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1、1勤劳积蓄的必见加增电力电子技术辅导电力电子技术辅导2勤劳积蓄的必见加增国国际电气和气和电子工程子工程师协会（会（IEEE）的）的电力力电子学会将子学会将电力力电子技子技术表述表述为：有效地使用有效地使用电力半力半导体器件，体器件，应用用电路路和和设计理理论以及分析开以及分析开发工具，工具，实现对电能的高效能能的高效能变换和控制的一和控制的一门技技术。3勤劳积蓄的必见加增Newell提出的提出的“倒三角倒三角”定定义义，已，已为为各国所接各国所接受，即把受，即把电电力力电电子学定子学定义为义为一一门门交叉于交叉于电电气气工程三大工程三大领领域：域：电电力力学、学、电子学和控制理子学和控制理论之
2、之间的的边缘科学科学。4勤劳积蓄的必见加增电力力变换分分为四四类：交交流流变直直流流、直直流流变交流、直流交流、直流变直流和交流直流和交流变交流交流 输入输入 输出输出 交流交流（AC）直流直流（DC）直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 5勤劳积蓄的必见加增电力力电子器件子器件6勤劳积蓄的必见加增电力力电子器件子器件归类 按照器件内部按照器件内部电子子和和空穴空穴两种两种载流子参与流子参与导电的情况的情况 单极型极型：肖特基二极管、：肖特基二极管、电力力MOSFET和和SIT等。等。双极型双极型：基于：基于PN结的的
3、电 力二极管、晶力二极管、晶闸管、管、GTO和和 GTR等。等。复合型复合型：IGBT、SITH 和和MCT等。等。7勤劳积蓄的必见加增电力力电子器件子器件归类 电流电流驱动型器件驱动型器件(双极型器件双极型器件)共共同同特特点点是是：具具有有电电导导调调制制效效应应，因因而而通通态态压压降降低低，导导通通损损耗耗小小，但但工工作作频频率率较较低低，所所需需驱驱动动功功率率大大，驱驱动动电电路路也也比较复杂。比较复杂。电压电压驱动型器件驱动型器件(单极型器件和复合单极型器件和复合型器件型器件)共同特点是：输入阻抗高，所需驱共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。动功率
4、小，驱动电路简单，工作频率高。按照驱动电路加在电力电子器件控制端按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间的性质，和公共端之间的性质，8勤劳积蓄的必见加增8/89通通态损耗耗是是电力力电子器件功率子器件功率损耗的主要成因。耗的主要成因。当器件的开关当器件的开关频率率较高高时，开关开关损耗耗会随之增会随之增大而可能成大而可能成为器件功率器件功率损耗的主要因素。耗的主要因素。通态损耗断态损耗开关损耗开通损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力力电子器件一般都工作在开关状子器件一般都工作在开关状态9勤劳积蓄的必见加增晶闸管晶闸管SCR从外形上来看，晶从外形上来看，晶闸管也主要有管也主要有螺栓型螺栓
5、型和和平板型平板型两种封装两种封装结构构。内部是内部是PNPN四四层半半导体体结构。引出构。引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极极（控制端）（控制端）G三个三个联接端。接端。图 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)电气图形符号 10勤劳积蓄的必见加增晶晶闸管管导通与关断条件通与关断条件(1)导通的充分必要条件。通的充分必要条件。1)阳极与阴极阳极与阴极间承受正向承受正向电压。2)门极施加相极施加相对阴极来阴极来说为正的脉冲正的脉冲信号。信号。(2)关断条件关断条件为下列之一。下列之一。1)阳极与阴极阳极与阴极间承受反向承受反向电压。2)阳极阳极电流减小到小于流减小到小于维持
