電力電子學(xué)基礎(chǔ)

電力電子學(xué)基礎(chǔ)第1頁/共84頁8.1電力半導(dǎo)體器件（3類）1、不可控型開關(guān)器件二極管是不可控型開關(guān)器件，導(dǎo)通與關(guān)斷都不能控制的器件，由一個(gè)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體燒結(jié)形成的p-n結(jié)、兩端引線、封裝組成的。從外形上看，可以有螺栓型、平板型等多種封裝。A：陽極B：陰極第2頁/共84頁■二極管的基本原理——PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴粽驅(qū)ǎ篜N結(jié)外加正向電壓（正向偏置）時(shí)，形成自P區(qū)流入從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，導(dǎo)通電壓降為0.8－1V。

◆反向截止：當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓時(shí)（反向偏置）時(shí)，PN結(jié)表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過。

◆反向擊穿：PN結(jié)具有一定的反向耐壓能力，當(dāng)施加的反向電壓過大，反向電流會(huì)急劇增大，破壞PN結(jié)反向偏置為截止的工作狀態(tài)。反向擊穿發(fā)生時(shí)，將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結(jié)仍可恢復(fù)原來的狀態(tài)。否則PN結(jié)會(huì)過熱而燒毀。A：陽極B：陰極第3頁/共84頁2、半控型開關(guān)器件：只能控制其導(dǎo)通，不能控制其關(guān)斷的器件。⑴普通晶閘管螺栓形晶閘管：帶有螺栓的一端是陽極A，粗引線是陰極K，細(xì)線是控制極G。用于100A以下場(chǎng)合。平板形晶閘管：中間的金屬環(huán)是控制極G，離控制極G較遠(yuǎn)的一面是陽極A，較近的一面是陰極K。用于200A以上場(chǎng)合。第4頁/共84頁①晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)晶閘管由單晶硅薄片P1、N1、P2、N2四層半導(dǎo)體材料疊成，形成三個(gè)PN結(jié)。二級(jí)管晶閘管第5頁/共84頁②晶閘管的工作原理加反向電壓：兩個(gè)PN結(jié)反向偏置加正向電壓：中間PN結(jié)反向偏置陽極陰極晶閘管不能導(dǎo)通KA半控型開關(guān)器件只能控制其導(dǎo)通不能控制其關(guān)斷第6頁/共84頁發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電極基極基極第7頁/共84頁第8頁/共84頁④晶閘管的主要參數(shù)UDRM:斷態(tài)重復(fù)峰值電壓晶閘管控制極斷路且正向截止時(shí),允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。允許比正向轉(zhuǎn)折電壓

UB0小100V。普通晶閘管UDRM

為100V—3000V反向重復(fù)峰值電壓控制極斷路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。比反向不重復(fù)峰值電壓URSM小100V。普通晶閘管URRM為100V—3000VURRM：IH:

維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。第9頁/共84頁額定通態(tài)平均電流環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。

IT：ITt2工頻正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IT為1A—1000A。第10頁/共84頁⑤晶閘管的應(yīng)用1)順變裝置（交流電變成直流電）2)逆變裝置（直流變成交流電源）3)變頻裝置（順變和逆變的組合）4)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（可代替直流發(fā)電機(jī)）第11頁/共84頁⑥晶閘管型號(hào)及其含義3CT表示普通晶閘管。3CT50/500表示額定電流為50A,額定電壓為500V的晶閘管。1）CT型晶閘管格式第12頁/共84頁通態(tài)電壓的組別，用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓等級(jí)，乘100為額定值額定電流P--普通晶閘管G--可關(guān)斷型S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP100-12G表示額定電流為100A,額定電壓為1200V。通態(tài)壓降小于1V的普通晶閘管。2）KP型晶閘管格式第13頁/共84頁（2）雙向晶閘管

