电力电子技术重点王兆安第五版.docx

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电力电子技术重点王兆安第五版

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，主要用于电力变换。

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：

指能够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，能够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，以减小本身损耗。

3电力电子系统基本组成与工作原理

（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。

（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要求形成电力电子器件的工作信号。

（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）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，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、GTR。

（2）电压型器件：

通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。

如MOSFET、IGBT。

根据器件内部载流子参与导电的情况分类

（1）单极型器件：

内部由一种载流子参与导电的器件。

如MOSFET。

（2）双极型器件：

由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。

如SCR、GTO、GTR。

（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IGBT。

5半控型器件—晶闸管SCR

将器件N1、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。

晶闸管的导通工作原理

（1）当AK间加正向电压，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向PN结。

（2）当GK间加正向电压，NPN晶体管基极存在驱动电流，NPN晶体管导通，产生集电极电流。

（3）集电极电流构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，进一步放大产生PNP集电极电流。

（4）与构成NPN的驱动电流，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，但是NPN基极仍然存在电流，由PNP集电极电流供给，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控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）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。

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，不论门极是否有触发电流，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情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，不论门极触发电流是否还存在，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。

2.4.1.1GTO的结构

（1）GTO与普通晶闸管的相同点：

是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。

（2）GTO与普通晶闸管的不同点：

GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构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，不论门极是否有触发电流，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情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，因此它是电压型器件。

（3）当大于某一电压值时，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，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，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，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。

（3）复合型器件：

将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。

（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两者的优点，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。

第3章整流电路

（1）整流电路定义：

将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。

3.1.1单相半波可控整流电路

（4）触发角：

从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。

（7）几个定义

①“半波”整流：

改变触发时刻，和波形随之改变，直流输出电压为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在正半周内出现，因此称“半波”整流。

②单相半波可控整流电路：

如上半波整流，同时电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。

3.1.1.3电力电子电路的基本特点及分析方法

（1）电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。

（2）电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。

3.1.2单相桥式全控整流电路

3.1.2.1带电阻负载的工作情况

（1）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的原理图

①由4个晶闸管（VT1~VT4）组成单相桥式全控整流电路。

②VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。

（2）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图

①：

●VT1~VT4未触发导通，呈现断态，则、、。

●，。

②：

●在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时a点电压高于b点，VT1和VT4承受正向电压，因此可靠导通，。

●电流从a点经VT1、R、VT4流回b点。

●，，形状与电压相同。

③：

●电源过零点，VT1和VT4承受反向电压而关断，（负半周）。

●同时，VT2和VT3未触发导通，因此、、。

④：

●在角度时，给VT2和VT3加触发脉冲，此时b点电压高于a点，VT2和VT3承受正向电压，因此可靠导通，。

●VT1阳极为a点，阴极为b点；VT4阳极为a点，阴极为b点；因此。

●电流从b点经VT3、R、VT2流回b点。

●，。

（3）全波整流

在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。

（4）直流输出电压平均值

（5）负载直流电流平均值

（6）晶闸管参数计算

①承受最大正向电压：

②承受最大反向电压：

③触发角的移相范围：

时，；时，。

因此移相范围为。

④晶闸管电流平均值：

VT1、VT4与VT2、VT3轮流导电，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即。

3.1.2.2带阻感负载的工作情况

（1）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图

（2）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图

●分析时，假设电路已经工作于稳态下。

●假设负载电感很大，负载电流不能突变，使负载电流连续且波形近似为一水平线。

①：

●在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时a点电压高于b点，VT1和VT4承受正向电压，因此可靠导通，。

●电流从a点经VT1、L、R、VT4流回b点，。

●为一水平线，。

●VT2和VT3为断态，

②：

●虽然二次电压已经过零点变负，但因大电感的存在使VT1和VT4持续导通。

●，，，。

③：

●在角度时，给VT2和VT3加触发脉冲，此时b点电压高于a点，VT2和VT3承受正向电压，因此可靠导通，。

●由于VT2和VT3的导通，使VT1和VT4承受反向电压而关断。

VT1阳极为a点，阴极为b点；VT4阳极为a点，阴极为b点；因此。

●电流从b点经VT3、L、R、VT2流回b点，。

●为一水平线，。

④：

●虽然二次电压已经过零点变正，但因大电感的存在使VT2和VT3持续导通。

●，，，，。

（3）直流输出电压平均值

（4）触发角的移相范围

时，；时，。

因此移相范围为。

（5）晶闸管承受电压：

正向：

；反向：

3.1.2.3带反电动势负载时的工作情况

（1）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的原理图

①当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，即反电动势负载。

正常情况下，负载电压最低为电动势。

②负载侧只有瞬时值的绝对值大于反电动势，即时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。

（2）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的波形图

①：

●在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时，说明VT1和VT4承受正向电压，因此可靠导通，，。

②：

●在角度时，，说明VT1和VT4已经开始承受反向电压关断。

●同时，由于VT2和VT3还未触发导通，因此，。

③：

●此过程为VT2和VT3导通阶段，由于是桥式全控整流，因此负载电压与电流同前一阶段，，。

3.2三相可控整流电路

3.2.1三相半波可控整流电路

3.2.1.1电阻负载

（1）三相半波可控整流电路带电阻负载时的原理图

①变压器一次侧接成三角形，防止3次谐波流入电网。

②变压器二次侧接成星形，以得到零线。

③三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其所有阴极连接在一起，为共阴极接法。

（2）三相半波不可控整流电路带电阻负载时的波形图

●将上面原理图中的三个晶闸管换成不可控二极管，分别采用VD1、VD2和VD3表示。

●工作过程分析基础：

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。

①：

a相电压最高，则VD1导通，VD2和VD3反压关断，。

②：

b相电压最高，则VD2导通，VD3和VD1反压关断，。

③：

b相电压最高，则VD2导通，VD3和VD1反压关断，。

④按照上述过程如此循环导通，每个二极管导通。

⑤自然换向点：

在相电压的交点、、处，出现二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，这些交点为自然换向点。

（3）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（）

自然换向点：

对于三相半波可控整流电路而言，自然换向点是各相晶闸管能触发导