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电力电子修改第1章前言和元件.pdf
西南交通大学电力电子技术Power Electronics仅内部使用 郭小舟西南交通大学电力电子技术——使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术电力电子器件制造技术（基础是半导体物理）电力电子技术的基础电力电子器件应用技术（变流技术）用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术以及构成电力电子装置及系统的技术电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。仅内部使用 郭小舟西南交通大学电力电子技术的任务电能的变换:包括频率变换、幅值变换、相数变换、相位变换常用的变换有：n 交流到直流的变换—整流n 直流到交流的变换—逆变n 直流到直流的变换n 交流到交流的变换仅内部使用 郭小舟西南交通大学1957 70年代中引燃管闸流管二极管晶闸管80年代后GTOGTR晶闸管场效应管IGBTGTO晶闸管场效应管电力半导体开关的发展10 1K 100K场效应管100 10KIGBTIPM1MGTOGCT晶闸管仅内部使用 郭小舟西南交通大学电力电子学(Power Electronics)名称60年代出现全世界普遍接受的对电力电子学进行描述的倒三角形电力电子学电子学 电力学控制理论连续、离散电路、器件静止器、旋转电机与相关学科的关系电路电子技术基础电力电子技术电力、拖动、自动控制系统仅内部使用 郭小舟西南交通大学电力电子技术的应用n 一般工业：交直流电机、电化学、冶金工业n 交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海n 电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿n 电子装置电源：为信息电子装置提供动力n 家用电器：“节能灯”、变频空调n 其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置仅内部使用 郭小舟西南交通大学轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业仅内部使用 郭小舟西南交通大学2）交通运输仅内部使用 郭小舟西南交通大学3）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS仅内部使用 郭小舟西南交通大学4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算机仅内部使用 郭小舟西南交通大学5）家用电器仅内部使用 郭小舟西南交通大学6）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源仅内部使用 郭小舟西南交通大学第1章电力电子器件电力电子技术是以电力半导体开关为基础的概述理想的电力半导体开关的特点：只有断态与通态两种状态，没有放大状态导通时，器件两端电压为零截止时，流过器件的电流为零从导通到截止或从截止到导通所需要的时间为零实际器件与理想器件有一定的差距，但可近似仅内部使用 郭小舟西南交通大学半控型器件（如Thyristor）——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（如IGBT,MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(如Power Diode)——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度分为仅内部使用 郭小舟西南交通大学电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。如晶闸管、GTO、GTR等电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。如IGBT等按照驱动电路信号的性质可分为按器件内部参与导电的载流子分单极型器件，如场效应管(一种)；双极型器件，如晶闸管(电子与空穴)；复合型器件，如IGBT仅内部使用 郭小舟西南交通大学§1-1 功率二极管1. 结构：由一个PN结构成。A-阳极，K-阴极P NA K第一章电力电子器件A K仅内部使用 郭小舟西南交通大学2. 特性A 伏安特性：阳极电流与阳-阴极电压间的关系uAKiA二极管的正向电压降很小，在理论分析时可忽略不计。uAKiA理想特性实际特性仅内部使用 郭小舟西南交通大学导通特性B 二极管的开关特性U FPuiiFu Ftfr t0V在二极管获取超量存储电荷前，其体电阻率很大电流上升率越大，UFP越高正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间后才趋于稳态压降值。产生这一现象的原因是载流子的分布与达到一定的浓度需要时间仅内部使用 郭小舟西南交通大学关断特性载流子的抽出需要时间；当PN结反向恢复时因引线电感而产生高的电压。