电力电子技术重点王兆安第五版

1、根据驱动信号的性质分类第1章绪论1电力电子技术定义：是使用电力电子器 件对电能进行变换和控制的技术，是应用 于电力领域的电子技术，主要用于电力变 换。2电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC :整流（2）直流变交流DC-AC :逆变（3）直流变直流DC-DC : 一般通过直流 斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC : 一般称作交流 电力控制3电力电子技术分类：分为电力电子器件 制造技术和变流技术。第2章电力电子器件1电力电子器件与主电路的关系（1 ）主电路：指能够直接承担电能变换 或控制任务的电路。（2 ）电力电子器件：指应用于主电路中， 能够实现电能变换或控制的电子器件。2电力电子器件一般都工作于 开关状态， 以减小本身损耗。3电力电子系统基本组成与工作原理（1 ）一般由主电路、控制电路、检测电 路、驱动电路、保护电路等组成。（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形 成电力电子器件的工作信号。（3）控制信号通过驱动电路去控制主电 路中电力电子器件的导通或关断。（4）同时，在主电路和控制电路中附加 一些保护电路，以保证系统正常可靠运 行。4电力电子器

2、件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1 ）半控型器件：通过控制信号可以控 制其导通而不能控制其关断的电力电子 器件。女口 SCR晶闸管。（2）全控型器件：通过控制信号既可以 控制其导通，又可以控制其关断的电力电 子器件。女口 GTO、GTR、MOSFET 禾口 IGBT。（3）不可控器件：不能用控制信号来控 制其通断的电力电子器件。女口 电力二极 管。（1）电流型器件：通过从控制端注入或 抽出电流的方式来实现导通或关断的电 力电子器件。如 SCR、GTO、GTR。（2）电压型器件：通过在控制端和公共 端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如 MOSFET、IGBT。根据器件部载流子参与导电的情况分类（1 ）单极型器件：部由一种载流子参与 导电的器件。女口 MOSFET。（2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、GTO、GTR。（3）复合型器件：有单极型器件和双极 型器件集成混合而成的器件。如IGBT。5半控型器件一晶闸管SCR将器件N1、P2半导体取倾斜截面，则晶 闸管变成V1-PNP和V2-NPN两个晶体 管。晶闸管的导通工作原理（1

3、）当AK间加正向电压Ea，晶闸管不 能导通，主要是中间存在反向 PN结。（2）当GK间加正向电压Eg，NPN晶体 管基极存在驱动电流Ig，NPN晶体管导 通，产生集电极电流Ic2。（3）集电极电流Ic2构成PNP的基极驱动 电流，PNP导通，进一步放大产生 PNP 集电极电流lei。（4）Iei与IG构成NPN的驱动电流，继 续上述过程，形成强烈的负反馈，这样 NPN和PNP两个晶体管完全饱和，晶闸 管导通。23143晶闸管是半控型器件的原因（1 ）晶闸管导通后撤掉外部门极电流Ig， 但是NPN基极仍然存在电流，由PNP集 电极电流Ie1供给，电流已经形成强烈正反 馈，因此晶闸管继续维持导通。（2）因此，晶闸管的门极电流只能触发 控制其导通而不能控制其关断。23144 晶闸管的关断工作原理 满足下面条件，晶闸管才能关断：（1 ）去掉AK间正向电压；（2）AK间加反向电压；（3）设法使流过晶闸管的电流降低到接 近于零的某一数值以下。2.3.2.1.1晶闸管正常工作时的静态特性（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门 极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门 极

4、有触发电流的情况下晶闸管才能导通。（3 ）晶闸管一旦导通，门极就失去控制 作用，不论门极触发电流是否还存在，晶 闸管都保持导通。（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能 利用外加电压和外电路的作用使流过晶 闸管的电流降到接近于零的某一数值以 下。241.1 GTO的结构（1）GTO与普通晶闸管的相同点：是 PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、 阴极和门极。（2）GTO与普通晶闸管的不同点：GTO 是一种多元的功率集成器件，其部包含数 十个甚至数百个供阳极的小 GTO元，这 些GTO元的阴极和门极在器件部并联在 一起，正是这种特殊结构才能实现门极关 断作用。2.4.1.2 GTO的静态特性（1 ）当GTO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。（2 ）当GTO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导通。（3）GTO导通后，若门极施加反向驱动 电流，则GTO关断，也即可以通过门极 电流控制GTO导通和关断。（4）通过AK间施加反向电压同样可以保 证GTO关断。2.4.3电力场效应晶体管MOSFET（1）电力MOSFET是用栅极电压来控制 漏极电流的，因此它