相當(dāng)于兩個(gè)普通晶閘管反并聯(lián)，控制極對(duì)電源的正、負(fù)兩個(gè)半周都有控制作用，MT1為陽極1，G為控制極，MT2為陽極2。特點(diǎn)：①控制極G無信號(hào)輸入時(shí)，與晶閘管相同，MT2與MT1間不導(dǎo)電。②MT2施加的電壓高于MT1，控制極加正極性或負(fù)極性信號(hào)，晶閘管導(dǎo)通，電流自MT2流向MT1；③MT1施加的電壓高于MT2，控制極加正極性或負(fù)極性信號(hào)，晶閘管導(dǎo)通，電流自MT1流向MT2；額定電流：雙向晶閘管的額定電流不是用正弦半波電流平均值，而是用有效值。額定值200A的雙向晶閘管只能通過有效值200A的電流，有效值200A的普通晶閘管額定通態(tài)平均電流為90A，一全有效值200A雙向晶閘管代替2個(gè)90A的普通晶閘管。第14頁/共84頁（3）逆導(dǎo)晶閘管

◆將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向電壓的能力，一旦承受反向電壓即開通。（4）光控晶閘管◆是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。

陽級(jí)有正向外加電壓時(shí)，中間的PN結(jié)J2被反向偏置。當(dāng)照在反向偏置的J2結(jié)上時(shí)，J2結(jié)的漏電流增大，在晶閘管內(nèi)正反饋?zhàn)饔孟?，晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)為通態(tài)。逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性反向漏電流1234第15頁/共84頁3、全控型開關(guān)器件：導(dǎo)通與關(guān)斷都可以控制的器件1）門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）

是晶閘管的一種派生器件，通過在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷，屬于全控型器件。在門極（控制極）加了一條短線。門極可關(guān)斷晶閘管的工作原理：在門極加正電壓，GTO導(dǎo)通。在門極加反向電壓，GTO斷開。不需要外部電路強(qiáng)迫陽極電流為0而使其關(guān)斷，僅由門極加反向電流使其斷開。門極可關(guān)斷晶閘管的結(jié)構(gòu)：是一種多元的功率集成器件，雖然外部同樣引出個(gè)極，但內(nèi)部則包含數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)共陽極的小GTO單元，這些小GTO元的陰極和門極在器件內(nèi)部并聯(lián)在一起。這種結(jié)構(gòu)是為便于實(shí)現(xiàn)門極控制關(guān)斷而設(shè)計(jì)的，開關(guān)時(shí)間在25微秒以內(nèi)，甚至幾百納秒。各單元的陰極、門極間隔排列的圖形電氣圖形符號(hào)第16頁/共84頁2）電力晶體管（GTR）特點(diǎn)：耐高壓、大電流的雙極結(jié)（通過一定的工藝將兩個(gè)PN結(jié)結(jié)合在一起

