第八章电力电子学基础

1、第第8章章 电力电子学基础电力电子学基础1、半导体器件的两个发展方向、半导体器件的两个发展方向高集成度的集成电路，称弱电子学高集成度的集成电路，称弱电子学电力电子器件，称强电子学电力电子器件，称强电子学2、电力电子器件在电动机控制系统中的作用：、电力电子器件在电动机控制系统中的作用：作为作为功率开关功率开关使用，使用，不同的控制技术与功率开关相配合，达到向电动机提供不同的控制技术与功率开关相配合，达到向电动机提供不同极性、不同极性、不同电压、不同频率、不同相序不同电压、不同频率、不同相序的供电电压，以控制电动机的的供电电压，以控制电动机的启停、启停、转向、转速转向、转速。8.1电力半导体器件（

2、电力半导体器件（3类类）1、不可控型开关器件、不可控型开关器件二极管是不可控型开关器件，导通与关断都不能控制的器件，二极管是不可控型开关器件，导通与关断都不能控制的器件，由由一个一个p型半导体型半导体和和n型半导体型半导体烧结形成的烧结形成的p-n结结、两端引线两端引线、封装封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。A：阳极：阳极B：阴极：阴极二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的单向导电性结的单向导电性 正向导通：正向导通：PN结外加正向电压（正向偏置）时，形成自结外加正向电压（正向偏置）时，形成自P区流区流入从入从N区流出

3、的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，导通导通电压降为电压降为0.80.81V1V。 反向截止：反向截止：当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，结外加反向电压时（反向偏置）时，PN结表结表现为现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过。，几乎没有电流流过。 反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，当施加的反向电结具有一定的反向耐压能力，当施加的反向电压过大，反向电流会急剧增大，压过大，反向电流会急剧增大，破坏破坏PN结反向偏置为截止的工结反向偏置为截止的工作状态。作状态。反向击穿发生时，将反向电流限制在一定范围内，反向击穿发生时，将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来

4、的状态。否则结仍可恢复原来的状态。否则PN结会过热而烧毁。结会过热而烧毁。A：阳极：阳极B：阴极：阴极2、半控型开关器件：、半控型开关器件：只能控制其导通，不能控制其关断的器件。只能控制其导通，不能控制其关断的器件。普通晶闸管普通晶闸管螺栓形晶闸管：螺栓形晶闸管：带有螺栓的一端是阳极带有螺栓的一端是阳极A，粗引线是阴极，粗引线是阴极K，细线，细线是控制极是控制极G。用于。用于100A以下场合。以下场合。平板形晶闸管：平板形晶闸管：中间的金属环是控制极中间的金属环是控制极G，离控制极，离控制极G较远的一较远的一面是阳极面是阳极A，较近的一面是阴极，较近的一面是阴极K。用于。用于200A以上场合。

5、以上场合。n晶闸管结构与符号晶闸管结构与符号晶闸管由单晶硅薄片晶闸管由单晶硅薄片P P1 1、N N1 1、P P2 2、N N2 2四层半导体材料叠成，形成三四层半导体材料叠成，形成三个个PNPN结。结。二级管晶闸管晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理加反向电压：两个加反向电压：两个PN结反向偏置结反向偏置加正向电压：中间加正向电压：中间PN结反向偏置结反向偏置阳极阳极阴极阴极晶闸管不能导通晶闸管不能导通21112232434000gLLddLEtttttRRtttStRS晶闸管阳极对阴极的电压为正，开关S合上，控制极对阴极的电主电路加晶闸管断开，电阻 上电压u 为 ，交流电压u，控制电路接 ，

6、 时合上开关 ， 时拉开开关晶闸管承受反向电压，电压由正变成负，不晶闸管导通方法： ：压为正 晶闸管导通，电源电压u 加在电阻 上。晶闸管阳极对阴极的会导通，电阻 上电压u 为电压为正，控制极对阴极： ： ：的电压为254LRSt tt t正， 晶闸管导通，电源电压u 加在电阻 上。拉开开关 ，晶闸管处于导通状态，维持导通； ：晶闸管承受反向电压，处于 ：截止状态。KA半控型开关器件半控型开关器件只能控制其导通只能控制其导通不能控制其关断不能控制其关断发射区发射区集电区集电区基区基区基区基区发射区发射区集电区集电区2222222221gbcbgcVTVTVTVT晶闸管的阳极与阴极加正向电压，V

