1、6 6 电力电子技术电力电子技术6.16.1电力电子器件电力电子器件6.26.2可控整流电路可控整流电路6.36.3逆变电路逆变电路目目 录录6 6 电力电子技术电力电子技术一、基本内容：一、基本内容：1.1.晶闸管的构造和工作原理晶闸管的构造和工作原理；2.2.全控型电力电子器件的工作原理；全控型电力电子器件的工作原理；3.3.单相可控整流电路的可控原理单相可控整流电路的可控原理；4.4.有源逆变电路的工作原理有源逆变电路的工作原理；5.5.无源逆变电路的工作原理。无源逆变电路的工作原理。1.1.了解晶闸管的基本构造、工作原理、特了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线和主要参数。性曲线和主
2、要参数。2.2.了解一些全控型电力电子器件的工作原了解一些全控型电力电子器件的工作原理。理。3.3.了解单相可控整流电路的可控原理和整了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形。流电压与电流的波形。4.4.了解有源逆变电路和无源逆变电路的工了解有源逆变电路和无源逆变电路的工作原理。作原理。二、教学要求：二、教学要求：6 6 电力电子技术电力电子技术一、电力电子器件概述一、电力电子器件概述6.16.1电力电子器件电力电子器件 电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。定义定
3、义一、电力电子器件概述一、电力电子器件概述6.16.1电力电子器件电力电子器件 电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电力电子器件是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。定义定义6.16.1电力电子器件电力电子器件（1 1）通过控制信号可以控制其导通而不能控制）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称为半控制器件。其关断的电力电子器件称为半控制器件。（2 2）通过控制信号既可以控制其导通，又可以）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成为全控型器件。控制其关断的电力电子器件成为全控型器件。
4、（3 3）不能用控制信号来控制其通断的电力电子）不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，即电力二极管（器件，即电力二极管（Power DiodePower Diode），又称不），又称不可控器件。可控器件。分类：分类：二、晶闸管二、晶闸管6.16.1电力电子器件电力电子器件 晶闸管是晶体闸流管的简称，又称为可控硅晶闸管是晶体闸流管的简称，又称为可控硅整流器，简称为可控硅。整流器，简称为可控硅。种类：普通型、双向型、可关断型和快速型。种类：普通型、双向型、可关断型和快速型。晶闸管的结构晶闸管的结构6.16.1电力电子器件电力电子器件 晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线6.16.1电力电子
5、器件电力电子器件 晶闸管的主要技术参数晶闸管的主要技术参数6.16.1电力电子器件电力电子器件 （1 1）正向重复峰值电压；）正向重复峰值电压；（2 2）反向阻断峰值电压；）反向阻断峰值电压；（3 3）额定电压；）额定电压；（4 4）额定正向平均电流；）额定正向平均电流；（5 5）住电流；）住电流；（6 6）持电流；）持电流；（7 7）涌电流；）涌电流；（8 8）通态平均电压（管压降）；）通态平均电压（管压降）；（9 9）控制极触发电压和控制极触发电流。）控制极触发电压和控制极触发电流。三、全控型电力半导体器件三、全控型电力半导体器件6.16.1电力电子器件电力电子器件 门极可关断晶闸管（门极
6、可关断晶闸管（GTOGTO）GTO内部结构 电气符号6.16.1电力电子器件电力电子器件GTOGTO等效电路图等效电路图 与普通晶体管相比，与普通晶体管相比，GTOGTO优点：优点：6.16.1电力电子器件电力电子器件 用用GTOGTO构成电力电子装置时，主电路器件少、构成电力电子装置时，主电路器件少、效率高。效率高。GTOGTO具有比普通晶闸管高得多的电流跃变承受具有比普通晶闸管高得多的电流跃变承受能力。能力。容易实现脉宽调制，改善输出波形。容易实现脉宽调制，改善输出波形。GTOGTO的开关速度远比普通晶闸管高，工作频率的开关速度远比普通晶闸管高，工作频率可达可达100kHz100kHz。G
7、TO GTO的主要参数的主要参数6.16.1电力电子器件电力电子器件(1)(1)最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流(2)(2)电流关断增益电流关断增益 (3)(3)开通时间开通时间 (4)(4)关断时间关断时间ATOI 电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）6.16.1电力电子器件电力电子器件 电力晶体管又称为功率晶体管，它与普通晶体电力晶体管又称为功率晶体管，它与普通晶体管的结构、工作原理基本相同，同样具有管的结构、工作原理基本相同，同样具有NPNNPN型和型和PNPPNP型两类，电路符号与普通晶体管相同。型两类，电路符号与普通晶体管相同。电力场效应管（电力场效应管（MOSFETMOSFE