）型晶體管結(jié)構(gòu)：至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)，把續(xù)流二極管V1、穩(wěn)定電陰R、加速二極管V2組合在一起，用環(huán)氧樹脂密封。三個(gè)極分別是集電極C、發(fā)射極E、基極B。電力晶體管可以做成雙管模塊，甚至可以做成六管模塊。采用共發(fā)射極接法。第17頁/共84頁電力晶體管開關(guān)特性：斷態(tài)到通態(tài)：電力晶體管用基極電流IB控制集電極電流IC，基極通入正向電流，集電極電流上升到0.9ICS（ICS是飽和導(dǎo)通的集電極電流）進(jìn)入通態(tài)。通態(tài)到斷態(tài)：給基極加一個(gè)負(fù)的電流脈沖，集電極電流不立即減小，延長(zhǎng)一段時(shí)間才減小，逐漸下降到0.1ICS進(jìn)入斷態(tài)。電力晶體管的開關(guān)時(shí)間在幾微秒以內(nèi)，比晶閘管和門極可關(guān)斷晶閘管的開關(guān)時(shí)間都短。第18頁/共84頁P(yáng)-MOSFET是多元集成結(jié)構(gòu)，一個(gè)器件由許多個(gè)小的MOSFET組成。三個(gè)極分別是源極S、漏極D和柵極G。P-MOSFET用柵極電壓uGS控制漏極電流ID，改變uGS的大小，主電路中的漏極電流ID也跟著改變，由于G與S間的輸入阻抗很大，控制電流幾乎為0，所需驅(qū)動(dòng)功率很小。P-MOSFET開關(guān)時(shí)間在10－100納秒，工作頻率100kHZ以上，是電力電子器件中最高的。當(dāng)柵極電壓uGS上升開啟電壓UT，出現(xiàn)漏極電流iD，UT＝2~4V；柵源電壓UGS的絕對(duì)值大于20V，將導(dǎo)致柵源之間的絕緣層被擊穿。3）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorfieldeffecttransistor）金屬混合半導(dǎo)體效應(yīng)晶體管,簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）或P-MOSFET。源極柵極漏極第19頁/共84頁4）絕緣柵雙極晶體管①電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管：?jiǎn)螛O型、電壓控制開關(guān)，驅(qū)動(dòng)功率很小，開關(guān)速度快，漏極D與源極S的通態(tài)壓降大，難制成高壓大電流器件。②電力晶體管：雙極型、電流控制開關(guān)，驅(qū)動(dòng)功率大，開關(guān)速度不夠快，通態(tài)壓降小，可制成較高電壓和電流的開關(guān)器件。③絕緣柵雙極晶體管：是兩者的結(jié)合，柵極－發(fā)射極短路時(shí)，集電集與發(fā)射極能承受的電壓UCES高，1000V，導(dǎo)通時(shí)能流過集電極的最大持續(xù)電流IC大（1800A/4500V），集電極－發(fā)射極導(dǎo)通壓降值小，在2.5－5V之間，開關(guān)頻率在10－40kHZ。在新設(shè)計(jì)的電力電子器件中已取代電力晶體管和部份電力場(chǎng)效應(yīng)管。電力晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管第20頁/共84頁電力變換電路，按功能分：

1.可控整流電路：把固定的交流電壓變成固定或可調(diào)的直流電壓。2.交流調(diào)壓電路：把固定的交流電壓變成可調(diào)的交流電壓。3.逆變電路：把直流電變成頻率固定或可調(diào)的交流電。4.變頻電路：把固定頻率的交流電變成可調(diào)頻率的交流電。5.斬波電路：把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓。6.電子開關(guān)：功率半導(dǎo)體器件工作在開關(guān)狀態(tài)可替代接觸器和繼電器用于頻繁開合操作場(chǎng)合8.2

可控整流電路分類：?jiǎn)蜗喟氩ā蜗鄻蚴健⑷嗔闶?、三相橋式等?1頁/共84頁8.2.1單相半波可控整流電路(1)

可控整流電路

電源電壓u

>0時(shí)：控制極不加觸發(fā)脈沖信號(hào)，晶閘管不導(dǎo)通，電源電壓u

<0時(shí):

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

ud=0,uT=u，故稱可控整流。控制極加觸發(fā)脈沖信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，uuoR+–+uT+––Tio

1.帶阻性負(fù)載ud第22頁/共84頁(2)工作原理t12電源電壓u

<

0時(shí):

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷

加觸發(fā)脈沖信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通tOu

>0時(shí):tO第23頁/共84頁(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Ud。晶閘管承受的最大正向與反向電壓：ud第24頁/共84頁tO

接電阻負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1tOtOt22tO導(dǎo)通角(3)工作波形控制角:晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。導(dǎo)通角:晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。第25頁/共84頁2.帶感性負(fù)載的可控整流電路感性負(fù)載：感抗ωL與電阻R的大小相比不可忽略的負(fù)載。如電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈。晶閘管沒有導(dǎo)通時(shí)：晶閘管上的電壓為電源電壓，此時(shí)負(fù)載電壓為0.晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)：電流從0逐漸上升，電感兩端的自動(dòng)電動(dòng)勢(shì)eL阻礙電流上升，隨著電流上升，自感電動(dòng)勢(shì)減小，在電感中儲(chǔ)存了磁場(chǎng)能量。電源電壓變負(fù)時(shí)，電流變小，電感產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)eL阻礙電流減小。

eL大于電源的負(fù)電壓，負(fù)載上就有電流流過，晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載消耗電感能量，電壓為負(fù)值，當(dāng)晶閘管的電流小于維持晶閘管導(dǎo)通電流時(shí)，晶閘管關(guān)斷并立即承受反向電壓。輸出電壓與電流：晶閘管在控制角ɑ觸發(fā)導(dǎo)通，在ɑ

