電力電子技術(shù)

1、緒 論1. 什么是電力電子技術(shù) 2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史 3. 電力電子技術(shù)的應(yīng)用 4. 本課程的主要內(nèi)容Power Electronics1. 什么是電力電子技術(shù)1.1 概念 1.2 兩大分支 1.3 與其他學(xué)科的關(guān)系Power Electronics1.1 概念數(shù)字電子技術(shù)模擬電子技術(shù)電力電子技術(shù)信息電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)：信息處理電力電子技術(shù)：電力變換電力電子技術(shù)是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，也就是使用電力電子器件，應(yīng)用電路理論、控制理論對(duì)電能進(jìn)行變換、控制的技術(shù)。包括電壓、電流、頻率、波形等方面的變換、控制。Power Electronics直流電力交流交流變交流直流變直流（斬

2、波）直流變交流（逆變）交流變直流（整流）電力變換Power Electronics1.2 兩大分支電力電子技術(shù)電力電子器件制造技術(shù)變流技術(shù)變流技術(shù)電力電子器件構(gòu)成各種電力變換電路Power Electronics對(duì)這些電路進(jìn)行控制的技術(shù)變流技術(shù)（電力電子器件應(yīng)用技術(shù)）電力電子技術(shù)的核心電力電子器件制造技術(shù) 電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)相互支持、相互促進(jìn)1.3 與其他學(xué)科的關(guān)系電子學(xué)電力學(xué)控制理論電力電子技術(shù)電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)連續(xù)、離散圖0-1描述電力電子學(xué)的倒三角形Power Electronics邊緣學(xué)科1.3.1 與電子學(xué)的關(guān)系器件、電路電力電子器件制造技術(shù)電子器件制造技術(shù)理論基礎(chǔ)、材料、制

3、造工藝分析方法、分析軟件電子電路電力電子電路Power Electronics電力電子電路電力變換電子電路信息處理Power Electronics信息電子電路器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)放大狀態(tài)電力電子電路器件開(kāi)關(guān)狀態(tài)功率損耗電力電子技術(shù)廣泛用于電力工程1.3.2 與電力學(xué)的關(guān)系電力電子技術(shù)高壓直流輸電靜止無(wú)功補(bǔ)償交直流電力傳動(dòng)電解電鍍電加熱電力機(jī)車牽引電力工程分支Power Electronics高性能交直流電源1.3.3 與控制理論的關(guān)系控制理論電力電子技術(shù)弱電和強(qiáng)電接口弱電控制強(qiáng)電實(shí)現(xiàn)紐帶廣泛用于Power Electronics2. 電力電子技術(shù)的發(fā)展歷史2.1 電力電子器件的發(fā)展 2.2 電力變換

4、電路的發(fā)展 2.3 控制技術(shù)的發(fā)展Power Electronics20世紀(jì)70年代 低壓小電流、高壓大電流晶閘管系列化 派生型晶閘管：雙向、逆倒、光控半控型器件1958 工業(yè)用晶閘管問(wèn)世、電力電子技術(shù)誕生 80年代后期 以IGBT為代表的復(fù)合型器件異軍突起 MOSFET與GTR復(fù)合 驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快；通態(tài)壓降小、載流能力大；主導(dǎo)器件Power Electronics2.1 電力電子器件的發(fā)展20世紀(jì)70年代后期 全控型器件迅速發(fā)展 GTO、GTR、MOSFET 可通可斷、開(kāi)關(guān)速度高于晶閘管全控型器件全控復(fù)合型器件功率集成模塊把若干個(gè)電力電子器件及必要的輔助元件、電路模塊化，便于應(yīng)用。結(jié)

5、構(gòu)緊湊、體積小巧。盡管功率較小，重要發(fā)展方向。20世紀(jì)70年代以前，整流電路占有主導(dǎo)地位； 20世紀(jì)80年代以后，逆變電路的應(yīng)用日益廣泛，但整流電路仍然占有重要地位。原因？整流電路、逆變電路應(yīng)用最為廣泛。 常用：晶閘管相控整流電路，消耗無(wú)功功率、產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)。治理：補(bǔ)償無(wú)功功率、抑制諧波。有源電力濾波器Power Electronics2.2 電力變換電路的發(fā)展高功率因數(shù)整流電路，采用自關(guān)斷器件、PWM控制。功率因數(shù)可以達(dá)到1，基本不消耗無(wú)功功率、不產(chǎn)生諧波。軟開(kāi)關(guān)電路。降低電力電子器件的開(kāi)關(guān)損耗、抑制電磁干擾。利用諧振原理，使電力電子器件在零電壓或零電流的條件下開(kāi)通、關(guān)斷，理論上可將開(kāi)關(guān)

6、損耗降至零并抑制電磁干擾。Power Electronics2.2 電力變換電路的發(fā)展新型電力變換電路：諧振型逆變電路 性能更佳晶閘管電路 相位控制方式；全控型器件 PWM控制方式；就異步電動(dòng)機(jī)而言，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制；就控制理論而言，自適應(yīng)控制、模糊控制。 Power Electronics2.3 控制技術(shù)的發(fā)展20世紀(jì)80年代后期 高性能單片微機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器應(yīng)用于電力電子電路控制。模擬、數(shù)字控制微機(jī)控制3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用（1）一般工業(yè)冶金工業(yè)中高頻感應(yīng)加熱電源設(shè)備（2）交通運(yùn)輸Power ElectronicsDJ型交流電力傳動(dòng)機(jī)車磁懸浮列車國(guó)內(nèi)外知名變頻器 西門(mén)子（Sieme

7、ns）公司施奈德公司 富士公司 Power Electronics安圣（華為電氣）變頻器系列ABB公司Power Electronics（3）電力系統(tǒng)Power Electronics晶閘管變流裝置無(wú)功補(bǔ)償裝置（4）電子裝置用電源 開(kāi)關(guān)、UPS電源電子裝置用電源Power Electronics（5）家用電器交流變頻控制器的原理框圖 變頻空調(diào)控制器Power Electronics直流變頻空調(diào)的電路原理圖 (6)其它不間斷電源Power ElectronicsYJ32雙繞組雙速異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)水泵變頻、風(fēng)機(jī)變頻節(jié)能教材的內(nèi)容可分為三大部分第一部分：電力電子器件 （第1章-全書(shū)的基礎(chǔ))第二部分：電

