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电力电子技术第五版复习资料
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限制的技术,电力变换.
是应用于电力领域的电子技术,主要用于
2电力变换的种类
（1）
（2）
（3）
（4）
交流变直流
直流变父流
直流变直流
交流变交流
AC-DC:
整流
DC-AC:
逆变
DC-DC:
一般通过直流斩波电路实现
AC-AC:
一般称作交流电力限制
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限制任务的电路.
（2）电力电子器件：
指应用于主电路中,能够实现电能变换或限制的电子器件.
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电力电子系统根本组成与工作原理
（1）
般由主电路、限制电路、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限制电路,根据这些信号并根据系统工作要求形成电力电子器件的工作信号
（3）限制信号通过驱动电路去限制主电路中电力电子器件的导通或关断.
（4）同时,在主电路和限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
根据限制信号所限制的程度分类
SCR晶闸管.
GTO、GTR、MOSFET
（1）半控型器件：
通过限制信号可以限制其导通而不能限制其关断的电力电子器件.如
（2）全控型器件：
通过限制信号既可以限制其导通,又可以限制其关断的电力电子器件.如和IGBT.
（3）不可控器件：
不能用限制信号来限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：
通过从限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：
通过在限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MOSFETo
（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半控型器件一晶闸管SCR
晶闸管的结构与工作原理
晶闸管.卜形、结构和电&形符号
对外形m结构C）电气图形符号
晶闸管的双晶体管模型
b）
将器件N1、P2半导体取倾斜截面,那么晶闸管变成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Ea,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Eg,NPN晶体管基极存在驱动电流Ig,NPN晶体管导通,产生集电极电流Ic2.
（3）集电极电流Ic2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lei.
（4）lei与lG构成NPN的驱动电流,继续上述过程,形成强烈的负反响,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Ig,但是NPN基极仍然存在电流,由PNP集电极电流lei供给,电流已经形
成强烈正反响,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限制其导通而不能限制其关断.
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,不管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,门极就失去限制作用,不管门极触发电流是否还存在,晶闸管都保持导通.
（4）假设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,不管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,假设门极施加反向驱动电流,那么GTO关断,也即可以通过门极电流限制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是用栅极电压来限制漏极电流的,因此它是电压型器件.
（3）当Ugs大于某一电压值Ut时,栅极下P区外表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,其优点是通流水平强,耐压及耐电流等级高,但缺乏是开关速度低,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.
2.4.4.1
IGBT的结构和工作原理
IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a）内部结构断面示意图0简化等效电路c）电气图电符号
（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ot:
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,称为触发角或限制角.
（7）几个定义
①“半波〞整流：
改变触发时刻,Ud和id波形随之改变,直流输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流,
其波形只在U2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电力电子电路的根本特点及分析方法
（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
①0-a:
VTi~VT4未触发导通,呈现断态,那么ud-0、id=0、i2-0°
....1..
UVT1+UVT4=U2,uVT1=uVT4=2u2.
2）a〜n:
a点电压高于b点,VTi和VT4承受正向电压,因此可靠导
在a角度时,给VTi和VT4加触发脉冲,此时通,UVT1=UVT4=0.
电流从a点经VTi、R、VT4流回b点.
Ud=U2,i2=id,形状与电压相同.
③n~（n+a）:
1
电源U2过零点,VTi和VT4承受反向电压而关断,UVT1=uvt4=-U2（负半周）.
同时,VT2和VT3未触发导通,因此Ud=0、id=0、i2=0.
④（n+a）~2n:
在（n+ot）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,UVT2=UVT3=0.
VTi阳极为a点,阴极为b点；VT4阳极为a点,阴极为b点；因此uVTi=uvt4=U2.
电流从b点经VT3、R、VT2流回b点.
Ud=力2,i2=-id.
（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
Ud=1'；2U2Sin,td（,t）
Ji
（5）负载直流电流平均值
22U213cos1-cos.飞
=0.9U2
（6）晶闸管参数计算
（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id连续且波形近似为一水平线.
