第8章 電力電子學基礎

第8章電力電子學基礎學習要求:

掌握電力半導體器件的基本工作原理、特性和主要參數(shù)的含義；掌握幾種單相和三相基本可控整流電路的工作原理及特點；熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制；了解晶閘管工作時對觸發(fā)電路的要求和觸發(fā)電路的基本工作原理。前言

電力電子學的任務：利用電力半導體器件和線路來實現(xiàn)電功率的變換和控制。電力半導體器件弱電強電

電力半導體器件根據(jù)其導通和管斷的可控性可分為

由電力半導體器件和相應電路所組成的電力變換電路按功能可以分為：可控整流電路—將固定頻率、電壓的交流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的直流電；交流調(diào)壓電路—將固定頻率、電壓的交流電變?yōu)榭烧{(diào)電壓的交流電；逆變電路—把直流電變?yōu)轭l率固定或可調(diào)的交流電；變頻電路—把固定頻率的交流電變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電；斬波電路—把固定的直流電壓變?yōu)榭烧{(diào)直流電壓；電子開關(guān)—功率半導體工作在開關(guān)狀態(tài)，可以代替繼電器、接觸器用于頻繁開合操作的場合。

8.1半導體器件

一、不可控型開關(guān)器件

大功率二極管屬于不可控開關(guān)器件二、半控型開關(guān)器件

晶閘管（SiliconControlledRectifier簡稱SCR）是在60年代發(fā)展起來的一種新型電力半導體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強電輸出之間的橋梁作用。

優(yōu)點：(1)功率放大倍數(shù)可以達到幾十萬倍，即用很小的功率(電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2～4V)可以控制較大的功率(電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏)，(2)控制靈敏、反應快，晶閘管的導通和截止時間都在微秒級；(3)損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達97.5%，而一般機組效率僅為85%左右；(4)體積小、重量輕。缺點：

(1)過載能力弱，在過電流、過電壓情況下很容易損杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護措施，在選用時，其電壓、電流應適當留有余量；(2)抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當外界干擾較強時，容易產(chǎn)生誤動作；(3)導致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設備；(4)控制電路比較復雜，對維修人員的技術(shù)水平要求高。

在實踐中，應該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來越廣泛的應用。

晶閘管是在半導體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。其中：A—陽極，K—陰極，G—控制極。結(jié)構(gòu)示意圖表示符號4層半導體(P1、N1、P2、N2)，3個PN結(jié)1.晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號

2.晶閘管的工作原理

主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開關(guān)S，在t4瞬間拉開開關(guān)S。

（1）在0~t1之間:開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導通；

（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導通；

（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；

（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時ug>0,而，所以，晶閘管又導通；

（5）當t=t4時，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導通狀態(tài)；

（6）當t=t5時，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

綜上所述可得出以下結(jié)論：

（1）起始時若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力；

（2）晶閘管的陽極和控制極同時正向電壓時晶閘管才能導通，這是晶閘管導通必須同時具備的兩個條件；

（3）在晶閘管導通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。3.晶閘管的伏安特性

晶閘管陽極對陰極的電壓和流過晶閘管的電流之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。

正向(uAK>0)

正向阻斷狀態(tài):當ug=0，uAK<UDSM，元件中有很小的電流（正向漏電流）流過，處于截止狀態(tài)（稱為正向阻斷狀態(tài)），簡稱斷態(tài)。

正向擊穿：當ug=0，uAK=UDSM，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導通狀態(tài)。UDSM稱為斷態(tài)不重復峰值電壓，或用UBO表示稱正向轉(zhuǎn)折電壓。

正向?qū)顟B(tài)：ug>0，uAK>0，晶閘管導通，其電流的大小由負載決定，陽極和陰極間的管壓降很小。反向(uAK<0)

反向截止狀態(tài):當uAK<URSM，元件中有很小的反向電流（反向漏電流）流過，處于截止狀態(tài)。

反向擊穿：當uAK=URSM，晶閘管突然由反向截止狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導通狀態(tài)。URSM稱為反向不重復峰值電壓，或用UBR表示稱反向擊穿電壓。4.晶閘管的主要參數(shù)

1）

斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復加在晶閘管陽極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM

-100

在選擇晶閘管時還要考慮留有足夠的余量，一般：晶閘管的UDRM

、UDRM應等于所承受的正、反向電壓的（2~3）倍。

2）反向重復峰值電壓URRM

晶閘管反向截止狀態(tài)下，可以重復加在晶閘管陽極和陰極兩端的反向峰值電壓。URRM=URSM

-1003）額定通態(tài)平均電流（額定電流）IT

在環(huán)境溫度不大于40度的標準散熱及全導通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內(nèi)）平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，簡稱為額定電流。4）維持電流

IH

在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA～一百多mA三、全控型開關(guān)器件1.門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）工作特點：當門極G上加正電壓或正脈沖信號時，GTO導通并保持；當門極上加上反向電壓或反向脈沖時，GTO關(guān)斷并保持。2.電力晶體管（GTR）內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本電路開關(guān)時間主要特性1）