8、力電子電路 （第24章-全書(shū)的主體)第三部分：PWM控制技術(shù) （第5章）第四部分：電力電子應(yīng)用（拓展） （第69兩章）Power Electronics4.本課程的主要內(nèi)容Power Electronics第1章 電力電子器件1.1 電力電子器件概述1.2 電力二極管1.3 晶閘管及其派生器件1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管 1.5 電力晶體管 1.6 功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 1.7 絕緣柵雙極性晶體管 1.8 其他新型電力電子器件 本章小結(jié)Power Electronics1.1 電力電子器件概述1.1.1 電力電子器件的概念和特征1.1.2 電力電子器件的基本類型1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化

9、1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域Power Electronics1.1.1 電力電子器件的概念和特征1.概念主電路（Power Circuit） 在電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變化或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（Power Electronic Device) 直接用于處理電能的主電路中，以開(kāi)關(guān)方式實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。Power Electronics電力電子器件是功率半導(dǎo)體器件。 1）電力電子器件所能處理電功率的大小，是其最重要的 參數(shù)。其處理電功率的能力一般遠(yuǎn)大于處理信息的電 子器件。2）電力電子器件因處理電功率較大，為了減小本身的損 耗、提高效率，一般都工作在開(kāi)關(guān)

10、狀態(tài)。3）電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中往往由信息電子電路來(lái)控 制。信息電子電路是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。4）電力電子器件盡管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，但是自身的功率 損耗通常仍遠(yuǎn)大于信息電子器件，為了保證不至于因 損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過(guò)高而損壞，不僅在器 件封裝上考慮散熱設(shè)計(jì)，而且在其工作時(shí)一般都還需 要設(shè)計(jì)安裝散熱器。2 .特征Power Electronics1.1 電力電子器件概述1.1.1 電力電子器件的概念和特征1.1.2 電力電子器件的基本類型1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域Power Electronics1.1.2 電力電子器件的基本類型1.按

11、照電力電子器件的可控程度半控型器件全控型器件通過(guò)控制信號(hào)可控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管及其派生器件關(guān) 斷主電路電流電壓通過(guò)控制信號(hào)即可控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷絕緣柵雙極晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管自關(guān)斷器件門(mén)極可關(guān)斷晶閘管處理兆瓦級(jí)大功率電能Power Electronics不能用控制信號(hào)控制其通斷，不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管不控型器件主電路通 斷電流電壓只有兩個(gè)端子2. 按照驅(qū)動(dòng)電路加在電力電子器件上驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)電流驅(qū)動(dòng)型電壓驅(qū)動(dòng)型控制端通 斷注入電流 抽出電流電壓信號(hào)公共端控制端Power Electronics3.按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況單極型器件由一

12、種載流子參與導(dǎo)電的器件雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件復(fù)合型器件單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件Power Electronics1.1.3 電力電子器件的模塊化與集成化電力電子器件 最初是單管結(jié)構(gòu)、分立器件電力電子設(shè)備 電力電子器件及其散熱器、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路結(jié)構(gòu)松散、體積大、可靠性差、成本高電力電子器件的模塊化與集成化 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高、成本低Power Electronics功率模塊由若干功率開(kāi)關(guān)器件與快速二極管組合而成單片集成式模塊功率器件、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路集成于一個(gè)硅片智能功率模塊將具有驅(qū)動(dòng)、自保護(hù)、自診斷功能的集成芯片再度與電力電子器件集成Power

13、 Electronics表1-1 電力電子器件類 型名稱中文名稱英文名稱分立器件不可控器件電力二極管Power Diode半控型器件晶閘管(可控硅)Thyristor (SCR)全控型器件電流控制器件電力晶體管(雙極型晶體管)GTR (BJT)門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO電壓控制器件電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管Power MOSFET絕緣柵雙極型晶體管IGBT場(chǎng)控晶閘管MCT靜電感應(yīng)晶體管SIT靜電感應(yīng)晶閘管SITH集成模塊功率模塊Power Module單片集成模塊System on a Chip智能功率模塊IPM以上各種類型器件的特點(diǎn)為：Power Electronics1.1.4 電力電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域電

14、力電子器件 應(yīng)用廣泛電力電子器件允許的開(kāi)關(guān)頻率與允許功率范圍及主要應(yīng)用領(lǐng)域Power Electronics1.2 電力二極管結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單工作可靠現(xiàn)在仍大量應(yīng)用于許多電氣設(shè)備電力二極管（半導(dǎo)體整流管）20世紀(jì)50年代初獲得應(yīng)用應(yīng)用快恢復(fù)二極管肖特基二極管斬波、逆變高頻低壓儀表、開(kāi)關(guān)電源Power Electronics1.2.1 PN結(jié)的工作原理 電力二極管在本質(zhì)上是一個(gè)PN節(jié)，只是加上電極引線、管殼封裝。PN節(jié)的工作原理已經(jīng)在模擬電子技術(shù)課程中涉及，不再展開(kāi)討論。圖1-2 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣 圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)Power ElectronicsP

15、N結(jié)的單向?qū)щ娦裕撼惺苷螂妷簩?dǎo)通，承受反向電壓截止PN結(jié)的正向?qū)顟B(tài) PN結(jié)在正向電流很大時(shí)壓降仍然很低，維持在1V左右，所以正向偏置的PN結(jié)表現(xiàn)為低阻狀態(tài)。PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài) 微弱的反向電流。Power ElectronicsPN結(jié)反向擊穿施加PN結(jié)反向電壓過(guò)大反向電流急劇增大破壞PN結(jié)的反向截止?fàn)顟B(tài)Power Electronics1.2 電力二極管1.2.1 PN結(jié)的工作原理1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型Power ElectronicsPower Electronics1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特