①a~n：
在ct角度时,给VTi和VT4加触发脉冲,此时a点电压高于b点,VTi和VT4承受正向电压,因此可靠导通,UVT1=UVT4=0.
电流从a点经VTi、L、R、VT4流回b点,ud=u2.
id为一■水平线,iVT14=id=i2.
VT2和VT3为断态,ivTn=0
2,3
②n〜〔n+ot〕:
虽然二次电压U2已经过零点变负,但因大电感的存在使VTi和VT4持续导通.
UVT1=UVT4=0,Ud=U2,iVT1,4=id-2,iVT2,3=°.
③〔n+a〕〜2n:
在〔几十口〕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,UVT2=UVT3=0.
由于VT2和VT3的导通,使VTi和VT4承受反向电压而关断iVT14=..VTi阳极为a点,阴极为b点;
',
VT4阳极为a点,阴极为b点；因此uvt1,4=U2.
电流从b点经VT3、L、R、VT2流回b点,Ud=-u2.
id为一水平线,“丁23="=」2.
2,3
④2n〜〔2兀W〕:
虽然二次电压U2已经过零点变正,但因大电感的存在使VT2和VT3持续导通.
UVT2=UVT3=°,uVT1,4=u2,Ud=-U2,iVT2,3=id==2,iVT1,4=0°
〔3〕直流输出电压平均值
1晨:
以.一2.2U2
Ud=—2U2sintd〔,t〕=cos:
=0.9U2cos、工
JlCtTL
〔4〕触发角的移相范围
a=0时,Ud=0.9U2；a=900时,Ud=0.因此移相范围为900.
〔5〕晶闸管承受电压：
正向：
行U2;反向：
血U2
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Ud最低为电动势E.
2负载侧只有u2瞬时值的绝对值大于反电动势,即U21>E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口〜（a+0）:
在a角度时,给VTi和VT4加触发脉冲,此时u2>E,说明VT1和VT4承受正向电压,因此可靠导通,
；ud—E
Ud=U2,1d=.
R
D（a+9）~（n+ot）:
在（a+8）角度时,u2同时,由于VT2和VT3还未触发导通,因此Ud=E,id=0.
D（n+ot）〜（n+ot+0）:
ud=-u2,
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,
ud-E
id=°
R
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,预防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VDi、VD2和VD3表示.
工作过程分析根底：
三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大,那么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.
4根据上述过程如此循环导通,每个二极管导通i20°.
5自然换向点：
在相电压的交点时i、02、03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〔U=0.〕
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通的最早时刻〔即开始承受正向电
压〕,该时刻为各晶闸管触发角a的起点,即a=0..
①0tl〜St2:
a相电压最高,VTi开始承受正压,在确时刻触发导通,uvT1=0,而VT2和匕3反压关断.
；；ud
Ud—Ua,iVT1_id_.
1R
②0t2〜C0t3:
b相电压最高,VT2开始承受正压,在时2时刻触发导通,uvt2=0,而VT3和VTi反压关断.
Ud=Ub,iVT1—0,VTi承受a点-b点间电压,即uVT1=uab.
③锹3〜Ot4：
c相电压最高,VT3开始承受正压,在轨3时刻触发导通,UVT.=0,而VTi和VT2反压关断.3
Ud=uc,iVTi=0,VTi承受a点-c点间电压,即UVTi=Uac.
〔4〕三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图〔口=300〕
定义：
讨1时刻为自然换向点后300,02和C0t3时刻依次间距1200.
①0tl〜（®t1+90°）:
a相电压最高,VTi已经承受正压,但在0tl时刻〔即a=30°〕时开始触发导通,uvT1=0,而VT2和VT3反压
关断.
Ud
Ud-Ua,iVT1—id—.
R
虽然已到a相和b相的自然换向点,b相电压高于a相电压,VT2已经开始承受正压,但是VT2没有门极触发脉冲,因此VT?
保持关断.
