1、1,第8章 电力电子学基础,2,第8章 电力电子学基础,利用半导体电力开关器件与其相应的控制电路组成变换器，实现电功率的变换与控制的学科成为电力电子学（Power Electronics），其技术称为电力电子技术。,高集成度,大电流 高电压 高频率 集成化 模块化,机电传动控制技术的基础与核心,在电机控制系统中，利用不同的控制技术与开关相配合，为电机提供不同极性、不同电压、不同频率、不同相序的供电电压，以此控制电机的启停、转向和转速。,3,第8章 电力电子学基础,4,第8章 电力电子学基础,5,电力半导体器件根据其开通与关断可控性的不同可分三类,1、不可控型器件： 开通与关断都不可控。仅整流二
2、极管是不可控器件。 2、半控型器件： 只能控制开通，不能控制关断。普通晶闸管及其派生器件 3、全控型器件： 开通与关断都可控。GTR、GTO、P-MOSFET、IGBT,全控型电力半导体器件根据其结构和机理可分三类,1、双极性 器件内部电子和空穴同时参与导电：GTO,GTR 2、单极性 器件内部只有一种载流子参与导电：P-MOSFET 3、混合型 双极性与单极性的集成混合：IGBT,第8章 电力电子学基础,6,由电力电子器件与相应控制电路组成的电力变换电路，按其功能可分为：,第8章 电力电子学基础,7,1、不可控型开关器件,大功率二极管（即整流二极管）,加正向电压，导通； 加反向电压，截止。,
3、最大电压、电流分别可达6kV、6kA以上 正向导通压降一般为0.81V，相当于开关闭合,低压大电流的开关电路中，理想的开关器件：肖特基二极管,8.1 电力半导体器件,特点：开关特性好 允许工作频率高 正向压降小（小于0.5V）,8,别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于60年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。,特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,晶闸管（Thyristor）,优点： 功率放大倍数大：用很小的触发脉冲就可以控制很大的功率（电流：几十A-几
4、千A,电压几百V几千V），功率放大倍数达几十万倍。 控制灵敏：导通和关断时间很短（微秒级）。 效率高：晶闸管的管压降很小，所以发热损耗小，效率达97.5%。 体积小，重量轻。,2、半控型开关器件,8.1 电力半导体器件,9,缺点： 过载能力差。（选用时，电流电压适当留有余量） 抗干扰能力差（就是因为放大倍数大引起的）。 容易导致电网电压波形畸变。 控制电路复杂。,应用领域：,整流（交流 直流）,逆变（直流 交流）,变频（交流 交流）,斩波（直流 直流）,此外还可作无触点开关等。,晶闸管（Thyristor）,10,晶闸管的外形:螺栓形和平板形两种,螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固
5、定， 另一端的粗引线是阴极K， 细线是控制极(又称门极)G， 这种结构更换元件很方便，用于电流较小(100A以下)的元件。,平板形，中间的金属环是控制极G，离控制极远的一面是阳极A，近的一面是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于电流较大的元件(200A以上),晶闸管,11,晶闸管的内部结构,12,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个PN结，并在对应的半导体材料上引出了三个电极。这三个电极分别称为： A阳极， G控制极， K阴极。,晶闸管的内部结构,13,1)晶闸管工作原理,0-t1:开关未合上，控制极对阴极的电压为0，尽管阳极对阴
6、极的电压为正，晶闸管未导通.,t2-t3:阳极对阴极的电压为负，尽管控制极对阴极的电压也为正，晶闸管关断,t4-t5:由于这时晶闸管处于导通状态，则维持导通；当t=t5时，由于，晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,t3-t4:晶闸管的阳极对阴极又开始承受正向电压，这时，控制极对阴极有正电压，所以，晶闸管又导通，电源电压再次加于电阻上,t1-t2:阳极对阴极的电压为正，由于开关合上，使得控制极对阴极的电压也为正，即晶闸管导通，晶闸管压降很小，电源电压加于电阻上,S,14,工作原理,示意图,15,由二个三极管组成的等效电路,ig,12ig,K,A,G,T2,T1,+,-,16,G,1.若只加UAK正
