電力電子總復(fù)習(xí)

2023/2/511.電力電子技術(shù)定義應(yīng)用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)。弱電控制強電的技術(shù)，弱電和強電之間的接口。2.電力變換的分類

交流變直流AC-DC-----整流直流變交流DC-AC-----逆變交流變交流AC-AC----交流電力控制（交流調(diào)壓、交流調(diào)功）和變頻電路直流變直流DC-DC---斬波第一章緒論2023/2/52第二章電力電子器件（含第九章）1、電力電子器件：用于處理電能的主電路中實現(xiàn)電能的變換或控制的器件。一、基本概念主要損耗通態(tài)損耗：器件功率損耗的主要成因斷態(tài)損耗開關(guān)損耗：開關(guān)頻率較高時，可能成為器件功率損耗的主要因素：幾乎可以忽略2023/2/532、電力電子系統(tǒng)：由控制電路(controlcircuit)、驅(qū)動電路(drivecircuit)、保護電路(protectioncircuit)和以電力電子器件為核心的主電路(powercircuit)組成。圖1-1電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路1.將信息電子信號轉(zhuǎn)換為控制電力電子器件通斷的控制信號。2.控制電路和主電路之間的電氣隔離，一般為光隔離和磁隔離?？刂齐娐分饕ㄟ^電壓保護、過電流保護和緩沖電路。在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行2023/2/543.電力電子器件分類不可控器件：電力二極管（PD）雙極性,電流驅(qū)動半控型器件:晶閘管（SCR）雙極性,電流驅(qū)動超大功率全控型器件：門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）雙極性,電流驅(qū)動超大功率電力晶體管（GTR/BJT）雙極性,電流驅(qū)動電力場效應(yīng)管（MOSFET）單極性,電壓驅(qū)動小功率絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）復(fù)合型,電壓驅(qū)動中大功率

電壓驅(qū)動特點：輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，驅(qū)動電路簡單，工作頻率高。電流驅(qū)動特點：具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因而通態(tài)壓降低，導(dǎo)通損耗小，但工作頻率較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路也比較復(fù)雜。2023/2/55IKAPNJAK二、不可控器件—二極管基本結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號基本原理：PN結(jié)的單向?qū)щ娦訧OIFUTOUFU圖1-4電力二極管的伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。反向時，只有漏電流。電力二極管的主要參數(shù)：1.正向平均電流（額定電流）工頻正弦半波電流的平均值2.正向壓降3.反向重復(fù)峰值電壓URRM應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量2023/2/56三、半控型器件—晶閘管

?當(dāng)晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。

?當(dāng)晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。

?晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。?若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。一個三極管集電極同另一三極管基極相接，當(dāng)有足夠門極電流Ig流入，形成強烈正反饋，兩個晶體管飽和導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通。2023/2/57晶閘管的靜態(tài)特性正向特性IG=0時，器件加正向電壓，有很小漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓時，漏電流急劇增大，器件開通。門極電流幅值增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身壓降很小，1V左右。反向特性類似二極管。反向阻斷時，只有極小反相漏電流。反向電壓達到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞2023/2/58參數(shù)1.額定電壓：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓中小的數(shù)值，按標(biāo)準(zhǔn)電壓等級取整，為晶閘管額定電壓。選晶閘管額定電壓應(yīng)為其正常工作峰值電壓的２-３倍，作為安全裕量。2.額定電流：通態(tài)平均電流，正弦半波許通過的最大平均電流有效值相等原則選晶閘管額定電流，并考慮一定裕量。一般取1.5-2倍。3.維持電流IH：晶閘管從較大通態(tài)電流到恰能保持其導(dǎo)通的最小陽極電流。（通->斷）4.擎住電流IL:從阻斷狀態(tài)剛轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)時就去掉觸發(fā)電壓保持晶閘管導(dǎo)通所需要的最小陽極電流。(斷->通)

