1、电力电子技术第1章 整流电路第1章 整流电路 1.1功率二极管 1.2晶闸管 1.3单相可控整流电路 1.4晶闸管简单触发电路 1.5三相可控整流电路 1.6可控整流电路的换相压降 1.7晶闸管的保护 1.8晶闸管相控触发电路 1.9触发脉冲与主电路电压的同步1.1功率二极管功率二极管（又称电力二极管）在 20世纪 50年代获得应用。因其结构简单，功能实用，一直用到现在。功率二极管在许多电力电子电路中都有着广泛的应用。1.1.1功率二极管的结构1.1.2功率二极管的特性与参数1.1.3功率二极管类型与使用1.1.1功率二极管的结构功率二极管的外形、结构和电气符号，如图1-1所示。图1-1功率二
2、极管的外形及电路符号 1.1.2功率二极管的特性与参数 1功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性曲线如图1-2所示。2 功率二极管的开关特性功率二极管的开关特性(1)关断特性关断特性是指功率二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态的特性，关断过程中电压、电流的波形如图1-3(a)所示。(2)开通特性开通特性是指功率二极管由零偏置转换为正向偏置的通态的特性。开通过程的电压、电流波形如图1-3(b)所示。图1-2功率二极管伏安特性曲线 图1-3功率二极管的开关特性(a)关断特性 (b)开通特性3功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数(1)正向平均电流IF（AV）（额定电流
3、）计算的公式如下，其中IF为流过管子的额定电流有效值：(1-1)(2)反向重复峰值电压URRM（额定电压）计算时按二极管可能承受的最高反向峰值电压的两到三倍来选取二极管的定额。即 URRM=（23）UDM (1-2)取相应标准系列值。(3)正向通态压降UF(4)反向恢复时间trr(5)最高允许结温TJm(6)正向浪涌电流IFSM1.1.3功率二极管类型与使用1功率二极管的类型功率二极管的类型功率二极管在电路中有整流、续流、隔离、保护等作用。因功率二极管按照正向压降、反向耐压、反问漏电流等性能不相同，特别是反向恢复特性的不同，所以应根据不同场合的不同要求选择不同类型的功率二极管。当然，从根本上讲
4、，性能上的不同都是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。(1)普通二极管。(2)快恢复二极管。(3)肖特基二极管功率二极管使用功率二极管使用功率二极管使用注意事项(1)必须保证规定的冷却条件，如强迫风冷或水冷。如果不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的13左右。(2)平板型元件的散热器一般不应自行拆装。(3)严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查整机的耐压时，应将元件短接。1.2晶闸管晶闸管是一种既具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。由于它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，因而在生产实际中获得
5、了广泛的应用。1.2.1晶闸管的结构1.2.2晶闸管的工作原理1.2.3晶闸管的伏安特性1.2.4晶闸管的简单测试1.2.5晶闸管的主要参数1.2.1晶闸管的结构晶闸管全称晶体闸流管，也称可控硅，简称SCR。是用N型单晶硅片，按一定的工艺要求，分别进行扩散及烧结处理后，形成PNPN四层结构的一种半导体器件，其外形和电气符号如图1-4所示。晶闸管有3个引出电极，分别称为阳极A、阴极K和门极G（也称控制极）。图1-4 晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形(a)晶闸管外形(b)内部结构 (c)电气图形符号 (d)模块外形1.2.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理分析如图1-5所示。当晶闸管
6、的阳极和阴极间加反向电压时，不管控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。如果控制极加反向电压，无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。晶闸管导通必须同时具备两个条件：（1）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。图1-5晶闸管导通实验电路图1.2.3晶闸管的伏安特性晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为晶闸管伏安特性，正确使用晶闸管必须要了解其伏安特性。如图1-6所示为晶闸管伏安持性曲线，包括正向特性(第一象限)和反向特性(第三象限)两部分。图1-6中各物理量的含义如下：UDRM、URRM正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM正、反向断
