电力电子期末总复习

1、电力电子技术 期末复习题第1章 绪 论1 电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。2 电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3 电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。第2章 电力电子器件1 电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。（2）电力电子器件：指应用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。2 电力电子器件的特征(1) 电

2、力电子器件所能处理电功率的大小,也就是所能承受电压和电流的能力,是其最重要的参数.(2) 电力电子器件一般都工作在开关状态(3) 电力电子器件往往需要信息电子电路来控制(4) 尽管工作在开关状态,但是电力电子器件自身的功率损耗通常远远大于信息电子器件,所以一般都要安装散热装置3电力垫子器件的损耗 通态损耗断态损耗开关损耗4 电力电子器件的分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：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。如SCR晶闸管。（2）全控型器件：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。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。（3）不可控器

3、件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。根据驱动信号的性质分类（1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如SCR、GTO、GTR。（2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如MOSFET、IGBT。根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如MOSFET。（2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、GTO、GTR。（3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如IGBT。5 半控型器件晶闸管SCR晶闸

4、管的结构与工作原理晶闸管的双晶体管模型将器件N1、P2半导体取倾斜截面，则晶闸管变成V1-PNP和V2-NPN两个晶体管。晶闸管的导通工作原理（1）当AK间加正向电压，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向PN结。（2）当GK间加正向电压，NPN晶体管基极存在驱动电流，NPN晶体管导通，产生集电极电流。（3）集电极电流构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，进一步放大产生PNP集电极电流。（4）与构成NPN的驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反馈，这样NPN和PNP两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。2.3.1.4.3 晶闸管是半控型器件的原因（1）晶闸管导通后撤掉外部门极电流，但是NPN基极仍然存在

5、电流，由PNP集电极电流供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。（2）因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能控制其关断。2.3.1.4.4 晶闸管的关断工作原理满足下面条件，晶闸管才能关断：（1）去掉AK间正向电压；（2）AK间加反向电压；（3）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。2.3.2.1.1 晶闸管正常工作时的静态特性（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。（

6、4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。2.4.1.1 GTO的结构（1）GTO与普通晶闸管的相同点：是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。（2）GTO与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。2.4.1.2 GTO的静态特性（1）当GTO承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当GTO承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。（3）G

7、TO导通后，若门极施加反向驱动电流，则GTO关断，也即可以通过门极电流控制GTO导通和关断。（4）通过AK间施加反向电压同样可以保证GTO关断。2.4.3 电力场效应晶体管MOSFET（1）电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。（3）当大于某一电压值时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层。2.4.4 绝缘栅双极晶体管IGBT（1）GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。（2）电力MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、

8、所需驱动功率小，驱动电路简单。（3）复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。（4）绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合型器件，由GTR和MOSFET两个器件复合而成，具有GTR和MOSFET两者的优点，具有良好的特性。2.4.4.1 IGBT的结构和工作原理（1）IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。（2）IGBT由MOSFET和GTR组合而成。器 件优 点缺 点IGBT(绝缘栅双极晶体管)开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR(电力晶体管)

9、耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO(门极可关断晶闸管)电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力MOSFET(电力场效应管)开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置7二极管的主要类型(1) 普通二极管(2)快恢复二极管(3)肖特基二极管8电力电子器件产生过电压的原因

10、(1) 外因:1)操作过电压;2)雷击过电压(2) 内因:1)换相过电压;2)关断过电压9过电流分为过载和短路两种,保护措施如下(1)快速熔断器(2)直流快速断路器(3)过电流继电器第3章 整流电路（1）整流电路定义：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。3.1.1 单相半波可控整流电路（4）触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。（7）几个定义 “半波”整流：改变触发时刻，和波形随之改变，直流输出电压为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在正半周内出现，因此称“半波”整流。 单相半波可控整流电路：如上半波整流，同时电路中采用了可

11、控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。3.1.1.3 电力电子电路的基本特点及分析方法（1）电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。（2）电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。整流电路相关公式电路类型带阻性负载带阻感性负载单相半波可控单相桥式全控三相半波可控整流,与阻性负载相同三相桥式全控整流3.7 整流电路的有源逆变工作状态3.7.1 逆变的概念3.7.1.1 什么是逆变？为什么要逆变？（1）逆变定义：生产实践中，存在着