+θ關(guān)斷。負(fù)載為感性時(shí)，電源電壓為負(fù)的時(shí)候晶閘管仍可導(dǎo)通，電感越大，導(dǎo)通角θ越大，每個(gè)周期中負(fù)載上的負(fù)電壓所占比重越大，輸出電壓和輸出電流的平均值越小。有可能得不到所需的電壓和電流。第26頁/共84頁3.續(xù)流二極管的作用：提高電路輸出平均電壓措施：在負(fù)載兩端并一只二極管V，電源為負(fù)電壓時(shí)，二極管V導(dǎo)通，晶閘管受反壓斷開，負(fù)電壓不作用在負(fù)載上。①晶閘管導(dǎo)通時(shí)：電源電壓為正，二極管V截止，負(fù)載電壓波形與不加二極管V相同。②電源電壓為負(fù)時(shí)：二極管V導(dǎo)通，負(fù)載上由電感維持的電流流經(jīng)二極管，負(fù)載兩端電壓僅為二極管管壓降，接近于0，電感放出的能量消耗在電阻上。負(fù)載電流id在晶閘管導(dǎo)能時(shí)由電源提供，在晶閘管關(guān)斷時(shí)由電感通過二級(jí)管提供。前面還有波形第27頁/共84頁一、單相半控橋式整流電路1.

電路2.

工作原理VS1和V2承受正向電壓。VS1控制極加觸發(fā)電壓,則VS1和V2導(dǎo)通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRV2VS1b(1)電壓u

為正半周時(shí)id+–+–VS1VS2RudV1V2au+–b此時(shí)，VS2和V1均承受反向電壓而截止。8.2.2單相橋式可控整流電路第28頁/共84頁id+–+–vs1VS2RudV1v2au–+bVS2和V1承受正向電壓。VS2控制極加觸發(fā)電壓,則VS2和V1導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRV1VS2a此時(shí)，VS1和V2均承受反向電壓而截止。第29頁/共84頁3.阻性負(fù)載的單相半控橋式整流電路晶閘管在時(shí)被觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓過零變負(fù)時(shí)，電流降到0，晶閘管斷開，輸出電壓平均值Ud與控制角的關(guān)系為輸出電流平均值Id晶閘管承受的最大正反向電壓：第30頁/共84頁θ第31頁/共84頁第32頁/共84頁第33頁/共84頁5.反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的單相半控橋式整流電路

當(dāng)整流電路輸出接有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)電源電壓的瞬時(shí)值大于反電勢(shì)，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出。特點(diǎn)：負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時(shí)高，220V電壓經(jīng)橋式整流輸出，帶阻性負(fù)載時(shí)，平均電壓為198V；帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)，平均值為250V以上。電阻性負(fù)載第34頁/共84頁