7、T1、VT2都承受正向电压，在控制极加一个对阴极K为正的电压，就有控制电流I 流过，它是把晶闸管等效地看成两只晶体管组成，一只的基极电流I ，为PNP型晶体管VT1， 另一只为NPN型晶体管VT2，中间的PN结为两管共用。晶闸管导通原理：经放大，在的集电极产生电流III ，电流I 又是的基111112112bggbgcVTVTVT 循环放大，形成强烈的晶闸管导通后，VT极电流I ，经的放大，得到VT1的集2的基极始终有比控制电流I 大很电极电流III ，的集电极与的基极接在一多的电流流过，控制极失去控制电压E正，起，电晶闸管流又流入VT2的基极仍保持导通，直到电压，为反馈，负，承直到元件全部导

8、通。受反向电压截止。基极DSggggMOgB晶闸管加上正向电压、控制极开路（I =0）,元件中开始有很小的正向漏电流流过，晶闸管的阳极与阴极表现出很大的电阻，处于截止状态。阳极电压断态不重复峰值电压（U晶闸管的伏安特）或正向转性正向截止状态：控制极开路（I =0）的导通状态：控制极流过正向电上升到某一值，晶闸管突然由截止状态变为导通状态。这时的电压称为正向电流I 越大，正向转折电折电压压越小流I 时。正向（U ）的态：电流I状足RSM 够大时，一加上正向阳极电压，晶闸管就导通。晶闸管阳极与阴极加上6V直流电压时，能使元件导通的控制极最小电流。晶闸管加上反向电压时，开始处于截止状态，只有很小的

9、反向漏电流流过，反向电压增大到某一触发电流：反向不重复峰值电压（U值时，反向漏电流急剧增大）：时的电压。UDRM:晶闸管晶闸管控制极断路且正向截止时控制极断路且正向截止时, ,允许重复加在允许重复加在晶晶闸管闸管两端的正向峰值电压。允许比正向转折电压两端的正向峰值电压。允许比正向转折电压 UB0小小100V100V。普通。普通晶闸管晶闸管 UDRM 为为100V 3000V控制极断路时控制极断路时, ,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元元 件上的反向峰值电压。比反向不重复峰值电压件上的反向峰值电压。比反向不重复峰值电压U URSMRSM小小100V100V。 普通普通晶闸管晶闸管 UR

10、RM为为100V3000VURRM：mm01sin()2 TIIItdt环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散热条件下，标准散热条件下，晶闸管处于晶闸管处于全全导通时导通时可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周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。期内的平均值。 IT t 2 i工频正弦半波电流的最大值为工频正弦半波电流的最大值为Im, 则则普通晶闸管普通晶闸管IT为为1A 1000A。n晶闸管的应用晶闸管的应用n1)1)顺变装置顺变装置（交流电变成直流电）（交流电变成直流电）n2)2)逆变装置逆变装置（直流变成交流电源）（直流变成交流电源）n3)3)变频装置变频装置（顺

11、变和逆变的组合）（顺变和逆变的组合）n4)4)直流电动机的调速直流电动机的调速（可代替直流发电机）（可代替直流发电机）3CT表示普通晶闸管。表示普通晶闸管。3CT50/500表示表示额定电流为额定电流为50A, ,额额定电压为定电压为500V的晶闸管的晶闸管。1）CT型晶闸管格式型晶闸管格式额定电压等级，乘额定电压等级，乘100100为额定值为额定值额定电流额定电流 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP100-12G表示表示额定电流为额定电流为100A, ,额定电压为额定电压为1200V。通态压降小于通态压降小于1V1V的普通晶闸管。的普通晶闸管。2）KP型晶闸管格式型晶闸管格式（2 2）双