Ud-Ua?
iVTi=id=
这样,原来已经导通的VTi仍然承受正向电压〔Ua>0〕而持续导通,UVT1=0,⑤0t2〜COt3:
b相电压最高,VT2已经承受正压,锹2时刻〔即口=30°〕时开始触发导通VT2,UVT2=0,这样VTi开始承受
反压而关断.
Ud=Ub,iVT1—0,VT1承受a点-b点间电压,即UVT1=Uab.
c相电压最高,VT3已经承受正压,锹3时刻〔即口=30°〕时开始触发导通VT3,UVT3=0,这样VT2开始承受
反压而关断.
Ud=Uc,iVT1=0,VT1承受a点-c点间电压,即uVT1=Uac.
〔5〕三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图〔口=60°〕
定义：
鼠1时刻为自然换向点后600,敏2和Cdt3时刻依次间距1200.
①6t1~〔点1+900〕:
a相电压最高,VTi在敏1时刻〔即0〔=60°〕时开始触发导通,即使过了自然换向点,但因VT2未导通及Ua>0,
而使VT1持续导通,UVT1=0,而VT2和VT3反压关断.
ud
ud_ua?
iVT1」d-.
R
②〔陵1-+90°〕〜函2：
a相电压过零变负〔ua<0〕,而使VT1承受反压关断,而VT2〔未触发导通〕和VT3仍为关断.
iVT1=id=0,ud=0.
③®t2~cot3及8t3~虱4期间情况分别为VT2和VT3导通过程,与上述相同.
〔6〕三相半波可控整流电路带电阻负载不同触发角工作时的情况总结
①当a<30°时,负载电流处于连续状态,各相导电120°.
D当s=30°时,负载电流处于连续和断续的临界状态,各相仍导电120°.
③当a：
>30°时,负载电流处于断续状态,直到0〔=150°时,整流输出电压为零.
④结合上述分析,三相半波可控整流电路带电阻负载时口角的移相范围为150°,其中经历了负载电流连续和断续的工作过程.
〔7〕数值计算
①aW30°时,整流电压平均值〔负载电流连续〕
1
U2cas：
=1.17U2cas：
5■二一
Ud=丁62U2sintd（t）
2..--二
一■6
3
当0（=0°时,Ud最大,Ud=1.17U2.
②“：
＞300时,整流电压平均值（负载电流断续）
1以3.2--、、
Ud=一-,2U2sintd（t）=^U2[1cos（—：
）]=Q675U2[1cos（—：
）]
2--2二66
一.63
当0（=150时,Ud最小,Ud=0.
③负载电流平均值：
Id=*
4晶闸管承受的最大反向电压：
为变压器二次侧线电压的峰值,URM=拒父如2=V6u2=2.45U2
5晶闸管承受的最大正向电压：
Ud,由于Ud最小为0,因此晶闸管最大正
如a相,二次侧a相电压与晶闸管正向电压之和为负载整流输出电压向电压Ufm=&U2.
2.2.1.2阻感负载
（1）三相半波可控整流电路带阻感负载时的原理图
（2）三相半波可控整流电路带阻感负载时的波形图（U=600）
定义：
0ti时刻为自然换向点后60,0t2和0t3时刻依次间距120.
①⑸〜02:
VTi承受正压并触发导通,过自然换向点后a相电压仍大于0,VTi仍持续导通.
a相过零点后,由于电感的存在,阻止电流下降,因而VTi仍持续导通.
Ud=Ua,ia=id=Id,ib=ic=0,UVT1=0.
202〜K3:
当期2时刻,b相电压最高,同时触发导通,那么VT2导通,这样VTi承受反压关断,由VT2向负载供电.
Ud=Ub,ib=id=Id,ia=ic=0,UVT1=Uab.
30t3〜血：
工作过程与上述相同.
Ud=Uc,ic=id=Id,ia=ib=0,UVTi=Uac.
（3）三相半波可控整流电路带阻感负载不同触发角工作时的情况总结
1阻感负载状态下,由于大电感的存在,使负载电流始终处于连续状态,各相导电i20..