8、T）6.16.1电力电子器件电力电子器件 电力场效应管通常主要指金属电力场效应管通常主要指金属-氧化物氧化物-半导半导体场效应晶体管（体场效应晶体管（MOSFETMOSFET）。）。MOSFETMOSFET有有N N沟道管沟道管和和P P沟道管。沟道管。图图 N N沟道和沟道和P P沟道沟道MOSFEMOSFE6.16.1电力电子器件电力电子器件（1 1）漏极电压）漏极电压 。这是标称电力。这是标称电力MOSFETMOSFET电压电压额定的参数。额定的参数。（2 2）漏极直流电流）漏极直流电流 和漏极脉冲电流幅值和漏极脉冲电流幅值 。这是标称电力这是标称电力MOSFETMOSFET电流定额的参
9、数。电流定额的参数。（3 3）栅源电压）栅源电压 。栅源之间的绝缘层很薄，。栅源之间的绝缘层很薄，V V将导致绝缘层击穿。将导致绝缘层击穿。主要技术参数如下：主要技术参数如下：DSUDMIDIGSU20GSU 绝缘栅双极型晶体管（绝缘栅双极型晶体管（IGBT）6.16.1电力电子器件电力电子器件电气图形符号和简化等效电路电气图形符号和简化等效电路 除了前面提到的各参数之外，除了前面提到的各参数之外，IGBTIGBT的主要参数的主要参数还包括：还包括：（1 1）最大集射极间电压）最大集射极间电压 ，该参数是由器件内部，该参数是由器件内部的的PNPPNP晶体管所能承受的击穿电压来确定的。晶体管所能
10、承受的击穿电压来确定的。（2 2）最大集电极电流包括额定直流电流）最大集电极电流包括额定直流电流 和和1ms1ms脉宽最大电流脉宽最大电流 。（3 3）最大集电极功耗）最大集电极功耗 ，是在正常工作温度小允，是在正常工作温度小允许的最大耗散功率。许的最大耗散功率。6.16.1电力电子器件电力电子器件 IGBT IGBT主要技术参数主要技术参数 IGBTIGBT的特性和参数特点的特性和参数特点 IGBTIGBT开关速度高，开关损耗小。开关速度高，开关损耗小。在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBTIGBT的安全的安全工作区比工作区比GTRGTR大，而且具有耐脉冲电流冲
11、击的能力。大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。IGBTIGBT的通态压降比的通态压降比VDMOSFETVDMOSFET低，特别是在电流低，特别是在电流较大的区域。较大的区域。IGBTIGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFETMOSFET类似。类似。与电力与电力MOSFETMOSFET和和GTRGTR相比，相比，IGBTIGBT的耐压和通流能的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。点。6.16.1电力电子器件电力电子器件 MOS MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCTMCT）6.16.1电力电子器
12、件电力电子器件（a）P-MCT（b）N-MCT6.16.1电力电子器件电力电子器件P-MCTP-MCT的等效电路的等效电路一、单相半波可控整流电路一、单相半波可控整流电路6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 电阻性负载单相半波可控整流电路电阻性负载单相半波可控整流电路6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路单相半波整流电路波形图单相半波整流电路波形图 整流输出电压平均值为：整流输出电压平均值为：6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 2cos145.02dUU2U为电源电压的有效值为电源电压的有效值 负载电流平均值负载电流平均值 2cos145.02ddLRURUI 整流输出电压有效值：
13、整流输出电压有效值：6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路42sin2-2UU 负载电流有效值：负载电流有效值：42sin22LLRURUI 流过晶闸管的电流有效值：流过晶闸管的电流有效值：6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路4sin222LTRUIII 流过晶闸管的电流平均值流过晶闸管的电流平均值 LRUIIdddT6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 单相半波可控整流电路。如图所示，已知单相半波可控整流电路。如图所示，已知 V V，晶闸管的控制角，晶闸管的控制角 ，负载电阻，负载电阻 。求输出电压的平均值、输出电流的平。求输出电压的平均值、输出电流的平均值和有效值。均值和有效值。