對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)或蓄電池負(fù)載，為了使通過的電流不為0，常常串聯(lián)電抗器，用以平滑電流的脈動(dòng):電感濾波第35頁/共84頁二、單相全控橋式整流電路特點(diǎn)：①把單相半控橋式整流電路中兩只二極管用兩只晶閘管替代。有4只晶閘管；②電路每半個(gè)周期要求觸發(fā)兩只晶閘管；③帶感性負(fù)載且沒有續(xù)流二極管時(shí)，輸出電壓瞬時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。工作過程：u12為正的某一時(shí)刻t1，給晶閘管VS1和VS2觸發(fā)脈沖，VS1和VS2導(dǎo)通，電源電壓加于負(fù)載；當(dāng)u12＝0，電感上反電動(dòng)勢(shì)的作用維持電流通過VS1、、VS2及電源，晶閘管導(dǎo)通；直到u12為負(fù)，在下半周的的同一控制角對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t2，VS3、VS4有觸發(fā)脈沖時(shí)，VS3、VS4導(dǎo)通，VS1、VS2承受反向電壓而斷開。同樣，VS3、VS4要導(dǎo)通到觸發(fā)VS1、VS2才斷開?？刂平窃?－π/2內(nèi)變化，Ud從0.9U2下降到接近0，電流id連續(xù)；控制角>π/2，電壓平均值接近0，電流斷續(xù)且很小。為提高電壓，在負(fù)載兩端并續(xù)流二級(jí)管。t1t2第36頁/共84頁欲裝一臺(tái)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Ud=0V~180V,電流Id=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(shè)在晶閘管導(dǎo)通角θ為π(控制角ɑ為0)時(shí)輸出電壓值為最大（180V），則對(duì)應(yīng)的輸入交流電壓有效值為最大。

實(shí)際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了1800

，交流電壓要比上述計(jì)算而得到的值適當(dāng)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：第37頁/共84頁第38頁/共84頁8.2.3三相半波可控整流電路(三相零式電路)特點(diǎn)：整流變壓器副邊接成星形，有公共零點(diǎn)“0”。又稱為三相零式電路。uA、uB、uC為三相對(duì)零點(diǎn)的相電壓，用u2p表示。電源的三個(gè)相電壓會(huì)分別通過晶閘管VS1、VS2、VS3向負(fù)載R供直流電流。第39頁/共84頁觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：12001、帶電阻性負(fù)載的電路特點(diǎn)：1、2、3點(diǎn)之后對(duì)應(yīng)負(fù)載承受正向電壓，脈沖觸發(fā)晶閘管才能導(dǎo)通。不控整流電路的自然換相點(diǎn)：不控整流電路三個(gè)控制極都接正向電壓，相鄰電壓波形的交點(diǎn)1、2、3點(diǎn)。控制角：對(duì)三相半波可控整流，從自然換相點(diǎn)算起。第40頁/共84頁第41頁/共84頁第42頁/共84頁第43頁/共84頁

可能承受的最大反向電壓為：當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管承受的最大正向電壓為:第44頁/共84頁電阻性負(fù)載時(shí)：當(dāng)α≤π/6時(shí)，整流輸出電壓波形是連續(xù)的；當(dāng)α>π/6時(shí)，整流輸出電壓波形是不連續(xù)，當(dāng)電源電壓下降到零時(shí)，電流id也同時(shí)下降到零，晶閘管關(guān)斷。2.三相半波可控整流電路帶感性負(fù)載電感性負(fù)載時(shí)：在VS1管導(dǎo)通時(shí)，電源電壓uA

加到負(fù)載上，t1時(shí)，uA=0時(shí)，由于自感電動(dòng)勢(shì)的作用，電流的變化將落后于電壓變化，t1時(shí)，負(fù)載電流id并不為零，VS1要維持導(dǎo)通。若電感L足夠大，VS1要一直導(dǎo)通至t2

時(shí)VS2觸發(fā)導(dǎo)通。電壓uB加于負(fù)載上，VS1承受反向電壓關(guān)閉，電感越大，電流脈動(dòng)越小，可以近為一條直線連續(xù)：前π/6兩相交點(diǎn)π/6+π/6+120?！堞械?5頁/共84頁

