

最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。

TJM通常在125～175C范围之内。

（5）反向恢复时间trr

（6）浪涌电流IFSM

指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。

4、电力二极管的主要类型

按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。

（1）普通二极管：

又称整流二极管（RectifierDiode），多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

（2）快恢复二极管：

恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5s以下）。

（3）快恢复外延二极管：

采用外延型P-i-N结构，其反向恢复时间更短（可低于50ns），正向压降也很低（0.9V左右）。

（4）肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）

属于多子器件

优点在于：

反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；

在反向耐压较低的情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快速二极管还要小，效率高。

弱点在于：

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要求，因此多用于200V以下的低压场合；

反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。

2.3半控型器件——晶闸管

2.3.1晶闸管的结构与工作原理

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。

1、晶闸管的结构：

从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。

引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。

内部是PNPN四层半导体结构。

2、晶闸管的工作原理：

晶体管的特性是：

在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。

在晶体管阻断状态下，IG=0，而1+2是很小的。

由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。

如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。

由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。

2.3.2晶闸管的基本特性

1、静态特性

正常工作时的特性：

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（维持电流）以下。

2、动态特性

（1）开通过程：

由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间，再加上外电路电感的限制，晶闸管受到触发后，其阳极电流的增长不可能是瞬时的。

延迟时间td（0.5~1.5s）

上升时间tr（0.5~3s）

开通时间tgt=td+tr

延迟时间随门极电流的增大而减小,上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。

提高阳极电压,延迟时间和上升时间都可显著缩短。

（2）关断过程：

由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。

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。

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。

2.3.3晶闸管的主要参数

1、电压定额：

（1）断态重复峰值电压UDRM

是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。

断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。

（2）反向重复峰值电压URRM

是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。

反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。

（3）通态（峰值）电压UT

晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。

选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。

2、电流定额：

（1）通态平均电流IT（AV）

国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

它是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。

一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.5~2倍。

（2）维持电流IH

维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。

结温越高，则IH越小。

（3）擎住电流IL

擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。

约为IH的2~4倍。

（4）浪涌电流ITSM

指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

3、动态参数：

开通时间tgt和关断时间tq

2.4典型全控型器件

2.4.1门极可关断晶闸管

晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。

1、GTO的结构

GTO是PNPN四层半导体结构。

GTO是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

GTO与普通晶闸管的不同

设计2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断。

导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。

多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。

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、GTO的主要参数

GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。

最大可关断阳极电流IATO：

用来标称GTO额定电流。

电流关断增益off

最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。

off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。

开通时间ton

延迟时间与上升时间之和。

延迟时间一般约1~2s，上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。

关断时间toff

一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。

储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。

不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管。

当需要承受反向电压时，应和电力二极管串联使用。

2.4.2电力晶体管

一、GTR的结构和工作原理

与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。

最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。

GTR的结构：

采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。

GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。

单管GTR的值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。

2.4.3电力场效应晶体管

电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。

电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：

驱动电路简单，需要的驱动功率小。

开关速度快，工作频率高。

热稳定性优于GTR。

电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

2.4.4绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。

IGBT的结构

IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。

由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。

熟练掌握晶闸管-SCR、门极可关断晶闸管-GTO、电力晶体管-GTR，电力场效应管-电力MOSFET、绝缘栅双极晶体管-IGBT的电气符号。

第三章整流电路

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

整流电路的分类

按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。

按电路结构可分为桥式电路和零式电路。

按交流输入相数分为单相电路和多相电路。

按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。

3.1单相可控整流电路

3.1.1单相半波可控整流电路

1、带电阻负载的工作情况

基本数量关系：

：

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称为触发延迟角，也称触发角或控制角。

晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。

直流输出电压平均值：

随着增大，Ud减小，该电路中VT的移相范围为180。

通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

2、带阻感负载的工作情况

基本数量关系

流过晶闸管的电流平均值IdT和有效值IT分别为：

其移相范围为180，其承受的最大正反向电压均为u2的峰值即。

3.1.2单相桥式全控整流电路

1、带电阻负载的工作情况

晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为和。

整流电压平均值为：

α=0时，Ud=Ud0=0.9U2。

α=180时，Ud=0。

可见，α角的移相范围为180。

向负载输出的直流电流平均值为：

Ud=0.9U2cos

当=0时，Ud0=0.9U2。

=90时，Ud=0。

晶闸管移相范围为90。

晶闸管承受的最大正反向电压均为。

晶闸管导通角与无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为：

和。

变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id。

3.1.4单相桥式半控整流电路

1、带电阻负载时与全控电路的工作情况相同。

2、带电感负载：

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VD2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VT3和VD2向负载供电。