16、性1.靜態(tài)特性圖1-4 電力二極管的伏安特性電力二極管靜態(tài)特性伏安特性正向電壓為零，電流為零。正向電壓較小，正向電流很小，幾乎為零。正向電壓升高至UTO，正向電流明顯增加。門(mén)檻、閾值電壓正向電壓大于UTO，正向電流線性增長(zhǎng)。Power Electronics1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性1.靜態(tài)特性圖1-4 電力二極管的伏安特性電力二極管靜態(tài)特性伏安特性值定一到大壓電向正承受反向電壓時(shí)只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。正向電流IF對(duì)應(yīng)的電力二極管兩端的電壓UF為其正向電壓降。Power Electronics零偏置正向偏置反向偏置過(guò)渡過(guò)程中，其電壓電流關(guān)系隨時(shí)間而變化2.動(dòng)態(tài)特性電力二極

17、管的動(dòng)態(tài)狀態(tài)反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉(zhuǎn)換過(guò)程的開(kāi)關(guān)特性Power Electronics電力二極管的關(guān)斷在tF時(shí)刻外加電壓突然反向。經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。td= t1-t0延遲時(shí)間tf= t2-t1電流下降時(shí)間trr=td+tf反向恢復(fù)時(shí)間普通： 5幾十微秒快速： 幾百納秒肖特基：幾十納秒a)IFtdtrrtfIRPt1 t2UFURttF t0 URP在關(guān)斷之前有較大的反向電流，伴隨明顯的反向電壓過(guò)沖。Power Electronics 注意：電流、電壓反向問(wèn)題 過(guò)沖正偏壓時(shí)，正向偏壓降約為1V左右；導(dǎo)通時(shí)，二極管看成是理想開(kāi)關(guān)元件，因?yàn)樗拈_(kāi)通時(shí)間很短；但在關(guān)

18、斷時(shí)，它需要一個(gè)反向恢復(fù)時(shí)間（reverser-recovery time）。影響二極管開(kāi)關(guān)速度的主要因素是反向恢復(fù)時(shí)間。Power Electronics1.2 電力二極管1.2.1 PN結(jié)的工作原理1.2.2 電力二極管的結(jié)構(gòu)與基本特性 1.2.3 電力二極管的主要參數(shù) 1.2.4 電力二極管的主要類型Power Electronics1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV) 在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 正向平均電流按照電流的發(fā)熱效應(yīng)定義，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則選取電力二極管的電流額定值，應(yīng)留有一定的裕量。 正向壓降UF 電

19、力二極管在正向電流導(dǎo)通時(shí)二極管上的正向壓降。Power Electronics1.2.3 電力二極管的主要參數(shù)浪涌電流最高工作結(jié)溫反向恢復(fù)時(shí)間反向重復(fù)峰值電壓URRM 對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。額定電壓。23倍裕量。Power Electronics1.2.4 電力二極管的主要類型普通二極管(整流二極管）多用于開(kāi)關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路中 反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)一般在5s以上正向電流定額和反向電壓定額很高，分別可達(dá)數(shù)千安和數(shù)千伏以上 Power Electronics快恢復(fù)二極管恢復(fù)過(guò)程很短，特別是反向恢復(fù)過(guò)程很短（ 5s以下，數(shù)百ns）的二極管，簡(jiǎn)稱快速二極管 。Pow

20、er Electronics肖特基二極管導(dǎo)通壓降只有0.30.6V ，反向恢復(fù)時(shí)間短，1040ns。缺點(diǎn)：漏電流很大、耐壓低。Power Electronics1.3 晶閘管及其派生器件1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.3.2 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 1.3.3 晶閘管的派生器件Power Electronics1.3.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理P1N1P2N2J1J2J3AGKAKG圖 1-6 晶閘管外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a)外形 b)結(jié)構(gòu) c)電氣圖形符號(hào) a)c)b)AGKGKAPower Electronics 晶閘管屬于電流驅(qū)動(dòng)、雙極型、半控型器件，可等效為可控的單向?qū)щ婇_(kāi)

21、關(guān)。 反向承受一定電壓，處于阻斷（截止）狀態(tài)。 正向承受一定電壓，兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：高阻抗的阻斷工作狀態(tài)和低阻抗的導(dǎo)通工作狀態(tài)。 Power Electronics圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b工作原理)產(chǎn)生注入門(mén)極的觸發(fā)電流IG的電路觸發(fā)門(mén)極觸發(fā)電路對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)反向截止正向阻斷Power Electronics晶閘管工作原理如以下方程所示Ic1 = a1IA + ICBO1 (1-1)Ic2 = a2IK + ICBO2 (1-2)IK = IA + IG (1-3) IA = IC1 + IC2 (1-4)a1和a2分別是晶體管V1和V2 的共基極電流

22、增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由式（1-1）式（1-4）得：(1-5)Power Electronics晶體管的特性是：在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來(lái)之后， 迅速增大。阻斷狀態(tài)：IG=0，1+2很小。流過(guò)晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開(kāi)通（門(mén)極觸發(fā)）：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過(guò)晶閘管的電流IA（陽(yáng)極電流）將趨近于無(wú)窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。Power Electronics晶閘管的開(kāi)通、關(guān)斷規(guī)律：承受反向電壓時(shí)，不論門(mén)極是否有觸發(fā)電流，晶閘管均不導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門(mén)極有觸

23、發(fā)電流的情況下晶閘管開(kāi)通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門(mén)極就失去控制作用。即使去除門(mén)極觸發(fā)信號(hào)，仍然維持導(dǎo)通。自鎖、掣住要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。維持電流Power Electronics1.3 晶閘管及其派生器件1.3.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)及工作原理1.3.2 晶閘管的基本特性及主要參數(shù) 1.3.3 晶閘管的派生器件Power Electronics1.3.2 晶閘管的基本特性及主要參數(shù)1.陽(yáng)極伏安特性及靜態(tài)參數(shù)IG2IG1 IG 第象限是正向特性第象限是反向特性Power Electronics IG=0時(shí)，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(guò)