7、态不重复峰值电压；UBO正向转折电压；URO反向击穿电压。图1-6晶闸管伏安特性曲线 1.2.4晶闸管的简单测试晶闸管的简单测试是指从外观判断或用普通的万用电表去鉴别其3个电极以及简单判断晶闸管质量的好坏情况。螺栓式晶闸管的3个电极，在外形上有明显的区别，即螺栓为阳极A，粗辫子导线为阴极K，细辫子导线为门极G。平板式晶闸管的3个电极，除门极导线外，阳极和阴极难从外形区分。具体测试方法如图1-7所示。图1-7晶闸管的现场简易测试1.2.5晶闸管的主要参数1晶闸管的电压参数晶闸管的电压参数(1)断态不重复峰值电压UDSM(2)断态重复峰值电压UDRM(3)反向不重复峰值电压URSM(4)反向重复峰
8、值电压URRM(5)额定电压(6)通态平均电压UT（AV）2晶闸管的电流参数晶闸管的电流参数(1)通态平均电流IT（AV）现定义电流波形的有效值与平均值之比称为该波形的波形系数用Kf表尔。如整流电路直流输出负载电流id的波形系数为流过晶闸管电流的波形系数为dfIIK负载电流有效值负载电流平均值dTTfTIIK晶闸管电流有效值晶闸管电流平均值正弦半波电流波形系数正弦半波电流波形系数Kf应有应有57.1/2/)(mmavTTfIIIIK57.157.1TdfTavIIKI57.1)25.1(dfTavIKIfTavdKII25.157.1实际选用时，一般取1.52倍的安全裕量 计算流过该晶闸管任意
9、波形允许的电流平均值 根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流的有效值IT或平均值Id折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值(2)维持电流IH(3)掣住电流IL(4)断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR(5)浪涌电流ITSM3动态参数动态参数(1)断态电压临界上升率du/dt(2)通态电流临界上升率di/dt(3)开通时间tON如图1-8所示。(4)关断时间tOFF如图1-9所示。图1-8门极控制开通时间 图1-9晶闸管电路换向关断时间1.2.6晶闸管的型号1.3单相可控整流电路 1.3.1单相半波可控整流电路 1.3.2单相全控桥式整流电路 1.3.3单相半控
10、桥式可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路1电阻性负载电阻性负载应用：电炉、电解、电镀、电焊及白炽灯等。特点是：负载两端的电压和流过负载的电流成一定的比例关系，且两者的波形相似；负载电压和电流均允许突变。图1-10为单相半波相控整流电路及波形图。图1-10单相半波相控整流电路及波形(a)电路图 (b)波形图控制角控制角 晶闸管的导通角晶闸管的导通角。整流输出电压平均值整流输出电压的有效值电路的功率因数为 2cos145.0)(sin22122UttdUUd242sin)()sin2(21222UtdtUU整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为 电流的波形系数 Kf)cos1(2)(22s
11、in2cos12242sindfIIKRUI RUIdd42sin2cos222IUUIIUUISP2电感性负载及续流二极管电感性负载及续流二极管应用：电机的励磁线圈、滑差电动机电磁离合器的励磁线圈以及输出电路中串接平波电抗器的负载。电感性负载不同于电阻性负载，为了便于分析，通常将其等效为电阻与电感串联，如图1-12（a）所示。其波形如图1-12（b）所示。为了使u2过零变负时能及时地关断晶闸管，使ud波形不出现负值，又能给电感线圈Ld提供续流的旁路，可以在整流电路输出端并联二极管VD，如图1-13（a）所示。其波形如图1-13（b）所示。图1-12 单相半波电感性负载电路波形图(a)电路图