同一個晶閘管，通常其擎住電流要大于維持電流。2023/2/59四、全控型器件門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)?GTO的導(dǎo)通過程與普通晶閘管是一樣的，只不過導(dǎo)通時飽和程度較淺。

?而關(guān)斷時，給門極加負脈沖，即從門極抽出電流，當(dāng)兩個晶體管發(fā)射極電流IA和IK的減小使1+2<1時，器件退出飽和而關(guān)斷。

?GTO的多元集成結(jié)構(gòu)使得其比普通晶閘管開通過程更快，承受di/dt的能力增強。2.電力晶體管GTR目前大多被IGBT和電力MOSFET取代。2023/2/5103.電力場效應(yīng)晶體管主要指絕緣柵型中的MOS型，簡稱電力MOSFET。導(dǎo)電狀態(tài)：在柵源極間加正電壓UGS當(dāng)UGS大于UT（閾值電壓）時，P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。截止?fàn)顟B(tài)：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)的PN結(jié)J1反偏，無電流流過。a)轉(zhuǎn)移特性b)輸出特性2023/2/5114.絕緣柵極雙極性晶體管IGBT

絕緣柵雙極晶體管綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發(fā)射極柵極集電極注入?yún)^(qū)緩沖區(qū)漂移區(qū)J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E2023/2/512

IGBT驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。轉(zhuǎn)移特性：集電極電流與柵射電壓之間的關(guān)系，與功率場效應(yīng)管的轉(zhuǎn)移特性相似。開啟電壓:IGBT能實現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射電壓。

2023/2/513StaticcharacteristicsofIGBT輸出特性：即伏安特性，以柵射電壓為參變，集電極電流與集射電壓間的關(guān)系。有正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。◆動態(tài)特性

?開通過程開通時間ton=td(on)+tr+

tfv√開通延遲時間td(on)電流上升時間tr電壓下降時間tfv√tfv分為tfv1和tfv2兩段。?關(guān)斷過程√關(guān)斷延遲時間td(off)電壓上升時間trv電流下降時間tfi

關(guān)斷時間toff=td(off)+trv+tfi√tfi分為tfi1和tfi2兩段，tfi1為MOSFET部分，較快，tfi2為GTR部分，較慢，對應(yīng)電流成為拖尾電流。2023/2/514IGBT的安全工作區(qū)——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大允許電壓上升率duCE/dt確定。課后題：2、3、4、5

反向偏置安全工作區(qū)（RBSOA）——最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大集電極功耗確定。

正偏安全工作區(qū)（FBSOA）2023/2/515第三章整流電路單相整流電路形式單相半波可控整流電路單相橋式全控整流電路單相全波可控整流電路單相橋式半控整流電路三相整流電路形式三相半波可控整流電路三相橋式全控整流電路三相橋式半控整流電路負載形式：阻性負載(u,i同相，波形相似)，阻感負載（電流滯后，L無窮大時，電流為直線），反電動勢負載

2023/2/516單相觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示導(dǎo)通角θ：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度。移相范圍：觸發(fā)角a從0開始到最大觸發(fā)電角度的區(qū)間。2023/2/5171.單相半波可控整流電路兩圖晶閘管最大正反壓：單相半波可控整流電路帶大電感負載時，不管怎樣調(diào)節(jié)控制角，其輸出直流電壓平均值總是很小，平均電流值也很小。所以此電路是無法使用的。為了解決這個問題，通常是在整流電路的負載兩端并聯(lián)一個續(xù)流二極管。

2023/2/518基本數(shù)量關(guān)系（以三相半波為例）1.直流輸出電壓平均值2.負載電流平均值5.負載電流有效值4.整流輸出電壓有效值3.流過晶閘管的電流平均值為6.流過晶閘管的電流有效值2023/2/519例2—1.單相半波可控整流電路，電阻性負載，不經(jīng)整流變壓器直接與220V交流電源相接，要求輸出的直流平均電壓為85V，最大輸出直流平均電流為20A，求此電路中、R、U、I2、IT、IdT和，并選擇晶閘管（考慮2倍裕量）。解：1.已知,根據(jù)公式

2.已知，，可計算負載電阻3.整流輸出電壓有效值2023/2/5204.