24、，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓UDB，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。 隨著門(mén)極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。 導(dǎo)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(dǎo)通期間，如果門(mén)極電流為零，并且陽(yáng)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。Power Electronics 晶閘管上施加反向電壓時(shí)，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(shí)，只有極小的反向漏電流流過(guò)。 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，則反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管反向擊穿、損壞。Power Electron

25、icsPower Electronics晶閘管的靜態(tài)參數(shù)UDB、URB 正向轉(zhuǎn)折電壓和反向擊穿電壓；UDSM、 UDRM 正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓和重復(fù)峰值電壓；URSM、 URRM 反向不重復(fù)峰值電壓和重復(fù)峰值電壓；不重復(fù)峰值電壓是指不造成正向轉(zhuǎn)折和反向擊穿的最大電壓，一般不允許多次施加。重復(fù)電壓是指晶閘管在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)渡過(guò)程中，可重復(fù)經(jīng)受的最大瞬時(shí)電壓。取正、反向不重復(fù)峰值電壓的90%作為正、反向重復(fù)峰值電壓。取正、反向重復(fù)峰值電壓中的較小者作為晶閘管的額定電壓。 Power Electronics晶閘管的靜態(tài)參數(shù) 取晶閘管的UDRM和URRM中較小者作為額定電壓。額定電壓要留有一定裕量，

26、一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓的23倍。正向通態(tài)電壓 指晶閘管通過(guò)額定電流時(shí)陽(yáng)極與陰極間的電壓降，也稱管壓降，該參數(shù)直接反映了器件的通態(tài)損耗特性。若通過(guò)晶閘管的電流為通態(tài)平均電流，則電壓降為通態(tài)平均管壓降。Power Electronics額定電流、通態(tài)平均電流IT(AV) 晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻條件下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。 晶閘管的額定電流以工作波形的平均值定義。選擇晶閘管時(shí)根據(jù)有效值相等的原則，在選擇晶閘管定額電流時(shí)，通常需要根據(jù)電流波形，做平均值與有效值的換算。以正弦半波為例。考慮到實(shí)際散熱條件、過(guò)載現(xiàn)象，留有1

27、.52倍的裕度。Power Electronics維持電流 IH 晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。若晶閘管陽(yáng)極電流小于維持電流，則晶閘管進(jìn)入阻斷狀態(tài)。掣住電流IL晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后， 能維持其導(dǎo)通所必需的最小陽(yáng)極電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常 IL 約為 IH 的24倍。IL是晶閘管的臨界開(kāi)通電流，若陽(yáng)極電流IA未達(dá)到IL時(shí)就去掉門(mén)極信號(hào)，晶閘管將自動(dòng)返回阻斷狀態(tài)。在感性負(fù)載電路中，由于陽(yáng)極電流上升到IL需要一定的時(shí)間，若門(mén)極信號(hào)持續(xù)時(shí)間低于此值，晶閘管則不能維持住導(dǎo)通狀態(tài)。Power Electronics2.動(dòng)態(tài)特性及其參數(shù) 動(dòng)態(tài)特性：晶閘管在阻斷、導(dǎo)通這兩種狀態(tài)變換過(guò)程

28、中所體現(xiàn)的特性，包括開(kāi)通特性和關(guān)斷特性。開(kāi)通特性：晶閘管在正向偏置并受到理想電流觸發(fā)時(shí)的導(dǎo)通情況。關(guān)斷特性：已導(dǎo)通的晶閘管在施加反向電壓時(shí)的關(guān)斷情況。Power ElectronicsPower Electronics開(kāi)通過(guò)程延遲時(shí)間td 從門(mén)極電流階躍時(shí)刻開(kāi)始，陽(yáng)極電流上升到額定值的10%所需時(shí)間上升時(shí)間tr陽(yáng)極電流從額定值10%上到90%所需時(shí)間開(kāi)通時(shí)間tgt tgt=td+tr 普通晶閘管的延遲時(shí)間為0.5us，上升時(shí)間為0.53us。其延遲時(shí)間隨門(mén)極電流的增大而減小。強(qiáng)觸發(fā)Power ElectronicsPower Electronics關(guān)斷過(guò)程反向恢復(fù)時(shí)間trr 正向電流降為零到反

29、向恢復(fù)電流衰減至近于零的時(shí)間?；謴?fù)對(duì)反向電壓的阻斷能力。門(mén)極恢復(fù)時(shí)間tgr晶閘管完全關(guān)斷至恢復(fù)阻斷能力所需時(shí)間。恢復(fù)對(duì)正向電壓的阻斷能力。關(guān)斷時(shí)間tq tq=trr+tgr普通晶閘管的時(shí)間約為幾百微秒Power ElectronicsPower Electronics斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 在額定結(jié)溫和門(mén)極開(kāi)路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。過(guò)大，誤導(dǎo)通通態(tài)電流臨界上升率di/dt 在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。過(guò)大，門(mén)極局部過(guò)熱Power Electronics1.3.3 晶閘管的派生器件快速、逆倒、雙向、光控晶閘管Power Electr

30、onics1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 結(jié)構(gòu)與工作原理1.4.2 動(dòng)態(tài)特性 1.4.3 主要參數(shù)Power Electronics1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管晶閘管由于耐壓高、電流大和相對(duì)較強(qiáng)的過(guò)載能力，在高壓大功率領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)廣泛應(yīng)用。 半控型器件，如何關(guān)斷即換流？ 必須借助外部手段使其電流小于維持電流。為此必須附加強(qiáng)迫換流電路，使電力電子裝置復(fù)雜化。為滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的需要，在晶閘管基礎(chǔ)之上研制成功門(mén)極可關(guān)斷晶閘管，GTO。 全控型器件電壓、電流容量高于其它全控型器件，但驅(qū)動(dòng)技術(shù)復(fù)雜、價(jià)位高，使其推廣受到限制。 Power Electronics1.4 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管1.4.1 GTO的結(jié)構(gòu)