6、持电流。流。11勤劳积蓄的必见加增图中阴影部分中阴影部分为晶晶闸管管处于通于通态区区间的的电流波形，流波形，各波形的各波形的电流最大流最大值均均为Im，试计算各波形的算各波形的电流流平均平均值Id1、Id2、Id3与与电流有效流有效值I1、I2、I3。12勤劳积蓄的必见加增图中阴影部分中阴影部分为晶晶闸管管处于通于通态区区间的的电流波形，流波形，各波形的各波形的电流最大流最大值均均为Im，试计算各波形的算各波形的电流流平均平均值Id1、Id2、Id3与与电流有效流有效值I1、I2、I3。13勤劳积蓄的必见加增图中阴影部分中阴影部分为晶晶闸管管处于通于通态区区间的的电流波形，流波形，各波形的各波
7、形的电流最大流最大值均均为Im，试计算各波形的算各波形的电流流平均平均值Id1、Id2、Id3与与电流有效流有效值I1、I2、I3。14勤劳积蓄的必见加增双向晶双向晶闸管（双向可控硅）管（双向可控硅）单向晶向晶闸管只能管只能单向向导电，如果把两个，如果把两个晶晶闸管反向并管反向并联就构成了双向晶就构成了双向晶闸管。管。15勤劳积蓄的必见加增门极可关断晶极可关断晶闸管管GTO16勤劳积蓄的必见加增GTO和普通晶和普通晶闸管同管同为PNPN结构，构，为什么什么GTO能能够自关断，而普通晶自关断，而普通晶闸管不能？管不能？GTO 和普通晶和普通晶闸管同管同为PNPN 结构，由构，由P1N1P2和和N
8、1P2N2构成两个晶构成两个晶体管体管V1、V2,分分别具有共基极具有共基极电流增益流增益a1 和和 a2，由普通晶由普通晶闸管的分析管的分析可得，可得，a1+a2=1 是器件是器件临界界导通的条件。通的条件。a1+a2 1，两个等效晶体管，两个等效晶体管过饱和而和而导通；通；a1+a2 1，不能，不能维持持饱和和导通而关断。通而关断。GTO 之所以能之所以能够自行关断，而普通晶自行关断，而普通晶闸管不能，是因管不能，是因为GTO 与普通晶与普通晶闸管在管在设计和工和工艺方面有以下几点不同：方面有以下几点不同：1)GTO 在在设计时a2较大，大，这样晶体管晶体管V2控制灵敏，易于控制灵敏，易于
9、GTO 关断关断；2)GTO 导通通时的的a1+a2更接近于更接近于1，普通晶普通晶闸管管a1+a2 1.15，而，而GTO 则为a1+a2 1.05，GTO 的的饱和程度不深，接近于和程度不深，接近于临界界饱和，和，这样为门极控制关断提供了有利条件；极控制关断提供了有利条件；3)多元集成多元集成结构使每个构使每个GTO 元阴极面元阴极面积很小，很小，门极和阴极极和阴极间的距离大的距离大为缩短，使得短，使得P2极区所极区所谓的横向的横向电阻很小，从而使从阻很小，从而使从门极抽出极抽出较大的大的电流成流成为可能。可能。17勤劳积蓄的必见加增大功率晶体管大功率晶体管GTR18勤劳积蓄的必见加增电力
10、力场效效应晶体管（晶体管（电力力MOSFET）电力力场效效应晶体管晶体管MOSFET按按导电导电沟道可分沟道可分为为N沟道和沟道和P沟道两大沟道两大类类。当。当栅栅极极电压为电压为零零时时漏源漏源之之间间存在存在导电导电的沟道的称的沟道的称为为耗尽型耗尽型；而当；而当栅极极电压大于或小于零大于或小于零时才存在才存在导电沟道的称沟道的称为增增强型型。19勤劳积蓄的必见加增绝缘栅双极晶体管（双极晶体管（IGBT）20勤劳积蓄的必见加增整流电路整流电路21勤劳积蓄的必见加增 整流整流电电路可根据路可根据输入交流入交流电的不同的不同和所和所采用的方式采用的方式不同分不同分为：1）单单相可控整流和非可控