12、与整流过程相反的要求，即要求把直流电转变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，定义为逆变。（3）逆变电路定义：把直流电逆变成交流电的电路。（4）有源逆变电路：将交流侧和电网连结时的逆变电路，实质是整流电路形式。（5）无源逆变电路：将交流侧不与电网连结，而直接接到负载的电路，即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载的电路。（6）有源逆变电路的工作状态：只要满足一定条件，可控整流电路即可以工作于整流状态，也可以工作于逆变状态。3.7.1.3 逆变产生的条件有源逆变产生的条件 变流电路外侧要有直流电动势，其极性必须和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。 要求晶闸管的控制

13、触发角，使为负值。同步锯齿波触发电路的组成(1)脉冲的形成环节(2)锯齿波的形成和脉冲的移相环节(3)同步环节第4章 逆变电路（1）逆变定义：将直流电能变成交流电能。（2）有源逆变：逆变电路的交流输出侧接在电网上。（3）无源逆变：逆变电路的交流输出侧直接和负载相连。换流方式:器件换流电网换流负载环流强制换流4.2 电压型逆变电路（1）逆变电路分类：根据直流侧电源性质可以分为电压（源）型逆变电路和电流（源）型逆变电路。（2）电压（源）型逆变电路VSI：直流侧为电压源。（3）电流（源）型逆变电路CSI：直流侧为电流源。（4）电压型逆变电路举例： 直流侧为电压源，或并联有大电容。直流侧电压基本无脉动

14、，直流回路呈现低阻抗。 由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。 图中逆变桥各臂都并联反馈二极管，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道。4.2.1 单相电压型逆变电路4.2.1.1 半桥逆变电路（1）电路原理图 由两个桥臂组成，其中每个桥臂均包含一个可控器件和一个反并联二极管。 直流输入侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点为直流电源的中点。 负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。（2）栅极驱动信号 开关器件

15、V1 和V2 的栅极信号在一个周期内半周正偏，半周反偏，且二者互补。 ：V1 栅极高电平，V2 栅极低电平。 ：V2 栅极高电平，V1栅极低电平。 ：V1 栅极高电平，V2 栅极低电平。（3）电压与电流波形图 ：V1 栅极高电平，V2 栅极低电平，因此V1 为通态，V2为断态，则负载电压。 时刻：V1 开始关断，但感性负载中的电流不能立即改变方向，于是VD2 导通续流（称为续流二极管），则负载电压。直到时刻降为零时，VD2 截止，V2开始导通，负载电压仍为，反向。 其他时刻同理。（4）有功功率与无功功率 当V1或V2 为通态时，负载电流与电压同方向，直流侧向负载提供能量。 当VD1 或VD2

16、为通态时，负载电流与电压反向，则负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。（5）应用说明 上述电路中开关器件若为晶闸管，则需要使用强迫换流电路。 半桥逆变电路优点是结构简单，使用器件少，但缺点是输出交流电压幅值仅为，且直流侧需要两个电容器串联。 半桥逆变电路常使用在几千瓦以下的小功率逆变电源中。4.2.2 三相电压型逆变电路4.2.2.1 三相电压型桥式逆变电路（1）电路图 开关器件为IGBT。 直流侧由两个电容器组成，电压中点为。 直流电压为，因此“+”电压为，“”电压为。 负载侧中

17、点为N。（2）工作方式（导电方式） 每个桥臂（上或下）的导电角度为，同一相上下两个桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差。V1V1V1V4V4V4V6V6V3V3V3V6V5V2V2V2V5V5 任一瞬间，将有三个桥臂同时导通，可能是上面一个桥臂下面两个桥臂，也可能是上面两个桥臂下面一个桥臂同时导通。 每一次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行，即纵向换流。（3）负载线电压波形 针对U相，当桥臂1导通时，当桥臂4导通时，因此是幅值为的矩形波，V、W两相的情况与U相类似。 、相位依次相差。 负载线电压公式：，幅值为的矩形波，相位依次相差。（4）负载相电压及中点电压波形 负载相电压公式：其中，为