12、(b)波形图图1-13 当LdRd时的电流波形图(a)电路图 (b)波形图流过晶闸管的电流平均值为 流过续流二极管的电流平均值为流过晶闸管与续流二极管的电流有效值分别为 晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为 U2。dTddTIII22dDdDII22dTdTIII22dDdDIII2221.3.2单相全控桥式整流电路1电阻性负载电阻性负载图1-15（a）为单相桥式全控整流电路，输出整流电压ud、电流id及晶闸管两端电压uT的波形如图1-15（b）所示。晶闸管承受的最高反向电压为-U2。当晶闸管都处在未被触发导通期间，每个元件承受的电压等于 U2/2 22图1-15单相全控桥电阻性负载(a
13、)电路图 (b)波形图整流输出直流电压Ud 整流输出直流电流(负载电流)Id为 负载电流有效值I与交流输入(变压器二次侧)电流I2相同为 晶闸管电流平均值，有效值，电路功率因数为 2cos19.0)(sin2122UttdUUd2cos19.02ddddRURUI2sin21sin212222ddRUtdRtUIIddTII21IIIT212122sin21cos222UUIUUISP2电感性负载电感性负载图1-16（a）为单相桥式全控整流电路带电感性负载时的电路。图1-16（b）为输出负载电压ud负载电流id 的波形及uT1的波形。ud的波形出现了负半波部分id，的波形则是连续的近似的一条直
14、线。由流过晶闸管的电流iT波形及负载电流id的波形可以看出，两组管子轮流导通，且电流连续，故每只晶闸管的导通时间较电阻性负载时延长了，导通角=与 无关。图1-16 大电感负载的单相全控桥式整流电路及波形(a)电路 (b)不接续流管时波形090 输出电压平均值Ud 直流输出电流的平均值Id 流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为流过变压器二次侧绕组的电流有效值 晶闸管可能承受的正反向峰值电压为cos9.0cos22)(sin21222UUttdUUdcos9.02ddddRURUIddTII21dTII21dII222UUTM为了扩大移相范围，且去掉输出电压的负值，提高U的值，可以在负载两端并联
15、续流二极管，如图 1-17所示。接了续流二极管后，的移相范围可以扩大到0180。下面通过一个例题来说明全控桥电路接了续流二极管后的数量关系。图1-17单相桥式全控整流电路带电感性负载加续流二极管 3反电动势负载反电动势负载被充电的蓄电池、正在运行的直流电动机的电枢（忽略电枢电感）等这类负载本身是一个直流电源，对于可控整流电路来说，它们是反电动势负载，其等效电路用电动势E和负载回路电阻Rd（电枢电阻）表示，负载电动势的极性如图1-19所示。整流输出电压的平均值为电流的平均值和有效值tdEtUEUd)sin2(12tdREtUIdsin212tdREtUIsin212图1-19单相全控桥反电动势负
16、载电路22arcsinUE导电角导电角 图1-20单相桥式全控整流电路反电动势负载串平波电抗器后的临界连续电压、电流波形图1-20所示为单相桥式全控整流电路反电动势负载串平波电抗器后的临界连续电压、电流波形。1.3.3单相半控桥式可控整流电路在阻性负载下，单相桥式半控电路和单相全控电路的ud、id、i2等波形相同，因而一些计算公式也相同。在感性负载下，在u2正半周内，VD2导通，VT1通过L、R、VD2承受电源正电压，uTu2。当t时触发VT1，VT1导通后，电流从u2正端流出，经VT1、L、R、VD2回到u2负端。当t时，因D2导通，T1阻断，所以uT20；当t时，VT1导通，则uT2-u2
17、，此时VD1始终通过VD2承受电源的反向电压即uD1-u2。图1-21 单相半控桥式整流电路大电感负载电路及波形图1-22单相半控桥大电感负载接续流管时电路及波形1.4晶闸管简单触发电路晶闸管相控整流电路，通过控制触发角的大小即可控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。1.4.1对触发电路的要求1.4.2单结晶体管触发电路1.4.1对触发电路的要求1、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。常见触发脉冲信号波形如图1-23所示。2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3、触发脉冲应有
18、一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。强触发的电流波形如图1-24所示。4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。5、触发脉冲输出隔离和抗干扰图1-23 常见触发脉冲信号波形图1-24 强触发电流波形1.4.2单结晶体管触发电路 单结晶体管触发电路具有结构简单、调试方便、脉冲前沿陡、抗干扰能力强等优点，广泛应用于50A以下中小容量晶闸管的单相可控整流装置中。1单结晶体管的结构与特性单结晶体管的结构与特性 1)单结晶体管的结构 单结晶体管的结构、等效电路及符号如图1-25所示。2)特性与单结晶体管振荡电路 将管