iFU FtF t0trrtd tft1 t2 tURU RPIRPdiFdtdiRdt须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。仅内部使用 郭小舟西南交通大学额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下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。1)正向平均电流IF(AV)3. 二极管的主要参数在规定结温下，流过指定的稳态正向电流时的正向管压降。2）正向压降UF仅内部使用 郭小舟西南交通大学3）反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有裕量4）反向恢复时间trrtrr= td+ tf5）最高工作结温TJMTJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度6) 浪涌电流IFSM指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仅内部使用 郭小舟西南交通大学4. 二极管的主要类型整流二极管：工作频率低于1KHz，容量大快速恢复二极管：反向恢复过程短，工作频率高肖特基二极管：反向恢复时间短，管压降小但电压低其它：传感器 (光敏、磁敏二极管)；光源(红外、激光二极管)；稳压(齐纳二极管、恒流二极管)仅内部使用 郭小舟西南交通大学§1-2 普通晶闸管1. 结构由三个PN结构成，为四层三端结构。A-阳极，K-阴极， G-门极。1P2P1N2NA2NG KKGKGA仅内部使用 郭小舟西南交通大学螺栓型晶闸管 晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构仅内部使用 郭小舟西南交通大学2. 双三极管理论：晶闸管＝两个三极管的复合体1P2P2P2N1N1NAKGAKG1T2TaRaEgU反偏时阻断，与门极无关正偏和有门极触发电流时导通触发导通不能用门极电流关断R+Ua-+Ug-KGA仅内部使用 郭小舟西南交通大学承受反向电压时，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要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下晶闸管的特点：仅内部使用 郭小舟西南交通大学导通条件：晶闸管承受正向电压，同时门极有触发电流时，晶闸管导通。维持导通条件：流过晶闸管的电流大于维持电流。关断条件：晶闸管承受正向电压。或流过晶闸管的电流小于维持电流。这三个条件是晶闸管电路分析的基础。仅内部使用 郭小舟西南交通大学3.晶闸管的特性uAKiA理想伏安特性b.正向伏安特性正向导通雪崩击穿O +UA-UA-IAIAIH IG2 IG1 IG=0UboUDSMUDRMURRMURSMa.反向特性伏安特性仅内部使用 郭小舟西南交通大学反向特性：反向阻断时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向特性：正向阻断状态：IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。仅内部使用 郭小舟西南交通大学晶闸管的开关特性晶闸管的导通时间=延迟时间+上升时间晶闸管关断时间=反向恢复时间+正向恢复时间100%90%10%u AKttO0 t d t rt rr t grU RRMI RMi A仅内部使用 郭小舟西南交通大学4.晶闸管的主要参数与意义（1）断态重复峰值电压（UDRM）：门极开路，重复率为每秒50次，持续时间不大大于10ms的断态最大脉冲电压。其值为正向转折电压的80%。（2）反向重复峰值电压（URRM）：其定义同UDRM，其值为反向转折电压的80%。（3）额定电压：选UDRM和URRM中较小的值作为额定电压。额定电压定义复杂。理解为器件安全工作(不误导通或击穿时能承受的最大工作电压。仅内部使用 郭小舟西南交通大学（4）通态平均电流：指在环境温度为+40°C和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载、导电角不小于170度的单相工频正弦半波整流电路中，当稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。)(sin210)(ttdII mAVT wwp pò=发热是器件电流参数的限制条件。发热量只与有效值有关。在实际工作中，电流的波形是不同的。但有效值若相等，发热量就相同。仅内部使用 郭小舟西南交通大学当散热条件确定后，要让器件发热不超过其允许值，流过它的电流有效值就不能超过额定值。定义额定电流的波形的有效值是：2)()sin(21 20mmTItdtII == ò wwpp而 pwwpp mmAVTIttdII == ò )(sin210)(消去变量Im得： )()( 57.12 AVTAVTT III == p这表明，一个额定电流为IT(AV)的晶闸管允许通过的有效值电流为其额定值的1.57倍。仅内部使用 郭小舟西南交通大学例1.