1、 / 17電力電子必背知識點1電力電子電路中能實現電能的 變換和控制的半導體電子器件 稱為電力電子器件(PowerElectronic Device )。電力電子器件的基本特性 注：很重要，一定記住(1)電力電子器件一般都工作 在開關狀態。(2 )電力電子器件的開關狀態 由(驅動電路)外電路來控制。(3 )在工作中器件的功率損耗(通態、斷態、開關損耗)很大。 為保證不至因損耗散發的熱量 導致器件溫度過高而損壞，在其 工作時一般都要安裝散熱器。按器件的開關控制特性可以分為以下三類：不可控器件：器件本身沒有 導通、關斷控制功能，而需要根 據電路條件決定其導通、關斷狀 態的器件稱為不可控器件。如：

2、電力二極管(Power Diode)；半控型器件：通過控制信號只 能控制其導通，不能控制其關斷 的電力電子器件稱為半控型器 件。如：晶閘管(Thyristor ) 及其大部分派生器件等；全控型器件：通過控制信號既 可控制其導通又可控制其關斷 的器件，稱為全控型器件。如：門極可關斷晶閘管 (Gate-Turn-OffThyristor )、功率場效應管 (Power MOSFET )和絕緣柵雙 極型晶體管(Insulated-Gate Bipolar Transistor )等。4 .前面已經將電力電子器件分為 不可控型、半控型和全控型。按 控制信號的性質不同又可分為 兩種：電流控制型器件：此類

3、器件采用電流信號來實 現導通或關斷控制。女口：晶閘管、 門極可關斷晶閘管、功率晶體 管、IGCT等；電壓控制半導體器件：這類器件采用電壓控制（場 控原理控制）它的通、斷，輸入 控制端基本上不流過控制電流 信號，用小功率信號就可驅動它 工作。如：代表性器件為MOSFET 管和 IGBT 管。5 幾點結論（重要）1晶閘管具有單向導電和可控開 通的開關特性。晶閘管由阻斷狀態轉為導通狀 態時，應具備兩個條件：從主電 路看，晶閘管應承受正向陽極電 壓；從控制回路看，應有符合要 求的正向門極電流。晶閘管導通后，只要具備維持 導通的主回路條件，晶閘管就維 持導通狀態，門極便失去控制作 用，其陽極電流由外電路

4、決定。欲使晶閘管關斷，必須從主電 路采取措施，使晶閘管陽極電流 下降至維持電流之下，通常還要 施加一定時間的反向陽極電壓。晶閘管的正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態，只有很小的 正向漏電流流過，正向電壓超過 臨界極限即正向轉折電壓Ubo， 則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大，正向 轉折電壓降低。導通后的晶閘管 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。導通期間，如果門極電流 為零，并且陽極電流降至接近于 零的某一數值IH以下，則晶閘 管又回到正向阻斷狀態。Ih稱為 維持電流。晶閘管的反向特性晶閘管上施加反向電壓時，伏安 特性類似

5、二極管的反向特性。晶 閘管處于反向阻斷狀態時，只有 極小的反相漏電流流過。當反向 電壓超過一定限度，到反向擊穿 電壓后，外電路如無限制措施， 則反向漏電流急劇增加，導致晶 閘管發熱損壞。1）維持電流IH:在室溫下門極斷開時，元件從較大的通態電流降至剛好能保持 導通的最小陽極電流為維持電 流I H。2）掣住電流I L :給晶閘管門極加上觸發電壓，當 元件剛從阻斷狀態轉為導通狀 態就撤除觸發電壓，此時元件維 持導通所需要的最小陽極電流 稱掣住電流I L。對同一晶閘管來說，掣住電流I L要比維持電 流I H大24倍。&通態平均電流一額定電流 的計算方法Ita52）焉di/dt9.通態電流臨界上升率定