11、整流相可控整流和非可控整流2）三相可控整流和非可控整流）三相可控整流和非可控整流22勤劳积蓄的必见加增直流平均电压：直流平均电压：单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路电阻负载电阻负载电流平均值、有效值电流平均值、有效值23勤劳积蓄的必见加增移相角的范移相角的范围=0时时，=时时，Ud从最大从最大值到最小到最小值，单向半波可控整向半波可控整流流电路的移相角路的移相角的移相范的移相范围是是 0180。24勤劳积蓄的必见加增25勤劳积蓄的必见加增晶晶闸管的管的导通角通角=-，流流过过晶晶闸闸管的平均管的平均电电流流流流过SCR电电流的有效流的有效值值26勤劳积蓄的必见加增单相相桥式全控整流式全控
12、整流电路路电阻负载电阻负载27勤劳积蓄的必见加增1）Ud与与的关系：的关系：2）移相范）移相范围围：当当=0时时，Ud=0.9U2为最大；最大；当当=时时，Ud=0为为最小。最小。故晶故晶闸闸管可移相范管可移相范围为围为0 180。3）Id与与的关系：的关系：整流整流输出的直流平均出的直流平均电流：流：28勤劳积蓄的必见加增4）流）流过过晶晶闸闸管的平均管的平均电电流流IdT：由于晶由于晶闸闸管是两两分管是两两分别导别导通的，每通的，每对对晶晶闸闸管流管流过过一半一半电电流。流。负载负载上平均上平均电电流就分成两半：流就分成两半：5）负载电负载电流的有效流的有效值值：6）流）流过过晶晶闸闸管的
13、管的电电流有效流有效值值29勤劳积蓄的必见加增电感感负载负载电流连续时，整流电负载电流连续时，整流电压平均值压平均值Ud：移相范围：移相范围：090。30勤劳积蓄的必见加增单相相桥式全控整流式全控整流电路，路，U2100V，负载中中R2，L 值极大，当极大，当30时，要求：要求：作出作出ud、id、和和i2的波形的波形；求整流求整流输出平均出平均电压Ud、电流流Id，变压器二次器二次电流有流有效效值I2；考考虑安全裕量安全裕量,确定晶确定晶闸管的管的额定定电压和和额定定电流。流。31勤劳积蓄的必见加增ud、id和和i2的波形如的波形如图32勤劳积蓄的必见加增32/131 整流整流输出平均出平均
14、电压Ud、电流流Id，变压器二次器二次侧电流流有效有效值I2分分别为 Ud0.9 U2 cos 0.9100cos3077.97(A)Id Ud/R77.97/238.99(A)I2Id38.99(A)晶晶闸管承受的最大反向管承受的最大反向电压为：U2100 141.4（V）流流过每个晶每个晶闸管的管的电流的有效流的有效值为：IVTId 6.36（A）故晶故晶闸管的管的额定定电压为：UN(23)141.4283424（V）晶晶闸管的管的额定定电流流为：IN(23)6.361.57812（A）晶晶闸管管额定定电压和和电流的具体数流的具体数值可按晶可按晶闸管管产品品系列参数系列参数选取。取。33勤
15、劳积蓄的必见加增反反电动势负载负载电流平均流平均值：电电流有效流有效值值：电压电压平均平均值值：在相同的：在相同的角下，角下，整流整流输出出电压比比电阻性阻性负载时大，其大，其值为34勤劳积蓄的必见加增三相半波可控整流三相半波可控整流电路路30 负载电负载电流是不流是不连续连续=30电压电压平均平均值值Ud平均平均电电流流Id：Id=Ud/R流流过晶晶闸管的平均管的平均电流：流：IDT=Id/3流流过晶晶闸管的管的电流有效流有效值：晶晶闸闸管的两端最大管的两端最大反向反向电压35勤劳积蓄的必见加增三相半波可控整流三相半波可控整流电路，路，U2=100V，带电阻阻电感感负载，R=5，L值极大，当