18、负载中点与直流电源中点之间的电压。 上式中，通过求解才能得出负载相电压将上式相加：则：考虑负载侧为三相对称负载，即因此： 中点电压的波形：矩形波，频率为的3倍，幅值为的1/3倍，即。 负载相电压波形：，阶梯波，幅值为，三相互差。4.3 电流型逆变电路（1）定义：直流电源为电流源的逆变电路，一般情况下为大电感形式的直流电流源。（2）电流型三相桥式逆变电路：（3）电流型逆变电路的特点： 直流侧串联大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动，直流回路呈现高阻抗。 电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相位则因负载阻抗情况

19、的不同而不同。 当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。第5章 直流斩波电路（1）直流斩波电路（DC-DC）定义：将一种直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电的装置。（2）常见的直流-直流变流电路为直流斩波电路。（3）基本直流斩波电路为：降压斩波电路和升压斩波电路。5.1.1 降压斩波电路5.1.1.1 电路原理图（1）包含全控型器件V，由IGBT组成。（2）包含续流二极管VD，作用是保证IGBT关断时给负载中电感电流提供通道。（3）负载：直流电动机，两端呈现反电动势。（4）分析前提：假设负载中电感值很大，即保证电流连续。5.1.1.2 工作原理分析（1）给出I

20、GBT的栅射极电压波形，即波形，周期为T。（2）（）期间：IGBT导通，电源E向负载供电，负载电压，由于电感存在，因此负载电流不能突变，所以按指数曲线上升。（3）（）期间：控制IGBT关断，负载电流经过续流二极管VD续流，负载电压基本为0，负载电流呈现指数曲线下降。（4）当负载电感值较大时，负载电流连续而且脉动小。5.1.1.3 公式（1）负载电压平均值：，其中为占空比。（2）电感L极大时，负载电流平均值：。5.1.1.4 总结斩波电路的三种控制方式(1)脉冲调宽型:保持开关周期T不变,调节开关导通时间ton(2)调频型: 保持开关导通时间ton不变,调节开关周期T(3)混合型: 开关导通时间

21、ton和开关周期T都可调,改变占空比5.1.2 升压斩波电路5.1.2.1 电路原理图（1）包含全控型器件V，由IGBT组成。（2）包含极大值的电感L和电容C。（3）负载为电阻R。5.1.2.2 工作原理分析（1）当IGBT导通阶段：l 电源E向电感L充电，充电电流为恒定电流；l 电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，因此输出电压为恒值。l 通态时间为，此阶段电感L上积蓄能量为。（2）当IGBT关断阶段：l 电源E和电感L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。l 此期间，电感L释放的能量为。5.1.2.3 公式（1）当电路处于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等。（2）输出电

22、压平均值：=，因此。（3）输出电流平均值：。5.1.1.4 升压斩波电路能够保证输出电压高于电源电压的原因（1）电感L放电时，其储存的能量具有使电压泵升的作用。（2）电感L充电时，电容C可将输出电压保持住。第7章 PWM控制技术PWM控制定义：即脉冲宽度控制技术，它是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形，其中包含波形的形状和幅值。7.1 PWM控制的基本原理7.1.1 面积等效原理（1）冲量的定义：指窄脉冲的面积。（2）脉冲面积等效原理：当冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，即惯性环节的输出响应波形基本相同。7.1

23、.2 PWM脉冲等效为正弦半波（1）正弦半波分成N等份，得到N个彼此相连的脉冲序列，该序列脉冲为等宽度而不等幅值，即脉冲宽度均为，但脉冲幅值不等，按正弦规律变化。（2）将上述脉冲序列采用脉冲面积等效原理进行等效：采用N个等幅值而不等宽度的矩形脉冲代替，保证矩形脉冲的中点与相应正弦半波脉冲的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦半波脉冲的面积（冲量）相等，这样能够保证矩形脉冲与正弦半波脉冲的作用相同。（3）PWM波形：上述一系列等幅值而不等宽度的矩形脉冲就是PWM波形。（4）SPWM波形：当PWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化，与正弦波等效时，称为SPWM波形。7.2 PWM逆变电路及其控制方法7.2.1 PWM调制法针对逆变电路：调制信号：希望逆变电路输出的波形载波：接受调制信号调制的信号，常见载波为等腰三角波或锯齿波PWM波形：载波通过上述调制信号波调制后所得到的波形。7.2.1.1 单相桥式逆变电路与PWM控制技术调制信号波为，载波为。（