電力電子技術4

1、電力電子技術(基礎)Power Electronics9/5/20221第一章：緒論1. 什么是電力電子技術（電力電子學）2. 電力電子技術的發(fā)展史3. 電力電子技術應用4. 課程簡介和要求說明9/5/202221. 什么是電力電子技術1.1 電力電子與信息電子1.2 兩大分支1.3 與其他學科的關系1.4 地位和未來1.5 電能的基本變換形式9/5/202231.1 電力電子與信息電子電力電子技術使用電力電 子器件對電能進行變換和控 制的技術，即 應用于電力領域的電子技術目前電力電子器件均用半導體制成，故也稱電力半導體器件。電力電子技術變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小到數(shù)W甚至

2、mW級。信息電子技術信息處理電力電子技術電力變換電子技術一般即指信息電子技術，廣義而言，也包括電力電子技術。電子技術信息電子技術電力電子技術模擬電子技術數(shù)字電子技術9/5/202241.2 兩大分支電力電子器件制造技術電力電子技術的基礎，理論基礎是半導體物理變流技術（電力電子器件應用技術）用電力電子器件構成電力變換電路和對其 進行控制的技術，以及構成電力電子裝置 和電力電子系統(tǒng)的技術。電力電子技術的核心，理論基礎是電路理 論。9/5/20225變流技術電力交流和直流兩種 從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流電力變換四大類 交流變直流（AC/DC）、直流變交流（DC/AC）

3、、直流變直流（DC/DC） 、交流變交流（AC/AC）表1 電力變換的種類 輸出 輸入直流交流交流整流交流電力控制變頻、變相直流直流斬波逆變進行電力變換的技術稱為 變流技術9/5/202261.3 與相關學科的關系電力電子學電子學電力學控制理論連續(xù)、離散 電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機圖1 描述電力電子學的倒三角形電力電子學 (Power Electronics)名稱60年代 出現(xiàn)；1974年，美國的W. Newell用圖1的倒三角形對電力電子學進行了描述，被全世界普遍接受；9/5/20227與電子學（信息電子學）的關系都分為器件和應用兩大分支器件的材料、工藝基本相同，都采用微電子 技術應用的理論

4、基礎、分析方法、分析軟件也 基本相同信息電子電路的器件可工作在開關狀態(tài)，也可 工作在放大狀態(tài)電力電子電路的器件一般只工作在開關狀態(tài)二者同根同源9/5/20228與電力學（電氣工程）的關系 電力電子技術廣泛用于電氣工程中電力機車牽引交直流電力傳動電解、電鍍、電加熱、高性能交直流電源 國內(nèi)外均把電力電子技術歸為電氣工程的一 個分支 電力電子技術是電氣工程學科中最為活躍的 一個分支9/5/20229與控制理論（自動化技術）的關系 控制理論廣泛用于電力電子系統(tǒng)中 電力電子技術是弱電控制強電的技術，是弱電和強電的接口，控制理論是這種接口的有力紐帶電力電子裝置是自動化技術的基礎元件和重 要支撐技術9/5/

5、2022101.4 地位和未來電力電子技術和運動控制一起，和計算機技術共同成 為未來科學技術的兩大支柱計算機 人腦電力電子技術 消化系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)電力電子運動控制 肌肉和四肢電力電子技術是電能變換技術,是把粗電變?yōu)榫姷募夹g能源是人類社會的永恒話題，電能是最優(yōu)質(zhì)的能源， 因此，電力電子技術將青春永駐。 20世紀后半葉誕生和發(fā)展的一門嶄新的技術，21世紀 仍將以迅猛的速度發(fā)展9/5/2022111.5 電能的基本變換形式ACDC 整流DCDC 斬波DCAC 逆變ACAC 交流調(diào)壓ACAC 交交變頻9/5/202212第一章：緒論1. 什么是電力電子技術（電力電子學）2. 電力電子技術的發(fā)展史3.

6、 電力電子技術應用4. 課程簡介和要求說明9/5/2022132. 電力電子技術的發(fā)展史史前期（黎明期）晶閘管問世，(公元元年)全控型器件迅速發(fā)展電子管問世水銀（汞?。┱髌鲿r代晶閘管時代IGBT出現(xiàn) 功率集成器件電力電子技術的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生9/5/202214電力電子技術的發(fā)展史（續(xù)）現(xiàn)代電力電子技術與傳統(tǒng)電力電子技術相比較，有如下特點：高頻化（減小體積、重量、靜音）模塊化（器件、控制單元、系統(tǒng)）全控型（IGBT為主）控制技術數(shù)字化（DSP）綠色化（節(jié)能、減少污染）9/5/202215未來

7、電力電子技術的發(fā)展方向（研究領域）電力半導體器件的發(fā)展方向：大功率、高頻、高效和智能模塊化電力電子成套裝置的研究領域：直流電源的普遍開關化提高電源的穩(wěn)定性和可靠性開關電源的電磁干擾抑制，實現(xiàn)電網(wǎng)綠色化提高變頻電源的性能，擴大其容量和應用領域儲能領域電力電子成套裝置9/5/202216第一章：緒論1. 什么是電力電子技術（電力電子學）2. 電力電子技術的發(fā)展史3. 電力電子技術應用4. 課程簡介和要求說明9/5/202217第一章：緒論1. 什么是電力電子技術（電力電子學）2. 電力電子技術的發(fā)展史3. 電力電子技術應用4. 課程簡介和要求說明9/5/202218課程教學內(nèi)容第一章緒論（1學時）

