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金蓝领维修电工技师 电子技术理论培训教 材 2009.07 第一章 电子技术 第一节 模拟电子技术 一. 多级放大电路 在大多数情况下，放大电路的输入信号都较微弱， 常为毫伏或微伏数量级，输入功率常不到1mw。但放大 电路的负载却需要较大的电压和一定的功率才能推动， 单级放大器是难于满足这个要求的，所以实际应用的放 大电路一般都是多级的。下图即为多级放大器组成框图。 其中前面若干级主要用作电压放大，称为前置级； 微弱的输入信号经前置级放大到足够的幅度，推动功率 放大级(末前级和末级)工作，以输出负载所需要的功率。 (一) 多级放大电路的组成 1耦合：两个以上的单级放大电路中，级与级之 间的连接方式叫耦合。 耦合电路：实现级与级之间连接的电路。它 作用是把前一级放大电路输出的信 号传送到后一级。 耦合方式：(1) 阻容耦合 (2) 直接耦合 (3) 变压器耦合 2阻容耦合放大电路： 把电容器作为级间的连接元件，并与下一 级的输入电阻连接而成的一种耦合方式。 如下图： (1) 电路组成：由两个分压式偏置的单管放大电路 组成。第一级和第二级之间用耦合电容c2及电 阻rb22连接，即为阻容耦合。主要用于交流放 大电路的前置级。 (2) 电路特点： a. 由于电容的“隔直”作用，各级的静态工作点相 互自独立，互不影响，整个电路的零漂不会太 大，电路的分析调试都比较方便。 b. 由于电容的“通交”作用，并不影响前后级交流 信号的传递。 c. 由于存在较大的电容器，电路只能放大较大的 交流信号，不能放大直流及缓慢变化的信号， 低频特性差，而且不易集成化。 缺点 3直接耦合放大电路： 一个放大电路的输出与下一个放大电路的 输入用导线直接相连的方式。如下图 (1) 电路组成： 前一级放大电路的输出端与后一级放大电 路的输入端用导线直接连在一起。即uo1= ui2 (2) 电路特点： a前后级直接相连，可以放大缓慢变化的信号 或直流信号 ，能反映直接电平的变化，低频 特性比较好。 b电路中没有电容器，易于集成。 c各级静态工作点q相互影响，信号源及输出负 载也会影响到q，因此分析计算和安装调试都 比较困难。缺点 d零点漂移的影响。缺点 零点漂移指放大电路的输入端短路 (即输 入信号ui=0)时，其输出端仍出现变化缓慢而 无规则的输出电压。这是一个虚假信号。 4变压器耦合放大电路： 利用变压器，通过磁路的耦合把原方 的交 流信号传送到副方，就构成了变压器耦合 放大 电路。如下图 (1)电路组成：利用变压器t1，通过磁耦合把 原边的交流信号传送到副边。 (2) 电路特点： a前后级的q相互独立，电路的设计计算 都比较方便。 b变压器耦合不能放大直流信号，低频和 高频特性都较差。缺点 c变压器可以进行阻抗变换，得到最佳负 载。常用于功率放大电路中。 d制作变压器需要用有色金属和磁性材料， 体积大，成本高，无法集成化。 缺点 (二) 多级放大电路的分析 1. 电路的静态分析：即求电路的静态工作点q, 应由电路的直流通路来分析。 直流通路画法规定：将所有的电容皆视为开 路, 其余的各量不变 。 (1) 三种耦合方式的比较： 1阻容耦合放大电路：由于电容的“隔直”作用， 各级q相互独立，互不影响，各级的q点可以 单独计算，与单级放大电路相同。 2直接耦合放大电路：由于各级的直流通路互 相联系，因此各级q不能单独计算。 3变压器耦合放大电路: 由于变压器作用，各 级q相互独立，互不影响，各级的q点可以 单独计算，与单级放大电路相同。 (2) 直流通路：以阻容耦合为例。见下图。 按照规定：将所有的电容c1、c2、c3及 ce1、ce2皆视为开路。如下： (3)计算：直流通路的计算就是求静态工作 点q（即求ibq、icq和uceq）。 见例题。 2动态性能分析： 电路的动态性能分析应通过交流通路 来分析计算。 交流通路的画法规定： （1）所有的电容皆视为短路 （2）直流电源ugb视为接地 因此，三种耦合方式的分析方法是 相同的，下面以阻容耦合为例。 在下图电路中，第一级的输出电压 uo1就是第二级的输入电压ui2, 而且两级 的发射极电阻re1与re2均被发射极旁路电 容ce1和ce2短路。 (1) 交流通路： (2)微变等效电路：（即交流等效电路） 由交流通路画出。 下图为简化的三极管微变等效电路： (3) 计算： a输入电阻ri： riri1rb11rb12rbe1 rbe1 其中：三极管v的输入电阻 rbe300(1)26mv/ieq ma 若前一级无发射极旁路电容ce1， 则 riri1 rb11rb12rbe1(11)re1 b输出电阻r0：r0r02 rc2 c电压增益（电压放大倍数）au： 其中： rl1 rc1ri2， 而ri2rb21rb22rbe2 rbe2 rl1rc1rbe2 ； rl2 rc2rl 若前一级无发射极旁路电容ce1，则： 而ri2rb21rb22rbe2 rl1rc1ri2rc1rb21rb22rbe2 (三) 多级放大电路的例题分析： 例1 下图电路中，已知：1250， 求：电压增益au，输入电阻ri，输出电阻r0 这是一个两级阻容耦合放大电路。