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第十二章 现代电力电子技术 电力电子技术是电力、电子、控制三大领域的交叉学科，是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。本章首先介绍电力电子器件的结构、工作原理和主要参数。接着以电力电子器件为核心，通过对各种不同电路的控制，实现电能的转换和调节，具体介绍整流电路、斩波电路、交流调压电路，以及各种电路的应用。最后以典型器件变频器为例，分析无源逆变器的工作原理和变频器应用等内容。第一节 常用电力电子器件电力电子器件适用于高压、大电流场合，主要以开关方式工作。电力电子器件是电力电子技术的核心。目前，常用的电力电子器件有：普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。这些器件各有自己的特点和应用范围。一、晶闸管晶闸管原称为可控整流器（SCR），它是目前半导体从弱电进入强电领域，制造技术最成熟，应用广泛的器件之一。它既具有二极管的单向导电性，又具有正向导通的可控特性。因而在调速系统、变频电源，无触点开关等方面得到了广泛的应用。1晶闸管的结构晶闸管的三个电极分别为阳极A、阴极K和控制极（门极）G，其图形符号如图12-1a所示。晶闸管的封装形式与晶闸管容量有关，对于额定电流小于10A的小功率管常用压膜塑封式，如图12-1b所示；对于大功率晶闸管，有螺栓式和平板式两种：额定电流在200A以下的晶闸管采用螺栓式，如图12-1c所示。大于200A的采用平板式，如图12-1d所示。从内部结构看晶闸管有P1N1P2N2四层半导体，形成J1、J2、J3三个PN结，如图18-1e所示。从P1层引出阳极A，从N2层引出阴极K，从P2层引出控制极G。加在晶闸管阳极与阴极之间的电压称为阳极电压，加在晶闸管控制极与阴极之间称为控制极电压。2晶闸管的工作原理晶闸管工作原理可用图12-2所示实验电路加以说明。图12-1 晶闸管的结构a）图形符号 b）塑封式 c）螺栓式 d）平板式 e）内部结构图图12-2 晶闸管的工作原理图a）反向阻断 b）正向阻断 c）触发导通 d）除去控制极信号仍导通（1）反向阻断如图12-2a所示，晶闸管阳极与阴极之间加反向电压即晶闸管阳极电压小于零，此时无论是否给控制极加电压，灯泡不发光，晶闸管不导通，这种状态称为反向阻断状态。（2）正向阻断如图12-2b所示，晶闸管阳极电压大于零，但由于控制极无电压信号，灯泡不发光，晶闸管不导通，这种状态称为正向阻断。（3）触发导通如图12-2c所示在晶闸管阳极和阴极加正向电压的基础上，给控制极和阴极间加足够的正向电压即控制极电压大于零，此时灯发光，晶闸管导通，这种状态称为触发导通。在晶闸管导通后若除去控制极上的电压，灯仍发光，如图12-2d所示，表示晶闸管仍导通。可见晶闸管一旦导通后，控制极就失去控制作用。要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低或增大负载电阻使流过晶闸管电流小于维持电流IH，元件就关断了。从上述实验可以看出：1）晶闸管导通必须具备两个条件：晶闸管的阳极与阴极间加正向电压，即UAK0。控制极与阴极之间加足够正向电压，即UGK0。2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。3）要使晶闸管关断，必须使晶闸管的阳极电流降到维持电流IH以下。此时晶闸管只有重新触发才能再次导通。3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳极电压UAK与阳极电流IA之间的函数关系。如图12-3所示。图12-3 晶闸管的伏安特性当晶闸管外加反向电压UAK0时，它的反向特性与二极管的反向特性相似。晶闸管处于反向阻断状态，当反向电压增加到电压URO时，晶闸管被反向击穿，导致晶闸管永久性损坏。晶闸管加正向电压且控制极开路时，晶闸管处于正向阻断状态。当UAK升至UBO时，晶闸管突然由阻断状态变为导通状态。UBO称元件的正向转折电压，此时管子处于硬开通，多次“硬开通”会损坏管子，通常就在门极加上电压，使Ig足够大，此时晶闸管的正向转折电压很小，即只要很小的阳极电压晶闸管就能由阻断变为导通，晶闸管可以看成是个可控的二极管。4主要参数（1）额定电压UTn选用晶闸管时，其额定电压为电路中可能出现的最大瞬时电压的23倍。（2）额定电流IT（AV）选晶闸管时，按式IT（AV）=（1.52）I/1.57取相应的电流等级即可。式中I为电路中可能出现的最大电流有效值。（3）维持电流IH控制极开路和室温条件下，晶闸管触发导通后，维持通态所必须的最小电流，一般为几十微安。（4）控制极触发电压UG和触发电流IG在规定正向阳极电压下，使晶闸管等由阻断到导通所得的最小控制极电压和电流，一般门极触发电压UG大于3.5V，不超过10V，IG为几十到几百毫安。为确保触发，加到控极的触发电压和电流要比额定值大。（5）通态平均电压UT（AV）在规定条件下，通过正弦半波的额定电流时，晶闸管的阳极与阴极之间电压的平均值，该值约为1V左右。