7、向电压，控制极不加触发电压，两三极管均不能导通，即晶闸管不通。,导通过程,2.当UAK 0且UGK0 时，晶闸管迅速导通。 UGK开始加入时， T2首先导通， ib2 = ig、 iC2 = 2 ib2 ； 然后T1导通， ib1= iC2 = 2ib2、,ic1 =1 ib1 = 12 ib2，此后T2进一步导通， 形成正反馈，A、k两极间迅速导通。,K,A,T2,T1,17,3.晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈， 晶闸管仍维持导通状态；,4.晶闸管截止的条件：,导通过程,18,晶闸管特性,（1）若控制极不加正向电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有
8、正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时才能使晶闸管导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。 （4）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。晶闸管的PN结可通过几十安几千安的电流。晶闸管触发导通的时间为几微秒。,19,2)晶闸管的伏安特性,（1）正向截止状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，而晶闸管控制极开路（Ig=0）情况下，开始元件中有很小的电流（称为正向漏电流）流过，晶闸管阳极
9、与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。图中第一象限红色段曲线。,（2）正向击穿：在控制极开路的情况下，当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压（UDSM），或称正向转折电压（UBO）。导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻（使用时由负载）决定。图中第一象限绿色段曲线。,20,晶闸管的伏安特性,(5) 反向击穿：当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压（URSM），或称反向转折（击穿）电压（URR）。图中第三象限绿色段曲线。,（3）正向导通状态：晶
10、闸管的阳极与阴极间加上正向电压，晶闸管控制极加上正向电压的情况下，晶闸管导通，阳极电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。图中第一象限蓝色段曲线。,（4）反向截止状态：在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向截止状态，只有很小的反向漏电流流过。图中第三象限黄色段曲线。,21,3）晶闸管的主要参数,1.断态重复峰值电压,在控制极断路和晶闸管正向截止的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折电压小100V。,22,2）反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，此电压数值规定比实测反向击穿电压小100V。,3
11、）晶闸管的主要参数,23,3）晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流） IT 在环境温度不大于40和标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。即：,通常，在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的多少安的晶闸管，就是指这个。,24,3）晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流） IT,晶闸管的发热主要是由通过它的电流的有效值决定的，因此，在选择晶闸管时，应考虑流过的电流的有效值是否在允许范围。,这就是说，对于一个额定电流IT 为100A的晶闸管，其允许通过的电流有效值为157
12、A。考虑安全裕量，一般按下式选晶闸管：,25,3）晶闸管的主要参数,4.维持电流 IH,在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流成为维持电流。一般为几十mA一百多mA,其数值与元件的温度成反比，在120时维持电流约为25时的一半。,当晶闸管的正向电流小于维持电流时，晶闸管自动关断。,5.导通时间 ton与关断时间 toff,导通时间 ton：晶闸管从断态到通态的时间（几微秒）,关断时间 toff：晶闸管从通态到断态的时间（几几十微秒）,6.断态电压临界上升率du/dt与通态电流上升率di/dt,使用中必须低于临界值，若大于du/dt则容易误导通，若大于di/dt则容易损坏管子