12、向晶闸管）双向晶闸管 相当于两个普通晶闸管反并联，控制极对电源的正、负两个半周都有控制作相当于两个普通晶闸管反并联，控制极对电源的正、负两个半周都有控制作用，用，MT1MT1为阳极为阳极1 1，G G为控制极，为控制极，MT2MT2为阳极为阳极2 2。特点：特点：控制极控制极G G无信号输入时，与晶闸管相同，无信号输入时，与晶闸管相同，MT2MT2与与MT1MT1间不导电。间不导电。MT2MT2施加施加的电压高于的电压高于MT1MT1，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管导通，电流自，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管导通，电流自MT2MT2流向流向MT1MT1；MT1MT1施加的电压高于施加的

13、电压高于MT2MT2，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管导通，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管导通，电流自电流自MT1MT1流向流向MT2MT2；额定电流：额定电流：双向晶闸管的额定电流不是用正弦半波电流平均值，而是用有效值。双向晶闸管的额定电流不是用正弦半波电流平均值，而是用有效值。额定值额定值200A200A的双向晶闸管只能通过有效值的双向晶闸管只能通过有效值200A200A的电流，有效值的电流，有效值200A200A的普通晶闸管的普通晶闸管额定通态平均电流为额定通态平均电流为90A90A，一全有效值，一全有效值200A200A双向晶闸管代替双向晶闸管代替2 2个个90A90A的普通晶闸

14、管。的普通晶闸管。（3）逆导晶闸管）逆导晶闸管 将将晶闸管反并联一个二极管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，制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受不具有承受反向电压反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。的能力，一旦承受反向电压即开通。（4）光控晶闸管）光控晶闸管 是利用一定波长的是利用一定波长的光照信号光照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。 阳级有正向外加电压时，中间的阳级有正向外加电压时，中间的PN结结J2被反向偏置。当照在被反向偏置。当照在反向偏置的反向偏置的J2结上时，结上时，J2结的漏电流增大，在晶闸管内正反馈作用结的漏电流增大，在晶闸管内正反馈作用下，

15、晶闸管由断态转为通态。下，晶闸管由断态转为通态。逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 反向漏电流反向漏电流12343、全控型开关器件：、全控型开关器件：导通与关断都可以控制的器件导通与关断都可以控制的器件1）门极可关断晶闸管（）门极可关断晶闸管（GTO） 是晶闸管的一种派生器件，通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，属于是晶闸管的一种派生器件，通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，属于全控型器件。全控型器件。 在门极（控制极）加了一条短线。在门极（控制极）加了一条短线。门极可关断晶闸管的工作原理门极可关断晶闸管的工作原理 ：在门极加正电压，在门极加正电压，GTO导通

16、。在门极加反向导通。在门极加反向电压，电压，GTO断开。断开。不需要外部电路强迫阳极电流为不需要外部电路强迫阳极电流为0而使其关断，仅由门极而使其关断，仅由门极加反向电流使其断开。加反向电流使其断开。门极可关断晶闸管的结构：门极可关断晶闸管的结构：是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些小单元，这些小GTO元元的阴极和门极在器件内部并联在一起。这种结构是为便于实现门极控制关断的阴极和门极在器件内部并联在一起。这种结构是为便于实现门极控制关断而设计的

17、，开关时间在而设计的，开关时间在25微秒以内，甚至几百纳秒。微秒以内，甚至几百纳秒。各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 电气图形符号电气图形符号2）电力晶体管（）电力晶体管（GTR）特点：特点：耐高压、大电流的耐高压、大电流的双极结双极结（通过一定的工艺将两个通过一定的工艺将两个PN结结结结合在一起合在一起 ）型晶体管）型晶体管结构：结构：至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，把续流二至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，把续流二极管极管V1、稳定电阴、稳定电阴R、加速二极管、加速二极管V2组合在一起，用环氧树脂密组合在一起，用环氧树脂密封。三个极分别

18、是集电极封。三个极分别是集电极C、发射极、发射极E、基极、基极B。电力晶体管可以做。电力晶体管可以做成双管模块，甚至可以做成六管模块。采用共发射极接法。成双管模块，甚至可以做成六管模块。采用共发射极接法。电力晶体管开关特性：电力晶体管开关特性：断态到通态：断态到通态：电力晶体管用基极电流电力晶体管用基极电流IB控制集电极电流控制集电极电流IC，基极通，基极通入正向电流，集电极电流上升到入正向电流，集电极电流上升到0.9ICS（ICS是饱和导通的集电极电是饱和导通的集电极电流流）进入通态。）进入通态。通态到断态：通态到断态：给基极加一个负的电流脉冲，集电极电流不立即减小，给基极加一个负的电流脉冲