5晶闸管判别（1）晶闸管电极的判别塑封式普通晶闸管等可用万用表R100或R1K档来测任意两脚的正向电阻，当某次测量得的数值最小时（约为几十欧），此时黑表笔对应的是控制极，红表笔对应的是阴极，余下的为阳极。（2）晶闸管好坏的判别用万用表粗测其好坏的方法是：测量各极之间的正反向电阻的大小。好的管子，用表的R1K档测量阳极与阴极间的正反电阻都很大，约几百千欧。用表的R10或R100档测量控制极与阳极间的正反向电阻，二者应有明显差别。二、双向晶闸管1双向晶闸管结构a） b） c）图12-4 双向晶闸管a）结构 b）等效图 c）符号双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，有塑封式、螺栓式和平板式。其内部是五层半导体（NPN PN），引出三个电极，分别为第一阳极（T1）、第二阳极（T2）和门极（G），如图12-4所示。无论从结构还是特性上来看，双向晶闸管都可看成两个反并联的晶闸管（P1N1P2N2和 P2N1P1N4），因此双向晶闸管常用于交流调压的场合。2双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通，G相对于T2无论是正还是负都能触发，因此有四种触发方式，见表12-1。表12-1 四种触发方式四种触发方式中的灵敏度各不相同，其中+方式灵敏度最低，因此在实际应用中只采用（-，-）和（+，-）两种触发方式。3参数选择（1）额定电压UTn额定电压为电路中可能出现的最大瞬时电压的23倍。380V电路中的交流开关，一般选用1000V1200V的双向晶闸管。（2）额定电流IT（RMS）双向晶闸管多用于频繁起动和制动的场合，对于可逆运转的电机，IT（RMS）应为电机最大额定电流的710倍。（3）换向能力的选择一般选用为220V/ s的双向晶闸管4双向晶闸管的判别（1）T2极的判别用万用表R1K测G与T1、T2中任意两个电极的正反向电阻，若测得的两个电极间的正反向电阻都很小（约100欧）时，则这两个电极为G和T1，剩下的为T2。大功率双向晶闸管的T2与散热器相连，由此确定T2。（2）T1和G极的判别用黑表笔接假设的T1极，红表笔接T2极，此时用导线将T2和G短接，电阻应为10欧左右，双向晶闸管导通，除去短接线，电阻不变，双向晶闸管维持导通。三、功率场效应晶体管功率场效应晶体管，简称功率MOSFET，它是一种单极型电压控制器件，具有自关断能力，且输入阻抗高、驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到1MHZ，不存在二次击穿问题、安全工作区宽等主等优点。MOSFET属现代电力电子器件，因其电压和电流容量较小，故在高频中小功率的电力电子装置如开关电源、机床伺服、汽车电子化等方面得到广泛应用。1功率MOSFET的结构功率MOSFET根据载流子的性质可分为P沟道和N沟道两种类型，符号如图12-5a所示，它有三个电极：栅极G、源极S和漏极D，图中箭头表示载流子移动方向。功率MOSFET无反向阻断能力，因为当漏源极电压UDS0时，漏区PN结为正偏，漏源间流过反向电流。因此在应用时若必须承受反向电压，则MOSFET电路中应串入快速二极管。如图12-5b所示。 a） b） c）图12-5 MOSFET管符号和结构a）图形符号 b）实用图形符号 c）内部结构目前常用的是N沟道增强型垂直导电结构的VDMOSFET，典型结构如图12-5c所示。这种沟道是由同一扩散窗口利用双扩散工艺产生P型体区和重掺杂N+型区扩散浓度差形成的，电流在沟道内沿着表面流动，然后垂直地被漏极吸收。提高功率MOSFET管的功率是通过：（1）将若干个单元MOSFET并联而成为功率MOSFET，实现了大电流。现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当，新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代，每平方厘米含有千万个单位MOSFET。（2）它的高掺杂N+硅片衬底，提高了器件的耐压能力。这种结构可使导电沟道缩短、截面积加大，因而具有较高的通流能力和功率处理能力。2工作原理功率MOSFET的工作原理与传统的MOS器件基本相同，栅源极加正向电压（UGS0）使MOSFET内沟道出现，电子从源极移动到漏极形成漏极电流ID，器件导通；反之，当栅源极加反向电压（UGS0）沟道消失，器件关断。3功率MOSFET的主要特性功率MOSFET的特性可分为静态特性和动态特性，静态特性主要指MOSFET的输出特性和转移特性，动态特性主要指MOSFET的开关特性。（1）输出特性输出特性也称漏极特性曲线，是以栅源极电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏极电压UDS间关系的曲线族，如图12-6所示。功率MOSFET管的输出特性与场效应管的输出特性相似，它也分为三个区：可调电阻区：UGS一定时，漏极电流ID与漏源极电压UDS几乎呈线性关系。