流过晶闸管的电流波形如图问额定电流为100安的晶闸管允许通过的电流平均值是多少? 2ppIm解：平均值为： 2)(21 0 mmd ItdII == ò wp p有效值为： (A) 2)(2120mmTItdII == ò wpp从上式解出Im为使晶闸管安全工作，必须满足：22 )( mAVT II ?p(A) 14.22222 )( =? AVTm II p仅内部使用 郭小舟西南交通大学代入平均值计算式，得 (A) 07.111=dI（5）通态平均电压：晶闸管通以额定通态平均电流时的管压降平均值。（6）维持电流：维持晶闸管导通所需要的电小阳极电流。（7）断态电压临界上升率：在额定结温和门极断路条件下，使元件从断态转入通态时的最低电压上升率。（8）通态电流临界上升率：晶闸管触发导通时不致使元件损坏的通态电流最大上升率。（9）门极触发电压、门极触发电流仅内部使用 郭小舟西南交通大学晶闸管的一种派生器件；多元功率集成器件。可以通过在门极施加正的脉冲电流使其导通；施加负的脉冲电流使其关断。开关频率不高，关断增益小。GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用（如电力机车的主电路）。GTO的特点§1-3 门极关断晶闸管(GTO)仅内部使用 郭小舟西南交通大学1. GTO的开通与关断原理GTO是一种共用阳极门极，阴极分离的结构。它由若干小的GTO元并联构成。 GTO元与晶闸管一样都是PNPN四层三端结构GTO元与普通晶闸管相同可用双晶体管模型来分析GTO的导通过程与普通晶闸管类似。注入正的门极电流时，T1T2因正反馈而迅速饱和仅内部使用 郭小舟西南交通大学1P2P2P2N1N1NAKGAKG1T2TaRaEgU也减小，于是引起IC1的进一步下降。如此不断循环，GTO元的阳极电流迅速下降到零而关断。GTO能够用门极负电流信号关断的主要原因在于其门—阴极结构。普通晶闸管在结构上是所谓的“单胞”结构，而GTO的阴极是由许多小块组成，其阴极横向宽度很小，G—K极间横向电阻远小于普通晶闸管，所以关断时在门极施加反向电压，T1管的集电极电流IC1被抽出形成门极负电流-IG，这使T2的基极电流减小进而使其集电极电流IC2也仅内部使用 郭小舟西南交通大学KAGGR gU横向电阻部分关断区GTO晶闸管GTO严格控制等效三极管的饱和度。GTO的等效三极管工作在浅饱和状态，而晶闸管为深饱和GAKgUGR可以用门极负电压抽出等效的IC1，从而使器件关断。仅内部使用 郭小舟西南交通大学小结GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。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GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。多元集成结构，使GTO容易在关断过程中损坏。仅内部使用 郭小舟西南交通大学2 GTO的开关特性ontaiauonpgirtdttt%90%10GTO开通仅内部使用 郭小舟西南交通大学GTO关断aiauoffpgi-ftst tt%90%10tt存储时间ts，使等效晶体管退出饱和。下降时间tf尾部时间tt ：残存载流子复合。通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。门极负脉冲电流幅值越大，ts越短。仅内部使用 郭小舟西南交通大学3.GTO的主要参数1）可关断峰值电流ITGQM ：GTO的阳极可关断电流的最大值，即可关断峰值电流。（额定电流）2）关断时的阳极尖峰电压Vp尖峰电压是阳极电流在tf时间内的电流变化率与缓冲电路中的电感的乘积。尖峰电压Vp与阳极电流成正比，并直接决定了关断损耗。3）阳极电压上升率du/dt阳极电压上升率du/dt分为静态与动态两种。前者与晶闸管相同；后者指的是关断过程中的阳极电压上升率，又称重加du/dt。仅内部使用 郭小舟西南交通大学4）阳极电流上升率di/dtGTO能承受的极限电流上升率。5）电流关断增益最大可关断阳极电流与门极负脉冲最大值之比：boff=IATO/IGM boff=3-56）开通时间与关断时间开通时间是延迟时间与上升时间之和关断时间是存储时间与下降时间之和GTO的其它参数与晶闸管相似。它正在被淘汰。仅内部使用 郭小舟西南交通大学集成门极换相晶闸管IGCTGTO是多元集成器件。主要问题是如何保证在关断时各个单元动作的一致。GTO损坏的主要原因之一是在关断过程中阴极导电面积的收缩引起电流的集中与关断的不同步。IGCT的关断增益为1。即门极关断电流幅值不小于阳极电流。这样可将流过阴极的电流全部从门极抽出。GTO以PNP三极管方式关断。IGCT的特点与GTO相似。但工作频率更高。为提供巨大的门极关断电流，必须将门极电路紧靠主开关安放。仅内部使用 郭小舟西南交通大学仅内部使用 郭小舟西南交通大学1P1N2P2N 2N1P1N2P1P1N2P2N 2N1P1N2PGTO与GCT的关断方式比较：GTO抽出部份载流子使等效三极管产生正反馈而迅速关断；GCT抽出全部载流子使GCT以PNP三极管方式关断。结合了IGBT与GTO的优点，容量与GTO相当，开关速度快10倍。省去GTO复杂的缓冲电路，但驱动功率仍很大。