5、是电压型器件。（3）当Ugs大于某一电压值Ut时，栅极下 P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从 而使P型半导体反型成N型半导体，形成 反型层。2.4.4绝缘栅双极晶体管IGBT（1）GTR和GTO是双极型电流驱动器 件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流 等级高，但不足是开关速度低，所需驱动 功率大，驱动电路复杂。（2）电力MOSFET是单极型电压驱动器 件，其优点是开关速度快、所需驱动功率 小，驱动电路简单。（3）复合型器件：将上述两者器件相互 取长补短结合而成，综合两者优点。（4）绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合 型器件，由GTR和MOSFET两个器件复 合而成，具有GTR和MOSFET两者的优 点，具有良好的特性。（1）IGBT是三端器件，具有栅极 G、集 电极C和发射极E。（2）IGBT由MOSFET和GTR组合而成。第3章整流电路（1）整流电路定义：将交流电能变成直 流电能供给直流用电设备的变流装置。3.1.1单相半波可控整流电路（4）触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施 加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或 控制角。（7 ）几个定义 “半波”整流：改变触发时刻，Ud

6、和id 波形随之改变，直流输出电压ud为极性不 变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在U2正半周出现，因此称“半波”整流。 单相半波可控整流电路：如上半波整 流，同时电路中采用了可控器件晶闸管， 且交流输入为单相，因此为单相半波可控 整流电路。3.1.1.3电力电子电路的基本特点及分析 方法（1）电力电子器件为非线性特性，因此 电力电子电路是非线性电路。（2）电力电子器件通常工作于通态或断 态状态，当忽略器件的开通过程和关断过 程时，可以将器件理想化，看作理想开关, 即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断 态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。 由4个晶闸管（VT1 VT 4）组成单相 桥式全控整流电路。 VT1禾口 VT4组成一对桥臂，VT2禾口 VT3 组成一对桥臂。（2 ）单相桥式全控整流电路带电阻负载 时的波形图rt叫v : 在（）角度时，给VT2和VT3加1一j触发脉冲，此时b点电压高于a点,VI1J靠导通，uvt23承受正向电压，因此可UVT 3VTi阳极为a阴极为b点;VTiVT4未触发导通，呈现断态,VT4阳极为a则 Ud 0、id 0、i2U VT1Uvt4U2， u VT1

7、在角度时，给VTiiu VT42 U2。因此 U VT1U VT4电流从b点经b点。和VT4加触发U2。阴极为b点;VT3、R、VT2 流回脉冲，此时a点电压高于b点， VTi和VT4承受正向电压，因此可 靠导通， U VT1 UVT 40。电流从a点经VTi、R、VT4流回b点。Ud U2， i2 id，形状与电压相同。UdU2， i2 id。（3 ）全波整流在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。（4）直流输出电压平均值U d 丄 2U2Sin td（ t） 2 2U 2 1 cos 0.9U2COS2 2电源U2过零点，VTi和VT4承受反 向电压而关断，UVTi uVT42 U2 （负半周）。同时，VT2和VT3未触发导通，因此匕 Ud 0、 id 0、 i 2 0。（5）负载直流电流平均值Id単2创21迹0.9兰匚空RR2R2（6 ）晶闸管参数计算承受最大正向电压：C 2U 2)2承受最大反向电压：.2U 2触发角的移相围：0 时，Ud 0.9U2 ；180时，Ud 0。因此移相围为180。晶闸管电流平均值： VTi、VT4与VT2、VT3轮流导电

8、，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即I dVT2id0.45U 2 1-R-cos2):3.1.2.2带阻感负载的工作情况（1 ）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图（2）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图 分析时，假设电路已经工作于稳态下。（假设负载电感很大，负载电流不能突：变，使负载电流id连续且波形近似为一水平线。 :在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时a点电压高于b点，VT1和VT4承受正向电压，因此可靠导通， u VT1 UVT40。电流从a点经V、L、R、VT4流回b点，Ud U2。id 为一水平线，iVT1,4 id i2。VT2 禾口 VT3 为断态，iVT23 0虽然二次电压U2已经过零点变负， 但因大电感的存在使 VTi和VT4 持续导通。u VT1 UVT4 0， ud u2， iVT1 4 i d i 2，iVT2,30。)22社7匸在(VT2和VT3加触发脉冲，此时b点电压高于a点，VT2和VT3承受正向电压，因此可靠导通，因此可靠导通,u VT2 UVT 30 O由于VT2禾口 VT3的导通，使 VT1 和VT4承受反向电压而关断 ivT1,4 0。VTi阳极为a点，阴极为 b点；VT4阳极为a点，阴极为b 点；因此 uVT1,4 U2。电流从b点经VT3、L、R、VT2流回b点，Ud U2。i d 为水平线，ivT2,3 id i 2。 2 （2 ）:虽然二次电压U2已经过零点变正， 但因大电感的存在使 VT2和VT3 持续导通。u VT2 uVT30， u VT1,4 u2， Ud U2，i VT 2,3 id i2， i VT1,4 0。（3）直流输出电压平均值1厂27 2U 2U d. 2U 2 sin td （ t）cos 0.9U 2 cos（4 ）触发角的移相围0 时，Ud 0.9U2 ；90 时，U

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