31、和工作原理結(jié)構(gòu)Power ElectronicsPower Electronics與晶閘管的相同點(diǎn)PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)陽(yáng)極A、陰極K、門(mén)極G不同點(diǎn)多元功率集成器件 內(nèi)部包含數(shù)百個(gè)小GTO元GTO元陽(yáng)極共有GTO元陰極、門(mén)極在器件內(nèi)部并聯(lián)陰極呈島狀結(jié)構(gòu)，周圍被門(mén)極所包圍，以減小門(mén)極和陰極之間的距離。陰極寬度越窄、門(mén)極與陰極距離越短（橫向電阻?。?，越利于關(guān)斷。 Power ElectronicsPower ElectronicsPower ElectronicsGTO導(dǎo)通過(guò)程與普通晶閘管相同，如何？只是導(dǎo)通時(shí)飽和程度較淺、臨界飽和狀態(tài)。工作原理導(dǎo)通： V1、V2飽和1+21，1+21；關(guān)斷： V

32、1、V2是不飽和的，1+21臨界飽和： 1+21晶閘管導(dǎo)通時(shí) 1+21.15GTO 導(dǎo)通時(shí) 1+21.05Power ElectronicsPower ElectronicsGTO關(guān)斷過(guò)程：強(qiáng)烈正反饋門(mén)極加負(fù)脈沖即從門(mén)極抽出電流，則IB2減小，使IK和IC2減小，IC2的減小又使 IA和IC1減小，又進(jìn)一步減小V2的基極電流。當(dāng)IA和IK的減小使1+2UT（UT為開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電，流過(guò)漏極電流。 Power Electronics1.6.2 特性、 1.6.3 參數(shù)與MOSFET類似，不再展開(kāi)討論。Power Electronics1.7 絕緣柵雙極晶體管1.7.1 結(jié)構(gòu)

33、與工作原理1.7.2 特性 1.7.3 參數(shù)1.7.4 掣住效應(yīng)與安全工作區(qū)Power Electronics絕緣柵雙極晶體管，是一種復(fù)合型電壓控制器件。1.7 絕緣柵雙極晶體管IGBT顯著優(yōu)點(diǎn)：它將MOSFET 和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，耐壓高、電流大、工作頻率高、通態(tài)壓降低、驅(qū)動(dòng)功率小、無(wú)二次擊穿、安全工作區(qū)寬、熱穩(wěn)定性好 。中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件，隨著其電壓和電流容量的不斷升高，有進(jìn)一步取代GTO的趨勢(shì) 。 Power Electronics1.7.1 結(jié)構(gòu)和工作原理N溝道MOSFET與雙極型晶體管復(fù)合而成 ；以GTR為主導(dǎo)元件、N溝道MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。等效電路中

34、Rdr是GTR基區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展電阻。 IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷由柵極電壓控制。以N溝道IGBT為例，柵極施以正電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成導(dǎo)電溝道，為PNP晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。在柵極施以負(fù)壓時(shí)，MOSFET內(nèi)導(dǎo)電溝道消失，PNP晶體管無(wú)基極電流，IGBT關(guān)斷。 Power Electronics1.7.2 特性靜態(tài)特性輸出特性 以柵射電壓UGE為參變量，反映集電極電流IC與集電極、發(fā)射極電壓UCE間關(guān)系的曲線族 Power Electronics當(dāng)UGEUT時(shí)，IGBT處于放大區(qū)。集電極電流IC大小幾乎不隨uCE而變化，其大小取決于uGE，正常情況下不會(huì)進(jìn)入擊穿區(qū)。 Power Elect

35、ronics當(dāng)UGEUT，集電極電流IC與uCE成線性關(guān)系，不隨uGE而變化， IGBT處于飽和區(qū)，導(dǎo)通壓降較小。UT=26V，UGE=15VPower Electronics1.7.2 特性靜態(tài)特性轉(zhuǎn)移特性 集電極電流IC和柵射電壓UGE的關(guān)系，它表征UGE對(duì)IC的控制能力。當(dāng)UGE小于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)UGE大于開(kāi)啟電壓時(shí)，IGBT 開(kāi)通，導(dǎo)通后，IC 與UGE 基本呈線性關(guān)系。Power Electronics1.7.2 特性動(dòng)態(tài)特性 輸入電壓（uGE）和集電極電流（IC）、輸出電壓（uCE）的關(guān)系 延遲時(shí)間td 從驅(qū)動(dòng)電壓uGE的前沿上升至其幅值10%時(shí)刻開(kāi)始，到集電

36、極電流iC上升至其幅值的10%所需時(shí)間上升時(shí)間tr集電極電流iC從其幅值10%上升至90%所需時(shí)間開(kāi)通時(shí)間ton ton=td+tr 集射電壓uCE的下降過(guò)程分為tfv1和tfv2兩段。tfv1 MOSFET單獨(dú)工作時(shí)的電壓下降時(shí)間 tfv2 MOSFET和PNP晶體管同時(shí)工作的電壓下降時(shí)間只有在tfv2段結(jié)束時(shí)，IGBT才完全進(jìn)入飽和狀態(tài)關(guān)斷延遲時(shí)間ts 從驅(qū)動(dòng)電壓uGE的后沿下降至其幅值90%時(shí)刻開(kāi)始，到集電極電流iC下降至其幅值的90%所需時(shí)間電流下降時(shí)間tf集電極電流iC從其幅值90%下降至10%所需時(shí)間關(guān)斷時(shí)間toff toff=ts+tf 集電極電流iC的下降過(guò)程分為tfi1和tf

37、i2兩段。tfi1 對(duì)應(yīng)MOSFET的關(guān)斷過(guò)程 tfi2 對(duì)應(yīng)PNP晶體管的關(guān)斷過(guò)程，集電極電流iC下降較慢。集射電壓uCE建立，功耗較大開(kāi)通 tfv2Power Electronics1.7.3 主要參數(shù)集射極擊穿電壓UCES 決定器件的最高工作電壓，由內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定。隨溫度的升高而增大。最大柵射極電壓 柵射極電壓是由柵極氧化層的厚度和特性所限制的，為了限制故障電流、確保長(zhǎng)期使用的可靠性，應(yīng)將柵極電壓限制在20V之內(nèi)，其最佳值一般取15V左右 。Power Electronics集電極連續(xù)電流IC 、集電極峰值電流ICM 表征電流容量，額定電流。集電極連續(xù)電流IC主