前一级发射 极电阻由re与re1串联，其中re1并联旁路电容ce1， re无旁路电容；后一级发射极电阻re2并联旁路电 容ce2。 （1）静态分析：由直流通路计算，如下图。 计算第一级放大电路的静态工作 点： 见上图（a） 计算第二级放大电路的静态工作 点： 见上图（b） (2) 动态性能分析：由交流通路分析 。 画出交流等效电路图：如下 计算rbe1、rbe2 rbe1300(11)26mv/ie1q ma 300(150)26/0.52.95k rbe2300(12)26mv/ie2q ma 300(150)26/11.63k 计算电压增益au： ri2rb21rb22rbe2 39131.63 1.4k rl1 rc1ri2 101.41.28k 第一级电压增益： 第二级电压增益： 总电压增益： auau1au2(4.87)(78.2)381 计算输入电阻ri： riri1rb11rb12rbe1(11)re1 7.2k 计算输出电阻r0：r0 rc25.1k 例2下图所示电路中，三极管的放大倍数80， 求：(1) 该电路的静态工作点q（ib、ic、uce） (2) 该电路的电压放大倍数au、输入电阻ri、 输出电阻ro。已知rbe1k。 解: (1)静态分析: 即求静态工作点q(ib、ic、uce): 首先画出其直流通路，如下图： 静态工作点q为： ib26a、ic2.1ma、uce6.4v。 (2)动态分析:其微变等效电路如下: 1求输入电阻ri：已知rbe1k, rirb1rb2rbe(1)re1 4010(1810.1)4.3k 2求输出电阻r0：r0 rc3k 3求电压放大倍数au： 例3在上图所示电路中，三极管的放大倍数，它的 静态工作点是 ( a ) aq ( ) bq ( ) cq ( ) dq ( ) 解：其直流通路如右图： 二. 集成运算放大器： （一）概述： 1集成运算放大器：是一个高电压增益(105以 上)、高输入阻抗和低输出阻抗的直接耦合的 多级放大电路。 集成运算放大器是一种集成电路, 它是将电 阻器、电容器、二极管、三极管以及它们的连线等 全部集成在一小块半导体基片的完整电路, 具有体 积小、质量轻、功耗小、外部接线少等优点, 从而 大大提高了设备的可靠性，降低了成本。集成电路 可分为数字集成电路和模拟集成电路两大类，集成 运算放大器是模拟集成电路中应用最广泛的一种， 由于最初用于数值运算，所以称为集成运算放大器 ，简称集成运放或运放。如下图： 2集成运放的基本结构：见下图： 3集成运放的组成： (1) 输入级：是集成运放性能指标好坏的关键。通 常采用差动放大电路来抑制零漂，获得尽可能 高的共模抑制比。它要求具有高的输入阻抗。 (2) 偏置电路：根据各级的需要，集成运放内部采 用各种形式的电流源电路，为各级提供小而稳 定的直流偏置电流，从而确定合适而稳定的静 态工作点。 (3) 中间级：是集成运放的主要放大级，常采用带 有源负载的共射极或共基极放大电路来提高电 压增益。 (4) 输出级：用来提高电路的输出电流和功率，即 带负载能力。因此要求有很低的输出阻抗。 4特点： （1）具有很高的开环电压增益，一般在105以上。 （2）具有深度负反馈。 （3）可进行比例、加法、减法、微分和积分等数 学运算。 5集成运算放大器的两种应用方式： （1）线性应用： 指集成运放工作在其特性的线性区，其 内部的三极管都工作在放大区，它的输入、 输出信号呈线性关系。 线性应用的基本电路有反相比例、同相 比例、加法、减法、微分、积分等各种运算 电路。 (2) 非线性应用： 指集成运放工作在其特性的非线性区, 其内 部的三极管都工作在饱和区或截止区, 它的输 入、输出信号呈非线性关系。 非线性应用的基本电路是比较器, 比较器可 以组成电平比较、波形产生以及波形变换等各种 应用电路。 由于集成运算放大器具有极高的电压放大 倍数，为了使它能工作在线性区，电路必须具 有很深的负反馈才能正常工作，因此，电路是 否具有负反馈可以作为判断集成运算放大器是 线性应用还是非线性应用的依据。 6分析工作在线性状态的理想运算放大 器的两条规则： （1）两输入端电流近似为零。 即i+0，i-0 虚断路 （2）两输入端电压近似相等。 即u+u- 虚短路 若为反相输入， u+0， u-0 虚地 (二) 集成运算放大器使用基本知识： 1集成运算放大器的主要参数： (1) 开环差模电压放大倍数aud： 指集成运算放大器在开环状态、输 出不接负载时的直流差模电压放大倍数。 开环状态指输出端和输入端之间未 接任何元件的状态。 一般地，通用型集成运算放大器的 aud为60140db；高质量的集成运算放 大器的aud可达170 db以上；a741的 aud典型值约为100db。 (2) 输入失调电压uio： 指为使集成运算放大器的输入电压为零时， 输出电压也为零，而在输入端施加的补偿电压。 