当MOSFET作为开关器件应用时，工作在此区内。线性放大区：在该区中，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而加大，ID近似为一常数。当MOSFET用于线性放大时，则工作此区内。击穿区：当漏源电压UDS过高时，使漏极PN结发生雪崩击穿，漏极电流ID会急剧增加。在使用器件时应避免出现这种情况，否则会使器件损坏。（2）转移特性转移特性是在以漏源极电压UDS为参变量，输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系如图12-6，功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线，如图所示。该特性反映了功率MOSFET的栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力。图12-6 静态特性a）输出特性 b）转移特性由图可见，只有当UGSUT时，器件才导通，UT称开启电压。它是指沟道形成区最低栅源电压，直接由掺杂浓度所决定。开启电压具有负温度系数，温度每升高45，开启电压将下降约10%。由于功率MOSFET管开启电压具有负温度系数，此特性使该管具有较好的二次击穿现象。（3）开关特性功率MOSFET是单极型电压控制器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小，因而具有开关速度快的特点。4功率MOSFET的主要参数（1）通态电阻RonRon是功率MOSFET管的主要参数。通常规定：在确定栅源电压UGS下，功率MOSFET由可调电阻区进入线性放大区时的漏、源极间直流电阻为通态电阻。它是影响最大输出功率的重要参数。在开关电路中它不仅决定了输出电压幅度和自身损耗的大小，还直接影响器件的通态压降。在同样的温度条件下，耐压等级愈高的器件通态电阻越大，且器件的通态压降越大。可见对耐压和Ron的要求是互相矛盾的，这是功率MOSFET耐压难以提高的原因之一。由于功率MOSFET的通态电阻具有正电阻温度系数（约为0.4%0.8%），而漏极电流具有负的温度系数，因此当器件并联时，电流分布趋向平衡。（2）开启电压（UT）开启电压又称阈值电压，是转移特性曲线与横坐标交点处的电压值。在应用中，常将漏、栅短接条件下ID等于1mA时的栅极电压定义为开启电压。UT具有负温度系数。（3）跨导gm跨导gm和晶体管的相似，表示功率MOSFET管的栅、源电压对漏极电流的控制能力。定义为：gm=ID/UGS单位为西门子，简称西（S）。（4）漏、源击穿电压UBDS漏源击穿电压UBDS是功率MOSFET的最高工作电压，它是为了避免器件进入击穿区而设的极限参数。在选定工作电压时要依据器件的UBDS留有充分的裕量。当结温升高，UBDS随之增大，耐压提高。（5）栅、源击穿电压UBDS栅、源击穿电压UBDS是为了防止静电使栅、源电压过高而发生绝缘栅层介质击穿而设定的参数，其极限值一般规定为20V。（6）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM表征功率MOSFET的电流容量，它们主要受器件沟道宽度限制。当MOSFET管工作在开关状态时，IDM约为ID的24倍。在选择器件时必须根据实际工作情况考虑裕量，防止器件在温度升高时，导致管子损坏。四、绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管，简称为IGBT，是单极和双极技术的混合物，是20世纪80年代出现的新型复合器件，它既有单极型器件的输入阻高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又有双极型器件电压低、耐压高和承受电流大等优点。因此发展很快，在电机控制、汽车点火、功率转换以及其它工业电子及汽车控制领域广泛采用。IGBT1982年试制成功，1986年成功生产。目前，IGBT的生产水平为2500V、1000A，而研制水平已走向第三代。IGBT未来发展的趋势是高电压、高开关频率、低通态压降，产品基本实现模块化。1IGBT的结构N沟道IGBT的图形符号如图12-7a所示。它有三个电极即门极G、集电极C、发射极E。IGBT的内部结构如图12-7b，它是在功率MOSFET的基本上增加一个高浓度P+层发射极形成PN结J1并以此引出集电极C。栅极和发射极与MOSFET相似。由结构图可以看出NIGBT相当于一个由N沟道MOSFET驱动的厚基区PNP型晶体管，其简化等效电路如图12-7所示。图中电阻RN是厚基区晶体管基区的扩展电阻。由此可见IGBT是以晶体管为主导元件、MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件。 a） b） c）图12-7 IGBT的结构与符号a）图形符号 b）内部结构 c）简化电路2工作原理IGBT是全控型器件它的开通和关断是由栅极电压来控制的。