13、。 常采用缓冲电路。,26,3 C T / ,3极,N型硅 材料,晶闸管,断态重复 峰值电压,额定通态 平均电流,4）晶闸管的型号及其含义,K P / ,普通型,通态电压的组别（9组，AI）,额定通态 平均电流,晶闸管,额定电压的等级,27,晶闸管好坏的判断方法,28,双向晶闸管NPNPN,特点：控制极对于电源的两个半周都有触发控制作用，即双方向均可由控制极触发导通，相当于两只普通的晶闸管反并联,29,逆导晶闸管（RCT）,定义：将一个晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。,特点： 不具备承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。 正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温
14、高。,用途： 可用于不需要阻断反向电压的电路中,30,光控晶闸管（LTT）,定义：利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，其原理类似光电二极管。,原理： 在阳极有正向外加电压时，中间的PN结J2被反向偏置。 当光照在反偏的J2结上时， J2结的漏电流增大，在晶闸管内正反馈作用下，晶闸管由断态转为通态。,等值电路,图形符号,31,快速晶闸管（FST）,定义：为快速应用而设计的晶闸管。,特点： 快速晶闸管的开关时间以及du/dt和di/dt的耐量有明显改善。 关断时间小于20us,而高频晶闸管仅为几微秒（普通晶闸管关断时间为几十微秒）,缺点： 电压和额定电流不易做高。,32,门极可关断晶闸管（GT
15、O）PNPN,特点： 1.GTO的控制极可以控制元件的导通和关断（通过改变控制极性），而晶闸管只能控制元件的导通，但GTO控制电流比晶闸管大。,3、全控型开关器件,2.GTO的动态特性较晶闸管好： 两者导通时间相差不多 但断开时间：GTO: 1us 晶闸管:(5-30)us,33,电力晶体管,特点： 电力晶体管可在高电压和强电流下使用，最大定额为：1400V和800A。 但不能达到晶闸管那样高的电压和电流额定值。,GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO开关时间都短。,GTR,应用在工作频率较高、中小容量的电力电子变换装置中。,34,电力场效应晶体管,特点： MOSFET的开关时间在10
16、100ns之间。 工作频率可达100kHz以上 电流容量小，耐压低，适用于功率不超过10kW的高频电力电子装置 通态压降大，难以制成高压大电流器件,原理： 用栅极电压uGS来控制漏极电流ID的大小。 G与 S间的输入电阻很大，故控制电流几乎为零，所需驱动功率很小。,P-MOSFET的基本接法,35,绝缘栅双极晶体管,特点： 驱动功率小 开关速度快 导通压降低 阻断电压高（耐压高） 承受电流大（容量大、功率大）,36,8.2 可控整流电路,根据所用交流电源相数和电路结构，分为：,单相半波 单相桥式 三相零式 三相桥式,37,8.2.1、单相半波可控硅整流电路,1）电阻负载,为导通角： 晶闸管在一
17、个周期时间内导通的电角度 范围： , 0,为控制角：晶闸管从承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度 范围：0, ,+ = ,38,输出电压及电流的平均值,输出电压、电流的平均值：,39,2）感性负载,当电源电压下降以及过零变负时，电感产生的自感电势eL阻碍电流减小。 只要eL大于电源的负电压，负载上电流将继续流通，晶闸管继续导通，这时，电感中储存的能量放出来，一部分消耗在电阻上，一部分回送到电源去，因此，负载上电压瞬时值出现负值。,到某一时刻，当流过晶闸管的电流小于维持电流时，晶闸管关断，并且立即承受反向电压。,当电流上升时，电感两端的自感电势eL阻碍电流的上升，所以，晶闸管触发导通
18、时，电流要从零逐渐上升。电感储存能量。,电感具有阻碍电流变化的作用,40,加续流二极管D，用于消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零后关断。,输出电压ud与的关系也与电阻性负载一样。,负载电流的波形与电阻性负载时有很大不同：在晶闸管导通期间负载电流id由电源提供，而当晶闸管关断时，则由电感通过续流二极管来提供。,41,8.2.2、单相桥式可控整流电路,VS1和VS2是晶闸管， V1和V2是不可控的二极管,1）单相半控整流桥-电阻性负载,U2 在正半周时的电流：VS1-R-V2,U2 在负半周时的电流：VS2-R-V1,带阻性负载的单相半控桥式整流电路,42,输出电压及电流的平均值,元件承受的最