仅内部使用 郭小舟西南交通大学§1-4电力场效应管（MOSFET）1．工作原理N NPD SG–+N NP SDG –+漏极D接外加电压的高电位，源极S接低电位。源极与衬底相联。VGS为负时漏源之间不导电。漏极D接外加电压的高电位，源极S接低电位。源极与衬底相联。VGS为正时漏源之间导通。P型反型成N型，形成N沟道使PN结消失，漏源极间导通；反型消失N沟道消失，PN结出现，漏源极间截止仅内部使用 郭小舟西南交通大学2．场效应管的特点：靠一种载流子导电的器件。开关速度极高，热稳定性好；没有二次击穿现象。可靠性高，安全工作区大容易并联。电压控制器件。驱动功率小，驱动电路简单导通电阻大，导通损耗大，元件的电压值小导通电阻随阻断电压的升高而迅速升高主要用于小功率电路，如开关电源。栅极源极等效电路漏极仅内部使用 郭小舟西南交通大学3 电力MOSFET的基本特性转移特性：漏极电流和栅源间电压的关系漏极伏安特性(或输出特性)：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区（对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应GTR的饱和区） 4 6 8 VGSiD饱和区非饱和区截止区U GS=4VU GS=5VU GS=6VU GS=7VU GS=8VVDSiD1)静态特性仅内部使用 郭小舟西南交通大学iD0uPtttuGStd(on)00td(off) tftr2) 开关特性一个有阻抗的信号源给FET提供栅极信号。开关响应如图开通时间：开通延迟时间与上升时间之和关断时间：关断延迟时间与下降时间之和。特点：开关速度和栅极输入电容的大小有关。降低驱动电路内阻可加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速工作频率可达1M以上，为电力电子器件中最高仅内部使用 郭小舟西南交通大学场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需驱动输入电容，仍需一定的驱动功率开关频率越高，所需要的驱动功率越大3) 电力MOSFET的主要参数(1) 漏极电压UDS--电力MOSFET电压定额(2) 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM--电力MOSFET电流定额(3)栅源电压UGS(4)极间电容其它参数与电子学中相同仅内部使用 郭小舟西南交通大学§1-5绝缘栅极双极型三极管（IGBT）1 IGBT的结构与工作原理GEC 等效电路GTR和MOSFET复合，结合了二者的优点；开关速度高，开关损耗小，安全工作区大，具有耐脉冲电流冲击能力；输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似，驱动容易仅内部使用 郭小舟西南交通大学+pp-N+N +NCE GGp-N p -N关断时当栅极电压为零时，集电极与发射极间不导通因为；等效PNP三极管的基极电流无法流动。当栅极上加正的电压时，控制极G下的P层表面形成N沟道，发射极与N-区接通，等效三极管的基极电流经N沟道流动，由于电调制效应，N-区电阻降低电流增大，元件导通。导通时+pp-N+N +NCE GGp-N p -N仅内部使用 郭小舟西南交通大学2 IGBT的特性在电力电子电路中，只允许工作在饱和区或截止区，不能在有源区(放大区)O有源区正向阻断区饱和区反向阻断区ICUGE(th) UGEOICURMUFM UCEUGE(th)UGE增加(1) IGBT的静态特性IGBT的转移特性和输出特性仅内部使用 郭小舟西南交通大学(2)IGBT的开关特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGE UGEMICMUCEMtfv1 tfv2tofftontfi1 tfi2td(off) t ftd(on) trUCE(on)UGEMUGEMICMICMtfv1--MOSFET单独工作的电压下降过程；tfv2--MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程。IGBT的开通过程与MOSFET相似，开通时间ton为延迟时间td(on)与电流上升时间tr 之和。仅内部使用 郭小舟西南交通大学关断特性：tfi2——IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，iC下降较慢。IGBT关断时，有大的电流下降率与显著的尾部电流。前者是场效应管关断的结果，后者是PNP三极管造成的。ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGE UGEMICMUCEMtfv1 tfv2tofftontfi1 tfi2td(off) t ftd(on) trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的关断时间toff为延迟时间td(of)与电流下降时间tr 构成。