8、第二章 電力電子器件 （7學時）第三章 相控整流電路（8學時）第四章直流斬波電路 （4學時）第五章 逆變電路（6學時）第六章 PWM控制技術（6學時）9/5/202219主 要 任 務培養(yǎng)學生：了解電力電子技術的發(fā)展動向和應用領域。了解與熟悉常用的電力電子器件的工作機理、電氣特性和主要參數(shù)。理解和掌握基本的電力電子電路的工作原理、電路結(jié)構、波形的原理、電氣性能、分析方法和參數(shù)計算，并能進行初步的設計。對電力電子電路具有一定的實驗和調(diào)試能力。9/5/202220本課程與其他課程的聯(lián)系本課程的先修課程為：電路分析、模擬電子技術、數(shù)字電子技術。想更加深入了解電力電子器件的半導體物理原理的學生可選修電

9、力電子器件。本課程為學習電傳動控制基礎、變頻調(diào)速、電力電子裝置及控制、高頻電力電子技術等課程奠定了基礎。9/5/202221電力電子技術應用實例1、在電力牽引及傳動控制方面的應用主變流器輔助變流器空調(diào)電源照明9/5/202222電力電子技術應用實例（續(xù)）交流傳動電力機車主電路 脈沖變流+無源逆變（GTO器件）AC40009/5/202223電力電子技術應用實例（續(xù)）交流傳動內(nèi)燃機車主電路 三相全波整流+無源逆變（IGBT器件）東風4DJ9/5/202224電力電子技術應用實例（續(xù)）電力機車空調(diào)電源 單相整流+升壓斬波+無源逆變（IGBT器件）9/5/202225電力電子技術應用實例（續(xù)）地鐵動

10、車輔助電源無源逆變（IGBT器件）廣州地鐵1號線9/5/202226電力電子技術應用實例（續(xù)）3、家用電器：調(diào)光燈具、高頻熒光燈具；通風取暖設備；微波爐；空調(diào)；電冰箱；洗衣機等。9/5/202227電力電子技術應用實例（續(xù)）4、常規(guī)電源不停電電源；開關電源；微機及儀器儀表電源；航空電源；通信電源等。9/5/202228電力電子技術應用實例（續(xù)）5、其它方面的應用專用電源：如電化學電源、微弧氧化電源、蓄電池充電放電、電子模擬負載、電解水電源、交流電子穩(wěn)壓電源、脈沖功率電源等；新型能源的利用：如光電池，風力發(fā)電等；節(jié)能：如利用變頻器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速電動汽車和混合動力電動汽車EV/HEV9/5/202

11、229本學科的特點（總結(jié)）：強電、弱電、控制相結(jié)合跨學科或邊緣學科實踐性強功率范圍大，從幾瓦到數(shù)百兆瓦以上發(fā)展迅速、與現(xiàn)代新技術緊密結(jié)合廣闊的應用前景9/5/202230第二章電力電子器件的原理與特性9/5/202231要求及重點要求：了解電力電子器件的發(fā)展、分類與應用；理解和掌握功率二極管、SCR、GTO、MOSFET和IGBT等常用器件的工作原理、電氣特性和主要參數(shù)。重點：各種電力電子器件原理、性能上的不同點，各自應用的場合。9/5/202232本章內(nèi)容2.1 電力電子器件的發(fā)展、分類與應用2.2 電力（功率）二極管2.3 晶閘管（SCR）2.4 可關斷晶閘管（GTO）2.6 電力場效應晶

12、體管（電力 MOSFET）2.7 絕緣柵雙極晶體管（IGBT）2.8 其它新型場控器件9/5/2022332.1 電力電子器件的發(fā)展、分類與應用1、電力電子器件的概念電力電子器件的是指可直接用于處理電能的主電路，實現(xiàn)電能變換或控制的電子器件，通常專指電力半導體器件。和普通半導體器件一樣，目前電力半導體器件所用的主要材料仍然是硅。9/5/2022342、電力電子器件的特征（與普通半導體器件相比）功率遠大于信息電子器件，從mWMW。電壓和電流等級是其最重要的參數(shù)；工作在開關狀態(tài)（相當于普通晶體管的飽和與截止狀態(tài)），因而動態(tài)特性（開關特性）也是很重要的參數(shù)，有時甚至是最重要的參數(shù)；需要用驅(qū)動電路驅(qū)動

13、；需要裝散熱器散熱；9/5/2022353、主要損耗通態(tài)損耗：導通時器件上有一定的通態(tài)壓降。斷態(tài)損耗：阻斷時器件上有微小的斷態(tài)漏電流流過。開關損耗開通損耗：在器件開通的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗；關斷損耗：在器件關斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的損耗。對某些器件來講，驅(qū)動電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一。通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關頻率較高時，開關損耗會隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素 。9/5/2022364、電力電子器件的發(fā)展概況第一代電力電子器件無關斷能力的SCR（1957年美國GE公司發(fā)明）第二代電力電子器件有關斷能力的GTO、GT