每只晶閘管導(dǎo)通角為120°，輸出電壓的平均值為：第46頁/共84頁加接續(xù)流二極管:三相半波可控整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)，有續(xù)流二級(jí)管，整流輸出電壓波形、電壓平均值Ud與控制角ɑ的關(guān)系和帶純阻性負(fù)載一樣，負(fù)載電流與帶感性負(fù)載一樣，電感很大，電流將接近于一條平行于橫軸的直線?？偨Y(jié)：三相半波可控整流電路只用三只晶閘管，接線簡(jiǎn)單，在輸出電壓為220V時(shí)，不用變電器直接接380V的三相交流電源，這時(shí)的相電壓為220V，控制角ɑ＝0時(shí)，可得到最大輸出直流平均電壓為Ud=1.17×220V=257V，稍加控制即可滿足220V直流負(fù)載的要求。第47頁/共84頁8.2.4三相橋式全控整流電路1）簡(jiǎn)介三相半波共陰極組的整流電路：三只晶閘管的陰極接在一起。三相半波共陽極組的整流電路：三只晶閘管的陽極接在一起。三相橋式全控整流電路：把共陰極組的整流電路與共陽極組的整流電路串聯(lián)起來，負(fù)載上的輸出電壓等于共陰極組與共陽極組的輸出電壓之和。再將變壓器的兩組次極繞組共用一個(gè)繞組。特點(diǎn)：與電動(dòng)機(jī)連接時(shí)總是串聯(lián)一定的電感，減小電流的脈動(dòng)和保證電流連續(xù)，負(fù)載的性質(zhì)看成感性的。輸出電壓平均值：帶感性負(fù)載時(shí)，對(duì)共陰極組與共陽極組晶閘管同時(shí)進(jìn)行控制，控制角為ɑ，三相全控橋式整流電路就是兩組三相半波可控整流電路的串聯(lián)，整流電壓值Ud為：Ud=2.34U2pcosa(0≤a<π/3)后面圖中t1~t2為π/3第48頁/共84頁2)工作原理控制角ɑ＝0時(shí)，觸發(fā)脈沖在自然換相點(diǎn)發(fā)出。共陰極組的晶閘管：VS1、VS3、VS5中某一相電壓較其他兩相為正，同時(shí)有觸發(fā)脈沖，該相晶閘管導(dǎo)通；共陽極組的晶閘管：VS4、VS6、VS2中某一相電壓較其他兩相為負(fù)，同時(shí)有觸發(fā)脈沖，該相晶閘管導(dǎo)通；第49頁/共84頁t1時(shí)刻：A相電壓比C相電壓的正值更大，B相電壓為負(fù)，給VS1、VS6觸發(fā)脈沖，則VS1、VS6導(dǎo)通，在t1~t2時(shí)刻內(nèi)VS1、VS6導(dǎo)通，電流從A相經(jīng)VS1、負(fù)載和VS6回到B相，A相電流為正，B相電流為負(fù)。t2時(shí)刻：A相還保持較大的正電壓，C相電壓開始比B相是壓的負(fù)值更大。在t2時(shí)給VS1、VS2觸發(fā)脈沖，則VS1維持導(dǎo)通，且VS2導(dǎo)通，VS2導(dǎo)通使VS6承受反向電壓而關(guān)斷，電流從A相經(jīng)VS1、負(fù)載和VS2回到C相，在t2~t3時(shí)間內(nèi)，VS1、VS2導(dǎo)通，A相電流為正，C相電流為負(fù)。第50頁/共84頁t3時(shí)刻：C相還保持較大的負(fù)電壓，B相電壓開始比A相電壓的正值更大。在t3時(shí)刻給VS2、VS3觸發(fā)脈沖，VS2維持導(dǎo)通，VS3導(dǎo)通使VS1承受反向電壓而關(guān)斷，t3~t4時(shí)間內(nèi)VS2、VS3導(dǎo)通，電流從B相經(jīng)VS3、負(fù)載和VS2回到C相，B相電流為正，C相電流為負(fù)。t4~t5時(shí)間內(nèi)VS3、VS4導(dǎo)通；t5~t6時(shí)間內(nèi)VS4、VS5導(dǎo)通；t6~t7時(shí)間內(nèi)VS5、VS6導(dǎo)通；t7~t8時(shí)間內(nèi)又是VS1、VS6導(dǎo)通。三相橋式全控整流電路輸出電壓等于共陰極組與共陽極組輸出電壓之和。第51頁/共84頁可控整流電路(順變器)小結(jié)