6、義：晶閘管能承受而沒有損害 影響的最大通態電流上升率稱 通態電流臨界上升率di/dt 。 影響：門極流入觸發電流后，晶 閘管開始只在靠近門極附近的 小區域內導通，隨著時間的推 移，導通區才逐漸擴大到PN結 的全部面積。如果陽極電流上升 得太快，則會導致門極附近的PN結因電流密度過大而燒毀，使 晶閘管損壞。斷態電壓臨界上升率du/dt 定義：把在規定條件下，不導致 晶閘管直接從斷態轉換到通態 的最大陽極電壓上升率，稱為斷 態電壓臨界上升率du/dt。影響：晶閘管的結面在阻斷狀態 下相當于一個電容，若突然加一 正向陽極電壓，便會有一個充電 電流流過結面，該充電電流流經 靠近陰極的PN結時，產生相當

7、 于觸發電流的作用，如果這個電 流過大，將會使元件誤觸發導 通。.電力晶體管GTR的二次擊穿一次擊穿：集電極電壓升高 至擊穿電壓時，Ic迅速增大，出 現雪崩擊穿。只要Ic不超過限 度，GTR 一般不會損壞，工作特 性也不變。二次擊穿：一次擊穿發生時Ic增大到某個臨界點時會突然 急劇上升，并伴隨電壓的陡然下降。常常立即導致器件的永久損 壞，或者工作特性明顯衰變 。M0SFET 的特點開關速度快，一般為 10ns100ns。溫度穩定性好，通態電阻具有 正溫度系數，可實現自動均流。輸入阻抗大、驅動功率小，因 此驅動電路也較簡單。導通電阻大、通態壓降大，因 此在大電流時通態損耗較大。散熱問題電力半導體

8、器件在電能變換、開 關動作中會產生功率損耗，使得 器件發熱，結面溫度上升。但是, 電力半導體器件均有其安全工 作區所允許的工作溫度(結面溫 度)，無論任何情況下都不允許 超過其規定值。為此，必須要對 電力半導體器件進行散熱。電力半導體器件的散熱，一般有 三種冷卻方式：自然冷卻：只適用于小功率 應用場；風扇冷卻：適用于中等功率應用場合，如IGBT應用電路；水冷卻：適用于大功率應用 場合，如大功率GTO、IGCT及 SCR等應用電路；14.IGBT :絕緣柵雙極型晶體管，兼具功率MOSFET高速開 關特性和GTR的低導通壓降特 性兩者優點的一種復合器件。IGBT的特點開關速度高，開關損耗小。 在電

9、壓1000V以上時，開關損耗 只有GTR的1/10，與電力MOSFET 相當。 相同電壓和電流定額時，安 全工作區比GTR大，且具有耐 脈沖電流沖擊能力。通態壓降比 VDMOSFET 低，特別是在電流較大的區域。輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET 類似。與 MOSFET 和 GTR 相比， 耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。15 整流電路的整流原理：利用整流管和晶閘管的單相導電開 關特性，構成輸出單一的電力變 換電路，從而將輸入的交流電能 轉換為輸出的直流電能。整流電路通常由整流變壓器 將電源電壓變換為適宜的電壓 幅值，為負載提供需要的直流電 壓及合理的電壓調整范圍。整

10、流電路的基本類型對于n相半波整流電路而 言，共有n條整流工作回路，各 回路中均含有一個開關元件。n 條整流工作回路的電源電壓有 一定的相序，相鄰兩條整流工作 回路的電源電壓相位差均為2 n /n半波整流電路的電源變壓器 次級繞組只通過單方向電流，變 壓器利用率低，且有的電路存在 直流磁勢，造成鐵芯直流磁化。對于n相(單相時n取2)橋 式整流電路而言，共有n( n-1) 條整流工作回路，各回路中均含 有二個開關元件。各整流工作回 路的電源電壓有一定的相序，相 鄰兩條整流工作回路的電源電 壓相位差均為2n/n(n-1)。在不可控整流電路中，整流 管將按電源電壓變化規律自然 換相，自然換相的時刻稱為