14、R等第三代電力電子器件性能優(yōu)異的復合型器件如（IGBT）和智能器件IPM (Intelligent Power Module) 等9/5/2022375、分類按其開關控制性能分類：不控型器件： 無控制極，器件的導通與關斷完全由其在主電路中承受的電壓和電流決定，正偏置導通、反偏置關斷，如電力二極管(D)半控型器件： 控制極（門極）只能控制管子導通而不能控制管子關斷，器件的關斷完全由其在主電路中承受的電壓和電流決定，如晶閘管(SCR)及其家族器件（FST、RCT、TRIAC、LCT）全控型器件： 通過控制極（門極或基極或柵極）是否施加驅(qū)動信號既能控制管子導通又能控制管子關斷，如GTO、GTR、IG

15、BT、 MOSFET及其它新型場控器件MCT、IGCT、SIT、SITH、IPM等 9/5/202238按器件內(nèi)部載流子參與導電的種類分類：單極型器件：只有一種載流子參與導電，如MOSFET、SIT等 雙極型器件：有兩種載流子參與導電，如二極管、 晶閘管、GTO、GTR、IGCT、SITH等。 復合型器件：由MOSFET與晶體管、晶閘管復合而成，如IGBT、IPM、MCT等。9/5/202239按門極驅(qū)動信號的種類（電流、電壓）分類：電流控制型器件 如晶閘管、GTO、GTR、IGCT、SITH等 電壓控制型器件 如MOSFET、IGBT、IPM、SIT、MCT等 電壓控制型器件的驅(qū)動功率要遠小

16、于電流控制型器件 ，驅(qū)動電路也簡單，而且工作頻率高。9/5/2022406、應用場合 決定應用場合的基本因素：輸出容量和工作頻率SCRGTOGTRIGBT電力MOSEFTMOSEFT9/5/202241常用器件性能比較 D SCR GTO IGBT MOSFET驅(qū)動信號 無 電流 電流 電壓 電壓驅(qū)動功率 大 大 中 小通態(tài)壓降 小 小 小 中 大開關速度 慢/快 慢 較慢 中 快通過電流能力 大 大 較大 中 小9/5/202242本章內(nèi)容2.2 電力（功率）二極管9/5/2022432.2 電力（功率）二極管一、工作原理（基本與普通二極管相同）PN結(jié)：正向?qū)?反向截止 二、外形9/5/2

17、02244PN結(jié)的電容效應： PN結(jié)的電荷量隨外加電壓而變化，呈現(xiàn)電容效應，稱為結(jié)電容CJ，又稱為微分電容。 結(jié)電容影響PN結(jié)的工作頻率。電導調(diào)制效應： 當PN結(jié)上流過的正向電流較大時，注入并積累在低摻雜N區(qū)的少子空穴濃度將很大，為了維持半導體電中性條件，其多子濃度也相應大幅度增加，使得其電阻率明顯下降，即電導率大大增加。9/5/202245造成電力二極管和信息電子電路中的普通二極管區(qū)別的一些因素：正向?qū)〞r要流過很大的電流，其電流密度較大，因而額外載流子的注入水平較高，電導調(diào)制效應不能忽略。引線和焊接電阻的壓降等都有明顯的影響。承受的電流變化率di/dt較大，因而其引線和器件自身的電感效應也

18、會有較大影響。為了提高反向耐壓，其摻雜濃度低也造成正向壓降較大。9/5/202246三、特性1、靜態(tài)特性伏安特性電力二極管承受的正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與正向電流IF對應的電力二極管兩端的電壓UF即為其正向電壓降。當電力二極管承受反向電壓時，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力二極管的伏安特性9/5/2022471、靜態(tài)特性（續(xù)）理想伏安特性1 在以后的電路分析中，我們均采用理想伏安特性1來簡化二極管。 理想伏安特性2 9/5/2022482、動態(tài)特性電力電子器件工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換并非瞬間完成，需要一定的時間。動態(tài)特性是指器件在通態(tài)

19、和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過程中的開關特性（電壓電流特性）。對工頻整流電路來說可認為器件是理想開關（瞬間開通/瞬間關斷）。對高頻電路來說，需要考慮動態(tài)特性。9/5/202249正向恢復時間：tfr延遲時間：td= t1- t0, 電流下降時間：tf= t2- t1 反向恢復時間：trr= td+ tf 恢復特性的軟度：下降時間與延遲時間 的比值tf /td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示a) 正向偏置轉(zhuǎn)換為反向偏置 b) 零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置9/5/202250（1）關斷過程：須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。（2）開通過程：