16、极大，当a=60时，要求：，要求：画出画出ud、id和和iVT1的波形的波形；计算算Ud、Id、IdT和和IVT。36勤劳积蓄的必见加增37勤劳积蓄的必见加增38勤劳积蓄的必见加增3.1 三相半波可控整流三相半波可控整流电电路路 在三相半波整流电路中，如果在三相半波整流电路中，如果A相的触相的触发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电发脉冲消失，试绘出在电阻性负载和电感性负载下整流电压感性负载下整流电压ud的波形。的波形。3839勤劳积蓄的必见加增电感感负载 在在30 60，电流不流不连续。这样我我们计算算时也要分也要分为两种情况：两种情况：当当060时 当当60/2保保证证晶晶闸闸管大部分管大部分
17、时间时间在在电电源源电压电压的的负负半周半周导导通；通；直流直流侧要有直流要有直流电源源EM，其大小要大于，其大小要大于由由角决定的直流角决定的直流输出出电压Ud，即，即|EM|Ud|，其方向，其方向应应当使晶当使晶闸闸管承受正向管承受正向压压降。降。51勤劳积蓄的必见加增逆逆变失失败的原因的原因1）触）触发发脉冲的原因：脉冲的原因：脉冲脉冲丢失失触触发脉冲分布不均匀脉冲分布不均匀2）晶晶闸管管发生故障生故障3）在逆）在逆变变中，中，交流交流电源源发生故障生故障也会引起逆也会引起逆变失失败4）换换相裕量不足，引起相裕量不足，引起换换相失相失败败52勤劳积蓄的必见加增整流到逆整流到逆变的的转换5
18、3勤劳积蓄的必见加增四象限运行四象限运行时的工作情况的工作情况54勤劳积蓄的必见加增交流交流调压、直流、直流斩波波电路路55勤劳积蓄的必见加增阻性阻性负载的交流的交流调压电路路流流过晶晶闸管的管的电流平均流平均值：流流过过晶晶闸闸管的管的电电流有效流有效值值:负载电压有效有效值：随随的逐的逐渐增大，灯泡（增大，灯泡（电阻阻R）上）上的的电压有效有效值U2逐逐渐减小。减小。56勤劳积蓄的必见加增电阻阻-电感感过负载的交流的交流调压电路路57勤劳积蓄的必见加增降降压斩波器波器58勤劳积蓄的必见加增0iG0ioI1升升压斩波波电路路59勤劳积蓄的必见加增复合复合斩波器波器:电流可逆流可逆斩波波电路路
19、如如图5-19由由降降压斩波器波器和和升升压斩波器波器复合复合组成。成。图5-20(a)是由是由5-19中中DT1、D1构成降构成降压斩压斩波器，波器，电电源源向直向直流流电动机供机供电，使，使电动机作机作电动运行。运行。5-20(b)是由是由DT2、D2构成升构成升压斩压斩波器，把直流波器，把直流电动电动机所具有的机所具有的动动能能变为电变为电能反送到能反送到电电源，使直流源，使直流电动电动机机进进行再生制行再生制动动运行。运行。60勤劳积蓄的必见加增复合复合斩波器波器:桥式可逆式可逆斩波器波器该电路可以使直路可以使直流流电动机正机正转电动、正、正转再生制再生制动、反、反转电动、反反转再生制
20、再生制动。即四象限工作。即四象限工作。61勤劳积蓄的必见加增无源逆无源逆变电路路把直流把直流电变成交流成交流电称称为逆逆变。当交流。当交流侧接在接在电网上网上时，称，称为有源逆有源逆变；而交；而交流流侧直接和直接和负载连接接时，则称称这种逆种逆变为无源逆无源逆变。62勤劳积蓄的必见加增交交交交变频电变频电路路6263勤劳积蓄的必见加增单相交交相交交变频电路路,如果考如果考虑虑感性感性负载负载的无的无环环流工作的流工作的死区死区时间时间,可以把一个周期的波形分成可以把一个周期的波形分成6个区域：个区域：（1）组变流器的逆流器的逆变工作区：工作区：i00，变变流器流器工作于第二象限，工作于第二象限