tfi1--IGBT器件内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快仅内部使用 郭小舟西南交通大学3 IGBT的参数(1) 最大集射极间电压UCES：由内部PNP晶体管的 击穿电压确定(2) 最大集电极电流：包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP(3) 最大集电极功耗PCM：正常工作温度下允许的最大功耗IGBT的其它参数参见相关的资料仅内部使用 郭小舟西南交通大学§1-6 其它电力半导体开关器件1．静电感应晶体管SIT(结型场效应管)静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor）是一种依靠场效应引起元件中导电沟道形成或消失、实现开关功能的器件。SIT具有输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关频率高、热稳定性好以及抗辐射能力强等一系列优点GDSP PN-N+N+GDSN+N+PP栅源电压为零时，器件处于导通状态。栅源极间施加负的电压，这使PN结对应的空间电荷区（也称“耗尽层”）变厚，使导电沟道消失，器件关断。仅内部使用 郭小舟西南交通大学2.静电感应晶闸管SITH（Static Induction Thyristor）在静电感应晶体管的结构上加一P型层即构成SITH。当SITH的A接电源正、K接负、UGK不为负时，电流能从A流向K。UGK为负时，PN间形成耗尽层，器件截止。特点：高压、在电流、高频、有尾部电流、关断时间短、di/dt、du/dt大GKNN+PPAP+3. MOS控制晶闸管MCTMCT是在SCR结构中集成一对MOSFET，使MCT导通的MOSFET称为ON—FET，使MCT关断的MOSFET称为OFF—FET。一般，ON—FET均为P沟道，所以，也称这种MCT为P—MCT。仅内部使用 郭小舟西南交通大学AKG1T2TGOFF-FETN沟道ON-FETP沟道当GK间加负脉冲时ON－FET导通，它的漏极电流使T2导通，所以T1导通，两管间形成正反馈，于是AK间导通，即P－MCT导通。当栅极上加正脉冲时，OFF－FET导通，T1的基极被短路，T1关断，因此破坏了内部正反馈过程，即MCT关断。MCT的优点：电压高、电流密度大。通态压降小。高的dv／dt和di／dt耐量。开关速度快、损耗小，结温高4.功率集成电路（PIC）与智能型器件（IPM）仅内部使用 郭小舟西南交通大学功率集成电路可分为单片功率集成电路MPIC（Monolithic Power Integrated Circuit）和混合功率集成电路HPIC（Hybrid Power Integrated Circuit）。功率集成电路是电力电子技术与微电子技术相结合的产物，它将横向高压器件与低压控制电路，诸如移位寄存器、逻辑电路、锁存电路、放大、比较、基准电压、三角波发生器、传感器电路、ROM和PWM控制电路、以及过电压、过电流、过热、防干扰等保护电路集成在一起。从而极大地简化了电路，也使系统的可靠性大大提高。MPIC主要用于：电动机控制方面如办公室自动化、家电、汽车等使用的各种电动机如磁阻电动机、无换向器电动机、异步电动机的控制。仅内部使用 郭小舟西南交通大学电源电路。汽车电路以及平板显示电路。HPIC是在绝缘基板上，通过厚膜技术或薄膜技术形成导体和电阻，在基板上把包括有大规模集成电路的半导体元件、电容、电感及其他电子部件连成一体的集成电路。智能型器件IPM（Intelligent Power Module）是一种在IGBT基础上再集成栅极控制电路、故障检测电路和故障保护电路的电力电子模块。IPM具有短路、过载、过热、欠电压等保护性能，它的输入级由MOS器件构成，开关频率高、输入阻抗很高，它的输出电压和电流相当大，而饱和压降又较低，是一种应用很广的第三代器件。仅内部使用 郭小舟西南交通大学作业：P43 1.51.6仅内部使用 郭小舟西南交通大学谢谢各位仅内部使用 郭小舟
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电力电子复习大纲
第 2 章 电力电子器件 1.电力电子器件一般工作在开关_状态。 2.在通常情况下，电力电子器件功率损耗主要为通态损耗，而当器件开关频率较 高时，功率损耗主要为开关损耗。 3.电力电子器件组成的系统，一般由__控制电路__、_驱动电路_、 _主电路_三 部分组成，由于电路中存在电压和电流的过冲，往往需添加_保护电路__。 4.按能被控制电路信号所控制的程度，电力电子器件可分为 _