11、自然 換相點。對于共陰極組接法的半波 不可控整流電路而言，為高通電 路，即總是相電壓最高的一相元 件導通。所以，自然換相點在相 鄰兩相工作回路電源電壓波形 正半周交點，輸出電壓波形為電 源電壓波形正半周包絡線。基本概念1 從自然換相點計起，到晶閘 管門極觸發脈沖前沿為止的時 間間隔，以電角度表示，稱為控 制角a。在自然換相點給予觸發 時控制角a =0改變a便可以改 變輸出電壓波形和平均值。2 控制角a的有效變化范圍稱 為移相范圍，移相范圍決定于整 流電路的類型和負載性質。晶閘管在一個電源周期內的 導通時間，以電角度表示，稱為 導通角0,在可控整流電路的分 析中，應注意其移相范圍和導通 角0與控

12、制角a的關系。通過改變控制角a來調整輸 出電壓的稱為相位控制。觸發脈沖和主電路電壓在頻 率和相位上要有相互協調的配 合關系，稱為同步。1 電阻負載 特點：電壓、電流的波形形狀相同。2 電感性負載（主要指電 感與電阻串聯的電路） 特點： 負載電流不能突變，波形分為連 續和不連續兩種情況。3.反電勢負載（整流輸出供 蓄電池充電或直流電動機，即負 載有反電勢） 特點：只有當 輸出電壓大于反電動勢時才有 電流流通，電流波形也呈較大的 脈動。20 主要研究內容和步驟（重要）根據開關元件的理想開關特 性和負載性質，分析電路的工作 過程。根據電路工作過程得出波形 分析，包括輸出電壓ud、各晶閘 管端電壓uV

13、T、負載電流id、通 過各晶閘管電流iVT、變壓器次 級i2和初級電流i1等。3.在波形分析的基礎上，求得一 系列電量間的基本數量關系，以 便對電路進行定量分析。在設計 整流電路時，數量關系可作為選 擇變壓器和開關元件的依據。單相橋式與半波電路比較、a的移相范圍相等，均為0180 、輸出電壓平均值Ud是半波 整流電路的2倍；、在相同的負載功率下，流過 晶閘管的平均電流減小一半；、功率因數提高了 2倍。 單相全控橋式整流電路具有輸 出電流脈動小，功率因數高，變 壓器次級中電流為兩個等大反 向的半波，沒有直流磁化問題， 變壓器的利用率高。在大電感負載情況 下，a接近n 12時，輸出電壓的 平均值接

14、近于零，負載上的電壓 太小。且理想的大電感負載是不 存在的，故實際電流波形不可能 是一條直線，而且在a= n之前， 電流就出現斷續。電感量越小， 電流開始斷續的a值就越小。失控現象與續流二極管 當控制角突然增大至180或 觸發脈沖丟失時，會發生一個晶 閘管持續導通而兩個二極管輪 流導通的情況，這使ud成為正 弦半波，即半周期ud為正弦， 另外半周期ud為零，其平均值 保持恒定，稱為失控。為了防止失控的發生，必須消 除自然續流現象：必須加續流二 極管，以提供一條通路。有續流二極管 VDR時，續流 過程由VDR完成，晶閘管關斷， 避免了某一個晶閘管持續導通 從而導致失控的現象。同時，續 流期間導電

15、回路中只有一個管 壓降，有利于降低損耗。應當指 出，實現這一功能的條件是VDR 的通態電壓低于自然續流回路 開關元件通態電壓之和，否則不 能消除自然續流現象，關斷導通 的晶閘管。實現有源逆變的條件為： 一是負載側有一個提供直流電 能的直流電動勢，電動勢的極性 對晶閘管而言為正向電壓，在整 流回路交流電源電壓為負期間， 提供晶閘管維持導通的條件；二 是要求變流器控制角a n /2使 變流器輸出電壓極性為負且維 持電流連續，提供改變能流方向 的條件。逆變失敗（逆變顛覆）變流器為逆變工作狀態時，若發 生換相失控，就會導致外接電動 勢通過晶閘管形成短路，或者發 生輸出平均電壓和外接電動勢 順向串聯形成