栅极施以正电压时， MOSFET内形成沟道，并为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时，从P+区注入道N-区的空穴（少子）对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻RN，使高耐压的IGBT也具有低的通态降。在栅极上施以负电压时，MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即为关断。3IGBT主要特性IGBT的特性可分为静态特性和动态特性，静态特性主要指IGBT的伏安特性、转移特性，动态特性主要指IGBT的开关特性。（1）伏安特性当以栅源电压UGs为参变量时，IGBT的集电极电流IC和集、射极电压UCE的关系曲线，叫做IGBT的伏安特性，如图12-8a所示，它和晶体管伏安特性相似。可分为饱和区，放大区和击穿区。在UCE不变的条件下，输出电流由栅极电压控制，栅极电压越大，电流IC越大。（2）转移特性IGBT的转移特性是描述集电极电流IC与栅极、发射极之间的电压UGE的关系曲线，如图12-8b所示。此特性与功率MOSFET的转移特性相似。只有当门源电压接近开启电压UGE（th）时，才有集电极电流，并且IC和UGE呈线性关系，此时IC很大；当UGS小于开启电压，IGBT处于关断状态。 a） b）图12-8 静态特性a）伏安特性 b）转移特性（3）动态特性IGBT的动态特性也称开关特性，如图12-9所示。它包括开通过程和关断过程，IGBT的开通时间为（0.51.2）s。IGBT在开通过程中大部分时间是作为MOSFET工作的。IGBT的关断时间通常为（0.551.5）s。4IGBT的主要参数（1）集电极发射极击穿电压UCEM这个参数决定了IGBT的最高工作电压，它是由器件内部PNP晶体管所能承受的击穿电压确定，具有正温度系数，其值大约为0.36V/，即25时，具有600V击穿电压的器件，在95，具有550V的击穿电压。目前IGBT的最高工作电压为600V、1000V、1200V、1400V、1700V和3300V几个档次。（2）开启电压UGE（th）图12-9 动态特性开启电压是转移特性与横坐标交点处的电压值，是IGBT导通的最低控制电压。UGE（th）随温度升高而下降，温度每升高1，UGE（th）值下降5mv左右。在常温时，IGBT的开启电压一般为26V。（3）通态压降UCE（on）通态压降UCE（on）决定了通态损耗。通常IGBT的UCE（on）为25V。（4）最大栅射极电压UGEM栅极电压是栅氧化层的厚度和特性所限制的。栅氧化层介质电击穿的典型值大约为80V，使用时应将栅极电压限制在20V之内，一般取15V左右。（5）集电极连续电流IC和峰值电压ICM集电极流过的最大连续电流IC即为IGBT的额定电流，其表征IGBT的电流容量，IC主要受结温的限制。为了避免锁定现象的发生，规定了IGBT的最大漏极电流峰值ICM。由于IGBT大多工作在开关状态，因而ICM更具有实际意义，只要不超过额定结温（150），IGBT可以工作在比连续电流值大的峰值电流ICM范围内，通常峰值电流为额定电流的2倍左右。第二节 晶闸管可控整流电路整流是把大小和方向都随时间变化的交流电变为单方向脉动直流电的变流过程。如果采用功率二极管作为整流元件，则可获得大小固定的直流电压，这种整流方式称为不可控整流。如果采用晶闸管作为整流器件，则可以通过控制门极触发脉冲施加的时刻来控制输出整流电压的大小，这种整流称为可控整流。可控整流电路包括可控整流的主电路和触发电路两部分。一、主电路可控整流电路主电路结构形式视用电负载容量大小不同而定，通常小容量（4kW以下）的负载供电采用单相可控整流，它具有电路简单、投资省、维护方便等优点；对于容量较大的负载，采用三相可控整流电路易于满足负载对高电压大电流的需求，同时也保证负载上的直流电压脉动小，供电的交流电网三相平衡。其中单相整流电路是学习多相可控整流电路的基础，同时单相可控整流电路本身在小功率变流装置中也得到了广泛的应用。因此本节只介绍单相半波和单相半控桥式整流两种电路。1单相半波可控整流电路（1）电阻性负载图12-10表示一个带电阻性负载的单相半波可控整流电路。图中T为整流变压器，起到变换电压和隔离的作用。一般其原边电压u1，为电网的工频交流电压，副边电压u2则根据所需直流电压ud的平均值Ud来决定。在生产中电炉、电焊机、电阻加热炉及白炽灯均属于电阻性负载。电阻性负载的最大特点是负载上的电压、电流同相位，波形相同，且电压都允许突变。变压器副边电压u2为工频正弦电压，其有效值为U2，通过负载电阻Rd加到晶闸管VT的阳极与阴极之间。当0t时，即u2的正半周内，晶闸管阳极电压为正，阴极电压为负，元件承受正向电压，具备导通的必要条件。假设门极在t1时刻才有正向触发脉冲电压ug，则在0t1范围内，晶闸管由于无门极控制信号而关断，处于正向阻断状态，此时负载上电流为零，负载电压ud=0，晶闸管承受电源电压，晶闸管端电压uT=u2。图12-10 单相半波可控整流电路及波形a）电阻性负载电路 b）波形图在t1时刻门极加触发脉冲电压，满足晶闸管导通条件，晶闸管立即导通，负载上流过电流id。