不可控器件_ 、 _ 半控型器件_ 、_全控型器件_三类。 按内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况，电力电子器件可分为_单极型器 件_ 、 _双极型器件_ 、_复合型器件_三类。 5.在如下器件：电力二极管（Power Diode） 、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） 、绝缘栅双极型 晶体管（IGBT）中，属于不可控器件的是_电力二极管_，属于半控型器件的是_ 晶闸管_，属于全控型器件的是_ GTO 、GTR 、电力 MOSFET 、IGBT _；属于 单极型电力电子器件的有_电力 MOSFET _，属于双极型器件的有_电力二极管、 晶闸管、GTO 、GTR _，属于复合型电力电子器件得有 __ IGBT _；在可控的器 件中，容量最大的是_晶闸管_，工作频率最高的是_电力 MOSFET，属于电压驱 动的是电力 MOSFET 、IGBT _，属于电流驱动的是_晶闸管、 GTO 、GTR _。IGBT、 GTR、 GTO 和电力 MOSFET 的优缺点的比较如下，器件优点、缺点 IGBT 开关速度高， 开关损耗小， 具有耐脉 冲电流冲击的能力， 通态压降较低， 输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小；开关速度低于电力 MOSFET,电压，电 流容量不及 GTO GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关速度低， 为电流驱动；所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题 GTO 电压、电流容量大，适用于大功率场 合，具有电导调制效应，其通流能 电流关断增益很小；关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率力很强大，驱动电路复杂，开关频率低 电 力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性 好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题；电流容量小，耐压低，一般 只适用于功率不超过 10kW 的电力电子装置6.晶闸管在额定情况下的有效值电流为 ITn 等于_ 1.57 _ 倍 IT （ AV） ， 如果 IT （AV） =100 安培， 则它允许的有效电流为 157 安培。 通常在选择晶闸管时还要留出 1.5 ―2 倍的裕量。 晶闸管的导通条件和关断条件。 （1）阳极和门极承受正向电压 （2）阳极承受反向电压或阳极电流降到接近零的某一数值以下。第 2 章 整流电路 1. 单相半波可控整流电路中 电阻负载的特点是_电压和电流成正比且波形相同_， 在单相半波可控整流电阻性 负载电路中，晶闸管控制角 α 的最大移相范围是_0-180?_。晶闸管承受的最大反 向电压为2 U2 。阻感负载的特点是_流过电感的电流不能突变，在单相半波可控整流带阻感负载 并联续流二极管的电路中，晶闸管控制角 α 的最大移相范围是__0-180? _ ，其 承受的 最大正 反向 电压均 为 _ 2 U2 __ ，续 流二极 管承受 的最 大反向 电压为 _ 2 U2 __（设 U2 为相电压有效值） 。晶闸管的导通角等于Л - α ，续流二极管的导 通等于Л +α。 2.单相桥式全控整流电路中 纯电阻负载时，α 角移相范围为_0-180?_，单个晶闸管所承受的最大正向电压和 反向电压分别为_2 U2 _ 和 2 U2 _；晶闸管的导通角=Л - α 2阻感负载时，α 角移相范围为_0-90? _，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反 向电压分别为_ 2 U2 __和_ 2 U2 __；晶闸管的导通角与 α 无关，为Л - 。 带反电动势负载时，欲使电阻上的电流不出现断续现象，可在主电路中直流输出 侧串联一个_平波电抗器_。 当控制角 α 大于停止导电角? 时，晶闸管的导通角?=_π- α- ?? 。3.三相半波可控整流电路中（3.2.1） 三相半波可控整流电路的自然换相点是本相相电压与相邻相电压正半周的交点。三只晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差_120? _。 电阻性负载时，晶闸管所承受的最大正向电压为_ 2 U2 __，晶闸管承受的最大反 向电压为_ 6 U2 _(U2 为相电压有效值 ) 。晶闸管控制角 α 的最大移相范围是 _0-150? _，使负载电流处于连续和断续的临界状态的条件为__α=30? _。波形连 续时， U d ? 1.17U 2 cos? 阻感负载时，? 角的移相范围是_0-90?,_，?U d ? 1.17U 2 cos? 。 4、三相桥式全控整流电路中（3.2.2） 共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是_最高__的相电压，而共阳极组中处于导 通的晶闸管对应的是_最低_的相电压； 六只晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互 差_60? _，同一相上下两个桥臂上两只晶闸管的触发相位相差_180? _，共阴极 组或共阳极组相邻晶闸管的触发相位相差_120? _。电阻性负载时，晶闸管控制角 α 的最大移相范围是_0-120? _，使负载电流处于 连续和断续的临界状态的条件为__α=60? _。波形连续时， U d ? 2.34U 2 cos? 阻感负载时，? 角的移相范围是_0-90?,_，?U d ? 2.34U 2 cos? 。 晶闸管对触发脉冲的要求是 幅值要高 和 要有足够的驱动功率 、 触发脉冲前沿要陡触发脉冲要与晶闸管阳极电压同步。