21、，为为组变流器逆流器逆变工作状工作状态；（2）死区）死区1：电电流流过过零，无零，无环环流死区；流死区；（3）组变流器工作的整流区：流器工作的整流区：i00,u00，变变流器流器工作于第一象限，工作于第一象限，为为组变流器整流工作状流器整流工作状态；64勤劳积蓄的必见加增（4）组变流器的工作的逆流器的工作的逆变区：区：i00,u00，变变流流器工作于第四象限，器工作于第四象限，为为组变流器逆流器逆变工作状工作状态；（5）死区）死区2：电电流流过过零，无零，无环环流死区；流死区；（6）组变流器的工作的整流区：流器的工作的整流区：i00,u00,变变流器流器工作于第三象限工作于第三象限,为为组变流
22、器工作在整流状流器工作在整流状态。输出出电压和和电流之流之间的相位差的相位差90能量从能量从负载负载流向流向电电网网.电动机机负载,可以四可以四象限运行。象限运行。65勤劳积蓄的必见加增换流方式分流方式分类换流方式可分流方式可分为以下几种：以下几种：自自换流流（1）器件）器件换换流流（2）强强迫迫换换流流外部外部换流流（3）负载换负载换流流（4）电电网网换换流流66勤劳积蓄的必见加增电压型逆型逆变电路的主要特点：路的主要特点：1）直流）直流侧为电压侧为电压源（或源（或并并联有大有大电容容，相当于，相当于电压源），直流源），直流侧电压基本无脉基本无脉动，直流回路基本呈，直流回路基本呈现低阻抗。低
23、阻抗。2）由于直流）由于直流电压电压源的源的钳钳位作用位作用,交流交流侧输侧输出出电压电压波形波形为为矩形波，并且与矩形波，并且与负载负载阻抗角无关。而交流阻抗角无关。而交流侧输侧输出出电电流波形和相位因流波形和相位因负载负载阻抗情况的不同而不同。阻抗情况的不同而不同。3）当交流）当交流侧为侧为阻感阻感负载时负载时需要提供无功功率，直流需要提供无功功率，直流侧电侧电容起容起缓缓冲无功能量的作用。冲无功能量的作用。为为了了给给交流交流侧侧向直向直流流侧侧反反馈馈的无功能量提供通道，逆的无功能量提供通道，逆变桥变桥的各臂上都的各臂上都并并联联了反接了反接续续流二极管（而流二极管（而实际实际上上IG
24、BT管内本来就管内本来就有一个反向并有一个反向并联联的二极管）。的二极管）。67勤劳积蓄的必见加增单相相电压型逆型逆变电路路半半桥逆逆变电路路半半桥逆逆变电路有两个路有两个桥臂，每个臂，每个桥臂由一个臂由一个开开关器件关器件和一个和一个反并反并联二极管二极管组成。成。负载联接在接在直流直流电源中点和两个源中点和两个桥臂臂联接点之接点之间。68勤劳积蓄的必见加增全全桥逆逆变电路路69勤劳积蓄的必见加增70勤劳积蓄的必见加增电流型逆流型逆变电路有以下主要特点：路有以下主要特点：1)直流直流侧为电侧为电流源流源(串串联联大大电电感，相当于感，相当于电电流源流源)，直，直流流侧电侧电流基本无脉流基本无
25、脉动动，直流回路呈，直流回路呈现现高阻抗。高阻抗。2)电电路中开关器件的作用路中开关器件的作用仅仅是改是改变变直流直流电电流的流通路流的流通路径，因此交流径，因此交流侧输侧输出出电电流流为为矩形波，而且与矩形波，而且与负载负载阻阻抗角无关。而交流抗角无关。而交流侧输侧输出出电压电压波形和相位波形和相位则则因因负载负载阻抗情况的不同而不同。阻抗情况的不同而不同。3)当交流当交流侧为侧为阻感阻感负载时负载时需要提供无功功率，直流需要提供无功功率，直流侧侧电电感起感起缓缓冲无功能量的作用。由于反冲无功能量的作用。由于反馈馈无功能量无功能量时时直流直流电电流并不反向，因此不必像流并不反向，因此不必像电