若不计管压降影响，则uT=0，ud=u2。负载电阻Rd两端的电压波形ud就是变压器二次电压u2的波形，流过负载的电流id波形与ud相似。由于二次绕组、晶闸管以及负载电阻是串联的，故id波形也就是流过晶闸管的电流iT及流过整流变压器二次电流i2的波形，如图12-7所示。在以后的t1范围内，即使门极触发电压消失，晶闸管继续导通；当t1=时，电源电压u2=0，负载电流下降到零小于维持电流IH，晶闸管关断，负载上电压、电流均为零。当t在u2的负半周即2区间，晶闸管因受反向电压而关断，此时负载电压、电流均为零。u2的下一个周期情况与上述相同，循环往复。在单相半波电路中，晶闸管从开始承受正向电压起至开始导通时刻为止的电角度称为控制角或移相角，以表示，即图12-10中0t1的一段。晶闸管在一个周期导通的电角度称为导通角，用表示，即图12-10中t 的一段。在上述电路中，=-，改变的大小，即可改变Ud的大小。为了满足晶闸管的导通条件，必须使触发脉冲出现在u2的正半周，即控制角的移相范围为0。为了使整流输出电压波形稳定，每个周期内的控制角应相同，这种触发信号和电源电压在频率和相位的配合关系称为同步。按图示的波形进行计算可得 （12-1） （12-2）例12-1 有一单相半波可控整流电路，变压器副边电压U2=120V，负载电阻Rd=25，控制角=30。试求输出电压和电流的平均值。（2）电感性负载工业中需要直流供电的电机励磁、滑差电机的电磁离合器励磁线圈以及输出串接电抗器的负载等均可用电阻Rd和电感Ld的串联电路来等效。整流电路带电感性负载时的工作情况与带电阻性负载时有很大不同。由于电感Ld的存在，使输出电压ud的波形中出现负值，因而电压平均值Ud下降，当负载的LdRd大很多（Ld10R）时，称为大电感负载。其输出电压ud波形的正、负半周面积相近，输出电压平均值Ud=0，平均电流也很小，负载上得不到所需的功率。所以单相半波可控整流电路如不采取措施是不可能直接带大电感负载的，解决的方法是在负载的两端并接续流二极管VD，如图12-11所示。晶闸管VT触发导通后，电流经晶闸管，Ld、Rd变压器形成回路，此时续流二极管VD因承受反压而关断。当电源电压u2降至零进入负半周时，电感感应电势使二极管VD承受正向电压导通。此时电感Ld释放能量，维持的负载电流经二极管VD构成回路，称为续流。同时晶闸管因没有电流流过而关断。电感性负载时的输出电压波形及其平均值Ud分别与电阻负载时相同，对于大电感而言，流过负载的电流id连续且波动小，可近似为一条水平线。其值为式中负载电流Id由晶闸管导通电流iT和续流管续流电流iD两部分组成，均为近似方波。方波电流的平均值、有效值分别为S图12-11 有续流管的单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路结构简单，元件少，调整容易，但输出电压脉动很大，变压器利用率低，故适用于整流指标要求低，容量小的可控整流装置。为了克服上述缺点，可采用单相半控桥式整流电路。2单相半控桥式整流电路若将单相桥式整流中的四只二极管全部换成晶闸管，就组成单相全控桥式电路。但实用中多采用图12-12所示电路，这里只用了两只晶闸管，另两只仍用二极管，故称单相半控桥式整流电路。这样，即节省了两只晶闸管和触发电路，还提高了运行的可靠性，所以在中小容量中得到较广泛的应用。大电感负载时，负载电流id为一水平线，波形如图12-12所示。电源电压u2正半周时VD1处于正偏导通，晶闸管VT1承受正向电压，VT2承受反向电压。在t=时触发晶闸管，则只有VT1导通，电流路径为：电源aVT1LdRdVD1电源b，负载两端整流电压ud=u2，当u2过零进入负半周时，续流管VD导通，负载电流经续流管VD而续流，忽略VD管压降，此时负载上的整流电压ud=0，VT1承受反压而关断。当u2为负半周时，VD2导通，在相同控制角时，VT2承受正向电压被触发导通，续流管承受反向电压而关断。此时电流通路为：电源bVT2LdRdVD2电源a，负载两端整流电压ud=-u2。同理在u2负半周过零变正时，续流管承受正向电压导通，负载电流id又经续流管续流，VT2承受反向电压而关断，下一周期与上述分析相同，循环往复。按图示的波形进行计算可得晶闸管的电流平均值、有效值为图12-12 单相半控桥带电感性负载a）电路图 b）波形图续流管的电流平均值、有效值为例12-2 某电感性负载采用带续流管的单相半控桥电路供电，如图12-12a所示。已知：电感线圈的内阻Rd=5，输入交流电压U2=220V，控制角a=60。试求晶闸管与续流管的电流平均值及有效值。解 首先求整流输出电压平均值求负载电流平均值流过晶闸管与整流二极管的电流平均值与有效值 流过续流二极管的电流平均值与有效值 二、触发电路晶闸管由阻断转入导通，除阳极要承受正向电压外，还需在门极和阴极间加适当的正电压，改变触发脉冲的输出时刻，即可改变控制角大小，从而达到改变输出电压平均值的目的。这种控制晶闸管导通的电路称为触发电路。为了保证晶闸管整流电路准确无误工作，对触发电路有以下要求：（1）触发电路输出的脉冲必须有足够大的电压和功率。