其值越小越好，一般地为几毫伏。 (3) 输入失调电流iio ： 指当输入电压为零时，输入级两个差动对 管的静态基极电流之差。即iioib1ib2。 iio越小越好，通常为0.0010.1a。 (4) 输入偏置电流iib： 指当输出电压为零时，差动对管的两个静 态输入电流的平均值。即iib（ib1ib2）/ 2 其值越小越好，通常为0.00110a。 (5) 最大差模输入电压uidm： 指集成运算放大器的两个输入端之间所能 承受的 最大电压值。 利用平面工艺制造的硅npn管，uidm约为5v； 横向pnp管可达30v；a741的uidm为30v。 (6) 最大共模输入电压uicm： 指集成运算放大器所能承受的最大共模输入电压。 若实际的共模输入电压超过uicm值，则集成运算放大 器的共模抑制性能将明显下降。以至于不能正常工作。 a741的uicm值约为13v。 (7) 差模输入电阻rid： 指运算放大器在开环条件下，两输入端之间的动 态电阻。 其值越大越好。一般的运算放大器为105106， 国产的高输入阻抗运算放大器的rid值目前可达1012 以上。 (8) 输出电阻ro： 指运算放大器在开环条件下的动态输出电 阻。它表征集成运算放大器的带负载能力。ro 越小，带负载能力越强。一般地，其数值为几 十至几百，a741的ro值为75。 (9) 最大输出电压幅度uopp： 指在规定的电源电压下，集成运算放大器 所能输出的不产生明显失真的最大电压峰值。 a741的uopp为1314v。 (10) 共模抑制比kcmr： 指差模放大倍数aud与共模放大倍数auc 之比的绝对值。即kcmraud / auc，此 值越大越好。a741的kcmr为90db；高精度 运算放大器的kcmr可达120db。 2集成运算放大器的选择： 集成运算放大器按其技术指标可 分为通用型、高速型、高阻型、低功 耗型、高精度型等；按其内部电路可 分为双极性型（由晶体管组成）和单 极型（由场效应管组成）；按每一集 成片中集成运算放大器的数目可分为 单运放、双运放和四运放。 选用原则：在能满足设计要求时,应尽量选 择通用型。 应选择开环增益高、输入电阻大、共 模抑制比高而且输出电阻小、失调电流小 及失调电压小的集成运算放大器。 例如：当输入信号的幅度较大（毫伏级）、 频率较低、信号源内阻和负载电阻适中 （几千欧)时，采用通用型较好；而对于内 阻很高的信号源，则应选用高阻型运放； 若要求输出幅度大、变化速率高时，就可 选用高速型运放等。 3集成运算放大器的使用： (1) 集成运算放大器性能的扩展： 利用外加电路的方法可使集成运放的某些性能得 到扩展和改善。 提高输入电阻： 在集成运算放大器的输入端加一个由场效应管组 成的差动放大电路可提高输入电阻。如下图： 这种电路的输入电阻可达103105 m以上。 提高带负载能力： 通用型集成运放的带负载能力较弱， 它的允许功耗只有几十毫瓦，最大输出电 流为10ma左右。当负载需要较大的电流 和电压变化范围时，就要在它的输出端附 加扩大功能的电路。 a扩大输出电流： 如下图，在输出端加一级互补对称 放大电路来扩大输出电流。 b同时扩大输出电压和输出电流：如下图 在运放的正负电源接线端与外加正负 电源之间接入三极管v1和v2，目的是提高 三极管v3、v4的基极电流提高输出电 流。 由于v3和v4分别接在30v的电源上， 故负载rl两端电压的变化将接近30v， 提高输出电压。 (2) 集成运算放大器的保护： 电源反接的保护： 在集成运算放大器的正、负电源处，加上 两个二极管，可控制电流倒流，防止电源反接 引起的故障。如下图： 输入保护：集成运算放大器常因输入电压 过高而造成输入级损坏。也可能造成输入 管的不平衡，从而使各项性能变差，因此 必须外加输入保护措施。如上图（b）与 （c）就是利用二极管和电阻构成限幅电路 来保护。在输入端接入反向并联的二极管， 将输入电压限制在二极管的正向压降以下。 输出保护：集成运算放大器最常见的输出 过载有输出端短路造成运放功耗过大，或 者输出端错接高电压使输出级击穿，因此 大多数组件内部均有限流电路，但为可靠 起见，仍需外加保护电路。 上图（a）是用两个反向串联的稳 压管跨接在输出端和反向输入端之间来 限制输出电压。把输出电压限制在 （uz0.6v）范围内，从而防止了 输出过电压。 上图（b）是为防止输出端触及外 部过高电压而损坏组件的电路。将两个 稳压管反向串联，稳压管支路可使输出 电压限制在（uz0.6v）范围内。 (三) 集成运算放大器的典型应用 1几种典型的运算电路：属于集成运算放大器 的线性应用。 (1) 反相比例运算:输出电压u0与输入电压ui的关系 (2) 同相比例运算： 输出电压u0与输入电压ui的关系： (3) 加法运算： 输出电压u0与输入电压ui的关系： (4) 减法运算： 输出电压u0与输入电压ui的关系： 减法器又称为差动放大器。 (5) 微分运算： 输出电压u0与输入电压ui的关系： (6) 积分运算： 输出电压u0与输入电压ui的关系： 2比例积分调节器(pi调节器)： 也属于集成运算放大器的线性应用。 (1) 电路结构：如下图(a)所示，图(b)为反相比例 运算电路，图(c)为积分运算电路。 (2) 输出电压uo与输入电压ui的关系： (3) 特点:比例部分迅速反应调节作用，积分部分最 终消除静态偏差。采用比例积分调节器的自动 调速系统，既能获得较高的静态精度，又能具 有较快的动态响应，因而得到了广泛的应用。 3. 电压比较器： 是将一个模拟量的电压去和另一个参考电 压(或给定电压)相比较的电路。属于集成运算 放大器的非线性应用。 如下图(a) 为电压比较器的基本电路。 (1)工作原理： 当运算放大器处于开环状态时，输出电压 uo只有两种可能的状态，即u0+或u0-。其传输 关系(输出与输入)如上图(b) a当输入信号uiur时，uou0+； 当输入信号uiur时，uou0-， 它表示ui在参考电压ur附近有微小的增加 时，输出电压将从正向饱和值u0+过渡到负向 饱和值u0-。 b若参考电压ur0，则输入电压每次过零时， 输出就要产生突变。这种比较器称为过零比较 器。如下图(a)所示。 其传输特性如上图(b)所示，当输入信号 为正弦波时，每过零一次，比较器的输出端 将产生一次电压跳变，其正、负向幅度均受 电源压电压的限制。输出波形为具有正、负 极性的方波。如上图(c)所示。 可见：电压比较器是将集成运算放大器 的反相输入端和同相输入端所接输入电压进 行比较的电路。uiur是运放工作状态转换 的临界点。若ur0，则其传输特性对原点 是对称的；而ur0，它的传输特性对原点 是不对称的。 (2) 分类：a. 过零比较器(ur0) b. 单限比较器(ur0) c. 迟滞比较器 (3) 迟滞比较器：又称为迟回比较器。即在过零比 较器或单限比较器电路中引入正反馈，则比较 器的输入输出特性曲线具有迟滞回线形状。 它又可分为下行迟滞比较器和上行迟滞比 较器两种。 a下行迟滞比较器：进行比较的信号ui作用在 运放的反相输入端,它的输入输出特性曲线 为下行特性。如下图： 阈值电压：指使输出电压翻转的输入电压。见上图 uth1为上阈值电压, 当ui uth1时, uo从uom变为uom； uth2为下阈值电压, 当ui (24)igt(门极触发电流)。 (五) 主要参数： 1. 双向晶闸管的额定电流 it(rms)： 双向晶闸管通常用在交流电路中，因而不用平均 值而用其允许流过的最大交流有效值表示其额定电流 it(rms)，例如：交流总电流有效值 i=100a的双向晶闸 管，其峰值电流则为2100140a，而一个峰值 为140a的普通晶闸管，其正向平均电流 it(av)(2i) /0.45i0.4510045a。 所以一个100a (有效值)的双向晶闸管可代替两个45a (平均值)的反并联的普通晶闸管。即额定电流为100a的 双向晶闸管与额定电流为45a的两只反并联的普通晶闸 管，两者的电流容量是相同的。当负载为交流电机时， 要考虑启动或反接电流峰值来选取元件的额定电流it(rms)。 2. 额定电压utn：电压裕量通常取(23) 倍，380v线路 用的交流开关，一般选用10001200v的双向晶闸管。 (六) 双向晶闸管的保护： 1为了防止双向晶闸管换向时失控，需在 元件两端并接rc阻容，常取 r50100，c0.10.47f。 2无论是普通晶闸管还是双向晶闸管，使 用中晶闸管主电极 (a-k或t2-t1) 间的导 通压降都不应超过2v，且负载功率超过 250w 时就应安装上散热片 (以每100w 输出的功率为50mm2计算）。 4 典型全控型器件 一门极可关断晶闸管：在门极加负脉冲电流就能 关断的全控型器件。简称gto 它的基本特性和伏安特性与普通晶闸管相同。 (一) gto的表示符号：如下图。 (二) gto的工作原理： gto具有自关断能力，即只要在阳极和阴极之 间加正向电压，门极与阴极之间加正触发信号， gto 就导通；门极与阴极之间加负信号，则gto 就关断。其门极伏安特性见p.51 图2-5(b) (三) gto的主要参数： 1. 电流关断增益goff： 指被关断的最大阳极电流iato(峰值) 与门极关断峰值电流igm之比， 即goff iato / igm。 它表示gto的关断能力，通常约为45。 2. 最大可关断阳极电流iato： 指由门极可靠关断为决定条件的最 大阳极电流。 也就是gto铭牌上的电流。 (四) gto的优点：与普通晶闸管相比。 1. 用门极负脉冲电流关断方式代替主电路换流， 关断所需能量小。 2. 可关断晶闸管只需提供足够幅度、宽度的门极 关断信号就能保证可靠的关断，因此线路可靠 性高。 3. 有较高的开关速度，可关断晶闸管的工作频率 可达35khz。但是, gto器件工作时，必须有 正向门极脉冲来触发其导通, 还需要有较大功 率的反向脉冲来控制其关断。这不仅需要有较 复杂的控制电路, 而且在器件关断的动态过程 中, 还需要设置过电压吸收的保护电路。另外， gto所达到的电流容量及电压水平没有普通的 晶闸管高。