26、压电压型逆型逆变电变电路那路那样给样给开关器件反并开关器件反并联续联续流二极管。流二极管。71勤劳积蓄的必见加增电流型逆流型逆变电路路72勤劳积蓄的必见加增73勤劳积蓄的必见加增PWM技术PWM控制技控制技术术就是控制半就是控制半导导体开体开关元件的关元件的导通与关断通与关断时间比比对脉冲脉冲的的宽度度进行行调制的技制的技术,即通即通过对过对一一系列脉冲的系列脉冲的宽宽度度进进行行调调制，来制，来等效等效地地获得所需要波形得所需要波形（含形状和幅（含形状和幅值）。74勤劳积蓄的必见加增用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波把把图7-3a的正弦半波分成的正弦半波分成N等份等份,就可以把正弦就可以
27、把正弦半波看成是由半波看成是由N个彼此相个彼此相连连的脉冲序列所的脉冲序列所组组成成的波形。的波形。这这些些脉冲脉冲宽度相等度相等，都等于，都等于/,但但幅幅值不等不等,且脉冲且脉冲顶顶部不是水平直部不是水平直线线,而是曲而是曲线线,各各脉冲的幅脉冲的幅值值按正弦按正弦规规律律变变化。化。把上述脉冲序列利用把上述脉冲序列利用相同数量的相同数量的等幅而不等宽等幅而不等宽的的矩形脉冲矩形脉冲代替代替,使使矩形脉冲的中点和相应正弦波部矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的分的中点重合中点重合,且使矩形脉冲和相且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积应的正弦波部分面积(冲量冲量)相等相等,如如7-3b的脉冲序列的
28、脉冲序列,即即PWM波形。波形。75勤劳积蓄的必见加增urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud76勤劳积蓄的必见加增uOwtOwtucuruofuo-ududuo图图7-6 双极性双极性PWM控制方式波形控制方式波形 77勤劳积蓄的必见加增异步异步调制和同步制和同步调制制 在在PWM控制控制电电路中路中,载载波波频频率率fc 与与调调制信号制信号频频率率fr之比之比N=fc/fr称称为载波比波比。根据根据载载波和信号波是否同步及波和信号波是否同步及载载波波比的比的变变化情况，化情况，PWM调调制方式可制方式可分分为为异步异步调制制和和同步同步调制制两种。两种。78勤劳积蓄的必见加增图图7
29、-11 分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例 分段同步调制分段同步调制 把把fr范围划分成若干个频段范围划分成若干个频段,每个频段内都保持载波比每个频段内都保持载波比N恒恒定定,不同频段的载波比不同。不同频段的载波比不同。在在fr高高的频段采用的频段采用较低的载较低的载波比波比,以使以使fc不致过高不致过高,限制在限制在功率开关器件允许的范围内。功率开关器件允许的范围内。在在fr低的频段采用低的频段采用较高的载较高的载波比波比，以使，以使fc不致过低而对负不致过低而对负载产生不利影响。载产生不利影响。实线表示实线表示输出频率输出频率增高时的增高时的切换频率切换频率虚线表示虚线表示输出频率输出频率降低时的降低时的切换频率切换频率 79勤劳积蓄的必见加增PWM跟踪控制技跟踪控制技术计算法和算法和调制法制法跟踪控制方法跟踪控制方法。跟踪控制法中常用的有跟踪控制法中常用的有滞滞环比比较方式方式和和三角波三角波比比较方式方式。