（2）触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步。（3）脉冲的前沿要陡，宽度应满足要求。（4）满足主电路移相范围的要求。触发电路很多，在这里我们仅介绍结构简单、输出尖脉冲，抗干扰能力强、温补性好的单结晶体管触发电路，它广泛用于中小容量的晶闸管触发控制。1单结晶体管单结晶体管又称双基极二极管，其结构示意图、电路模型、符号和外形见图12-13。单结晶体管共有三个电极，第一基极b1，第二基极b2和发射极e。图12-13 单结晶体管a）结构示意图 b）电路模型 c）图形符号 d）外形及管脚单结晶体管b1与b2极之间正反向电阻相等约为310K。而e和b1极或e和b2之间的正向电阻小于反向电阻，且rb1rb2。正常工作时rb1的阻值随发射极电流Ie的变化而变化，故等效为一个可变电阻。图12-14是单结晶体管的实验电路，由图可得其特性。当UeUA时，VD截止，Ie=0，单结晶体管关断。 UA=Ubb=Ubb称为单结晶体管的分压比，其值约为0.30.85。图12-14当Ue上升到UeUbb+UD时，VD由截止转入导通，此时电压Ue=Up，Up为峰值电压。电流Ie流过rb1，rb1立即减小至十几欧姆，此时UA对应的电压称为谷点电压UV，若减少Ue使UeUV管子将截止。2单结晶体管振荡电路图12-15为单结晶体管自激振荡电路。电源未接通时电容C上电压为零。一旦接通电源E，电源通过Re对电容C充电，电容C两端电压按指数规律上升，当uC上升至峰点电压Up时，单结晶体管导通，于是C通过e、b1向电阻R1放电，uC按指数规律很快衰减至谷点电压UV，使单结晶体管恢复截止状态。这样在电容C上形成了一个锯齿波电压，而在R1上得到一个尖脉冲电压。改变电阻Re的大小，就可改变电容充电的快慢，改变尖脉冲输出的时间间隔。输出脉冲宽度取决于R1的大小，一般取50200。3单结晶体管同步触发电路图12-15 单结晶体管自激振荡电路图12-16 单结晶体管同步触发电路图12-16是单结晶体管同步触发电路，它与主电路同用一个交流电源u1。由梯形波同步电压形成、阻容移相和触发脉冲输出三个环节组成。触发电路与主电路同用一个电源，每当主电路交流电压过零值时，触发电路电源uS也经过零值，二者同步，才能保证每半周产生第一个脉冲的时刻保持不变，即角相同。将uS整流输出，经由VS变换成梯形波UVS，UVS相当于振荡电路中电源Ubb。在每个梯形波中有一组触发脉冲，但由于晶闸管是半控型器件，故只有每组中的第一个脉冲有效。削波的目的是使单结晶体管输出的脉冲幅值不受交流电源电压波动的影响，同时还可增大移相范围。上述触发器电路每个周期只能产生一个有用的触发脉冲，由Re直接改变控制信号，控制灵敏度低，且不能实现自动控制。因此目前应在较广泛的触发电路如图12-17a所示。同步变压器TS，整流桥及稳压管VS组成同步电路，同步变压器一次侧与晶闸管整流主电路，接在同一交流电源上，同步变压器二次侧正弦电压经桥式整流与稳压管削波，得到的梯形波电压uV如图12-17b所示，削波的作用除能保证单结晶体管输出脉冲的幅值和周期不变外，还能扩大晶闸管控制角的范围。 a）b）图12-17 单结晶体管实用电路图中晶体管V1起放大控制信号的作用，提高了控制灵敏度；晶体管V2用来代替图12-16中的电位器Re。为了实现自动控制，电路通过改变V1输入电压UC的大小来达到改变控制角的目的。例如UC增大，V1集电极电流增大，RC1上的电压降增大，因而C1点电位降低，则V2的集电极电流增大，V2的E、C极之间的电阻减小，所以电容C充电速度加快，使触发脉冲前移。反之，减小UC可以使触发脉冲后移，即控制角增大。图12-17中的触发脉冲由脉冲变压器TP输出。这样可使触发电路与主电路在电气上隔离，而且脉冲变压器二次绕组可以是数个，能同时触发两个以上晶闸管。在脉冲变压器原边并联的二极管VD1起续流作用，以防止单结晶体管截止时，变压器产生的自感电动势对单结晶体管的危害。由于晶闸管的控制极和阴极间允许施加的反向电压值很小，所以在变压器副边串联一只二极管D2，它只将正脉冲电压引至晶闸管控制极。如果变压器副边输出负脉冲电压时，VD2截止，而并联的二极管VD3却将控制极与阴极短路，防止晶闸管的控制极与阴极反向击穿。第三节 直流斩波器和交流调压器直流斩波器是接在恒定直流电源与负载之间的直流调压器，也称为直流直流（DC-DC）变换器。现被广泛应用于开关电源和直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、电力机车、地铁和电动汽车等。交流调压器是一种调节交流电压的变换装置，称为交流交流（AC-AC）变换器。现广泛用于交、直流开关及交流调压中，如调光、温控、小容量电动机的调速及大容量异步电动机的软启动等。一、斩波器斩波器的原理如图12-18所示，斩波器其实质是由电力电子器件构成的开关，通过连续地接通和断开开关，使直流电源断续地接在负载上，使负载上获得一串电压脉冲，图12-18所示为电阻上的电压波形。负载电压的平均值UO为U0=Ud=kUd式中ton为斩波器导通时间；T为斩波器的工作周期；k为斩波器的占空比。