19、子接成图1-26试验电路，图1-25单结晶体管(a)结构示意图 (b)等效电路 (c)图形符号 (d)外形管脚排列图1-26 单结晶体管试验电路利用万用表可以很方便地判别单结晶体管的极性和好坏。根据PN结原理，选用Rlk电阻挡进行测量。单结晶体管e和b1极或e和b2极之间的正向电阻小于反向电阻，一般r b1r b2，而b2和b1极之间的正、反向电阻相等，约为3l0k。只要发射极判别对了，即使b2和b1接反了，也不会烧坏管子，只是没有脉冲输出或输出的脉冲幅度很小，这时只需把b2和b1调换即可。2单结晶体管自激振荡电路单结晶体管自激振荡电路利用单结晶体管的负阻特性及RC电路的充放电特性，可组成单结
20、晶体管自激振荡电路，产生频率可变的脉冲，电路如图1-27（a）所示。在R1上便得到一系列的脉冲电压ug。由于放电回路电阻远小于充电回路电阻，故uc为锯齿波，而R1上输出的是前沿很陡的尖脉冲，如图1-27（b）所示。图1-27单结晶体管振荡电路与波形3简单单结管触发电略简单单结管触发电略图1-28是一个单结晶体管触发电路。单结晶体管触发电路的各点波形如图1-28(b)所示。4单结管移相触发电路单结管移相触发电路图1-29所示为一实用的单结管触发电路。图1-28 单结晶体管触发电路原理图(a)电路图 (b)单结晶体管触发电路各点的电压波形（90）图1-29实用单结管移相触发电路1.5三相可控整流电
21、路 1.5.1三相半波可控整流电路 1.5.2三相全控桥式整流电路 1.5.3三相桥式半控整流电路1.5.1三相半波可控整流电路1三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路图1-30(a)为利用二极管作整流元件的不可控整流电路图，变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星形，二次侧接一个公共零点“0”，它与负载一端相连，所以三相半波电路又称三相零式电路。图1-30(b)虚线画出相电压ua、ub、uc对零点的电压波形，它们相位各差120，图中U2为整流变压器二次侧相电压有效值。图1-30(c)画出了二次侧线电压uab、uac波形。图1-30电阻负载三相半波不可控整流电路(a)不可控整流电路图 (b)
22、相电压波形 (c)线电压波形图1-30电阻负载三相半波不可控整流电路(a)不可控整流电路图 (b)相电压波形 (c)线电压波形二极管换相发生在三相相电压的交点t1、t2、t3处，把这些点称为自然换相点（也称自然换流点）。2三相半波相控整流电路三相半波相控整流电路图1-31为三相半波相控整流电路及波形。由于三相整流在自然换流点之前晶闸管承受反压，因此自然换流点是晶闸管控制角的起算点（=0）。(1)电阻性负载当=0时触发脉冲在自然换流点出现，电路工作情况与二极管整流时一样，若增大控制角，输出电压的波形发生变化。当=18时，输出电压ud 波形对应的触发脉冲ug如图1-31（c）所示，各相触发脉冲的间
23、隔为 120。自然换流点是晶闸管控制角的起算点（=0）。当30 时，负载电流连续，各相晶闸管每周期轮流导电120，即导通角T120。当30时，负载电流断续，=150 移相范围为移相范围为0150 26U图1-31电阻负载的三相半波相控整流电路及波形图输出电压平均值Ud 负载电流的平均值流过每个晶闸管的平均电流 通过每个晶闸管的电流有效值为当30 时当30 150 时 )300(cos17.1)(sin23/2122656oodUttdUU)15030(3)30cos(117.1)(sin23/21000262UttdUUddddRUI ddTII312cos2332212dTRUI2sin41
24、2cos4365212dTRUI(2)大电感负载图1-32 大电感负载时三相半波相控整流电路及波形(a)电路图 (b)波形图的移相范围为的移相范围为0 90 晶闸管所承受的最大正、反向电压均为线电压的峰值26U 26U整流输出电压的平均值负载电流的平均值流过晶闸管的电流平均值和有效值：cos17.1)(sin23/2126562UttdUUdCOSRURUIdd217.1ddTII31dTII313共阳极接法三相半波相控整流电路共阳极接法三相半波相控整流电路图1-33 共阳极三相半波相控整流电路及波形1.5.2三相全控桥式整流电路在工业生产上广泛应用的是三相桥式全控整流电路，此电路相当于一组共