14、例：例：1272U45 6R6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路解：解：V78.48245cos112745.02cos145.02d UUA13.8678.482cos145.02dd LLRURUIA27.144452sin24-612742sin22LLRURUI6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 电感性负载单相半波可控整流电路电感性负载单相半波可控整流电路6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 电感性负载单相半波可控整流电路波形电感性负载单相半波可控整流电路波形6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 接有续流二极管的电感性负载单相半波可控整流电路接有续流二极管的电感性负载
15、单相半波可控整流电路6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 接有续流二极管的电感性负载单相半波可控整接有续流二极管的电感性负载单相半波可控整流电路波形图流电路波形图6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路二二、单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 单相桥式可控整流电路客服了单相半波可控整单相桥式可控整流电路客服了单相半波可控整流电路的缺点，消除了电源变压器中的直流分量，流电路的缺点，消除了电源变压器中的直流分量，提高了电源变压器的利用率，输出电压或电流的提高了电源变压器的利用率，输出电压或电流的脉动减小。脉动减小。6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 电阻负载单相全控桥式整流电路及波
16、形电阻负载单相全控桥式整流电路及波形6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路（1 1）负载电压平均值）负载电压平均值 数量关系数量关系22dd22000.91 cos1122sin1 cos22UUu d tUtd tU（2 2）负载电流平均值）负载电流平均值d2d1 cos0.92UUIRR（3 3）负载电流的有效值）负载电流的有效值22220211sindsin22UUIttRR6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路（4 4）流过晶闸管电流有效值）流过晶闸管电流有效值2220211sindsin2222dTUUIttRR（5 5）晶闸管电流波形系数）晶闸管电流波形系数ddsin222 2
17、 1 cosTII 6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路 电阻电感负载单相全控桥式整流电路及波形电阻电感负载单相全控桥式整流电路及波形（1 1）负载电流连续）负载电流连续6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路（1 1）负载电压平均值）负载电压平均值d2212 22sindcosUUttU （2 2）流过晶闸管电流有效值）流过晶闸管电流有效值d2VTII 负载电流连续数量关系负载电流连续数量关系6.2 6.2 可控整流电路可控整流电路（2 2）负载电流断续）负载电流断续单相桥式电阻电感负载可控单相桥式电阻电感负载可控整流电路负载电流断续波形整流电路负载电流断续波形带续流二极管的电阻电感负带
18、续流二极管的电阻电感负载单相全控桥式整流电路载单相全控桥式整流电路6.3 6.3 逆变电路逆变电路 利用电力电子器件将直流电变为交流电的过利用电力电子器件将直流电变为交流电的过程则称为逆变。能实现逆变的电路称为逆变电程则称为逆变。能实现逆变的电路称为逆变电路或逆变器。路或逆变器。变流器工作于逆变状态时，根据输出交流电变流器工作于逆变状态时，根据输出交流电的去向，逆变电路可分为有源逆变和无源逆变两的去向，逆变电路可分为有源逆变和无源逆变两种。种。6.3 6.3 逆变电路逆变电路一、有源逆变一、有源逆变 变流器将直流电能逆变为电网同频率的交流电变流器将直流电能逆变为电网同频率的交流电能并反馈回电网
19、称为有源逆变。能并反馈回电网称为有源逆变。变流装置要实现有源逆变的条件变流装置要实现有源逆变的条件（1 1）要有直流电势，其极性须与晶闸管的导通方要有直流电势，其极性须与晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。（2 2）要求晶闸管的控制角）要求晶闸管的控制角 ，使，使 为负值。为负值。2dU6.3 6.3 逆变电路逆变电路二、无源逆变二、无源逆变当交流侧直接与负载连接时，称为无源逆变。当交流侧直接与负载连接时，称为无源逆变。逆变电路原理及波形图逆变电路原理及波形图6.3 6.3 逆变电路逆变电路 逆变电路的类型逆变电路的类型（1 1）电压源型逆变电路：直流侧是电压源）电压源型逆变电路：直流侧是电压源（2 2）电流源型逆变电路：直流侧是电流源）电流源型逆变电路：直流侧是电流源6.3 6.3 逆变电路逆变电路 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形单相半桥电压型逆变电路及其工作波形6.3 6.3 逆变电路逆变电路 正弦波脉冲调制（正弦波脉冲调制（SPWMSPWM）全桥逆变电路）全桥逆变电路单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路6.3 6.3 逆变电路逆变电路SPWMSPWM控制方式波形控制方式波形