19、高正反向电压为电源电压的最大值:,工作波形,输出电压平均值与控制角 之间的关系：,43,2）单相半控整流桥-电感性负载,V1、V2形成续流,VS1、VS2阴极没有公共点，因此，如果用一套触发电路时，必须采用具有两个线圈的脉冲变压器供电,44,四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电； 用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。 本电路带电阻性负载时，其输出电压平均值的计算公式与半控桥一样； 带电感性负载时，为了避免晶闸管失控，必须在负载两端并接续流二极管，否则，电感性电流会在电源电压为零时维持晶闸管导通，而使晶闸管无法关断，造成失控。,为了节省晶闸管元件，
20、可用下图电路。,45,3）单相半控整流桥-反电势负载,晶闸管截止时，负载上的电压等于反电动势 反电势负载上的平均电压可能高于纯电阻负载 平均输出电流:Id=(Ud-E)/R 导通角小，导电时间短，回路电阻小，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用,电源电压高于反电势，有触发脉冲，晶闸管才导通,46,4）单相半控整流桥-反电势+电抗负载,串联电抗器，用以平滑电流的脉动,47,单相全控整流桥,电阻性负载和半控整流相同，控制角范围为：0, 电感性负载时，如果有续流二接管也和半控整流一样 无续流二极管时，可以逆变，即电压为负。,主要用于需要正反转的逆变电路中；
21、 本电路复杂，且性能不比半控桥优越，一般采用半控桥电路。,48,8.2.3三相半波可控整流电路,电阻性负载,整流变压器副边接成星形，有个公共零点“0”，所以也叫三相零式电路,UA、UB、UC分别表示三相对“0”点的相电压，有效值为U2P,触发顺序：VS1、VS2、VS3, 触发脉冲的间隔为2/3（120度）,晶闸管承受的最大正 向电压为:相电压最大值,晶闸管承受的最大反向电压为：线电压最大值,49,三相半波可控整流电路-电阻性负载,=0的情况,50,三相半波可控整流电路-电阻性负载,0=/6的情况,=/6,51,三相半波可控整流电路-电阻性负载,/6 =5/6的情况,结论：三相半波可控整流电路
22、带电阻性负载范围：0,5/6,=/2,52,三相半波可控整流电路,电感性负载,VS1导通时，电源电压uA加到负载上，uA=0时，由于自感电动势作用，电流变化滞后于电压，负载电流id0，VS1继续导通。 若电感足够大，VS1一直导通，直到新的触发脉冲使VS2导通时，VS1才承受反向电压而关断。 由于电感大，电流脉动小，电流波形呈水平线。,53,三相半波可控整流电路-电感性负载,结论：三相半波可控整流电路带电感性负载，范围：0,/2,=/2时，Ud=0,54,三相半波可控整流电路,由于续流二极管的作用，负载上的电压波形同电阻性负载，电流波形同电感性负载 导通角同电阻性负载,三相半波可控整流电路优缺
23、点 优点：比较容易实现220V直流,只需三只晶闸管 缺点： 晶闸管承受反向电压高 变压器每相绕组只有1/3时间通电，利用效率低 变压器通过单方向电流，产生直流磁势，造成铁芯饱和，引起附加损耗和发热,电感性负载,有续流二极管,55,三相桥式整流电路：共阴、共阳整流电路串联,三相半波可控整流电路中，三只晶闸管阴极连在一起，称为共阴极组整流电路。 把三只晶闸管阳极连在一起：共阳极组整流电路,8.2.4三相桥式全控整流电路,56,三相桥式全控整流电路,负载上的输出电压等于共阴极组和共阳极组输出电压之和。,57,各种整流方式比较,58,8.3 逆变电路,整流：把交流电变成直流电 逆变：把直流电变成交流电
24、 变流器：一套装置可以实现整流和逆变双向过程，叫变流器 有源逆变：变流器的交流侧接到电源，把直流电变成同频率的交流电反馈到电网中。 用于高压直流输电等。 无源逆变：交流侧接负载，把直流电变成频率可变的交流电驱动负载。 用于变频器、交流电机的变频调速等。,59,单相全波电路的 整流和逆变, /2 逆变状态,0 /2 整流状态,8.3.1 有源逆变电路,60,8.3.1 有源逆变电路,常用的变流器，一边连着交流源，另一边连着直流源。 整流：电能由交流侧传送到直流侧； 逆变：电能由直流侧传送到交流侧。,1.整流状态(0/2),61,1.整流状态(0/2),62,交流电源吸收能量：逆变状态,2.逆变状
25、态(/2 ),63,结论： 整流和逆变，交流和直流，在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定的条件下互相转化。当变流器工作在整流状态，就是整流电路；当变流器工作在逆变状态，就是逆变电路。,8.3.1 有源逆变电路,整流,逆变,64, 基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例,逆变电路 最基本的 工作原理 改变 两组开关 切换频率， 可改变输出 交流电频率。,电阻负载时 电流i0和电压u0的波形 相同，相位也相同。,阻感负载时 电流i0和电压u0的波形 不同，i0相位滞后于u0 。,S1S4是 桥式电路的4个臂 由电力电子器件 及辅助电路组成,8.3.2 无源逆变电路,65,S1、S4 闭合 S2、S3