25、阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。其电路如图1-34(a)所示。图1-34(b)(e)为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在0时的电流电压波形。图1-34三相桥式全控整流电路(a)电路图 (b)波形图（0）图1-35 三相桥式全控整流电路电压波形(0)整流输出电压的平均值为三相全控桥式整流电路带大电感负载时的移相范围为090。00222323900cos34.2cos63)(sin63/1UUttdUUd1.5.3三相桥式半控整流电路电路如图314(a)所
26、示。它是把全控桥中共阳极组的3个晶闸管换成整流二极管，因此它具有可控和不可控两者的特性。其显著特点是共阴极组元件必须触发才能换流；共阳极元件总是在自然换流点换流。一周期中仍然换流6次，3次为自然换流，其余3次为触发换流，这是与全控桥根本的区别。图1-36三相桥式半控整流电路与电压波形1.6可控整流电路的换相压降 1.6.1换相期间的输出电压 1.6.2可控整流电路的外特性1.6.1换相期间的输出电压图1-37 考虑变压器漏抗的可控整流电路及其电压、电流波形(a)电路原理图 (b)输出波形图1.6.2可控整流电路的外特性图1-38考虑变压器漏抗时的可控整流电路特性1.7晶闸管的保护 1.7.1过
27、电压保护 1.7.2过电流保护 1.7.3电压与电流上升率的限制1.7.1过电压保护1晶闸管的关断过电压及其保护由于晶闸管换相关断时所产生的过电压叫关断过电压、如图1-39所示。关断过电压保护最常用的方法是，在晶闸管两端并接RC吸收电路，如图1-40所示。图1-39晶闸管关断过电压波形图1-40用阻容器吸收电路抑制关断过电压2晶闸管交流侧过电压及其保护晶闸管交流侧过电压及其保护1）交流侧操作过电压保护阻容吸收电路的几种接线方式如图1-41所示。2)交流侧浪涌过电压保护金属氧化物压敏电阻是目前大量采用的一种新型的非线性过电压保护元件。金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件
28、，具有正、反向相同的、很陡的伏安特性，如图1-42所示。保护接线方式如图1-43所示。图1-41交流侧阻容吸收电路的几种接法图1-42压敏电阻的伏安特性图1-43压敏电阻的几种接法(a)单相连接 (b)三相Y连接 (c)三相D连接3直流侧保护直流侧保护 变流装置输出接有感性负载(平波电抗器，直流电机绕组等)，当电路闭合时不会产生过电压，但当桥臂上整流元件进行过电流保护的快速熔断器熔断时(图1-44)，贮存在负载中的磁场能量突然释放，就会在直流输出端A、B间产生过电压。另外当变流装置过载，直流快速开关或熔断器切断过载电流时(图1-45)，整流变压器贮能的突然释放也会产生过电压。图1-44快速熔断
29、器熔断时引起过电压 图1-45直流开关S跳闸引起过电压 1.7.2过电流保护发生过电流的原因有多种。在整流装置内部的原因有晶闸管损坏，触发电路和控制系统故障等。外部原因主要有负载过载，晶闸管装置直流侧短路。交流电源电压过高或过低、电源缺相、可逆系统中产生环流和逆变失败等。由于晶闸管的电流过载能力低，必须采取必要的过电流保护措施，保证晶闸管装置可靠安全地运行。晶闸管装置可能采用的过电流保护措施如图1-46所示。图1-46晶闸管装置可能采用的过电流保护措施A-交流进线电抗器 B-电流检测和过流继电器C、D、E-快速熔断器 F-过流继电器 G-直流快速开关1.7.3电压与电流上升率的限制1电压上升率
30、的限制电压上升率的限制2电流上升率的限制电流上升率的限制限制电流上升率同限制电压上升率的方法相同，即：(1)串接进线电感；(2)采用整流式阻容保护；(3)增大阻容保护中电阻值可以减小电流上升率，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。除此以外，还可以在每个晶闸管支路中串入一个很小的电感器，来抑制晶闸管导通时的正向电流上升率 1.8晶闸管相控触发电路 1.8.1正弦波同步触发电路 1.8.2同步信号为锯齿波的触发电路 1.8.3集成触发器 1.8.4数字触发电路1.8.1正弦波同步触发电路图1-47正弦波移相触发电路图1-48 正弦波触发电路各点波形1.8.2同步信号为锯齿波的触发电路图1-4
31、8 锯齿波同步移相触发电路图1-50 锯齿波触发电路各点波形1.8.3集成触发器1KC04移相集成触发器移相集成触发器KC04移相集成触发器是具有16个引脚的双列直插式集成元件，主要用于单相或三相全控桥式装置。其内部电路图如图1-51所示。KC04电路各引脚电压波形如图1-52所示。2KC41C六路双脉冲形成器六路双脉冲形成器KC4lC是一种六路双脉冲形成器件，用一块KC4lC与三块KC04(或KC09)可组成三相全控桥双脉冲触发电路，输出六路双脉冲触发信号。KC4lC的内部电路如图1-53（a）所示。KC4lC与KC04组成的三相全控桥双脉冲触发电路如图1-54所示。图1-51 KC04内部