19、，集电极电流不立即减小，延长一段时间才减小，逐渐下降到延长一段时间才减小，逐渐下降到0.1ICS进入断态。进入断态。电力晶体管的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和门极可关断晶闸电力晶体管的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和门极可关断晶闸管的开关时间都短。管的开关时间都短。P- MOSFET是多元集成结构，一个器件由许多个小的是多元集成结构，一个器件由许多个小的MOSFET组组成。三个极分别是源极成。三个极分别是源极S、漏极、漏极D和栅极和栅极G。 P- MOSFET用栅极电用栅极电压压uGS控制漏极电流控制漏极电流ID，改变，改变uGS的大小，的大小， 主电路中的漏极电流主电路中的漏极电流ID也跟

20、着改变，也跟着改变，由于由于G与与S间的输入阻抗很大，控制电流几乎为间的输入阻抗很大，控制电流几乎为0，所，所需驱动功率很小。需驱动功率很小。 P- MOSFET开关时间在开关时间在10100纳秒，工作频纳秒，工作频率率100kHZ以上，是电力电子器件中最高的。以上，是电力电子器件中最高的。当栅极电压当栅极电压uGS上升上升开启电压开启电压UT，出现漏极电流，出现漏极电流iD，UT24V；栅源电压；栅源电压UGS的绝对的绝对值大于值大于20V，将导致栅源之间的绝缘层被击穿。，将导致栅源之间的绝缘层被击穿。3）电力场效应晶体管）电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的主要指绝缘栅型中的MOS型（型（M

21、etal Oxide Semiconductor field effect transistor ）金属混合半导体效应晶体）金属混合半导体效应晶体管管,简称电力简称电力MOSFET（Power MOSFET）或或P- MOSFET。源极源极栅极栅极漏极漏极4）绝缘栅双极晶体管）绝缘栅双极晶体管电力场效应晶体管：电力场效应晶体管：单极型、电压控制开关，驱动功率很小，开单极型、电压控制开关，驱动功率很小，开关速度快，漏极关速度快，漏极D与源极与源极S的通态压降大，难制成高压大电流器件。的通态压降大，难制成高压大电流器件。电力晶体管：电力晶体管：双极型、电流控制开关，驱动功率大，开关速度不双极型、电

22、流控制开关，驱动功率大，开关速度不够快，通态压降小，可制成较高电压和电流的开关器件。够快，通态压降小，可制成较高电压和电流的开关器件。绝缘栅双极晶体管：绝缘栅双极晶体管：是两者的结合，栅极发射极短路时，集电是两者的结合，栅极发射极短路时，集电集与发射极能承受的电压集与发射极能承受的电压UCES高，高，1000V，导通时能流过集电极的，导通时能流过集电极的最大持续电流最大持续电流IC大（大（1800A/4500V），集电极发射极导通压降），集电极发射极导通压降值小，在值小，在2.55V之间，开关频率在之间，开关频率在1040kHZ。在新设计的电在新设计的电力电子器件中已取代电力晶体管和部份电力场

23、效应管。力电子器件中已取代电力晶体管和部份电力场效应管。电力晶体管电力晶体管电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力变换电路，按功能分：电力变换电路，按功能分： 1. 可控整流电路：可控整流电路：把固定的交流电压变成固定或可调的直流电压。把固定的交流电压变成固定或可调的直流电压。2. 交流调压电路：交流调压电路：把固定的交流电压变成可调的交流电压。把固定的交流电压变成可调的交流电压。3. 逆变电路：逆变电路：把直流电变成频率固定或可调的交流电。把直流电变成频率固定或可调的交流电。4. 变频电路：变频电路：把固定频率的交流电变成可调频率的交流电。把固定频率的交流电变成可调频率的交流电。5. 斩波电路