單相半波電路簡(jiǎn)單，指標(biāo)差，只適用于小功率要求不高的場(chǎng)合。單相橋式電路性能指標(biāo)好，電壓脈動(dòng)頻率大,適用小功率電路。晶閘管在直流負(fù)載側(cè)的單相橋式電路，接線簡(jiǎn)單，小功率的反電勢(shì)負(fù)載。三相半波可控整流電路，指標(biāo)一般，較少采用。三相橋式可控電路，各項(xiàng)指標(biāo)好，最適合大功率高壓電路。第52頁/共84頁

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對(duì)應(yīng)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(fù)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(fù)載

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)去有源逆變:逆變無源逆變:8.3

逆變電路既可實(shí)現(xiàn)整流，又可實(shí)現(xiàn)逆變的裝置稱為變流器第53頁/共84頁第54頁/共84頁

每只晶閘管導(dǎo)通角為120°，輸出電壓的平均值為：第55頁/共84頁第56頁/共84頁第57頁/共84頁2、無源逆變電路

當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開，電流從電源正極經(jīng)S1、負(fù)載、S4回到電源負(fù)極；經(jīng)過一定時(shí)間間隔，將開關(guān)S1、S4打開并同時(shí)將開關(guān)S2、S3閉合，則電流從電流正極經(jīng)過S3、負(fù)載、S2回到電源負(fù)極。1）、工作原理用開關(guān)電路來說明

改變兩組開關(guān)每秒內(nèi)閉合和斷開的次數(shù)，就可改變輸出電壓的頻率，這就是它的變頻作用。頻率的單位為秒分之一第58頁/共84頁2）波形與相位阻性負(fù)載：電流i0與電壓u0的波形相同，相位也相同。感性負(fù)載：電流i0相位滯后電壓u0，二者的波形不同。t1以前S1、S4閉合，u0、i0均為正。t1時(shí)斷開S1、S4，同時(shí)閉合S2、S3，u0立即變負(fù)，負(fù)載中有電感，電流極性不能立刻改變?nèi)跃S持原方向。從直流電源負(fù)極流出，經(jīng)S2、負(fù)載、S3流回正極，電感中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，到t2降為0，i0才反向并逐漸增大。3）換流：變流電路在工作中，電流不斷從一個(gè)支路向另一個(gè)轉(zhuǎn)移。4）換流方式：

器件換流（用全控型器件的自關(guān)斷能力換流）；電網(wǎng)換流（電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)換流，如整流與有源逆變）；負(fù)載換流（電容性負(fù)載，由負(fù)載提供換流電壓實(shí)現(xiàn)換流）；強(qiáng)迫換流（用電容上儲(chǔ)存的能量給晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流實(shí)現(xiàn)換流）。u0i0i0Ud第59頁/共84頁3、電壓型逆變電路特點(diǎn)：①直流側(cè)是電壓源，并聯(lián)有大電容，電容器阻止直流電流通過，允許交流電流通過，直流電壓無脈動(dòng)。②交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，交流側(cè)輸出電流波形和相位與負(fù)載阻抗有關(guān)，為三角形波或正弦波。③當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無功功率，直流側(cè)電容還起緩沖無功能量的作用；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。④晶閘管開關(guān)器件一旦導(dǎo)通，不能自行關(guān)斷，要關(guān)斷晶閘管，需要設(shè)置強(qiáng)迫關(guān)斷電路，增加了成本，降低了可靠性，也限制了開關(guān)頻率。絕大多數(shù)逆變器都采用全控型的電力半導(dǎo)體器件，如絕緣柵雙極晶體管，高壓、大電流、開關(guān)速度快。第60頁/共84頁1）、單相半橋電壓型逆變電路特點(diǎn):

①有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管。②直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的電容，兩個(gè)電容的連接點(diǎn)是直流電源中點(diǎn)。負(fù)載接在直流電源中點(diǎn)與兩個(gè)橋臂連接點(diǎn)之間。③輸出電壓u0波形為矩形波，幅值Um＝Ud/2。工作原理：t2以前VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。t2時(shí)給VT1截止信號(hào)，給VT2導(dǎo)通信號(hào)，VT1截止，但感性負(fù)載中的電流i0不能立即改變方向，電流經(jīng)電容、V2導(dǎo)通續(xù)流。t3時(shí)i0降到0，V2截止，VT2導(dǎo)通，i0開始反向。t4時(shí)給VT2截止信號(hào)，VT1導(dǎo)通信號(hào)，