由上式可知，要改变电源输出的电压值，可以通过对斩波器导通时间ton和工作周期T的控制来实现。这种控制方法称为时间比控制。时间比控制有以下三种方式：第一种方法是改变ton，而保持T不变，称为脉宽控制方式；第二种方法改变T，而保持ton不变，称为频率控制方式；第三种方法既改变ton又改变T，称为综合控制。目前普遍采用的仍是脉宽控制方式。实际应用中负载多为感性，下面以感性负载为例，介绍两种典型的斩波器电路：降压式斩波器和升压式斩波器。1降压式斩波器带电感性负载的降压式斩波电路如图12-19所示。图中Cd为输入端的滤波电容；斩波开关V采用具有自关断能力的IGBT；VD为续流二极管，当V关断时，续流管为负载提供电流通路，电感L和电容C组成低通滤波器，从而减小输出电压的波动；Z为感性负载。 图12-18 基本的斩波电路及波形 图12-19 带电感负载的斩波电路稳态时，电容C很大，则输出电压可近似为常数即u0（f）UO，由于此时电容C可看成是开路，所以有电感中的平均电流等于流过负载中的平均电流。动态时，若开关V接通，在整个ton期间，二极管VD反向偏置截止，主电路如图12-20a所示，负载电压为u0=Ud。流过开关器件电感中的电流线性上升；当开关V关断，在整个ton期间，电感上的感应电动势，使得VD导通，主电路如图12-20b所示，负载两端电压为u0=0，电感中的电流呈线性下降，在这种工作模式下，输入电压恒定，输出电压只随占空比k线性变化，当k在0到1的范围内连续调节，可输出则在0到Ud间变化。因此这是个降压式斩波器。c） a） b） d） 图12-20 降压式斩波器的电路工作状态a）V开通等效电路 b）V关断等效电路 c）负载端电压 d）负载电流2升压式斩波器带电感性负载的升压式斩波器电路如图12-21所示。图中L为储能元件；斩波开关V采用IGBT；VD为升压二极管，C为滤波电容；Z为感性负载。当斩波开关管V接通时，二极管VD被反向偏置关断，它将输入电源与输出负载隔离，此时电源向电感储能，电容C向负载供电。当V关断时电感释放能量，与输入电压一起经由正向导通的二极管向负载供电。电感中电压与电流的稳态波形如图12-21d所示。在稳态工作时，电感在一个周期内的平均电压值为零，即有Ud ton+（Ud-U0）toff=0整理得 UdT=U0toffU0=Ud显然，U0Ud，这是个升压式斩波电路。图12-21 升压式斩波电路及波形图二、交流调压器交流调压器是由晶闸管等电力电子器件构成的交流电压控制装置。常用的交流调压器大多采用双向晶闸管作为其主电路元件，这类调压电路线路简单、成本低，在工业加热、照明调光、风扇调速、小容量交流异步电动机调速等场合得到广泛应用。 a） b）图12-22 单相交流调压器a）主电路 b）波形图图12-22是单相交流调压电路，双向晶闸管VT和R串联后接至交流电源u2上。在电源电压正半周，当t=时触发导通VT，和单相半波整流相似，电阻中流过电流，uR=u2；t=时，电源电压为零，电流为零，VT自行关断。在电源的负半周，当t=+时触发导通VT，负载电阻中流过电流，uR=u2；当t=2时，VT自行关断，uR=0。下一周期重复上述过程，不断往复。在负载上可得如图12-22所示的缺角正弦波，通过改变控制角的大小，即可改变其输出交流电的有效值。若由两只反并联的晶闸管或GTR等其它全控器件代替双向晶闸管，其输出波形一样，但需两组触发电路，且要保证正负半周角相同。输出交流电压有效值和电流有效值为图12-23 双向晶闸管调压电路图12-23是一种双向晶闸管调光电路。VD是双向二极管（也称触发二极管）。当接通交流电源时，无论正负半周，只要电容C1充电电压达到双向二极管的导通电压，C1就通过VD给晶闸管提供一个触发脉冲，使晶闸管导通。当电源电压过零时，晶闸管自行关断。电路工作时双向晶闸管正、负向轮流导通，输出缺角正弦波。要改变输出电压的有效值，只需调节RP即可实现改变移相角。在实际应用中，增设了R2C2阻容电路，保证当较大时，C1两端可获得一个足够使VD导通的电压，从而保证晶闸管VT可靠触发导通，增大调节范围。 第四节 电力电子器件应用实例电力电子器件应用范围很广，这里介绍几种典型的应用实例。一、铅蓄电池充电电路图12-24是晶闸管构成的铅蓄电池充电电路。主电路是由220V工频交流电供电的单相半波可控整流电路。触发电路采用单结晶体管触发电路，充电时Q合上，单结晶体管的两个基极间所加的电压Ubb是由220V交流电源经半波整流后降压获得，如图12-24所示。由于Ubb是正弦半波，所以单结晶体管的Up与UV的变化轨迹均为不等幅的正弦半波。单结晶体管的发射极电压取自待充电电池的两端电压，所以该电路能工作的条件是待充电电池极性必须正确，当极性接反或发生短路故障，则无脉冲输出，主电路中晶闸管关断，从而使充电器得到了保护。调整R1或R2，改变Ubb大小，从而改变Up的大小最终改变了第一个脉冲的时刻，使电流平滑的变化。由于主电路和触发电路采用同一电源，从而保证了同步。电路中各波形如图12-24所示。 图12-24 简易晶闸管充电电源a）电路 b）波形二、固态开关（SSS）固态开关SSS（包括固态继电器SSR与固态接触器SSC）是一种无触点的电子开关。