24、：斩波电路：把固定的直流电压变成可调的直流电压。把固定的直流电压变成可调的直流电压。6. 电子开关：电子开关：功率半导体器件工作在开关状态可替代接触器和继电功率半导体器件工作在开关状态可替代接触器和继电 器用于频繁开合操作场合器用于频繁开合操作场合 分类：分类：单相半波、单相桥式、三相零式、三相桥式等单相半波、单相桥式、三相零式、三相桥式等(1) 可控整流电路可控整流电路T0,duuu负载电压晶闸管电压电源电压。T,0duuu负载电压电源电压晶闸管电压。+Tud t1 2 Td0 , uuu负载电压晶闸管电压电源电压 。:1t T,0duuu。 tuO1g0 ,0 ,tu晶 闸 管 不 导 通

25、 。T0,duuu。gu tO晶闸管承受的最大正向与反向电压晶闸管承受的最大正向与反向电压：22U1d2 dUut )d(sin221ttU 21cos0.452ddUUIRR21cos0.452Uud tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO导通角导通角控制角控制角: 晶闸管元晶闸管元件承受正向件承受正向电压起始点电压起始点到触发脉冲到触发脉冲的作用点之的作用点之间的电角度。间的电角度。 导通角导通角 : 晶闸管在一晶闸管在一周期时间内周期时间内导通的电角导通的电角度。度。 2. 带感性负载的可控整流电路带感性负载的可控整流电路感性负载：感性负载：感抗感抗LL与电阻与

26、电阻R R的大小相比不可的大小相比不可忽略的负载。如电动机的励磁线圈。忽略的负载。如电动机的励磁线圈。晶闸管没有导通时：晶闸管没有导通时：晶闸管上的电压为电源晶闸管上的电压为电源电压，此时负载电压为电压，此时负载电压为0.0.晶闸管被触发导通时：晶闸管被触发导通时：电流从电流从0 0逐渐上升，电逐渐上升，电感两端的自动电动势感两端的自动电动势e eL L阻碍电流上升，随着电阻碍电流上升，随着电流上升，自感电动势减小，在电感中储存了流上升，自感电动势减小，在电感中储存了磁场能量。磁场能量。电源电压变负时，电流变小，电电源电压变负时，电流变小，电感产生自感电动势感产生自感电动势eL阻碍电流减小。阻

27、碍电流减小。 eL大于大于电源的负电压，负载上就有电流流过，晶闸电源的负电压，负载上就有电流流过，晶闸管导通，管导通，负载消耗电感能量，电压为负值，负载消耗电感能量，电压为负值，当晶闸管的电流小于维持晶闸管导通电流时，当晶闸管的电流小于维持晶闸管导通电流时，晶闸管关断并立即承受反向电压。晶闸管关断并立即承受反向电压。输出电压与电流：输出电压与电流：晶闸管在晶闸管在控制角控制角触发导通，触发导通，在在 +关断。负载为感性时，电源电压为负关断。负载为感性时，电源电压为负的时候晶闸管仍可导通，电感越大，导通角的时候晶闸管仍可导通，电感越大，导通角越大，每个周期中负载上的负电压所占比重越大，每个周期中

28、负载上的负电压所占比重越大，输出电压和输出电流的平均值越小。越大，输出电压和输出电流的平均值越小。有可能得不到所需的电压和电流。有可能得不到所需的电压和电流。2,22ddvsddvdIIII假设负载电流的平均值为I ，流过晶闸管与流过续流二极管的电流平均值分别为：aRV2VS1b+ VS1VS2RudV1V2+vs1VS2RudV1v2+bRV1VS2a1ddUut212sind()dUUtt21cos0.92ddUUIRR21cos0.92U晶闸管承受的最大晶闸管承受的最大正反向电压：正反向电压：22U212sind()dUUtt21cos0.92U2,2 2222.dddIII2V3电源电