20、電力二極管的正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。這一動態(tài)過程時間被稱為正向恢復時間tfr。儲存大量少子9/5/202251四、主要參數(shù):正向平均電流 IF（AV）：指在規(guī)定的管殼溫度（TC）和散熱條件下，允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。正向壓降 UF ：指在規(guī)定的溫度下流過某一指定的穩(wěn)態(tài)電流時對應的正向壓降 。反向重復峰值電壓 URRM ：指電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓。 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3 使用時，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定。 9/5/202252四、主要參數(shù)（續(xù)）最高工作結(jié)溫

21、 TJM ：指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下，PN結(jié)所能承受的最高平均結(jié)溫。 通常在1250C1750C之間。浪涌電流 IFSM ：指電力二極管所能承受的最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。反向恢復時間 trr ：關斷過程中，電流降到零起到完全恢復反向阻斷能力止的時間。9/5/202253五、電力二極管的主要類型:整流二極管： trr 5us，一般用于開關頻率1KHz以下的整流電路（低頻、大容量）。正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高，分別可達數(shù)千安和數(shù)千伏以上。快恢復二極管：指反向恢復時間很短的二極管（ trr =幾十幾百ns）。一般用于高頻電路。 性能上可分為快速恢復和超快速恢復兩個等級。肖

22、特基二極管：反向恢復時間很短（ trr =1040ns） 正向壓降 較低，一般用于高頻、低電壓電路。 9/5/202254六、基本應用整流續(xù)流限幅鉗位穩(wěn)壓9/5/202255本章內(nèi)容2.3 晶閘管（SCR）9/5/2022562. 3 晶閘管一、名稱晶閘管（Thyristor）可控硅（SCR）二、外形與符號螺栓式結(jié)構(200A)9/5/202257三、SCR的工作原理內(nèi)部結(jié)構：PNPN四層結(jié)構；P1區(qū)引出陽極A， P2區(qū)引出門極G， N2區(qū)引出陰極K；四個區(qū)形成三個PN結(jié)J1、J2、J3。9/5/202258三、SCR的工作原理（續(xù)）工作原理1、阻斷狀態(tài) A、K兩端承受正向電壓時：J2反偏阻斷

23、； A、K兩端承受反向電壓時：J1、J3反偏阻斷。2、導通原理SCR可看作是由P1N1P2和P2N2構成的兩個晶體管T1、T2，如果外電路向門極注入驅(qū)動電流IG，則：（1） IG iB2 IC2 IC1 (IA ) 形成正反饋 這表明：如果在SCR導通后撤除觸發(fā)脈沖IG ，那么由于SCR內(nèi)部正反饋的作用，SCR仍可能維持導通！9/5/202259三、SCR的工作原理（續(xù)）（2）按晶體管原理可得：其中： 1、2分別是晶體管T1、T2的共基極電流增益； ICBO1、ICBO2分別是晶體管T1、T2的共基極漏電流。上式表明：如果能使1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA（陽極電流）將趨近于無窮大（

24、 這種情況下，IA實際上由外電路決定），實現(xiàn)飽和導通。實際上，一般在設計時，使將SCR的1+2 1.15，即SCR的1+2能夠達到大于1.15。9/5/202260三、SCR的工作原理（續(xù)）SCR導通的必要條件：使1+21晶體管的特征：低發(fā)射極電流下， 很?。话l(fā)射極電流建立起來后， 迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。滿足上述條件的幾種情況：正向轉(zhuǎn)折導通：VAKJ2擊穿 IA 高溫導通 ：溫度 ICBO1、ICBO2 IA dVAK/dt導通 ： dVAK/dt iJ IA 上述幾種情況屬于非正常導通，應該避免！門極觸發(fā)導通：注入IG IA

25、光注入導通 ：光照 ICBO1、ICBO2 IA 這兩種情況屬于正常導通9/5/202261三、SCR的工作原理（續(xù)）3、SCR的關斷 若要關斷已導通的SCR，可以通過外部條件使： IA (1+2) ，當滿足(1+2) 0時，SCR便又恢復阻斷。 4、SCR的反向阻斷 當A、K兩端加上反向電壓時，SCR處于反向阻斷狀態(tài)，已失去內(nèi)部正反饋作用。這時門極加觸發(fā)脈沖只能增加SCR的反向漏電流。9/5/202262四、SCR的基本特性1、總結(jié)前面的工作原理，可以簡單歸納SCR正常工作（導通/關斷）的特性：當SCR承受反向陽極電壓時，不論門是否有觸發(fā)電流，SCR均處于阻斷狀態(tài)。當SCR承受正向陽極電壓時

26、，僅在門極承受正向電壓（有觸發(fā)電流）的情況下SCR才能導通。SCR在導通后，只要有一定的維持導通的電流，不論門極電壓如何，SCR仍能導通。SCR在導通情況下，當流過的電流減小到一定程度時，SCR恢復為阻斷。9/5/202263四、SCR的基本特性（續(xù)）2、SCR的伏安特性 VDSM: 正向不重復 峰值電壓 VRSM: 反向不重復 峰值電壓 IH ：維持電流 VBO: 轉(zhuǎn)折電壓9/5/202264（1）正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。