開路關(guān)斷電壓—基極開路時另兩個極之間能承受的最高電壓；2）集電極最大持續(xù)電流—基極偏置時，集電極能流過的最大電流。3.電力場效應晶體管主要參數(shù)：1）開啟電壓UT—當uGS上升到開啟電壓UT時，開始出現(xiàn)漏極電流;漏極電壓漏極直流電流和脈沖直流峰值刪源電壓極間電容4.絕緣柵雙極晶體管簡化等效電路圖形符號基本電路8.2單相可控整流電路整流——將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；整流電路——將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單相三?.2.1單相半波可控整流電路

u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；α－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點到觸發(fā)脈沖的作用點之間的電角度。θ－導通角；是晶閘管在一周期時間內(nèi)導通的電角度。一、帶電阻性負載的可控整流電路輸入電壓：負載電壓：負載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負載的可控整流電路

單相半波可控整流電路用于大電感性負載時，如果不采取措施，負載上就得不到所需要的電壓和電流。三、加續(xù)流二極管的電路

為了提高大電感負載時的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負載兩端并聯(lián)一只二極管的措施。晶閘管電流平均值：

續(xù)流二極管的電流平均值：輸入電壓：負載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：8.2.2單相橋式整流電路

一、晶閘管組成的半控橋式整流電路。1.電阻性負載

負載電壓：負載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：2.電感性負載

有了續(xù)流二極管，當電源電壓降到零時，負載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過每只晶閘管平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流：

負載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：

半控橋式整流電路在電感性負載時，可以不加續(xù)流二極管。

這是因為在電源電壓過零時，電感中的電流通過V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。流過每只晶閘管平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流：負載電壓：晶閘管承受的最大正反向電壓：

為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用如圖所示的接線，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動的直流電，然后用一只晶閘管進行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。3.反電勢負載

當整流電路輸出接有電勢負載時,只有當電源電源的瞬時值大于反電勢，同時又有觸發(fā)脈沖時，晶閘管才能導通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時間內(nèi)，負載上保留原有的反電勢。a.負載兩端的電壓平均值比電阻性負載時高

b.負載電流平均值比電阻性負載時低

因為導通角小，導電時間短，回路電阻小，所以，電流的幅值與平均值之比值相當大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須降低電流定額使用。另外，對于直流電動機來說整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對于大容量電動機或蓄電池負載，常常串聯(lián)電抗器，用以平滑電流的脈動。

二、單相全控橋式整流電路

單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。

例10.1欲裝一臺白熾燈泡調(diào)光電路，需要可調(diào)的直流電源，調(diào)節(jié)范圍：電壓U0=0V~180V,電流I0=0~10A?，F(xiàn)采用單相半控橋式整流電路，試求最大輸入交流電壓和電流有效值，并選擇整流元件。

解:設在晶閘管導通角θ為π(控制角為0)時輸出電壓值為最大（180V），則對應的輸入交流電壓有效值為最大。

實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動、管壓降以及導通角常常到不了1800

，交流電壓要比上述計算而得到的值適當加大10%左右，即大約為220V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。

交流電流有效值：

晶閘管所承受的最大正向電壓、最大反向電壓和二極管所承受的最大反向電壓相等，即：流過晶閘管和二極管的平均電流：8.2.3三相可控整流電路一、三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路圖如圖所示。自然換相點：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設輸入電壓為：

可能承受的最大反向電壓為：

當晶閘管沒有觸發(fā)信號時，晶閘管承受的最大正向電壓為:8.3逆變器

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對應于整流的逆向過程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器交流側(cè)接到負載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負載，則稱為。有源逆變逆變無源逆變變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去

一、無源逆變電路的工作原理

無源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開關(guān)電路來說明。1.無源逆變器的簡單工作原理2.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無源逆變器的電壓控制

1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制

（1）脈寬控制

不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導通時間以控制輸出脈沖的寬度來改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。

若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）

如果使VS1與VS4，VS2與VS3通過高頻調(diào)制控制，能在半個周期內(nèi)重復導通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時N=5）。

逆變器輸出電壓的幅值是通過改變脈沖總的導通時間與總的關(guān)斷時間的比率來控制的，這有兩種基本的方法：

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)。

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。三、無源逆變器的換相（換流）

但由于電流是直流電，沒有像交流電那樣電壓有過零變負的時候，所以，如不采取措施，則晶閘管一旦觸發(fā)導通后就關(guān)斷不了。

兩組晶閘管交替地導通和關(guān)斷的過程，就是電流轉(zhuǎn)換的過程，簡稱換流。

負載是由電感L和補償電容C組成的并聯(lián)諧振回路，Ld為限流電抗器。10.4晶閘管的觸發(fā)電路

向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。

（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

（2）小容量晶閘管觸