29、压下降到时，晶闸管电流为断开，负载电流流经二级管，负载电流不会为。晶闸管的导通角为 ，有 只晶闸管，每一只晶闸管的平均电流为：每一个周期续流二极管导通时间为：，流过续流二有续流二极管的平感性负载的单相半控均电流为：极桥式整流电路管：为。2.122,dvddVVIIIV3电源电压下降到时，晶闸管电流为断开，电感中的负载电流通过、形成续流。V1、V2的电流增大了，在晶闸管导通时，由电源电压提供电流，在晶闸管断开时，由电感提供电流。一个周期V1、V2的电流分别为感性负载的单相半控无续流二极管：负载桥式整流电路电流平均值.晶闸管由触发脉冲导通，改变晶闸管的控制角 ，就可以改变输出电压，电源电压下降到时

30、，晶闸管电流为断开，为避免晶闸管失控无法关断，在负载两只端用一并接只晶闸管续流二极感性负管，电源载的单相半控桥式整流电压为0时，晶闸：电路管断开。 当整流电路输出当整流电路输出接有反电势负载时，只有当电源电压的瞬时值接有反电势负载时，只有当电源电压的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出。有电流输出。特点：特点：负载两端的电压平均值比电阻性负载时高负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 ，220V电压经桥电压经桥式整流输出，带阻性负载时，平均电压为式整流输出，带阻性负载时，平均电压为198V；带反电动势

31、负载；带反电动势负载时，平均值为时，平均值为250V以上。以上。电阻性负载电阻性负载dddUEIUER加反电动势负载时，为平均电压减反电动势，电流幅值与平均值比值大，晶闸管工作条件差，因平均电流小，晶闸管需输出平均降低电流：额定电流 对于大容量电动机或蓄电池负载，为了使通对于大容量电动机或蓄电池负载，为了使通过的电流不为过的电流不为0，常常串联电抗器，用以平滑电，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动流的脉动:电感滤波电感滤波二、单相全控桥式整流电路二、单相全控桥式整流电路特点：特点：把单相半控桥式整流电路中两只二把单相半控桥式整流电路中两只二极管用两只晶闸管替代。有极管用两只晶闸管替代。有4只晶

32、闸管；只晶闸管；电电路每半个周期要求触发两只晶闸管；路每半个周期要求触发两只晶闸管；带感带感性负载且没有续流二极管时，输出电压瞬时性负载且没有续流二极管时，输出电压瞬时会出现负值。会出现负值。工作过程：工作过程：u12为正的某一时刻为正的某一时刻t1，给晶闸管，给晶闸管VS1和和VS2触发脉冲，触发脉冲，VS1和和VS2导通，电导通，电源电压加于负载；源电压加于负载；当当u120，电感上反电动，电感上反电动势的作用维持电流通过势的作用维持电流通过VS1、VS2及电源，及电源，晶闸管导通；晶闸管导通；直到直到u12为负，在下半周的的同为负，在下半周的的同一控制角对应的时刻一控制角对应的时刻t2，

33、VS3、VS4有触发有触发脉冲时，脉冲时，VS3、VS4导通，导通，VS1、VS2承受承受反向电压而断开。反向电压而断开。同样，同样，VS3、VS4要导通要导通到触发到触发VS1、VS2才断开。才断开。控制角在控制角在0 /2内变化，内变化，Ud从从0.9 U2下降到接近下降到接近0，电流，电流id连续；控制角连续；控制角 /2，电压平均值接近，电压平均值接近0，电流断续且很小。为提高电压，在负载两端电流断续且很小。为提高电压，在负载两端并续流二级管。并续流二级管。t1t2欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压压U

34、d=0V180V,电流电流Id=010A。现采用单相半控桥式整流电路，试。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。 解解: 设在晶闸管导通角设在晶闸管导通角为为(控制角控制角为为0 )时输出电压值为最大（时输出电压值为最大（180V），）， 则对则对应的应的输入交流电压有效值输入交流电压有效值为最大。为最大。1802000.90.9dUUV 实际上还要考虑实际上还要考虑电网电压波动电网电压波动、管压降管压降以及以及导通角导通角常常到不了常常到不了1800 ，交流电压，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大要比

35、上述计算而得到的值适当加大10%左右，即大约为左右，即大约为220V。因此，在本例中。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到可以不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。的交流电源上。 交流电流有效值交流电流有效值 ：A.AVVRUIL21210180220 晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压相等，即：相等，即：VV.UUURMFM3102204112流过晶闸管和二极管的平均电流流过晶闸管和二极管的平均电流 ：AAIIIVVS521021022 31060022 310600310/6