27、導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。導通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。9/5/202265（2）反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性。 晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓超過一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無限制措施，則反向漏電流急劇增加，導致晶閘管發(fā)熱損壞。9/5/202266四、SCR的基本特性（續(xù)）3、SCR的動態(tài)特性9/5/202267（1）開通過程延遲時間td：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的

28、10%的時間。上升時間tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間。開通時間tgt：tgt=td+ tr 普通晶閘管延遲時為0.51.5s，上升時間上升時間為0.53s。9/5/202268（2）關斷過程反向阻斷恢復時間trr：從正向電流降為零到反向恢復電流衰減至接近于零的時間。正向阻斷恢復時間tgr：晶閘管要恢復其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間。關斷時間tq： tq=trr+tgr 普通晶閘管的關斷時間約幾百微秒。9/5/202269五、SCR的主要參數(shù)1、SCR的電壓定額斷態(tài)（正向）重復峰值電壓 VDRM值：在門極開路（IG=0）且額定結(jié)溫時，允許重復加在元件上的工頻正弦半波正

29、向峰值電壓。規(guī)定VDRM =80%VDSM（斷態(tài)）反向重復峰值電壓 VRRM值：在門極開路（IG=0）且額定結(jié)溫時，允許重復加在元件上的工頻正弦半波反向峰值電壓。規(guī)定VRRM =80% VRSM額定電壓VR值： 定義VR =MIN（ VDRM ，VRRM） 選用時，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓23倍。通態(tài)（峰值）電壓 VTM值： SCR中流過某一規(guī)定倍數(shù)（如倍）額定通態(tài)平均電流時的管壓降峰值。9/5/202270五、SCR的主要參數(shù)（續(xù)）2、SCR的電流定額額定電流 IR（或IAV）：晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時

30、所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。9/5/202271五、SCR的主要參數(shù)（續(xù)）正弦半波的有效值（均方根值）為 ：由（2-7）、（2-8）得到有效值為 ：使用時應按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來選取晶閘管。應留一定的裕量，一般取1.52倍。9/5/202272五、SCR的主要參數(shù)（續(xù)）浪涌電流 ITSM：結(jié)溫為額定值時，晶閘管在規(guī)定的極短時間內(nèi)（工頻正弦波半周期內(nèi)）晶閘管能承受的最大過載電流值。（通常為 4IAV或更多） 浪涌次數(shù)有一定限制，不可重復出現(xiàn)。維持電流 IH ：在室溫和門極開路時，SCR從較大通態(tài)電流降至維持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。 IH一

31、般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關。結(jié)溫越高，則IH越小。擎住電流 IL ：SCR經(jīng)觸發(fā)從斷態(tài)變換到通態(tài)之后立即撤除觸發(fā)信號，在此情況下SCR要維持通態(tài)所需要的最小通態(tài)電流。 對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的24倍。9/5/202273五、SCR的主要參數(shù)（續(xù)）3、動態(tài)參數(shù)斷態(tài)電壓臨界上升率 dv/dt：在規(guī)定的條件下（門極開路且額定結(jié)溫），不會導致從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽極電壓上升率。 過大的 dv/dt 下會引起誤導通通態(tài)電流臨界上升率 di/dt：在規(guī)定的條件下，晶閘管能夠承受而不致?lián)p害的通態(tài)電流的最大上升率。 過大的 di/dt 可使晶閘管內(nèi)部局部過熱而損壞9/5/202274課 堂

32、思 考 （一）調(diào)試如圖所示晶閘管電路，在斷開Rd 測量輸出電壓Vd是否正確可調(diào)時，發(fā)現(xiàn)電壓表V讀數(shù)不正常，接上Rd 后一切正常，為什么？（觸發(fā)脈沖始終正常工作）9/5/202275課 堂 思 考 （二）通過SCR的電流波形如圖所示，Im300A試選取SCR的IAV解：電流有效值9/5/202276六、晶閘管家族的其它器件1、快速晶閘管（KK、FST）包括所有專為快速應用而設計的晶閘管，有快速晶閘管和高頻晶閘管。管芯結(jié)構和制造工藝進行了改進，開關時間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關斷時間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定

33、額都不易做高。由于工作頻率較高，選擇通態(tài)平均電流時不能忽略其開關損耗的發(fā)熱效應。9/5/202277六、晶閘管家族的其它器件（續(xù)）2、逆導型晶閘管RCT（Reverse Conducting Thyristor）RCT主要用于逆變電路和斬波電路中 將晶閘管反并聯(lián)一個二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向壓降小、關斷時間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點。 逆導晶閘管的額定電流有兩個，一個是晶閘管電流，一個是反并聯(lián)二極管的電流。9/5/202278六、晶閘管家族的其它器件（續(xù)）3、雙向晶閘管TRIAC（Bi - directional Thyristor）TRIAC主要用于交流電力控制電

34、路，如交流調(diào)壓、交流調(diào)功電路。正反兩方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第和第III象限有對稱的伏安特性。通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。9/5/202279六、晶閘管家族的其它器件（續(xù)）4、光控晶閘管LCT觸發(fā)信號：激光脈沖光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響，因此目前在高壓大功率的場合，如高壓直流輸電和高壓核聚變裝置中，占據(jù)重要的地位。9/5/202280第三章 相控整流電路9/5/202281要求及重點要求：理解和掌握單相橋式、三相半波、三相橋式等整流電路的電路結(jié)構、工作原理/波形分析和電量計算。重點：波形分析和基本電量計算的方法。