u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。

VT3和VD4续流，ud又为零。

续流二极管VDR：

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VDR时，续流过程由VDR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。

3.2三相可控整流电路

3.2.1三相半波可控整流电路

1、电阻负载

基本数量关系：

电阻负载时角的移相范围为150。

整流电压平均值：

≤30时，负载电流连续，有：

Ud=1.17U2cos

>

30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有:

晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值,即

晶闸管承受的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即

2、阻感负载

阻感负载时的移相范围为90。

整流电压平均值：

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。

3.2.2三相桥式全控整流电路

1、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。

时段

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

共阴极导通的晶闸管

VT1

VT3

VT5

共阳极导通的晶闸管

VT6

VT2

VT4

整流输出电压ud

ua-ub=uab

ua-uc=uac

ub-uc=ubc

ub-ua=uba

uc-ua=uca

uc-ub=ucb

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。

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）

双窄脉冲触发：

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、阻感负载时的工作情况

（1）电路分析

当≤60时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。

区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。

当>

60时，由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。

（2）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：

Ud=2.34U2cos

带电阻负载且>

60时

输出电流平均值为Id=Ud/R。

晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。

三相桥式全控整流电路接反电势阻感负载时的Id为：

3.3变压器漏感对整流电路的影响

变压器漏感对整流电路影响的一些结论:

出现换相重叠角，整流输出电压平均值Ud降低。

整流电路的工作状态增多。

减小晶闸管的di/dt，有利于晶闸管的安全开通，有时人为串入进线电抗器以抑制晶闸管的di/dt。

换相时晶闸管电压出现缺口，产生正的du/dt，可能使晶闸管误导通，为此必须加吸收电路。

换相使电网电压出现缺口，成为干扰源。

3.7整流电路的有源逆变工作状态

逆变（invertion）：

把直流电转变成交流电的过程。

逆变电路：

把直流电逆变成交流电的电路。

当交流侧和电网连结时，为有源逆变电路。

变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，称为无源逆变。

对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。

既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路。

逆变产生的条件：

要有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流器直流侧的平均电压。

要求晶闸管的控制角>

/2，使Ud为负值。

两者必须同时具备才能实现有源逆变。

半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故不能实现有源逆变，欲实现有源逆变，只能采用全控电路。

第四章逆变电路

逆变的概念

与整流相对应，直流电变成交流电。

交流侧接电网，为有源逆变。

交流侧接负载，为无源逆变。

逆变与变频

变频电路：

分为交交变频和交直交变频两种。

交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。

4.1换流方式

1、换流

电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。

研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

2、换流方式：

（1）器件换流、

（2）电网换流、（3）负载换流、（4）强制换流。

4.2电压型逆变电路

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。

阻感负载的输出电流为正弦波。

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。

电流型逆变电路主要特点

直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。

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同而不同。

阻感负载的输出电压为正弦波。

直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

第五章直流直流变流电路

直流-直流变流电路（DC/DCConverter）包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。

直接直流变流电路，也称斩波电路（DCChopper）。

功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。

一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。

间接直流变流电路

在直流变流电路中增加了交流环节。

在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。

5.1基本斩波电路

5.1.1降压斩波电路：

掌握相关计算

5.1.2升压斩波电路：

掌握相关计算

5.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路

5.1.4Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

第六章交流-交流变换电路

一、交流电力控制电路：

是指频率不变，仅改变电压、电流或对电路进行通断控制的电路。

交流电力控制电路的分类：

（1）交流调压电