38、要受結(jié)溫限制。集電極峰值電流ICM為避免掣住效應(yīng)而定義。只要不超過(guò)額定結(jié)溫，IGBT可以工作在峰值電流范圍內(nèi)，峰值電流大約是額定值的2倍。 最大集電極功率PCM 在正常工作溫度下允許的最大耗散功率 。 Power Electronics掣住效應(yīng)（自鎖效應(yīng)） IGBT內(nèi)部存在寄生晶閘管，若集電極電流過(guò)大 或duCE/dt過(guò)大 ，寄生晶閘管將開(kāi)通，柵極就失去對(duì)集電極電流的控制作用，導(dǎo)致集電極電流增大，造成器件損壞。這種電流失控現(xiàn)象被稱為掣住效應(yīng)或自鎖效應(yīng)。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)。溫度升高動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)比靜態(tài)掣住效應(yīng)所允許的集電極電流小。因此IGBT所允許的最大集電極電流實(shí)際上根據(jù)動(dòng)態(tài)掣住效應(yīng)確定。限制電流容量原

39、因之一1.7.4 IGBT的掣住效應(yīng)和安全區(qū)Power Electronics1.7.4 IGBT的掣住效應(yīng)和安全區(qū)正向偏置安全工作區(qū) 規(guī)范開(kāi)通過(guò)程、通態(tài)工作點(diǎn)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IGBT在導(dǎo)通工作狀態(tài)的參數(shù)極限 范圍。反向偏置安全工作區(qū) 規(guī)范關(guān)斷過(guò)程、斷態(tài)工作點(diǎn)最大集電極電流、最大集射極間電壓和最大最大允許電壓上升率確定IGBT在阻斷工作狀態(tài)的參數(shù)極限 范圍。Power Electronics器件理想化進(jìn)行電路原理分析時(shí)，出于簡(jiǎn)便目的： 關(guān)斷時(shí)，電阻無(wú)窮大； 導(dǎo)通時(shí)，電阻為零； 忽略開(kāi)通、關(guān)斷時(shí)間。第2章 相控整流電路Power Electronics第2章

40、相控整流電路整流電路：出現(xiàn)最早、應(yīng)用最廣的電力電子電路。功率從電網(wǎng)流向負(fù)載、將交流電變換為固定或可調(diào)的直流電稱為“整流”，即AC/DC變換器；反之，功率從負(fù)載流向電網(wǎng)、將直流電變換為交流電稱為“有源逆變”，即DC/AC變換器。有源逆變電路可以看成是整流電路的另外一種工作方式，同一裝置既可工作在整流狀態(tài)，又可工作在逆變狀態(tài)?？刂品绞剑合辔豢刂?觸發(fā)角 輸出直流電壓平均值Power Electronics第2章 相控整流電路整流電路的分類：按器件組成：不可控、半控、全控按電網(wǎng)、交流電相數(shù)：?jiǎn)蜗?、三相、多相按接線方式：半波、全波Power Electronics第2章 相控整流電路整流電路形式繁雜，

41、重點(diǎn)掌握：電路拓?fù)淇刂撇呗怨ぷ髟?、波形分析?shù)量關(guān)系Power Electronics第2章 相控整流電路2.1 單相可控整流電路2.2 三相可控整流電路2.3 變壓器漏感對(duì)整流電路的影響2.4 有源逆變電路2.5 電容濾波的不可控整流電路2.6 整流電路的諧波和功率因數(shù)2.6 其他可控整流電路 本章小結(jié)重點(diǎn)重點(diǎn)重點(diǎn)Power Electronics2.1 單相可控整流電路2.1.1 單相半波可控整流電路2.1.2 單相橋式可控整流電路 單相橋式全控整流電路 單相橋式半控整流電路2.1.3 單相全波可控整流電路Power Electronics2.1.1 單相半波可控整流電路Power Ele

42、ctronics2.1.1 單相半波可控整流電路1. 電阻負(fù)載變壓器T變換電壓隔離交流輸入為單相，直流輸出電壓波形只在交流輸入的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為單相半波可控整流電路。特點(diǎn)：電壓與電流波形相同 Power Electronics2.1.1 單相半波可控整流電路工作過(guò)程 0t- Power Electronics工作過(guò)程 0t區(qū)域 t=時(shí)刻 id=0 t+區(qū)域 Power Electronics電感元件的一個(gè)重要特性：在穩(wěn)態(tài)條件下，電感兩端的電壓平均值恒等于零。換言之，在一個(gè)周期內(nèi)，電感儲(chǔ)存的能量等于釋放的能量。 Power Electronics負(fù)載阻抗角j 、觸發(fā)角a 、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系

43、若j為定值，a 越大，在u2正半周L儲(chǔ)能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱，越小若a為定值，j (L) 越大，則L貯能越多，越大；且j 越大，在u2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間，ud中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越小。Power Electronics為避免Ud太小，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管Power Electronics當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為零，ud中不再出現(xiàn)負(fù)的

44、部分。Power Electronics續(xù)流二極管的作用：a. 提高整流平均電壓Ud。當(dāng)u2為正時(shí)，VD承受反向電壓呈關(guān)斷狀態(tài)，不起作用。當(dāng)u2進(jìn)入負(fù)半周時(shí)VD導(dǎo)通，負(fù)載電流通過(guò)VD繼續(xù)流通，負(fù)載上的電壓箝位在零電位，ud中負(fù)電壓消失，使輸出平均電壓Ud得以提高。b. 減輕晶閘管的負(fù)擔(dān)。u2負(fù)半周時(shí)段。c. 消除失控事故。在整流電路中，電感L大而儲(chǔ)能大時(shí)有可能使晶閘管在整個(gè)u2負(fù)半周區(qū)域都導(dǎo)通，使晶閘管不會(huì)關(guān)斷，造成失控事故。加入續(xù)流二極管后，L中的電流通過(guò)VD形成通路，晶閘管自然關(guān)斷。 Power Electronics數(shù)量關(guān)系 與電阻負(fù)載相同移相范圍是0導(dǎo)通角是aPower Electro