16、短路，這種情況稱 為逆變失敗或稱為逆變顛覆。逆變失敗的原因（1）觸發電路工作不可靠，不 能適時、準確地給各晶閘管分配脈沖，如脈沖丟失、脈沖延時 等，致使晶閘管 不能正常換相。（2 ）晶閘管發生故障，該斷時 不斷，或該通時不通。（3）交流電源缺相或突然消失。（4 ）換相的裕量角不足，引起 換相失敗。晶閘管相控觸發電路中，實 現觸發脈沖隨控制信號變化作 相位移動的控制為移相控制。延時移相控制方法由同步環 節提供自然換相點，再由自然換 相點開始計時，以控制 角對應 的延時時間確定觸發脈沖產生 的時刻。垂直移相控制方法：應用條件 是具有一個與主電路同步、在移 相范圍內單調變化的周期性移 相信號電壓Us

17、y。線性垂直移相控制方法：移相 信號電壓Usy在移相范圍內線 性變化。余弦交點移相控制方法：移相 信號電壓usy在移相范圍內余弦 變化。在各種相控變流電路中，晶 閘管觸發脈沖前沿對應的控制 角a是以晶閘管的自然換相點為 計量起點的角度。自然換相點則 決定于加在晶閘管兩端的交流 電源電壓。因此為保證正確的相 位關系，實現同步觸發控制，在 觸發電路中必須引入與電網電 壓嚴格同步的基準信號，稱為同 步信號。（1）.獨立同步海個SCR都有相對 獨立的相控觸發電路。為使各晶 閘管具有相同的控制角，各相觸 發電路采用同一控制電壓進行 移相控制。（2）.按相同步：利用全控橋式變流 電路中同一相的兩個 SCR

18、的自 然換相點相差1800的特點，每相設置一個觸發電路。為實現三 相主電路工作的對稱性，要求三 相移相控制的一致性，故三相觸 發電路由同一個控制電壓控制。.單相同步：利用各SCR自然 換相點間有固定的相位關系特 點，用一個元件的同步電路準確 提供各元件的自然換相點。26 .對相控觸發電路的基本要求觸發電路的觸發信號必須在 晶閘管門極伏安特性的可靠觸 發區。同時要求脈沖功率不超過 允許瞬時最大功率限制線和平 均功率限制線。觸發脈沖應具有一定的寬度， 觸發脈沖消失前，陽極電流應能 上升至掣住電流，保證晶閘管可 靠開通。觸發脈沖應滿足晶閘管電路 的工作要求。觸發脈沖與主電路電源電壓 必須同步，并保持

19、與工作狀態相 適應的相位關系。觸發電路應保證變流電路各元件觸發脈沖的對稱性。相控觸發電路應采取電磁兼 容技術措施，防止因各方面的電 磁干擾而出現失控。27.變頻器先將固定頻率和電壓 的交流電能整流為直流電能，再 將直流電能變換為頻率和電壓 符合要求的交流電能，供負載使 用。AC 輸H整流器DC 濾波器DC 一逆變器AC輸岀整流器:將固定頻率和電壓的交 流電能整流為直流電能，可以是 不可控的，也可以是可控的。 濾波器:將脈動的直流量濾波成 平直的直流量，可以對直流電壓 濾波(用電容),也可以對直流電 流濾波(用電感)。因為逆變器的 負載為異步電動機，屬于感性負 載，無論電動機處于電動或發電 制動

20、狀態，其功率因數總不會為 1,總會有無功功率的交換，要 靠中間直流環節的儲能元件來 緩沖。逆變器:將直流電能逆變為交流 電能,直接供給負載,它的輸出頻 率和電壓均與交流輸入電源無 關，稱為無源逆變器。它是變頻器 的核心。28 變頻器常用的調壓方法 可控整流器調壓：根據負載對變 頻器輸出電壓的要求，通過可控 整流器實現對變頻器輸出電壓 的調節。直流斬波器調壓：采用不可控整 流器，保證變頻器電源側有較高 的功率因數，在直流環節中設置 直流斬波器完成電壓調節。逆變器自身調壓：采用不可控整 流器，通過逆變器自身的電子開 關進行斬波控制，使輸出電壓為 脈沖列。改變輸出電壓脈沖列的 脈沖寬度，便可達到調節