32、电路图图1-52 KC04各点电压波形图1-53 KC41C六路双窄脉冲形成器（a）内部原理电路 （b）外形端子排列图1-53三相全控桥集成触发电路1.8.4数字触发电路图1-54数字式移相触发原理框图1.9触发脉冲与主电路电压的同步 1.9.1触发电路同步电源电压的选择 1.9.2防止误触发的措施1.9.1触发电路同步电源电压的选择同步，是指触发电路工作频率与主电路交流电源的频率应当保持一致，且每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持合适的相位关系。以三相全控桥式电路来说明，图1-55（a）为其主电路。电网电压UA1、UB1、UC1经整流变压器TR供给整流桥，对应三相电压为UA、UB
33、、Uc，波形如图1-56（b）所示。每一个触发电路的同步电压US与被触发晶闸管的阳极电压之间的相位关系，取决于主电路的不同形式、触发电路的类型、负载性质以及不同的移相要求。图1-55 触发脉冲与主电路的同步1.9.2防止误触发的措施采取以下抗干扰措施：1、由于晶闸管装置强弱电混于一体，因此装置的电气工艺布置需要认真考虑。2、触发器的电源采用静电屏蔽的变压器供电，取自电网的同步信号也必须采用有静电屏蔽的同步变压器隔离。3、在晶闸管门、阴极之间或在脉冲变压器二次侧输出端串并二极管、电阻、电容，有利于防干扰。通常在门、阴极之间并接0.010.1F的小电容，可有效吸收高频干扰；要求高的场合，可在门、阴
34、极之间加反向偏置电压。电力电子技术第2章 有源逆变电路第2章 有源逆变电路在一般情况下，同一套晶闸管电路既可作整流又可作逆变，这种装置通常称为变流器，把变流器的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变为同频率的交流电返送到交流电网上，称为有源逆变。2.1 有源逆变电路的工作原理2.2 三相有源逆变电路2.3 有源逆变电路的应用2.1 有源逆变电路的工作原理 2.1.1 直流发电机-电动机系统电能的流转 2.1.2 有源逆变电路的工作原理 2.1.3 产生逆变的条件2.1.1 直流发电机-电动机系统电能的流转图2-1所示直流发电机一电动机系统中，M为直流电动机，G为直流发电机，励磁回路未画出。控制发电
35、机电势的大小和极性，可实现电动机四象限的运行状态。两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的部分流向电动势低的部分，由于回路电阻很小，即使很小的电动势差值也能产生大的电流，使两个电动势之间交换很大的功率，这对分析有源逆变电路是十分有用的。REEIGd图2-1 直流发电机-电动机之间电能的流转(a)两电动势同极性EG E (b)两电动势同极性E EG (c)两电动势反极性，形成短路REEIGdREEIGd2.1.2 有源逆变电路的工作原理 以卷扬机为例，由单相全波相控整流供电直流电动机作为动力，分析重物提升与下降两种工作情况。电路如图2-2所示（图中箭头方向表示参考方向，极性方向表示实际方向）
36、。addREUI图 2-2 全波相控电路的整流与有源逆变(a)提升重物 (b)放下重物整流工作状态整流工作状态 有源逆变工作状态有源逆变工作状态 addRUEI电路工作在逆变时的直流电压 由于逆变运行时/2，cos计算不方便，所以引入逆变角逆变角，令=-，故：coscos9.0)(sin21022ddUUttdUUcos)180cos(cos000dodddUUUU2.1.3 产生逆变的条件实现有源逆变必须同时满足两个基本条件：1外部条件外部条件要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压Ud。2内部条件内部条件要求变流器中晶闸管的控制角/2，这样
37、才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。2.2 三相有源逆变电路 2.2.1 三相半波有源逆变电路 2.2.2 三相全控桥有源逆变电路 2.2.3 逆变失败与最小逆变角的限制2.2.1 三相半波有源逆变电路图2-5（a）为三相半波电动机负载电路，电动机电动势E的极性符合有源逆变条件，当|E|Ud|且/2时，可实现有源逆变。变流器直流电压图2-5(b)为=/3时电压ud的波形，uT1波形如图2-5(c)所示。在图2-6中分别绘出控制角为/3、/2、2/3、5/6时输出电压ud的波形以及晶闸管VT1两端的电压波形。cos17.1coscos20UUUUdodd