45、nics晶閘管在工作中可能承受的最大正、反向電壓為電源電壓的峰值 Power Electronics若近似認(rèn)為id為一條水平線，恒為Id，則有Power Electronics單相半波可控整流電路的特點(diǎn)簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大。交流回路中含有直流分量，造成換流變壓器鐵芯飽和，設(shè)備利用率下降。分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念。 Power Electronics 2.1.2 單相橋式全控整流電路特點(diǎn)： VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通。 VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2負(fù)半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通。 Powe

46、r Electronics 1 . 電阻負(fù)載工作過(guò)程 0t區(qū)域 t=時(shí)刻至t=時(shí)刻 VT1、VT4導(dǎo)通 VT2、VT3承受反壓阻斷 t=時(shí)刻 t E 時(shí)，晶閘管承受正電壓，才有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后 ud=u2 ， 直至 |u2| = E，id 即降至 0 使得晶閘管關(guān)斷，此后 ud = E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度 停止導(dǎo)電， 稱為停止導(dǎo)電角在 a 角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。Power Electronics數(shù)量關(guān)系3. 反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載電流斷續(xù) id 波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為 0 的情況電流連續(xù) id 波形在一周期內(nèi)不出現(xiàn)為 0 的情況 當(dāng) a 時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管

47、承受負(fù)電壓，不能導(dǎo)通。為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足夠的寬度，保證當(dāng) t = 時(shí)，晶閘管承受正電壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為，即 a = 若a 30負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120 ?；緮?shù)量關(guān)系：（1） a 30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有： 當(dāng)a =0時(shí)，Ud最大，為 Ud = Ud0 = 1.17U2（2） a 30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有： 當(dāng)a = 150時(shí)， Ud = 0 負(fù)載電流平均值為 晶閘管電流平均值為 晶閘管電流有效值為a 30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)a 30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值晶閘管陽(yáng)極與陰極間的最大正向電

48、壓等于變壓器二次相電壓的峰值。為什么？2.阻感負(fù)載特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a 30時(shí)整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同a 30時(shí)u2過(guò)零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2 的脈沖到來(lái)，才換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT1施加反壓使其關(guān)斷ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。 id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為902.阻感負(fù)載Power Electronics數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)，變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管的額定電流為Power Electronics晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值三相半波的主要

49、缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。2. 2.2 三相橋式全控整流電路Power Electronics2.2.2 三相橋式全控整流電路共陰極組 陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽(yáng)極組 陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）導(dǎo)通順序：晶閘管編號(hào)方法 VT1VT2VT3 VT4VT5VT6自然換相（三相橋式不可控整流電路）時(shí)，每時(shí)刻導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管分別對(duì)應(yīng)陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)和陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)。Power Electronics1. 電阻負(fù)載 假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角a =0 。三相橋式不可控整

50、流電路。二極管導(dǎo)通與關(guān)斷由外加三相電壓決定 共陰極組的3個(gè)二極管、晶閘管，陽(yáng)極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。 共陽(yáng)極組的3個(gè)二極管、晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)導(dǎo)通。 任意時(shí)刻共陽(yáng)極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。Power Electronicsa =0時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)換相共陰極組處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)最大的相電壓共陽(yáng)極組處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)最小的相電壓輸出整流電壓ud為這兩個(gè)相電壓相減輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線雙脈沖觸發(fā)Power Electronics時(shí) 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1

51、VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示6個(gè)晶閘管導(dǎo)通順序 VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6Power Electronics當(dāng)a 60時(shí)，ud波形均連續(xù)，對(duì)于電阻負(fù)載，id波形與ud波形形狀一樣，連續(xù) Power ElectronicsPower Electronics三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)（1）2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組 各1個(gè)，且不能為同1相器件

52、（2）對(duì)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(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120。 同一相的上下兩個(gè)橋臂， 即VT1與VT4，VT3與VT6， VT5與VT2，脈沖相差180。Power Electronics（3）需保證同時(shí)導(dǎo)通的2個(gè)晶閘管均有脈沖寬脈沖觸發(fā)雙脈沖觸發(fā)（常用）可采用兩種方法（4）ud一周期脈動(dòng)6次，每次脈動(dòng)的波形都一樣， 故該電路為6脈波整流電路。Power Electronics（5）當(dāng)0/3時(shí)，電流連續(xù)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通2/3；當(dāng)/32/3時(shí)，電流斷續(xù)，每個(gè)晶

53、閘管導(dǎo)通小于2/3。=/3是電阻性負(fù)載電流連續(xù)和斷續(xù)的分界點(diǎn)。（6）同三相半波可控整流電路相比，變壓器二次側(cè)流過(guò)正、負(fù)對(duì)稱的交變電流，不含直流分量，避免直流磁化。 Power Electronics2阻感負(fù)載Power ElectronicsPower Electronics當(dāng)a 60時(shí)，ud波形均連續(xù)，電路的工作情況與電阻負(fù)載相似 各晶閘管的通斷情況 輸出整流電壓ud波形 晶閘管承受的電壓波形區(qū)別:負(fù)載不同時(shí)，同樣的整流輸出電壓加在負(fù)載上，得到的負(fù)載電流id波形不同，電阻負(fù)載時(shí)id波形與的ud波形形狀一樣。阻感負(fù)載時(shí)，由于電感的作用，使得負(fù)載電流波形變得平直，當(dāng)電感足夠大的時(shí)候，負(fù)載電流id