35、難點：不同負載對工況的影響、整流器交流側(cè)電抗對整流電路的影響9/5/202282本章內(nèi)容3.1 概 述3.2 單相全控整流電路3.3 單相橋式半控整流電路3.4 三相半波可控整流電路3.5 三相橋式全控整流電路3.6 三相橋式半控整流電路3.7 整流器交流側(cè)電抗對換流(相)的影響9/5/2022833. 1 概 述一、整流電路的分類1、按組成電路的器件分類不可控整流電路： 電路完全由不可控器件組成。 整流輸出電壓（平均值）大小和極性不可變。半控整流電路： 電路由不可控器件和可控器件組成。 整流輸出電壓（平均值）大小可調(diào)、極性不能改變。全控整流電路： 電路完全由可控器件組成。 整流輸出電壓（平均

36、值）大小和極性都可變。整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?/5/202284整流電路的分類（續(xù)）2、按電路結(jié)構分類橋式電路（又稱全波電路或雙拍電路）零式電路（又稱半波電路或單拍電路）3、按交流輸入相數(shù)分類單相電路多相電路 4、按控制方式分類相控式電路斬控式電路9/5/202285二、可控整流電路的組成主電路交流電源：工頻電網(wǎng)或整流變壓器濾波器：為保證電流連續(xù)負載：阻性負載、阻感負載、反電勢負載等控制電路：模擬控制、數(shù)字控制9/5/202286三、對整流電路的基本技術要求1、輸出電壓的可調(diào)范圍要大，脈動要??；2、交流電源功率因數(shù)要高，諧波電流要小 ；3、器件導電時間要盡可能長

37、，承受正反向電壓要低；4、變壓器利用率要高，盡量防止直流磁化 。四、按理想條件來研究整流電路理想電力電子器件：正向?qū)〞r阻抗為零，斷態(tài)時阻抗為無窮大；理想電源：整流電路的交流輸入電壓為對稱、無畸變的正弦波。 9/5/202287五、本章分析方法要點及數(shù)學基礎1、分析方法要點（1）根據(jù)SCR的導通/關斷條件，確定其導通時刻、關斷時刻，繪出整流輸出電壓和電流波形，由此可進一步繪出有關器件上的電壓和電流波形；（2）應用電工基礎中的平均值、有效值概念，推導出上述波形隨控制角變化的數(shù)學表達式。2、數(shù)學基礎9/5/202288六、可控整流電路的基本概念單相半波可控整流電路控制角 ：從晶閘管開始承受正向電壓

38、到被觸發(fā)導通這一角度。導通角 ：晶閘管在一個周期內(nèi)導通的電角度。移相：改變控制角的大小，即改變觸發(fā)脈沖的出現(xiàn)時刻（相位）。移相控制：通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的控制方式。移相范圍：控制角的允許調(diào)節(jié)范圍。同步：觸發(fā)脈沖信號和晶閘管電壓（即電源電壓）在頻率和相位上的協(xié)調(diào)配合關系。換相（換流 ）：電流從含有變流元件的一個支路轉(zhuǎn)移到另一個支路的過程 。自然換相點：當電路中的可控元件全部由不可控元件代替時，各元件的導電轉(zhuǎn)換點。僅在交流正半周輸出電壓，所以叫半波整流單相輸入，所以叫單相整流。輸出電壓可通過調(diào)節(jié)進行控制，所以叫可控整流。單相半波可控整流9/5/202289整流電路的基本概念

39、（續(xù)）控制角 從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導通這一角度。導通角 晶閘管在一個周期內(nèi)導通的電角度。移相改變控制角的大小，即改變觸發(fā)脈沖的出現(xiàn)時刻（相位）。移相控制通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的控制方式。9/5/202290整流電路的基本概念（續(xù)）移相范圍控制角的允許調(diào)節(jié)范圍。同步觸發(fā)脈沖信號和晶閘管電壓（即電源電壓）在頻率和相位上的協(xié)調(diào)配合關系。換相（換流 ）電流從含有變流元件的一個支路轉(zhuǎn)移到另一個支路的過程 。自然換相點當電路中的可控元件全部由不可控元件代替時，各元件的導電轉(zhuǎn)換點。9/5/202291例題 3-1單相半波可控整流電路，電阻性負載。交流電源220伏，要求輸出直

40、流平均電壓50伏，最大輸出直流平均電流20安。計算（1）晶閘管的控制角，（2）電流有效值，（3）負載的功率因數(shù)，（4）選擇晶閘管。 解：（1）控制角9/5/202292例題 3-1（續(xù)）解：（2）電流有效值 （3）功率因數(shù) （4）晶閘管定額 UT=(23)1.414 220=620930V 可選KP50-7型元件，電壓等級7，即額定電壓700伏、額定通態(tài)平均電流50安的器件。 9/5/202293本章內(nèi)容3.1 概 述3.2 單相全控整流電路3.3 單相橋式半控整流電路3.4 三相半波可控整流電路3.5 三相橋式全控整流電路3.6 三相橋式半控整流電路3.7 整流器交流側(cè)電抗對換流(相)的影響