21、輸出電 壓的目的。這種方法稱為脈寬調 制(PulseWidthModulation-PWM).PWM根據調制波形的不同，可 分為：單脈沖調制：在輸出電壓波形的半周期內只有一個脈沖。多脈沖調制：在輸出電壓波形的 半周期內有多個脈沖。正弦波脈寬調制：在輸出電壓波 形的半周期內為多脈沖調制，而 且每個脈沖的寬度按正弦規律 變化。變頻器中逆變器的基本類型按直流輸入端濾波器分類 電壓型逆變器：中間直流環節采 用大電容作為濾波器，逆變器的 輸入電壓平直且電源阻抗很小， 類似于電壓源。電流型逆變器：中間直流環節采 用大電感作為濾波器，逆變器的 輸入電流平直且電源阻抗很大， 類似于電流源。按電子開關的開關頻率

22、分類.180導電型逆變器：三相逆變 器的6個電子開關按順序相差 60導通，每個開關導通180。任 何時候都有3個開關導通，換流 在同一相的兩個橋臂上進行。其 輸出電壓波形與負載的功率因數無關。.120導電型逆變器：三相逆變 器的6個電子開關按順序相差 60導通，每個開關導通120。任 何時候都有2個開關導通，換流 在同一組的相鄰橋臂上進行。其 輸出電壓波形受與負載的功率 因數影響電壓型逆變器特點：（1）直流側接有大電容，相當 于電壓源，直流電壓基本無脈 動，直流回路呈現低阻抗狀態。（2）由于直流電壓源的箝位作 用，交流側電壓波形為矩形波， 與負載阻抗角無關，而交流側電 流波形因負載阻抗角的不同

23、而 不同，其波形接近三角波或正 弦波。（3）當交流側為電感性負載時 需提供無功功率，直流側電容起 緩沖無功能量的作用。為了給交 流側向直流側反饋能量提供通 道，各臂都并聯了續流二極管。（4）變頻電路從直流側向交流側傳送的功率是脈動的，因直流電壓無脈動，故功率的脈動是 由直流電流的脈動來體現的。（5）當變頻電路的負載是電動 機時，如果電動機工作在再生制 動狀態，就必須向交流電源反饋 能量。因直流側電壓方向不能改 變，只能靠改變直流電流的方向 來實現，這就需要給電路再反并 聯一套變頻橋， 這將使電路變 得復雜。電流型逆變器特點：（1）直流側接有大電感，相當 于電流源，直流電流基本無脈 動，直流回路

24、呈現高阻抗狀（2）由于各開關器件主要起改 變直流電流流通路徑的作用， 故交流側電流為矩形波，與負載 性質無關， 而交流側電壓波形 因負載阻抗角的不同而不同。（3）直流側電感起緩沖無功能 量的作用，因電流不能反向，故 可控器件不必反并聯二極管。當變頻電路的負載為電動 機時，若變頻電路中的交 一直變 換是可控整流時，則可很方便地 實現再生制動，不需另加一套變 頻橋。開關(1).硬開關：開關器件在其端電壓 不為零時開通(硬開通) ，在 其電流不為零時關斷(硬關斷)， 硬開通、硬關斷統稱為硬開關。特點：開關的開通和關斷過 程伴隨著電壓和電流的劇烈變 化。產生較大的開關損耗和開關 噪聲。.軟開關：開關器