54、的波形可近似為一條水平線。 一樣Power ElectronicsPower Electronicsa 60時(shí)， 阻感負(fù)載時(shí)的工作情況與電阻負(fù)載時(shí)不同。 電阻負(fù)載時(shí)，ud波形不會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分 阻感負(fù)載時(shí)，ud波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)的部分。 帶阻感負(fù)載時(shí)，三相橋式全控整流電路的a角移相范圍為90當(dāng)整流輸出電壓連續(xù)時(shí)（即帶阻感負(fù)載時(shí)，或帶電阻負(fù)載a 60時(shí)）的平均值為：以線電壓uab過(guò)零點(diǎn)作為時(shí)間起點(diǎn)。3定量分析帶電阻負(fù)載且a 60時(shí)，整流電壓平均值為：輸出電流平均值為 ： Id=Ud /R 當(dāng)整流變壓器采用星形接法，帶阻感負(fù)載時(shí)，變壓器二次側(cè)電流波形為正負(fù)半周各寬120、前沿相差180的矩形波，其有效值為

55、： 晶閘管電壓、電流等的定量分析與三相半波時(shí)一致。 三相橋式全控整流電路接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)，在負(fù)載電感足夠大足以使負(fù)載電流連續(xù)的情況下，電路工作情況與阻感性負(fù)載時(shí)相似，電路中各處電壓、電流波形均相同，僅在計(jì)算Id時(shí)有所不同，接反電勢(shì)阻感負(fù)載時(shí)的Id為：Power Electronics2.3 變壓器漏感對(duì)整流電路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，換相過(guò)程不能瞬間完成。以三相半波為例，然后將其結(jié)論推廣。Power ElectronicsVT1換相至VT2的過(guò)程： 因a、b兩相均有漏感， ia、ib均不能突變。 VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通。 相當(dāng)于將a、b兩相短路，兩相間電壓差為ub u

56、a在兩相組成的回路中產(chǎn)生環(huán)流ik。 ik=ib逐漸增大， ia=Id-ik逐漸減小。當(dāng)ik增大到等于Id時(shí)，ia=0，VT1關(guān)斷，換流過(guò)程結(jié)束。 Power Electronics換相壓降 換相導(dǎo)致ud均值降低多少，用Ud 表示換相重疊角 換相過(guò)程持續(xù)的時(shí)間，用電角度g 表示。整流輸出電壓瞬時(shí)值為Power Electronics換重疊角g 的計(jì)算，由上式得進(jìn)而得出Power Electronics當(dāng) 時(shí)，ik = Id , 于是 g 隨其它參數(shù)變化的規(guī)律： 1）Id越大則g 越大；2）XB越大g 越大；3）當(dāng)a 90時(shí)， 越小則g 越大。各種整流電路換相壓降和換相重疊角的計(jì)算注：?jiǎn)蜗嗳貥螂?/p>

57、路中，環(huán)流ik是從-Id變?yōu)镮d。本表所列通用公式不適用； 三相橋等效為相電壓等于3U2 的6脈波整流電路，故其m=6，相電壓按3U2 代入。cos a-cos(a+ g)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 dUDdBIXpdB2IXp2Bd2UXI2Bd22UXI2dB62UIX2dB62UIXmUXIpsin22BddB23IXpdB3IXpdB2ImXp變壓器漏感對(duì)各種整流電路的影響Power Electronics變壓器漏感對(duì)整流電路影響的一些結(jié)論: 1) 出現(xiàn)換相重疊角g ，整流輸出電壓平均值Ud降低。2) 整流電路的工作狀態(tài)增多。3) 晶閘管的di/dt 減

58、小，有利于晶閘管的安全開(kāi)通。 有時(shí)人為串入進(jìn)線電抗器以抑制晶閘管的di/dt。4) 換相時(shí)晶閘管電壓出現(xiàn)缺口，產(chǎn)生正的du/dt，可能使晶閘管誤導(dǎo)通，為此必須加吸收電路。5) 換相使電網(wǎng)電壓出現(xiàn)缺口，成為干擾源。2.4 有源逆變電路2.4.1 有源逆變產(chǎn)生的條件2.4.2 三相橋式有源逆變電路2.4.3 逆變失敗與最小逆變角的限制逆變將直流電轉(zhuǎn)變成交流電，整流的逆過(guò)程逆變電路將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)聯(lián)接。 應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等。無(wú)源逆變電路交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接，而直接接到負(fù)載。基本概念對(duì)于可控整流電路，滿足一定條件就

59、可以工作于有源逆變狀態(tài)，其電路形式未變，只是電路工作條件轉(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、變流器?；靖拍钭兞髌鞴ぷ饔谡鳡顟B(tài)能量由交流側(cè)傳遞至直流側(cè) 工作于有源逆變狀態(tài)能量由直流側(cè)傳遞至交流側(cè)對(duì)于可控整流電路，有源逆變可以看作它的一種工作狀態(tài)。在什么條件下可控整流電路將進(jìn)入有源逆變工作狀態(tài)？有源逆變產(chǎn)生的條件2.4.1 有源逆變產(chǎn)生的條件直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)2.4.1 有源逆變產(chǎn)生的條件直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)a）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG EM b）兩電動(dòng)勢(shì)同極性EM EG c）兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路電路過(guò)程分析。兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性

60、相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的流向低的，回路電阻小，可在兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)間交換很大的功率。如果將 EG看作是整流電路的輸出電壓 Ud，EM是蓄電池或處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)的直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)，則EG（Ud）EM相當(dāng)于整流狀態(tài)，EMEG（Ud）相當(dāng)于逆變狀態(tài)。但晶閘管具有單向?qū)щ娦?，電流方向不能改變，欲改變能量傳送方向，只能改變EM極性，為防止兩電源反極性連接形成電源間短路故障，Ud的極性也必須同時(shí)反向，即將Ud、EG均反向后再串接，且滿足Ud/2，Ud0 ，使Ud為負(fù)值。2.4.2三相橋式有源逆變電路2.4.2三相橋式有源逆變電路逆變和整流的區(qū)別：控制角 不同 0 p /2 時(shí)，電路工作在整流狀態(tài)。 p /2