交流側(cè)電流有效值單相半波可控整流電路—阻性負載5.

流過晶閘管的電流有效值和平均值晶閘管電流定額，應(yīng)選額定電流為50A的晶閘管；6.

功率因數(shù)7.

選擇晶閘管定額晶閘管的電壓定額，應(yīng)選額定電壓為700V左右的晶閘管。2023/2/5212.單相橋式全控整流電路晶閘管承受的最大正向電壓為電源電壓峰值的一半，最大反向電壓為電源電壓峰值晶閘管承受的最大正反向電壓均為

2023/2/5223.單相全波可控整流電路

a)wtwab)udi1OOt注意晶閘管器件承受的電壓：阻性負載時，最大正向電壓為，最大反向電壓為單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，有中心抽頭，材料的消耗多二次側(cè)繞組每周期只工作半個周期，利用率低，故只適用于小容量場合單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應(yīng)的門極驅(qū)動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍單相全波導(dǎo)電回路只含1個晶閘管，因而管壓降也少1個單相全波電路有利于在低輸出電壓大電流的場合應(yīng)用單相全波與單相全控橋的區(qū)別：2023/2/5234.單相橋式半控整流電路

若無續(xù)流二極管，則當(dāng)觸發(fā)脈沖突然增大至180或丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的單相半波整流情況，ud成為正弦半波，平均值保持恒定，此時稱為失控。電路失控的原因在于已導(dǎo)通晶閘管的關(guān)斷是依靠后一晶閘管的開通實現(xiàn)的，如果后一管子不能開通，則正導(dǎo)通的管子就無法關(guān)斷，從而失控2023/2/524單相可控整流電路總結(jié)2023/2/525三相整流電路自然換相點：二極管換相時刻為自然換相點，a=0。1.三相半波三個晶閘管共陰極連接結(jié)構(gòu)，觸發(fā)電路有公共端三個晶閘管共陽極連接結(jié)構(gòu)整流變壓器繞組二次側(cè)必須接成星形，一般一次側(cè)接成三角形，目的是減少高次諧波。2023/2/526三相半波可控整流電路---阻性負載負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通角為120

負載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120，為2023/2/527三相半波可控整流電路---阻感負載特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直a≤30時：整流電壓波形與電阻負載時相同。a>30時u2過零時，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，——ud波形中出現(xiàn)負的部分id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線阻感負載時的移相范圍為90電流連續(xù)各管均導(dǎo)通1202023/2/528

例2—4.已知三相半波可控整流電路帶大電感負載，，，整流變壓器二次側(cè)繞組電壓u2=200V，求Id值，并選擇晶閘管元件。

三相半波可控整流電路例題解：大電感負載下,有2023/2/529可選型號為KP50—10的晶閘管三相半波可控整流電路例題流過晶閘管電流有效值考慮2倍裕量，晶閘管電流定額考慮2倍裕量，晶閘管電壓定額

2023/2/530三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路共陰極組——陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組——陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）圖2-17三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序：

VT1－VT2－VT3－

VT4－VT5－VT62.三相橋式全控整流電路2023/2/531工作原理及波形分析，假設(shè)將電路中的晶閘管均換作二極管，對于共陰極組的3個管子，陽極所接交流電壓值最高的一個管子導(dǎo)通，而對于共陽極組的3個管子，則是陰極所接交流電壓值最低的一個管子導(dǎo)通。任意時刻共陽極組和共陰極組各有一個管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。

三相橋式全控整流電路---阻性負載2023/2/532三相橋式全控整流電路---阻性負載圖2-18三相橋式全控整流電路帶電阻負載a=0時的波形wwwwu2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubwt1OtOtOtOta=0°iVT1uVT12023/2/533三相橋式全控整流電路---阻性負載圖2-20三相橋式全控整流電路帶電阻負載a=60時的波形wwwa=60°ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaⅠⅡⅢⅣⅤⅥubucOtwt1OtOtuVT12023/2/534三相橋式全控整流電路---阻性負載