36、00,210/300DRMDRMFMRRRMRMRMUUVVUUVUUVCTCZ晶闸管选二级管选，额定电流选10为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，根据下式选取晶闸管的断态重复峰值电压和反向重A，是考虑留有余量，二级管最高反向工作电压取反向击穿电压的一半，已有较大余量，选300复峰值电压V够了。特点：特点：整流变压器副边接成星形，有公共零点整流变压器副边接成星形，有公共零点“0”。又称为三相零又称为三相零式电路。式电路。uA、uB、uC为三相对零点的相电压，为三相对零点的相电压，用用u2p表示。表示。电源的三个相电压会分别通过电源的三个相电压会分别通过晶闸管晶闸管VS1、VS2、VS3向

37、负载向负载R供供直流电流。直流电流。触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位：触发脉冲的相位：1200承受正承受正向电压，脉冲触发晶闸管才能导通。向电压，脉冲触发晶闸管才能导通。不控整流不控整流电路三个控制极都接正向电压，相邻电电路三个控制极都接正向电压，相邻电压波形的交点压波形的交点1、2、3点。点。控制角：控制角：对三相半波可控整流，对三相半波可控整流， 从自从自然换相点算起。然换相点算起。21211).11021VSVAStSVSVt 时触发晶闸管、承受反向电压关断，负载得到B相电压。依此类推在一个周期内每只晶闸管的导通角为2当时/触发脉冲在自然换相点加入，在t时间内，A相电压与B、C相

38、电压都高，t时触发晶闸管，负载上得到 相电压，电流经和负载回3，触发脉冲间隔也是2 /3。三只晶闸管共阴极时，触发脉冲来到时，相电压最高的那一相导通，其它晶闸管受反压关断。到中性点0。负载上电压56226212sin()1.17232dPPPUUtdtUU平均值为：晶闸管承受的最大正向电压211/2).0621162111AABVuVStVSVSutSVSVSuVS当时：到t 时，如果是不控整流电路，第二相导通，并使第一相关断；可控整流电路要求触发脉冲间隔120，此时控制极未加触发脉冲，不能导通，电压仍时，使上的电压为正，在 时对控制极加触发脉冲，就导通，为正时维持导通。到 时，对VS2加了触

39、发脉冲，VS2在正向阳极电压作用下导通，迫使VS1承受为反正，仍导通。向电压关断(56)2(6)2.12sin()231.17cosddPPuUUtdtUa负载上电压。同理，VS3导通迫使VS2关断。负载上得到波形连续的脉动直流电压。每只晶闸管导通角12值0平均为：/1t122(6)0211212212sin()231 cos 301.153).6673ABdPPuVStVSVStVSVSuUUtdtU时， 使上的电压为正，在 时对控制极加触发脉冲，就导通，A相电压为0时，VS1自动关断。在 时对控制极加触发脉冲，在 正向电压作用下导通，B相电压为0时，VS2自动关断。三相轮流导通，负载电压波

40、形是断续当时负载上电压平均值为：的。 可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为：PU2222326PPUU当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:54).6当时0dU 21.170/,/ 3pdddUIURI总之，在带阻性负载下，在05/6内移动，输出平均电压由最大值下降到 ，输出电流平均值为流过每只晶闸管元件的电流平均值为。电阻性负载时：电阻性负载时：n当当/6时，整流输出电压波形是连时，整流输出电压波形是连续的；续的；n当当 /6时，整流输出电压波形是不时，整流输出电压波形是不连续，当电源电压下降到零时，电流连续，当电源

41、电压下降到零时，电流id也同时下降到零，晶闸管关断。也同时下降到零，晶闸管关断。2tn电感性负载时：电感性负载时：在在 VS1 管导通时，电源电压管导通时，电源电压uA 加到负加到负载上，载上，t1时时 ，uA= 0 时，由于自感电时，由于自感电动势的作用，电流的变化将落后于电压动势的作用，电流的变化将落后于电压变化，变化，t1时，负载电流时，负载电流id并不为零，并不为零，VS1 要维持导通。若电感要维持导通。若电感 L 足够大，足够大，VS1 要一直导通至要一直导通至 t2 时时VS2触发导通。触发导通。电压电压uB加于负载上，加于负载上，VS1承受反向电压承受反向电压关闭，关闭， 电感越