要使三相全控桥式整流电路正常工作，对晶闸管触发方法有两种，一是用大于 60 ? 小 于 120 ? 的 宽脉 冲 触发。 对三相桥式全控变流电路实施触发时，如采用单宽脉冲触发，单宽脉冲的宽度一 般 取 _80 ? -100 ? _ 较 合 适 ； 如 采 用 双 窄 脉 冲 触 发 时 ， 双 窄 脉 冲 的 间 隔 应 为 _20?-30?_。 触发 ； 二 是 用 脉 冲 前沿 相 差 60 ? 的双 窄 脉 冲5.考虑变压器漏感对整流电路的影响（3.3） 对于可控整流电路，换相重迭角的影响，将使用输出电压平均值_下降_。 换相重迭角随着变压器二次侧漏感的增加而增加，随着负载电流的减小而减小。 控整流电路在换相时，换相重叠角γ 的大小与哪几个参数有关 在一般可逆电路中，最小逆变角β min 选在下面那一种范围合理 A 。A、30?-35?，B、10?-15?，C、0?-10?，D、0?。6.逆变电路中，当交流侧和电网连结时，这种电路称为_有源逆变_，欲实现有源 逆变，只能采用__全控_电路；在整流电路中，能够实现有源逆变的有_单相全波 _、_三相桥式整流电路_等。对于单相全波电路，当控制角 0&???&???? 时，电路 工作在__整流_状态；?????????????时，电路工作在__逆变_状态。? 例：能够实现有源逆变的电路为 A、三相半波可控整流电路， D 。B、三相半控整流桥电路，C、单相全控桥接续流二极管电路， D、单相桥式全控整流电路。工作在有源逆变状态的条件是_有直流电动势，其极性和晶闸管导通方向一致， 其值大于变流器直流侧平均电压_和__晶闸管的控制角 a & 90 ?，使输出平均电 压 Ud 为负值_。 变流器工作在逆变状态时，控制角α 必须在 A、0°-90°； B、30°-120°； D 度。C、60°-150°； D、90°-150°；7(3.8)大、中功率的变流器广泛应用的是_晶体管__触发电路，同步信号为锯齿波 的触发电路，可分为三个基本环节，即_脉冲的形成与放大__、_锯齿波的形成与 脉冲移相_和_同步环节_。第 4 章 逆变电路 1.把直流电变成交流电的电路称为_逆变_，当交流侧有电源时称为_有源逆变_， 当交流侧无电源时称为_无源逆变_。 2.电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，从大的方面，换流可以分 为两类，即外部换流和_自换流_，进一步划分，前者又包括_电网换流_和_负载 换流_两种换流方式，后者包括_器件换流_和_强迫换流_两种换流方式。 3.适用于全控型器件的换流方式是_器件换流__，由换流电路内电容直接提供换 流电压的换流方式称为_直接耦合式强迫换流_。 4.逆变电路可以根据直流侧电源性质不同分类，当直流侧是电压源时，称此电路 为_电压型逆变电路_，当直流侧为电流源时， 称此电路为_电流型逆变电路_。 电压型逆变电路通常由可控整流输出在最靠近逆变桥侧用 电容器 进行滤波， 电压型三相桥式逆变电路的换流是在桥路的 闸管导电的角度是 180? 变桥侧是用 电感同一桥臂元件之间换流，每只晶度。 电流型逆变电路通常由可控整流输出在最靠近逆 不同桥臂 元件滤波， 电流型三相桥式逆变电路换流是在 120? 度。之间换流，每只晶闸管导电的角度是5.半桥逆变电路输出交流电压的幅值 Um 为_0.5_Ud ，全桥逆变电路输出交流电 压的幅值 Um 为_1_Ud 。 6.三相电压型逆变电路中，每个桥臂的导电角度为_180? _，各相开始导电的角 度依次相差_120? _，在任一时刻，有___三_个桥臂导通。电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反 馈二极管？ 在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率 ,直流侧电容起 缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥 各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压和电流的极性相同时,电流经电路中 的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通 道。 （电压型逆变器当交流侧为阻感性负载时，需要向电源反馈无功功率。直流 侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通 道，逆变桥各臂开关器件都反并联了反馈二极管。 ） 在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的 ,无功能量由直流侧电感来缓 冲。 当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可 控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。 大题： 单相桥式电压型逆变电路会根据给出的 4 个 IGBT 栅极信号波形画出稳态 时负载电压 uo 波形、负载电流 io 波形；以及结合波形分析电路工作过程。第 5 章 直流斩波电路 1.