41、9/5/2022943 . 2 單相橋式全控整流電路一、電阻負載（R負載）（一）工作原理/波形分析（1）T1和T4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。（2）T2和T3組成另一對橋臂，在u2負半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。移相范圍 0 1809/5/202295（二）單相全控橋電路（R負載）電量計算1、輸出平均電壓 Ud移相范圍 0 1802、輸出平均電流 Id3、SCR平均電流 IdT = Id / 29/5/2022964、負載電壓有效值 U5、變壓器副邊繞組電流有效值 I26、流過晶閘管的電流有效值7、功率因數(shù) cos

42、9/5/202297二、電感性負載（R、L負載）（一）工作原理/波形分析為便于討論，假設（1）電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變；（2）負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負時，由于電感的作用晶閘管T1和T4中仍流過電流id，并不關斷。至t=+a 時刻，給T2和T3加觸發(fā)脈沖，因T2和T3本已承受正電壓，故兩管導通。T2和T3導通后，u2通過T2和T3分別向T1和T4施加反壓使T1和T4關斷，流過T1和T4的電流迅速轉(zhuǎn)移到T2和T3上，此過程稱換相，亦稱換流。移相范圍 0 909/5/202298（二）單相全控橋電路（R-L負載）電量計算1、輸出平均電壓 Ud移相范圍

43、 0 902、輸出平均電流 Id9/5/202299（二）單相全控橋電路（R-L負載）電量計算（續(xù)）3、流過晶閘管的平均電流 IdT = Id / 24、流過晶閘管的電流有效值 5、變壓器副邊繞組電流有效值 9/5/2022100（三）電流斷續(xù)時特性分析1、負載電流斷續(xù)時整流電壓、電流波形 電流斷續(xù)時、的關系： 越大， 越小 越大， 越大負載阻抗角 =arctan L/R 電流斷續(xù)電流連續(xù)9/5/2022101三、反電勢負載（R、E負載）（一）工作原理/波形分析電流連續(xù)電流斷續(xù)在|u2|E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。導通之后， ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關

44、斷，此后ud=E 。 與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度停止導電，稱為停止導電角。在角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。當 d時，SCR從時刻開始導通；當 時 30的工作情況電壓電流波形斷續(xù)各晶閘管導電時間=1500-，小于1200 9/5/2022123（二）電量計算（R負載）1、0 30 輸出電壓平均值2、30 150 9/5/2022124（二）電量計算（R負載）（續(xù)）3、負載電流平均值：Id=Ud/R4、晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即5、晶閘管承受的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即 6、移相范圍： =0 1509/5/2022125二、阻感性負載（

45、R 、L負載）假定電感很大，id平直。（一）工作原理/波形分析 1、 30后，相對大電感負載ud中負的部分減少， Ud略為增加，Ud/U2與的關系將介于曲線1和2之間。9/5/2022130四、三相半波可控整流電路的優(yōu)、缺點優(yōu)點：接線和控制簡單 。缺點變壓器副邊電流中含有直流分量，容易出現(xiàn)直流磁化現(xiàn)象，引起附加損耗 ；變壓器利用率低（每相繞阻的最長導電時間只有三分之一周期）；零線上通過較大的負載電流。應用場合：中等偏小功率的設備上。 9/5/2022131本章內(nèi)容3.1 概 述3.2 單相全控整流電路3.3 單相橋式半控整流電路3.4 三相半波可控整流電路3.5 三相橋式全控整流電路3.6 三

46、相橋式半控整流電路3.7 整流器交流側(cè)電抗對換流(相)的影響9/5/20221323.5 三相橋式全控整流電路結(jié)構：共陰極半波+共陽極半波共陰極組陰極連接在一起的3個晶閘管（T1，T3，T5）共陽極組陽極連接在一起的3個晶閘管(T4，T6，T2)導通順序：T6 、T1 T1 、T2 T2 、T3 T3 、T4 T4 、T5 T5 、T69/5/2022133一、三相橋式全控整流電路（R、L負載）假定電感很大，id平直。（一）工作原理/波形分析：1、 = 0移相范圍 0 909/5/2022134三相橋式全控整流電路（R、L負載） （續(xù)）2、 = 30 3、 = 60 9/5/2022135三相

47、橋式全控整流電路（R、L負載） （續(xù)）4、 = 909/5/2022136（二）三相橋式全控整流電路的特點1、需要兩個管同時導通才能形成供電回路，共陰極組和共陽極組各一個，且不能為同一相器件。2、對觸發(fā)脈沖的要求：（1）按T1-T2-T3-T4-T5-T6的順序觸發(fā)，相位依次差60。（2）共陰極組T1、T3、T5的脈沖依次差120，共陽極組 T4、T6、T2也依次差120。（3）同一相的上下兩個橋臂，即T1與T4，T3與T6，T5與T2， 脈沖相差180。3、一周期內(nèi)ud脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。9/5/20221374、為確保電路正常工作，要求同時導通的2個晶