38、图2-5 三相半波逆变电路图2-6 三相半波电路输出电压及晶闸管VT1两端的电压波形2.2.2 三相全控桥有源逆变电路输出直流电压的平均值 输出直流电流的平均值在逆变状态时，Ud和EM的极性都与整流状态时相反，均为负值。从交流电源送到直流侧负载的有功功率为：cos35.1cos34.222ldUUUREUIMdddMddIEIRP2图2-7 三相全控桥有源逆变电路的波形2.2.3 逆变失败与最小逆变角的限制1逆变失败的原因逆变失败的原因造成逆变失败的原因很多，主要有下列几种情况：（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲。（2）晶闸管发生故障，在应该阻断期间，器件失去阻断能力
39、，或在应该导通期间，器件不能导通，造成逆变失败。（3）在逆变工作时，交流电源发生缺相或突然消失。（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。如图2-8所示 图2-8 交流侧电抗对逆变换相过程的影响2确定最小逆变角确定最小逆变角min的依据的依据逆变时允许采用的最小逆变角应为：min2.3 有源逆变电路的应用 2.3.1由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转 2.3.2 采用两组变流桥的可逆电路 2.3.3交流电动机的串级调速 2.3.4高压直流输电2.3.1由晶闸管桥路供电、用接触器控制直流电动机的正反转图2-9为采用一组晶闸管组成的变流器给电动机电枢供电、用接触器控制的正反转电路。当晶闸
40、管桥路工作在整流状态，接触器KM1触点闭合时电动机正转；KM1断开KM2闭合时则电动机反转。当电动机从正转到反转时，为了实现快速制动与反转、缩短过渡过程时间以及限制过大的反接制动电流，可将桥路触发脉冲移到/2，即工作在逆变状态。在初始阶段KM1尚未断开，在电抗器中的感应电动势作用下，电路进入有源逆变状态，将电抗器中的能量逆变为交流能量返送电网。图2-9 用接触器反向的可逆电路2.3.2 采用两组变流桥的可逆电路两组变流桥反极性连接有两种供电方式，一种是两组变流桥由一个交流电源或通过变压器供电，称为反并联连接，常用的反并联电路如图2-10所示。当电动机磁场方向不变时，正转时由组桥供电；反转时由组
41、桥供电，采用反并联供电可使直流电动机在四个象限内运行。如图2-11所示。图2-10 两组晶闸管反并联的可逆电路（a）单相全波 （b）三相半波 （c）单相桥式 （d）三相桥式图2-11 反并联可逆系统四象限运行图2.3.3交流电动机的串级调速串级调速主电路如图2-12所示，逆变电压Ud为引入转子电路的反电动势，改变逆变即可改变反电动势大小，达到改变转速的目的。Ud是转子整流后的直流电压 图2-12 串级调速主电路原理图2.3.4高压直流输电图2-13(a)是在两个交流电力系统之间用高压直流输电连接的原理图。直流高压由晶闸管变流器串联来实现，如图2-13(b)所示，它的直流电压可达200 kV或5
42、00kV。图2-13 高压直流输电（a）高压直流输电的原理示意图 （b）高压直流输电电力电子技术第3 章 直流斩波电路3 直流斩波电路 3.1 全控电力电子器件 3.2 直流斩波工作原理 3.3 基本直流斩波电路 3.4 其他直流斩波电路 3.5 直流斩波电路应用 3.1.1可关断晶闸管 3.1.2电力晶体管 3.1.3功率场效应晶体管 3.1.4绝缘栅双极晶体管 3.1.5智能型器件IPM3.1.1可关断晶闸管门极可关断晶闸管简称GTO，是一种通过门极来控制器件导通和关断的电力半导体器件。GTO既具有普通晶闸管的优点（耐压高，电流大，耐浪涌能力强，价格便宜），同时又具有GTR的优点（自关断能
43、力，无需辅助关断电路，使用方便）。是目前应用于高压、大容量场合中的一种大功率开关器件。广泛应用于电力机车的逆变器、电网动态无功补偿和大功率直流斩波调速等领域。1GTO的结构与工作原理GTO的结构原理与普通晶闸管相似，为PNPN四层三端半导体器件，其结构、等效电路及符号如图3-1所示。图中A、G和K分别表示GTO的阳极、门极和阴极。其外形如图3-2所示。图3-1 GTO的结构、等效电路及符号(a)结构 (b)符号图3-2 GTO的外形图2GTO的主要特性的主要特性（1）阳极伏安特性逆阻型的阳极伏安特性如图所示。由图3-3可见，它与普通晶闸管的伏安特性极其相似。（2）通态压降特性GTO的通态压降特
44、性如图3-4。（3）开通特性开通特性是元件从断态到通态过程中电流、电压及功耗随时间变化的规律。如图3-5所示。（4）关断特性关断特性是指GTO在关断过程中的阳极电压、阳极电流和功耗与时间的关系，如图3-6所示。图3-3 GTO的阳极伏安特性图3-4 GTO的通态压降 图3-5 GTO的开通特性 图3-6 GTO的关断特性3GTO的主要参数的主要参数（1）最大可关断阳极电流IATO（2）关断增益 off（3）阳极尖峰电压UP 4GTO门极驱动要求门极驱动要求图3-7为理想门极信号波形，门极电压、电流包含正向开通脉冲和反向关断脉冲（1）导通触发（2）关断触发 GMATOoffII图3-7 GTO理