對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180

三相橋式全控整流電路的特點

2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：一種是寬脈沖觸發(fā)，一種是雙脈沖觸發(fā)（常用）2023/2/535漏抗的存在對電路電流變化起阻礙作用，換相過程不能瞬時完成存在換相重疊過程漏抗的存在引起換相壓降，降低輸出電壓

整流裝置功率進一步加大時，所產(chǎn)生的諧波、無功功率等對電網(wǎng)的干擾也隨之加大，為減輕干擾，采用多重化整流電路原理：按照一定的規(guī)律將兩個或更多的相同結(jié)構(gòu)的整流電路進行組合得到效果：移相多重聯(lián)結(jié)可減少交流側(cè)輸入電流諧波，串聯(lián)多重整流電路采用順序控制可提高功率因數(shù)變壓器漏抗對整流電路的影響多重化：2023/2/536逆變的概念

逆變電路(Inverter):把直流電逆變成交流電的電路有源逆變電路—交流側(cè)和電網(wǎng)連結(jié)無源逆變電路—變流電路的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負載可控整流電路滿足一定條件就可工作于有源逆變，電路形式未變，只是工作條件轉(zhuǎn)變。既工作在整流狀態(tài)又工作在逆變狀態(tài)，稱為變流電路

0<<p/2時，電路工作在整流狀態(tài)

p/2<<p時，電路工作在逆變狀態(tài)

把p/2<時的控制角用p-=b表示，b稱為逆變角，最小逆變角一般取30°~35°課后題：3、4、7、11、132023/2/537負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2第四章逆變電路（含第七章）當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負，這樣就把直流電變成了交流電。換流方式分為以下幾種：器件換流--全控型器件電網(wǎng)換流--電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式負載換流--負載提供換流電壓的換流方式,應(yīng)用于負載電流的相位超前于負載電壓的場合.強迫換流--設(shè)置附加的換流電路.2023/2/538■根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同，可以分為兩類◆電壓型逆變電路：直流側(cè)是電壓源?！綦娏餍湍孀冸娐罚褐绷鱾?cè)是電流源?！鲭妷盒湍孀冸娐返奶攸c◆直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。◆由于直流電壓源的鉗位作用，輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同?！糇韪胸撦d時需提供無功功率，為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。多重化：◆可以提高電路的輸出功率；此外，把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形?！舳嘀啬孀冸娐酚写?lián)多重和并聯(lián)多重兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。2023/2/539PWM(PulseWidthModulation)控制技術(shù)就是脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)PWM控制的基本原理重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，2023/2/540雙極性PWM控制方式在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負，其幅值只有±Ud兩種電平。在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制IGBT的通斷。防直通的死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅(qū)動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。死區(qū)時間的長短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。2023/2/541根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。載波比載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc/fr1）

異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式異步調(diào)制和同步調(diào)制2）

同步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數(shù)。2023/2/542三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波(負峰點)重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，使計算大為減化。如圖所示確定A、B點，在tA和tB時刻控制開關(guān)器件的通斷。脈沖寬度d和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

規(guī)則采樣法原理規(guī)則采樣法課后題：1、2、3、82023/2/543

直流斬波電路的種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、降升壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路復(fù)合斬波電路——不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合，電流可逆斬波電路，橋式可逆斬波電路多相多重斬波電路——相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合第五章直流-直流變流電路直流-直流變流電路包括直接直流變流電路（也稱斬波電路）和間接直流變流電路（直—交—直電路）。2023/2/544?電流連續(xù)時

√負載電壓的平均值為

√負載電流平均值為

◆斬波電路有三種控制方式?脈沖寬度調(diào)制（PWM）：T不變，改變ton。?頻率調(diào)制：ton不變，改變T。