缺点。 二电力晶体管gtr： 是一种双极型、大功率、高反压晶 体管，也称巨型晶体管。它具有自关断 能力，并有开关时间短、饱和压降低和 安全工作区宽等优点。 (一) gtr的工作原理及特性： 1gtr的结构： 是由三层半导体材料形成的两个 pn结组成。其结构和符号如下图所示。 目前常用的gtr器件有：单管、达林顿 管和gtr模块三个系列。 单管gtr的电流增益低，采用达林顿管 是提高电流增益的有效方式。达林顿gtr由 两个或多个晶体管复合组成，它的类型是由 复合管中的驱动管决定。在电力电子器件中， gtr是电流控制型器件，常用的是npn型， 下图即为一npn型gtr。 2工作原理：gtr主要工作在开关状态。以下图 共射极开关电路为例说明。 (1) 当基极输入正向电压+ub时，发射结正偏 (ube0)，集电结亦正偏(ubc0)，gtr处于 饱和状态，即导通状态。 (2) 当基极输入反向电压-ub或0时，发射结反偏 (ube0)，集电结亦反偏(ubc0)，gtr处于 阻断状态，即截止状态。 3gtr的静态特性及工作状态： 因为gtr主要工作在开关状态，所以它在用作电 子开关时，工作有截止和导通两种状态。两种状态的 相互转换都要经过放大区。其工作区域可分为深饱和 区、临界饱和区、放大区和截止区。见下图。 (1) 在截止区：ube0，ubc0， 发射结与集电结均反偏； (2) 在放大区：ube0，ubc0， 发射结正偏而集电结反偏； (3) 在饱和区：ube0，ubc0， 发射结与集电结均正偏。 注意：gtr作为开关器件使用时,要力求避免工作在放 大区，可以减少器件的功率损耗。当工作在饱和 状态时，不利于迅速关闭至截止状态，可以减小 和控制正向基极电流的大小，使其工作在临界饱 和状态，有利于器件迅速截止。(2009.07-58) (二) 电力晶体管的二次击穿与安全工作区： 1二次击穿现象： (1) 一次击穿在ib0时, 当集电结反偏电压逐渐 增加到某一数值时, ic急剧增大，这就是一次雪 崩击穿现象。它具有可逆性, 不会损坏晶体管。 (2) 二次击穿器件发生一次击穿后，若uce再 增加，ic上升到某一临界值(下图中的a点),晶 体管电压突然下降, ic电流继续增长， 出现了负阻效应。 即二次击穿现象。 负阻效应使器件内 局部温度过高，管 子立刻烧毁。 2安全工作区： 安全工作区soa是指gtr能够安全运行的 电流电压的极限范围。如下图。 它由电压极限参数ucemax、电流极限参数icm、 耗散功率pcm及二次击穿功率psb所构成的曲线组成 低压范围内psbpcm，由pcm限定； 高压范围内pcmpsb，由psb限定。 (三) 电力晶体管的极限运行参数： 1最高工作电压：实际使用时，最高工作 电压应比极限工作电压ucemax要低得多。 2集电极最大允许电流icm：受晶体管参数、 晶体管饱和压降及结温等限制，ic通常 只用到icm的一半左右。 3最大耗散功率pcm：晶体管的功率容量 是由集电极工作电压与工作电流的乘积 所决定的。它反映了热性能对晶体管使 用的限制。晶体管开关频率越高，其功 耗就越大。 因开关过程要经过放大区， 所以选用gtr时，要考虑其开关频率。 三功率场控晶体管mosfet： 功率mosfet是一种单极型的电压控制器 件, 不但具有自关断能力，而且具有驱动电路简 单且驱动功率小、开关速度快、工作频率高、输 入阻抗极高、输入电流非常小、热稳定性好、无 二次击穿问题、安全工作区宽等特点。 可分为n沟道和p沟道两种类型。目前使 用最多的是n沟道增强型。如下图。 (一) 功率mosfet的基本工作原理： 1当栅极电压为零（ugs0）时，即使在 漏、源(d、s)之间施加电压也不会造成 p区内载流子的移动，mosfet处于关 断状态。 2在保持漏、源(d、s)间施加正向电压的 前提下，若在栅极g上加正向电压 (ugs0)，就有漏极电流id，则mosfet 导通。 3若在栅极g上加反向电压(ugs0)，则没 有id电流流过，器件关断。 (二) 功率mosfet的特性与参数： 1功率mosfet的静态特性： (1) 正向输出特性：以栅-源电压ugs为参变量， 反映漏极电流id与漏源电压uds关系的曲 线。如下图 上图可分为三个区域： 可调电阻区、饱和区(或称恒流 区)和雪崩区。 当功率mosfet作为开关器件使用 时，工作在可调电阻区，此时，当ugs 一定时，漏极电流id与漏源极电压uds 呈线性关系；当功率mosfet用于线性 放大时，工作在饱和区，此时当ugs一 定时，漏极电流id近似为常数；功率 mosfet使用时，应避免工作在雪崩 区，否则会使器件损坏。 (2) 反向输出特性： 当漏源电压uds0时，功率mosfet 无反向阻断能力，漏源间流过反向电流。 (3) 转移特性：指栅源电压ugs与漏极电流id之 间的关系。如下图 其中： id/ugs表示功率mosfet的放大能力。 2mosfet的主要参数： (1) 通态电阻ron：它决定了器件的通态损 耗，是影响最大输出功率的重要参数。 (2) 漏源击穿电压buds：它决定了功率 mosfet的最高工作电压随温度升高而 增大。 (3) 栅源击穿电压bugs：是为了防止绝缘层 因栅源电压过高发生介质击穿而设定的 参数。极限值一般定为20v。 (4) 开启电压ugst：指开始出现导电沟道的 栅源电压。 (5) 最大漏极电流idm： 它表征功率mosfet的电流容量。 (6) 开通时间ton和关断时间toff： 因功率mosfet依靠多数载流子导电，不 存在少子存贮效应，没有反向恢复过程，所以 开关时间较短。工作频率可达100khz。 (三) mosfet的安全工作区： 1正向偏置安全工作区：见下图 它由四个极限参数组成的界限围成，即漏源 通态电阻ron限制线()、最大漏极电流idm限制 线()、最大功耗pdm限制线()和最大漏源电压 udsm限制线()。 2开关安全工作区：见下图 它由最大漏极峰值电流idm与最小漏源击穿电压 buds围成的矩形组成。 四绝缘栅双极晶体管igbt： (一) 复合型器件的特点： igbt是一种复合型电力半导体器件，它 将mosfet与gtr的优点集于一身，具有速 度快，输入阻抗高，通态电压低，耐压高， 带暖流容量大等特性。成为电力电子器件发 展的重要方向。其图形符号如下： (二) igbt的基本工作原理： igbt相当于一个由mosfet驱动的厚基区 gtr, 它的开通和关断是由门极(栅极)电压控制的。 当门极加上正向电压时,igbt导通；在门极上施加 反向电压后，igbt即被关断。其等效电路如下： 图(a)为简化等效电路，图(b)为具有寄生 晶闸管的等效电路。 igbt的特点： (1) igbt是一种电压控制型器件，它的开通和关断是由门 极电压控制的。即在igbt的g-e之间加正电压时， mosfet内形成沟道，并为pnp晶体管提供基极电流， 使igbt导通工作；当igbt的g-e之间加反向电压或电 压为零时，mosfet的沟道消除，pnp晶体管的基极 电流被切断，igbt关断。 (2) igbt比功率mosfet的耐压高，电流容量比功率 mosfet大。 (3) 开关速度比功率晶体管gtr要快。 (三) igbt的擎住效应与安全工作区： 1. 擎住效应：当漏极电流大到一定程度时, 这个正偏置电 压足以使npn晶体管开通，进而使npn和pnp晶体管 处于饱和状态, 于是寄生晶闸管开通，门极失去控制作 用。这种现象称为电流擎住效应, 亦称为电流锁定效应。 2安全工作区：igbt具有较宽的安全工作区。分 为正向偏置安全工作区（fbsoa）及反向偏置 安全工作区（rbsoa）。 上图(a)为正向偏置安全工作区，它与igbt的导 通时间有关，时间增加，正向偏置安全工作区就缩 小；图(b)为反向偏置安全工作区，它与电压上升率 有关，duds/dt越大，反向偏置安全工作区就越小。 5 电力电力电子器件的选择和保护： 目前，电力电子器件的应用越来越广泛，尤其是 各种新型自关断功率器件的应用范围不断扩大，为了 确保电力电子装置安全可靠地运行，必须正确选用和 保护电力电子器件。 (一) 电力电子器件的选择 1电力电子器件种类的选择： 在电力电子装置中，采用自关断器件省去了线路 复杂、体积较大的强迫换相电路，既减小了装置体积， 又降低了开关损耗，提高了效率。 目前，容量为600kva以下的装置一般采用gtr 或igbt；容量为6004000kva的装置一般采用 gto晶闸管；而容量为4000kva以上的装置才采用 普通晶闸管。 2电力电子器件参数的选择： 恰当地选择电力电子器件的参数可以使电力电子 装置功能良好、可靠、经济、维护方便。 （1）器件电压的选择： 选择器件的重复峰值电压（额定电压）的依据 是：额定电压必须大于器件在电路中实际承受的最 大电压，并有23倍的裕量。 （2）器件电流的选择： 选择器件的额定电流时，必须考虑到不同器件 额定电流的表示方法有所不同，例如：普通晶闸管 的额定电流是工频正弦半波电流(波形系数kf1.57) 的平均值；而双向晶闸管用电流的有效值表示； gto晶闸管、gtr、mosfet和igbt等则用电流的 峰值表示。因此必须根据实际使用的器件来选择器件 的额定电流。 另外，当单个器件额定电压不能满 足电路电压要求时，可将多个器件串联 使用，但器件串联时要保证各个串联器 件所承受的电压基本相等（即均压）； 当单个器件额定电流不够大时，可将多 个器件并联使用，但器件并联使用时要 保证每个并联器件中所流过的电流基本 相等（即均流）。 (二) 电力电子器件的保护 由于电力电子器件承受过电压和过电流的 能力较差，因此必须采用相应的保护措施，过 电压和过电流保护是提高电力电子装置运行可 靠性所不能缺少的重要环节。 1过电压保护： (1) 过电压产生的原因：电力电子装置中可能发生 的过电压分为外因过电压和内因过电压两类。 a外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作 过程等外部原因。 (a) 操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起的 过电压，电网侧的操作过电压会由供电变压器 电磁感应耦合、或由变压器绕组之间存在的分 布电容静电感应耦合过来。 (b) 雷击过电压：由雷击引起的过电压。 b内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件 的开关过程。 (a) 换相过电压：由于晶闸管或者与全控型器件反 并联的续流二极管在换相结束后不能立刻恢复 阻断能力，因而有较大的反向电流流过，使残 存的载流子恢复，而当其恢复了阻断能力时， 反向电流急剧减小，这样的电流突变会因线路 电感而在晶闸管阴阳极之间或与续流二极管反 并联的全控型器件两端产生过电压。 (b) 关断过电压：全控型器件在较高频率下工作， 当器件关断时，因正向电流的迅速降低而由线 路电感在器件两端感应出的过电压。 (2) 过电压的保护措施： 为了防止过电压对电力电子装置造成损坏， 必须采取有效的过电压保护措施。过电压保护 措施一般采用器件限压和rc阻容吸收等方法。 见下图 图中示出了各种过电压保护措施及其配置 位置。各电力电子装置可视具体情况只采用其中 的几种。其中rc3和rcd属于抑制内因过电压的 措施，其功能已属于缓冲电路的范畴；在抑制外 因过电压的措施中，采用rc过电压抑制电路是 最为常见的。其典型连结方式见下图，图(a) 为 单相，图(b) 为三相。 其中: f避雷器； d变压器静电屏蔽层 c静电感应过电压抑制电容 rc1阀侧浪涌过电压抑制用rc电路 rc2阀侧浪涌过电压抑制用反向阻断式rc电路 rv压敏电阻过电压抑制器 rc3阀器件换相过电压抑制用rc电路 rc4直流侧rc抑制电路 rcd阀器件关断过电压抑制用rcd电路 rc过电压抑制电路可接于供电变压器的 两侧（通常供电网一侧称为网侧，电力电子 电路一侧称为阀侧），或电力电子电路的直 流侧。对大容量的电力电子装置可采用反向 阻断式rc电路。有关保护电路的参数计算可 参考相关的工程手册。 采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、 硒堆和转折二极管（bod）等非线性元器件 来抑制或吸收过电压也是较常用的措施。 2. 过电流保护： 电力电子电路运行不正常或者发生故障时， 可能会发生过电流。过电流分过载和短路两种情 况。下图即为各种过电流保护措施及其配置图。 其中采用快速熔断器、直流快速断路器 和过电流继电器是较为常用的措施。一般电 力电子装置均同时采用几种过电流保护措施 ，以提高保护的可靠性和合理性。在选择各 种保护措施时应注意相互协调。各种过电流 保护选择整定的动作顺序是：电子保护电路 作为第一保护措施，首先动作，直流快速断 路器整定在电子保护电路动作之后实现保护 ，过电流继电器整定在过载时动作。快速熔 断器作为最后的短路保护。 3. 缓冲电路： 缓冲电路又称为吸收电路，其作用是 抑制电力电子器件的内因过电压或者过电 流，减小器件的开关损耗。缓冲电路可分 为关断缓冲电路和开通缓冲电路，关断缓 冲电路又称为du/dt抑制电路，用于吸收器 件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt， 减小关断损耗；开通缓冲电路又称为di/dt 抑制电路，用于抑制器件开通时的电流过 冲和di/dt，减小器件的开通损耗。还可以 将关断缓冲电路和开通缓冲电路结合在一 起，称为复合缓冲电路。 第二节 晶闸管整流电路 1 单相半波可控整流电路： 一. 电阻性负载： 1工作原理：如下图。 (1) 正半周 ( 0)： 晶闸管承受正向电压，若在t时 刻发出触发脉冲，晶闸管被触发导通，电 源电压全部加在负载上。 电源电压u2u2msint， 负载电流id为： id u2/rsint t 而在t0期间，晶闸管不导通。 (2) 负半周 (2)： 晶闸管承受反向电压，转入阻断状态。 负载电压ud0，电流id0。 (3) 控制角与导通角： a. 控制角从晶闸管开始承受正 向电压到被触发导通所对应的电角 度，称为控制角。改变控制角的 大小就可控制输出整流电压的大小。 b. 导通角 晶闸管在一个周期 内导通的电角度，称为导通角。 c. 移相范围：控制角从0到最大 角度的区间。最大可达180 d. 与的关系：180 2基本电量公式： 二. 感性负载及续流二极管： 1工作原理：见下图 在t时刻触发晶闸管，由于电 感的存在，负载电流id从零开始上升至 最大值，最后开始下降。由于电感的感 应电势的作用，电源负半周内的一段时 间里，仍有负载电流流通，直到电感将 磁场储能放完，即在t处， id0。因此在电源电压变负 期间，负载上的电压为负值，故负载上 直流电压平均值比电阻性负载时就减小 了。 2续流二极管： 为了解决电感性负载时整流输出电压平均 值下降的问题，可在负载两端并联续流二极管。 如下图： (1) 工作原理：在电源的正半周时，续流二极管承 受反向电压而截止，当电源进入负半周后，续 流二极管导通(电流如图所示)，晶闸管被加上 反向电压而关断，而负载电流通过续流二极管 继续导通，负载上的电压被箝制在零电压 (忽 略二极管的管压降）。 (2) 基本电量公式： (3) 注意：续流二极管的极性不要接错，否则 会引起短路。 2 单相全波可控整流电路： 一. 单相全控桥式整流电路： 1电阻性负载： 电路图见下图(a), 波形图见下图(b) (1) 工作原理： 正半周：若在控制角时施加触发脉冲， vt1和vt4导通，vt2和vt3截止。 负半周：若在控制角时施加触发脉冲， vt2和vt3导通，vt1和vt4截止。 (2) 各电量公式： 晶闸管承受的最大电压为： u2 例1 有一单相全控桥整流电路，供给一个1.6的电阻负 载，要求输出的直流平均电压048v连续可调。为 了可靠工作设最小控制角min20，试计算晶闸 管电流有效值和变压器次级电压、电流有效值。 解：由已知：min20, 即控制角从180调到20, 输出电压从0v变到48v，变压器次级电压有效值为： 变压器次级电流有效值i2为： 2电感性负载： 电路图见下图（a）, 波形图见下图（b） 其整流输出直流电压平均值： ud0.9u2cos 当90时，ud0， 所以移相范围为90，此时 整流输出直流电流平均值： idi2 (i2即为变压器次级电流有效值) 其波形基本平直。 晶闸管电流的有效值：ivtid/ 二. 单相半控桥式整流电路：只能整流,不能逆变。 下图为电感性负载带续流二极管的电路图。 波形图中负载电压的负值也没有了。见上图。 3 三相半波可控整流电路 三相可控整流电路的优点：输出的直流电 压和电流脉动小、频率高、对电网影响小，电 网功率因数高。是三相整流电路的最基本的组 成形式。 一. 三相半波不可控整流电路： 1.电路构成：电路图如上图(a)， 波形图如上图(b) 三相整流变压器原边接成三角形，副 边接成星形。零线与负载的一端相连，所 以三相半波电路又称为三相零式电路。副 边相电压有效值为u2，线电压有效值为 u2l，三相电压表达式如下： uau2sint ubu2sin(t120) ucu2sin(t240) u2sin(t120) 2工作原理： 三相电源电压波形的正半波交点分别为1、3、5，负半 波交点为2、4、6。二极管只要阳极电位高于阴极电位就导 通，三只二极管共阴极接法，阳极分别接到变压器副边， 所以只有在相电压的瞬时值为正并且正电压最高的一相所 接的二极管才能导通，其余两只必然承受反向电压而截止。 例如：从1点到3点之间a相的电压最高，vd1导通，而 vd2承受的阳极电压ub0，vd3承受的阳极电压uc0，所 以vd2 、vd3截止。同理从3点到5点之间b相的电压最高， 转为vd2导通，从5点到1点之间c相的电压最高，转为vd3 导通。三只二极管依次轮流导通，分别在1、3、5点进行 换相，由后一相管子导通替换前一相管子导通。每一只管 子导通120，除换相时任何时刻只有一只二极管导通。 所以1、3、5点称为a、b、c三相在正半周的自然换流 (相)点，这也是三相半波可控整流电路的自然换相点。 二. 三相半波可控整流电路： 1电阻性负载： (1) 电路构成及工作原理：电路图如下： 将整流二极管换作晶闸管，则构成三相半 波可控整流电路，各相的自然换相点即为各相 控制角的起算点，即在该点0。 a当0时，输出整流电压最大，随着的 增大，整流电压逐渐减小。其波形见下图(a) b. 当30时，在t 1时刻送出#1触发脉冲给晶闸管 vt1，此时vt1承受a相正向电压而被触发导通，负载 两端电压udua，在t 2时刻送出#2触发脉冲给晶闸 管 vt2，此时vt2承受b相正向电压而被触发导通， vt2导通后使vt1承受反向电压而关断，完成vt2与 vt1的换相，udub，同理，在t3时刻送出#3触发 脉冲给晶闸管vt3，完成vt3与vt2的换相，uduc。 其波形见下图(b)。 c. 当150时，整流电压为零。因此移相范围为 150，导通角150。 由以上分析可见：当30时，直流电压ud、直 流电流id的波形出现断续，这是因为晶闸管导通到本相电 压过零处由于电流下降到零而关断，而后一相触发脉冲 还未到使得后一相晶闸管无法导通。另外当150 时，即使有触发脉冲，但相电压变负，晶闸管也无法被 触发导通，因此它的移相范围为0150。 (2) 整流输出电压平均值： 030时, ud1.17u2cos 波形连续 30150时, ud0.675u21cos(30) 波形断续 (3) 晶闸管承受最大电压(即线电压峰值)： u2l u2 2电感性负载： (1) 电路构成及工作原理：电路图见下图 (a) a. 30时：负载上整流电压ul的波形与电阻 性负载时相同。负载电流il波形基本平直，流 过晶闸管的电流接近于长方形。 b. 30时，如60，在t1时刻送出#1 触发脉冲，vt1被触发导通，到t2时#2触发脉 冲到来，其阳极电位下降到零开始变负，但由 于电感中电流的变化总是落后于电压，电流id并 未下降到零 ，故vt1继续保持导通，直到t2时 因#2触发脉冲到来触发vt2，将反向电