2当a>30o时,负载电压Ud波形将出现负的局部,并随着触发角的增大,使负的局部增多.
3当aV00时,负载电压Ud波形中正负面积相等,Ud平均值为0.
4结合上述分析,三相半波可控整流电路带阻感负载时a角的移相范围为900.
（4）数值计算
①整流电压平均值（负载电流始终连续）：
Ud=i.i7U2cosao
②晶闸管承受的最大正反向电压：
为变压器二次侧线电压的峰值,Ufm=Urm=-23U2=,6U2=2.45U2
3.2.2三相桥式全控整流电路
三相桥式全控整流电路原理图：
（i）根本说明
①自然换向点仍为a、b、c相的交点.
VT1〔事实上,VT6已经导通〕
②将01时刻〔自然换向点〕后的一个电源周期分成6段,每段电角度为60°,分别为I、n、出、IV、V、VI.
〔2〕波形图分析
①阶段I:
a相电压最大,b相电压最小,触发导通
Uab
Ud=Uab,।VT1=,UVT1=0.
1R1
②阶段n：
a相电压最大,c相电压最小,触发导通
（3）总结
1对于共阴极组的3个晶闸管来说,阳极所接交流电压值最高的一个导通；对于共阳极组的3个晶闸管来说,阴极
所接交流电压值最低的一个导通.
2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,其中1个晶闸管是共阴极组的,1个是共阳极组的,
且不能为同1相的晶闸管.
3对触发脉冲的要求：
6个晶闸管的脉冲按VTi—VT2—VT3—VTlVT5—VT6的顺序,相位依次差600.
4共阴极组VTi、VT3、VT5的脉冲依次差1200,共阳极组VT2、VT4、VT6的脉冲依次差1200.
⑤同一相的上下两个桥臂,即V「与VT4,VT3与VT6,VT5与VT2,脉冲相差180°.
⑥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脉冲整流电路.
3.2.2.2带电阻负载时的工作情况（口=30°）
（1）根本说明
①自然换向点仍为a、b、c相的交点.
②01时刻为a相30°触发角位置,将该时刻后的一个电源周期360°分成6段,每段电角度为60°,分别为I、n、
出、IV、V、VI.
（2）波形图分析
①阶段I:
a相电压最大,b相电压最小,触发导通VT1（事实上,VT6已经导通）
当过b、c相交点后,虽然b电压高于c相电压,但是由于未触发导通VT2,且a相电压仍高于b相,因此整个
阶段I中,VT1和VT6持续导通.
uab
Ud=Uab,uVT1一0,ia_|d~~T~°R
②阶段n：
分析过程同阶段I,VT1和VT2持续导通.
uac
Ud—uac,uVTi—0,ia—id—°
R
③阶段出：
分析过程同阶段I,VT2和VT3持续导通.
Ud=Ubc,UVTi=Uab,ia=0.
④阶段IV:
分析过程同阶段I,VT3和VT4持续导通.
uba
Ud=*,URFab,ia=一=一工.
⑤阶段V:
分析过程同阶段I,VT4和VT5持续导通.
Uca
Ud=Uca,UVT1=Uac,ia=」d=一一丁.R
⑥阶段w：
分析过程同阶段I,VT5和VT6持续导通.
Ud=Ucb,UVT1=Uac,ia=0.
300,组成Ud的每一段线电压因此推迟300
（3）总结
Ud平均值降低.
VT4处于通态的120°期
①与ot=00时相比,晶闸管起始导通时刻推迟了
②VTi处于通态的1200期间,变压器二次侧a相电流ia>0,波形与同时段的Ud波形相同.
间,ia波形与同时段的Ud波形相同,但为负值.
3.2.2.3带电阻负载时的工作情况（0（=60°）
（1）波形图分析
①阶段I:
a相电压最大,c相电压最小,通过以往经验知道VT6已经导通,此时触发导通VTi,不触发VT2,那么整个阶段
I中,VTi
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