VT2截止，V1先導(dǎo)通續(xù)流，到t5時(shí)刻，VT1才導(dǎo)通。第61頁/共84頁1）、單相半橋電壓型逆變電路導(dǎo)通狀態(tài)：VT1或VT2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；V1或V2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流與電壓反向，負(fù)載電感中儲(chǔ)存能量向直流側(cè)反饋，反饋回的能量?jī)?chǔ)存在直流側(cè)電容器中。V1、V2是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，稱為反饋二級(jí)管。V1、V2起負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二級(jí)管。第62頁/共84頁2、單相全橋電壓型逆變電路特點(diǎn)：有四個(gè)橋臂，可以看成兩個(gè)單相半橋電路組成，把橋臂1和橋臂4作一對(duì)，橋臂2和橋臂3作另一對(duì)，成對(duì)的兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180°。輸出電壓u0波形為矩形波，幅值Um＝Ud。第63頁/共84頁

有四個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。即兩個(gè)半橋組合而成。

導(dǎo)通方式：成對(duì)的兩個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180°2、單相全橋電壓型逆變電路輸出電壓波形為矩形波，輸出電流波形隨負(fù)載情況而異。第64頁/共84頁3、三相橋式電壓型逆變電路三個(gè)單相半橋逆變電路組成任意瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，換流方式為縱向換流：每次換流都在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行。

同一相的上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)通180°；各相開始導(dǎo)通的角度依次差120°。第65頁/共84頁第66頁/共84頁電流型逆變電路主要特點(diǎn)

(1)

直流側(cè)串大電感，電流基本無脈動(dòng)，相當(dāng)于電流源。即直流電源為電流源的逆變電路。電流型三相橋式逆變電路(2)

交流輸出電流為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)。輸出電壓波形和相位因負(fù)載不同而不同。

(3)直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，不必給開關(guān)器件反并聯(lián)二極管。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。四、電流型逆變電路第67頁/共84頁

直流斬波電路：即直流—直流變換器，將直流電源電壓加在負(fù)載上，通過改變開關(guān)的動(dòng)作頻率或直流電流的流通時(shí)間比例，來改變加在負(fù)載上的電壓和電流平均值的電路。8.4

斬波電路與PWM控制技術(shù)直流斬波電路分為：降壓和升壓1.降壓斬波電路8.4.1

斬波電路第68頁/共84頁

由電力半導(dǎo)體器件的控制極觸發(fā)導(dǎo)通，關(guān)斷時(shí)給負(fù)載中的電感電流提供通道——續(xù)流二極管

減小導(dǎo)通占空比，輸出電壓隨之減小，故稱為降壓斬波電路。第69頁/共84頁

要得到較高頻率的交流電，利用有觸點(diǎn)開關(guān)是不可能做到的，必須采用半導(dǎo)體開關(guān)才能實(shí)現(xiàn)。二、單相晶閘管橋式逆變器

利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。采用IGBT、電力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。第70頁/共84頁1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制逆變器自調(diào)控方案，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(dǎo)通時(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來改變逆變器輸出電壓。單相無源逆變器的電壓控制交-直-交變頻器中常用

可控整流方案：電源為交流，則可以通過可控整流電路，把交流變成可調(diào)的直流輸入到逆變器，從而控制逆變器的輸出交流電壓。

斬波調(diào)壓方案：若是直流電源，則可控制斬波器改變直流輸入電壓的大小。但輸出交流電壓波形的諧波成分隨著輸出電壓的減少而增加。第71頁/共84頁

若使控制角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。

第72頁/共84頁第十章電力電子學(xué)-晶閘管及基本電路

10.4逆變器10.4.2無源逆變器2).單相晶閘管橋式逆變器第73頁/共84頁第十章電力電子學(xué)-晶閘管