26、 断开 负载电压 u0为正,S1、S4 断开 S2、S3 闭合 负载电压 u0为负, 基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例,8.3.2 无源逆变电路,66,根据直流侧电源性质的不同分为两类, 逆变电路的分类, 电压型逆变电路 直流侧为电压源或并联大电容， 直流侧电压ud基本没有脉动。 输出电压u0波形为矩形波， 输出电流i0因负载阻抗不同而不同。,电流型逆变电路 直流侧为电流源或串联大电感， 直流侧电流id基本没有脉动。 输出电流i0波形接近矩形波， 输出电压u0波形接近正弦波。,单相电压型全桥逆变电路,单相电流型全桥逆变电路,8.3.2 无源逆变电路,67,单相电压型全桥逆变电路,三相电压型
27、全桥逆变电路,单相电压型半桥逆变电路,三种电压型逆变电路 直流侧为电压源或并联大电容， 直流侧电压ud基本没有脉动。 输出电压u0波形为矩形波， 输出电流i0因负载阻抗不同而不同。, 逆变电路的分类,8.3.2 无源逆变电路,68, 电压型半桥逆变电路的工作原理,单相电压型半桥 逆变电路及其工作波形,V1和V2栅极信号在一周期内各 半周正偏、半周反偏，两者互补。,V1或V2通时，i0和u0同方向， 直流侧向负载提供能量；,输出电压u0为矩形波， 幅值为Um=Ud/2。,VD1或VD2通时，i0和u0反方向， 电感中贮能向直流侧反馈。 VD1、VD2为续流二极管。,8.3.2 无源逆变电路,69
28、, 电压型全桥逆变电路的工作原理,单相电压型全桥 逆变电路及其工作波形,改变输出交流电压的有效值 只能通过改变直流电压Ud来实现。,共四个桥臂， 可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。,输出电压和电流波形与 半桥电路形状相同， 而幅值高出一倍，为Um=Ud 。,8.3.2 无源逆变电路,70,PWM即脉宽调制， 就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制， 来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值)。,PWM控制的思想源于通信技术， 全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。,PWM技术的应用十分广泛，可以用于： 逆变电路；直流斩波电路；交流-交流变流电路；整流电路。,PWM技术的
29、应用使电力电子装置的性能大大提高， 因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。, 电压型全桥逆变电路的工作原理,PWM控制技术,8.3.2 无源逆变电路,71,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。 按同一比例改变各脉冲宽度，即可改变等效输出正弦波幅值。, 电压型全桥逆变电路的工作原理,8.3.2 无源逆变电路,72,根据面积等效原理， 正弦波还可等效为 右图中的PWM波。 这种方式在实际中 应用更广泛。,正弦波 一个完整周期的 等效PWM波如右图。,单极性PWM控制方式,双极性PWM控制方式, 电压型全桥逆变电路的工作原理,8.3.2 无源逆变电路,73,单极性PWM控制方式,
30、 电压型全桥逆变电路的工作原理,在调制信号ur和载波信号uc的 交点时刻控制V1V4的通断。,单相桥式 PWM逆变电路,单极性PWM控制方式波形,8.3.2 无源逆变电路,74,单极性PWM控制方式, 电压型全桥逆变电路的工作原理,单相桥式 PWM逆变电路,单极性PWM控制方式波形,ur正半周， uc为正， 当uruc时，使u0Ud 当uruc时，使u00,ur负半周， uc为负， 当ur uc时，使u00 当uruc时，使u0Ud,8.3.2 无源逆变电路,75,双极性PWM控制方式,ur正半周， uc有正有负， 当uruc时，使u0Ud 当uruc时，使u0Ud,ur负半周， uc有正有负， 当ur uc时，使u0Ud 当uruc时，使u0Ud, 电压型全桥逆变电路的工作原理,单相桥式 PWM逆变电路,双极性PWM控制方式波形,8.3.2 无源逆变电路,76, 电压型全桥逆变 电路的工作原理, 一般变频 调压方式, 移相变频 调压方式, PWM变频 调压方式,uof表示uo的 基波分量,小结,调压方式,8.3.2 无源逆变电路,