25、件在開通過 程中端電壓很小，在關斷過程中 其電流也很小，這種開關過程的 功率損耗不大，稱之為軟開關。特點：不存在電壓和電流的 交迭。降低開關損耗、開關噪聲。 提高開關頻率。(1).單相半波電路R負載：o 角的有效移相范圍為OW a，史In通角為0 =n a晶閘管可能承受的最大 電壓為：U m =、2U 2整個電路只有一個等效 工作回路，兩種工作狀態，三個 階段.單相半控橋RL負載淀量 計算：滿足假設3 LF時，id= ld=Ud/ R 。晶閘管可能承受的最大 電壓為：Um =、2U 2有三個等效工作回路(兩個整流回路，一個續流回 路)電路工作分為電流斷續與電 流連續兩種情況，電流斷續時有 四種

26、工作狀態，電流連續時有三 種工作狀態。U d = 2U 2 (1 cos ： ) = 0.9U 21 8S (3-64)兀2定量計算：滿足假設3 L時，id= Id=Ud/ R 。.三相半波整流R負載有三個等效工作回路輪流工作，對于共陰極接法，自然 換相點在st= n/6處(按前面假 設a相的初始相位為0)，每個自 然換相點相差2n/3，因此，每 個晶閘管的觸發脈沖也相差2 n /3有效移相范圍0 a 5 n 以a = n /6為分界，當a n /6時為電流 斷續。電流連續時電路有三種工 作狀態，電流斷續時電路有四種 工作狀態。電流連續(a n的定量計 算：id=ud/R.晶閘管上最大電壓 為

27、U m = 、 6U 2導通角 9 =(5 n /6) a.三相半波整流RL負載 帶有續流二極管的情況：當 aWn時續流二極管不工作，電 路工作過程與無續流二極管時完全相同。當an/6時，續流二極管工作， 每個電源周期續流三次，故續流 二極管的導通角為9 VDR=3( a-on /6)輸出電壓ud的波形與純電阻負 載時一樣，故Ud的計算也一樣。 續流二極管工作時晶閘管關斷， 故晶閘管的導通角為9 VT=(5 n /6) o - a續流二極管承受的最大電壓為、一 2U 2三相全控橋式的觸發方式按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60 o共陰極組VT1、VT3、VT5

28、的脈 沖依次差 120、VT6、VT2也依次差 120 o同一橋臂的二個元件，即VT1與 VT4 , VT3 與 VT6 , VT5 與 VT2， 脈沖相差.。.三相全控橋式電路RL負 載三相橋式電路有六個工作回路 輪流工作，電流比較容易連續， 故只考慮電流連續的情況。電流 連續的必要條件是：an/2 六個工作回路的自然換相點，從 相電壓圖上看，在相電壓的交點 處；從線電壓圖上看，是對應整 流回路的線電壓瞬時值變為最 高的時刻。當a n /3時，ud 波形中出現負的部分；當a =n /2 時，ud中正、負兩部分包圍的 面積相等。晶閘管承受的最大電壓為 u”6U2 .有效移相范圍0 a (2 n

29、 /3).三相全控橋式電路R負 載三相橋式電路有六個工作回路 輪流工作，id=ud/R當aWn時， 電流連續，有關電壓波形與RL由于電感的儲能作用，在整流回 路電源電壓瞬時下降為u2 n時3每個工作回路導通時 間為(2 n/3)- a晶閘管每個電源 周期導通二次/導通角為e VT=2 (2 n /3)- a三相半控橋式整流電路 應注意的幾個問題：1晶閘管要觸發后才能換流，二 極管則自然換流。只要a0六個等效回路的工 作時間就不一樣。如果共陽極組為二極管，則共 陽極端的電位與a、b、c三點電 位中最低的那一點相同。電感負載時必須接續流二極管，以防止失控。. RLE負載中電感L的作用電感的自感電勢可提供正向電 壓，整流回路將繼續維持導通狀 態直至電流id下降為零自然關 斷或電路換相為止。延長了整流回路晶閘管導通時間，使負載電流id平穩。在u20且id上升期間，由電源 提供能量，供電感儲能及電動勢 做功。在u20且id下降期間，由電源 提供能量及電感釋放能量，供電 動勢做功。在u2的條件下，受電感L 的影響R，可視為id =Id ;