直流斩波电路完成得是直流到_直流_的变换。 2.直流斩波电路中最基本的两种电路是_降压斩波电路 和_升压斩波电路_。 3.斩波电路有三种控制方式： _脉冲宽度调制（PWM）_ 、_频率调制 _和_ （ton 和 T 都可调，改变占空比）混合型。4.升压斩波电路的典型应用有_直流电动机传动_和_单相功率因数校正_等。降压斩波电路中，已知电源电压 Ud=16V,负载电压 U0=12V,斩波周期 T=4ms，则 开通时间 Tab=（ ①1ms ③ ） ③3ms ④4ms②2ms大题：会判断给出的电路图为何种电路（升压斩波电路或降斩波电路） ，分析出 其工作原理和能量转移过程， 以及计算输出电压平均值 U0 ， 输出电流平均值 I0。 第五章习题 2,3 在图示升压斩波电路中，已知 E=50V，负载电阻 R=20Ω ，L 值和 C 值极大，采 用脉宽调制控制方式，当 T=40? s，ton=25 ? s 时，计算输出电压平均值 U0，输出 电流平均值 I0。U o ??1 * 50 ? 133 .3(V ) 1 ? 25 / 40（2 分）i0 ?U 0 133.3 ? ? 6.67A R 20（2 分）5.升降压斩波电路呈现升压状态的条件为________。 升压斩波电路电压的输入输出关系相同的有___CuK 斩波电路__、__Sepic 斩波 电路_和__Zeta 斩波电路__。5.2 复合斩波电路中 斩波电路用于拖动直流电动机时， 降压斩波电路能使电动机工作于第__1__象限， 升压斩波电路能使电动机工作于第__2__象限， _电流可逆斩波电路能使电动机工 作于第 1 和第 2 象限。 桥式可逆斩波电路用于拖动直流电动机时，可使电动机工作于第_1、2、 3、4_象限。 复合斩波电路中，电流可逆斩波电路可看作一个_升压_斩波电路和一个__降压_ 斩波电路的组合；多相多重斩波电路中，3 相 3 重斩波电路相当于 3 个__基本__ 斩波电路并联。第 6 章 交流―交流电力变换电路 1.改变频率的电路称为_变频电路_，变频电路有交交变频电路和_交直交变频_电 路两种形式，前者又称为_直接变频电路__，后者也称为_间接变频电路_。 在交交变频电路中，只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率 的电路称为交流电力控制电路，改变频率的电路称为变频电路。 交流调压电路通常采用相位控制方式，交流调功电路采用通断控制方式2.单相调压电路带电阻负载，其导通控制角??的移相范围为_0-180? _，随? 的增 大，Uo_降低_，功率因数?_降低__。 带阻感负载，当控制角? &?， ?= arctan (L/R)，其导通控制角??的移相范围为 _?-180 ? _， 当控制角? &?, VT1 的导通时间_逐渐缩短_,VT2 的导通时间__逐渐延长_。 三相交流调压电路其导通控制角??的移相范围为_?-150? _，例单相交流调压电路， 负载阻抗角为 30°， 问控制角α 的有效移相范围有多大？ 如为三相交流调压电路，则α 的有效移相范围又为多大？单相交流调压电路，负载阻抗角为 30° ，控制角 α 的有效移相范围是 30° -180° ； 如为三相交流调压电路，α 的有效移相范围是 30° -150° 。3.把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路称为__ 交交变 频电路_。 4.单相交交变频电路带阻感负载时，哪组变流电路工作是由_输出电流的方向_决定的，交流电路工作在整流还是逆变状态是根据_输出电流方向和输出电压方向 是否相同_决定的。 5.当采用 6 脉波三相桥式电路且电网频率为 50Hz 时，单相交交变频电路的输出 上限频率约为_20Hz__。一般认为上限频率不高于电网频率的 1/3-1/2。 6.三相交交变频电路主要有两种接线方式，即 _公共交流母线进线方式_ 和_输出 星形联结方式_， 其中主要用于中等容量的交流调速系统是_公共交流母线进线方 式_。 7.矩阵式变频电路是近年来出现的一种新颖的变频电路。它采用的开关器件是_ 全控_器件；控制方式是_斩控方式__。课后习题 2单相交流调压电路，电源电压 220V，电阻负载 R=9Ω ,当α =30°时，求： （1）输出电压和负载电流； （2）晶闸管额定电压和额定电流； （3）输出电压波形和晶闸管电压波形。 解：(1)负载上交流电压有效值为U0 ?U21 ? ?? 1 ? ? ?? 6 sin 2? ? ? 220? sin ? ? 216 V 2? ? 2? 3 ?负载电流为 U0 216 I0 ? ? ? 24 A RL 9 (2)晶闸管承受的正反向电压最大值是 2U 2 ，考虑到 2-3 倍的安全裕量，晶闸管 的额定电压应该为 UTN ? ?2 ~ 3? 2U 2 ? ?622 ~ 933?V 晶闸管流过的电流有效值为IT ? I0 24 ? ? 17 A 2 1.414考虑到 1.5~2 倍的安全裕量，晶闸管的额定电流为IT ? AV ? ? ?1.5 ~ 2?IT ? ?16.24 ~ 21.67 ?A 1.57
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