48、閘管均有脈沖，否則在電路合閘起動過程中或電流斷續(xù)時，電路將不能正常工作。 可采用兩種方法使2個晶閘管均有脈沖： （1）寬脈沖觸發(fā) （2）雙窄脈沖觸發(fā)（常用）圖（a）變壓器副邊 三相電壓波形圖（b）寬脈沖觸發(fā) （脈寬 60 )圖（c）雙窄脈沖觸發(fā)9/5/2022138（三）電量計算（R、L負載）1、整流電壓 Ud2、變壓器副邊電流 有效值I29/5/2022139二、三相橋式全控整流電路（R負載）（一）工作原理/波形分析（a） = 60 （b） 60 120移相范圍 0 1209/5/2022140（二）電量計算（R負載）1、整流電壓 Ud 0 60 60 120 9/5/2022141三、三相

49、橋式全控整流電路（反電勢負載）三相橋式全控整流電路接反電勢阻感負載時，在負載電感足夠大足以使負載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與電感性負載時相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計算Id時有所不同，接反電勢阻感負載時的Id為：式中R和E分別為負載中的電阻值和反電動勢的值。9/5/2022142優(yōu)點：六脈波電路，輸出電壓脈動更?。蛔儔浩骼@組無直流磁勢；變壓器繞組正負半周都工作，效率高。四、三相橋式全控整流電路的優(yōu)點9/5/2022143例題 3-3圖例3-3 的三相橋式整流電路，三相電壓對稱， 設濾波電抗非常大，輸出電流連續(xù)，若快速熔斷器F1熔斷，試繪出輸出電壓ud的波形，并寫出電流Id的計

50、算式，交流電源的內(nèi)阻抗不計。 9/5/2022144例題 3-3（續(xù)）解：（1）交流側(cè)阻抗不計，三相電源對稱，故而是理想換相。在無故障條件下，輸出電壓波形應當是線電壓在正半周的包絡線。當F1熔斷后，輸出電壓不應出現(xiàn)uab、uac的波形，即在t1時D1不能導通，D5，D6繼續(xù)導通輸出ucb，在t2時也不能換到uac，但恰值此時，ubc0，負載電流自然換相到D3、D2去，輸出ubc，其他幾個階段按正常換相。根據(jù)以上分析，可得出故障條件下輸出波形如圖例3-3（b）所示。 （2）設整流器交流側(cè)相電壓為U2，將故障下輸出波形和三相橋式整流電路在正常運行情況下和時的輸出波形相比較可知，輸出由四個時的波頭和

51、兩個時的波頭組成，因此計算可以簡化為：9/5/20221453. 7 整流器交流側(cè)電抗對換流(相)的影響考慮包括變壓器漏感在內(nèi)的交流側(cè)電感的影響，該漏感可用一個集中的電感LB表示。一、換相過程分析（以三相半波為例）1、T1換相至T2的過程：因a、b兩相均有漏感, 故ia、ib均不能突變。當ik增大到等于Id時， ia=0，T1關斷,換流過程結(jié)束。于是T1和T2同時導通，相當于將a、b兩相短路，在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik， ib=ik 是逐漸增大的，而ia=Id-ik是逐漸減小的?？紤]變壓器漏感時的三相半波可控整流電路及波形換相重疊角 ：換相過程所需的時間T1換相至T2的過程9/5/2022

52、1462、相關概念（術語）換相過程：Id 0 或 0 Id換相重疊角 ：換相過程所對應的相角換相電壓：換相過程中兩相間電位差瞬時值 uba = ub - ua3、換相電壓的作用：強制導通元件中的電流下降為零；保證退出導通的元件恢復阻斷能力。9/5/20221474、重迭對輸出波形的影響換相過程中，整流電壓的瞬時值與 = 0時相比，產(chǎn)生了換相壓降 Ud9/5/2022148二、換相壓降的計算 對于單相全控橋，環(huán)流ik是從0變?yōu)?Id，所以必須用 2Id 代替 Id 式中符號定義見下頁整流輸出電壓的平均值9/5/2022149二、換相壓降的計算（續(xù)）符號定義:m 輸出電壓在一個周期的波頭數(shù)。xB

53、整流電路交流側(cè)每相電抗值（主要是變壓器漏抗）U2 變壓器二次繞組額定相電壓I2 變壓器二次繞組額定相電流（星接）uK% 變壓器的短路電壓比9/5/2022150三、考慮 時的整流器輸出特性輸出電壓的平均值 Ud整流電路的輸出特性如右圖所示9/5/2022151四、換相重疊角 的計算m 輸出電壓在一個周期的波頭數(shù)。 對于單相全控橋，環(huán)流ik是從0變?yōu)?Id，所以必須用 2Id 代替 Id 對于三相全控橋，它相當于相電壓為 的6脈波整流電路，所以必須用 線電壓（即 ）代替9/5/2022152各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計算電路形式單相全波單相全控橋三相半波三相全控橋m脈波整流電路 注：單相全控橋電路中，環(huán)流i