45、想门极信号波形5可关断晶闸管的测试可关断晶闸管的测试（1）可关断晶闸管电极的判定将万用表置于R10档或R100档，轮换测量可关断晶闸管的3个引脚之间的电阻，如图3-8所示。（2）判定可关断晶闸管的好坏用万用表R10档或R100档测量晶闸管阳极（A）与阴极（K）之间的电阻，或测量阳极（A）与门极（G）之间的电阻。如果读数小于1k，说明可关断晶闸管严重漏电，器件已击穿损坏。用万用表R10档或R100档测量测量门极（G）与阴极（K）之间的电阻。如正反向电阻均为无穷大（），说明被测晶闸管门极、阴极之间断路，该管也已损坏。图3-8 可关断晶闸管电极判别（3）可关断晶闸管触发特性测试如图3-9所示。将万用
46、表置于R1档，黑表笔接可关断晶闸管的阳极A，红表笔接阴极G悬空，这时晶闸管处于阻断状态，电阻应为无穷大（），如图3-9（a）所示。（4）可关断晶闸管关断能力的初步检测测试方法如图3-10所示。采用1.5V干电池一节，普通万用表一只。图3-9 可关断晶闸管触发特性简易测试方法图3-10 可关断晶闸管的关断能力测试3.1.23.1.2电力晶体管电力晶体管电力晶体管（GTR）是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管(BJT)。1GTR的结构和工作原理的结构和工作原理图3-11分别给出了NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号。图3-11 NPN型GTR的内部结构断面示意图和电气图形符号 (a)
47、内部结构断面示意图 （b）电气图形 2GTR的基本特性的基本特性(1)静态特性图3-12给出了GTR在共发射极接法时的典型输出特性（即集电极伏安特性），明显地分为我们所熟悉的截止区、放大区和饱和区三个区域。(2)动态特性图3-13给出了GTR开通和关断过程中基极电流和集电极电流波形的关系。图3-12 共发射极接法时GTR的输出特性图3-13 GTR的开通和关断过程电流波形3GTR的基本参数的基本参数(1)最高工作电压(2)集电极最大允许电流ICM(3)集电极最大耗散功率PCM 4GTR的二次击穿和安全工作区的二次击穿和安全工作区(1)二次击穿现象(2)安全工作区正向偏置安全工作区如图3-14(
48、a)所示。反向偏置安全工作区如图3-14(b)所示。图3-14 GTR安全工作区（a）正向偏置安全工作区 (b)反向偏置安全工作区3.1.3功率场效应晶体管1功率功率MOSFET的结构与工作原理的结构与工作原理图3-15 功率MOSFET的符号(a)N沟道 (b)P沟道2功率功率MOSFET的主要特性的主要特性（1）输出特性输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间关系的曲线族，如图3-16所示。（2）转移特性转移特性是在一定的漏极与源极电压UDS下，功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线。如图3-17(a)所示。图3-17(
49、b)所示为壳温TC对转移特性的影响。（3）开关特性功率MOSFET的开关波形如图3-18所示。图3-17 功率MOSFET的转移特性图3-16 功率MOSFET的输出特性图3-18 功率MOSFET开关过程的电压波形3功率功率MOSFET 的主要参数的主要参数（1）通态电阻Ron（2）开启电压UGS（th）（3）跨导gm（4）漏源击穿电压BUDS（5）栅源击穿电压BUGS4功率功率MOSFET的安全工作区的安全工作区（1）正向偏置安全工作区正向偏置安全工作区如图3-19所示。（2）开关安全工作区开关安全工作区SSOA表示功率MOSFET在关断过程中的参数极限范围，见图3-20。图3-19 正偏
50、安全工作区（FBSOA）的开关安全工作区图3-20 开关安全工作区（SSOA）5功率功率MOSFET栅极驱动的特点及其要求栅极驱动的特点及其要求功率MOSFET对栅极驱动电路的要求主要有：1）触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。2）开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。3）为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。4）功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也