它是一种四端器件，其中两个端子为输入控制端，输入控制电压一般应在3V以上，6V以下；另两个端子为输出受控端，无输入控制信号时，输出端是开路的，即为常开状态，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接至交流电源上。由于固态开关是利用电力电子器件（如双向晶闸管、大功率晶体管）的开关特性组成的无触点开关，所以它较电磁继电器具有无噪声、工作可靠、寿命长等优点。在逐步取代电磁继电器的同时，还应用在计算机外围和终端设备、保护系统、灯光控制等场合。固态开关有直流和交流两种，交流又分为单相和三相。图12-25 固态开关电路图a）原理图 b）接线图图12-25a为交流型SSR。工作时，只要在输入端1、2间加上一定的控制信号，发光二极管VD2发光，光敏管V1电阻减小，使原来导通的晶体管V2截止，VT1由电源经R4得到触发信号而导通。输出端交流电源经过负载，二极管VD3VD6，VT1以及R5构成回路，在电阻R5上产生电压降使双向晶闸管VT2导通，负载得电。由于VT2的导通区域处于电源电压“0”点附近，因而具有“0”电压开关功能。若要使SSR变为断开状态，断开控制信号，接着等待交流电的正负半周的交界点（零电位）出现，SSR才为断态。图12-25b是用两个直流控制交流输出的SSR，实现三相异步电动机的起、停控制。三、用功率MOSFET管构成高频电源图12-26 功率MOSFET构成的高频自激振荡器图12-26是由功率MOSFET等构成的高频自激振荡器。工作原理如下：当220V交流电源接通时，经整流和电容器C1滤波产生的直流电压在R1、R2分压，R2两端电压同时加到两只功率MOSFET的栅极，其值略大于器件的开启电压UT的值，由于VT1和VT2两个器件导通时间不可能完全一致，其中导通时间短一点的管子（假如VT2）电流上升得快，则变压器星号端感应高电位。于是通过磁通耦合，使VT2栅极电位也上升，VT2漏极电流增大，变压器磁路趋向饱和，磁通变化率d/dt急剧减小，因而VT2栅极电压随之迅速降低，而VT1栅极电位上升，使VT2漏极电流减小，于是变压器一次绕组感应电动势反向。通过耦合，VT2栅极电压也反向，迫使VT2截止，VT1栅极电压上升而导通，完成一次换相，可以看出，利用变压器磁路饱和，电路可以连续振荡，振荡频率由变压器二次负载电阻、高频扼流圈L和变压器漏感决定。四、大功率晶体管构成的PWM-D伺服单元图12-27为PWM-D伺服单元框图。该电路是利用大功率晶管（GTR）V1V4作为开关器件，其开关频率为常值（通常取2K）。其电源是二极管模块提供的直流固定电压，根据控制信号的大小来改变每一个周期内“接通”和“断开”的时间长短，使直流伺服电动机上电压的“占空比”改变，从二而实现其平均电压的改变，完成电动机的转速控制。图中AMP是速度控制单元，其作用是将转速给定信号与转速反馈信号TSA相比较，获得偏差信号处理后作为PWM电路的输入。PWM电路是用来将速度调节器的输出与三角波发生器送来的波形混合后，变成固定频率的脉宽脉冲，脉冲的宽度随控制信号Usr的变化而变化，即脉冲的占空比正比于控制信号。驱动电路是为主电路开关器件而设置的，其目的保证保证关断的开关完全关断后，再导通应打开的开关，从而防止电路引起电源直接短路故障。驱动电路把PWM电路输出的信号放大，驱动主电路的开关器件，在这里，主电路采用的是H型电路，V1和V4为一组，V2和V3为一组，共由两组功率组件完成。工作时某一组导通另一组关断，通过导通时间的变化和组别的变化，可使电机获得一个周期固定，正向电压、反向电压宽度可调的PWM电压。PWM调速系统采用GTR及混合集成电路构成，体积小，结构紧凑，便于机电一体化，已广泛用于数控机床上。典型产品有北京机床所开发的BS03-A、FANUC PWM-D等。图12-27 PWM-D伺服单元框图图中AMP是速度控制单元，其作用是将转速给定信号与转速反馈信号TSA相比较，获得偏差信号处理后作为PWM电路的输入。PWM电路是用来将速度调节器的输出与三角波发生器送来的波形混合后，变成固定频率的脉宽脉冲，脉冲的宽度随控制信号Usr的变化而变化，即脉冲的占空比正比于控制信号。驱动电路是为主电路开关器件而设置的，其目的保证保证关断的开关完全关断后，再导通应打开的开关，从而防止电路引起电源直接短路故障。驱动电路把PWM电路输出的信号放大，驱动主电路的开关器件，在这里，主电路采用的是H型电路，V1和V4为一组，V2和V3为一组，共由两组功率组件完成。工作时某一组导通另一组关断，通过导通时间的变化和组别的变化，可使电机获得一个周期固定，正向电压、反向电压宽度可调的PWM电压。PWM调速系统采用GTR及混合集成电路构成，体积小，结构紧凑，便于机电一体化，已广泛用于数控机床上。典型产品有北京机床所开发的BS03-A、FANUC PWM-D等。第五节 变频器及其应用变频器是交流电动机驱动器，它将工频交流电变成频率可调的交流电来驱动电动机，从而实现电动机的调速，如图12-28所示。随着微机技术的日新月异，现代电力电子技术的迅速发展和现代调速控制理论的长足进步，变频器作为一种智能“元件”，以其节电性、高