42、大，电流脉动越小，可电感越大，电流脉动越小，可以近为一条直线以近为一条直线连续：前连续：前/6两相交点两相交点/6+/6+120。1t2t 每只晶闸管导通角为每只晶闸管导通角为120，输出电压的平均值为：，输出电压的平均值为：/ 2,00/ 2dU当输出电压平均值故三相半波整流电路带感性负载时触发脉冲的控制角为是n加接续流二极管加接续流二极管:三相半波可控整流电路带电感性负载三相半波可控整流电路带电感性负载时，时，有续流二级管，整流输出电压波有续流二级管，整流输出电压波形、电压平均值形、电压平均值Ud与控制角与控制角的关系的关系和带纯阻性负载一样，和带纯阻性负载一样，负载电流与带负载电流与带感

43、性负载一样，电感很大，电流将接感性负载一样，电感很大，电流将接近于一条平行于横轴的直线。近于一条平行于横轴的直线。总结：总结：三相半波可控整流电路只用三三相半波可控整流电路只用三只晶闸管，接线简单，在输出电压为只晶闸管，接线简单，在输出电压为220V时，不用变电器直接接时，不用变电器直接接380V的的三相交流电源，这时的相电压为三相交流电源，这时的相电压为220V，控制角，控制角0时，可得到最大时，可得到最大输出直流平均电压为输出直流平均电压为Ud=1.17220V=257V，稍加控制，稍加控制即可满足即可满足220V直流负载的要求。直流负载的要求。n8.2.4 8.2.4 三相桥式全控整流电

44、路三相桥式全控整流电路n1 1）简介）简介三相半波共阴极组的整流电路：三相半波共阴极组的整流电路：三只晶闸管的阴极接在一起。三只晶闸管的阴极接在一起。三相半波共阳极组的整流电路：三相半波共阳极组的整流电路：三只晶闸管的阳极接在一起。三只晶闸管的阳极接在一起。三相桥式全控整流电路：三相桥式全控整流电路：把共阴极组的整流电路与共阳极组的整流电路串联起把共阴极组的整流电路与共阳极组的整流电路串联起来，负载上的输出电压等于共阴极组与共阳极组的输出电压之和。来，负载上的输出电压等于共阴极组与共阳极组的输出电压之和。再将变压器的再将变压器的两组次极绕组共用一个绕组。两组次极绕组共用一个绕组。特点：特点：与

45、电动机连接时总是串联一定的电感，减小电流的脉动和保证电流连续，与电动机连接时总是串联一定的电感，减小电流的脉动和保证电流连续，负载的性质看成感性的。负载的性质看成感性的。输出电压平均值：输出电压平均值：带感性负载时，对共阴极组与共阳极组晶闸管同时进行控制，带感性负载时，对共阴极组与共阳极组晶闸管同时进行控制，控制角为控制角为 ，三相全控桥式整流电路就是两组三相半波可控整流电路的串联，整，三相全控桥式整流电路就是两组三相半波可控整流电路的串联，整流电压值流电压值U Ud d为：为：U Ud d=2.34U=2.34U2p2pcosa (0 cosa (0 a a /3/3) )后面图中后面图中t

46、 t1 1t2为为/3/32)工作原理工作原理控制角控制角0时，触发脉冲在自然时，触发脉冲在自然换相点发出。换相点发出。共阴极组的晶闸管：共阴极组的晶闸管：VS1、VS3、VS5中中某一相电压较其他两相为某一相电压较其他两相为正，同时有触发脉冲，该相晶闸正，同时有触发脉冲，该相晶闸管导通；管导通；共阳极组的晶闸管：共阳极组的晶闸管： VS4、VS6、VS2中中某一相电压较其他两相为某一相电压较其他两相为负，同时有触发脉冲，该相晶闸负，同时有触发脉冲，该相晶闸管导通；管导通；t1时刻：时刻：A相电压比相电压比C相电压的正值相电压的正值更大，更大，B相电压为负，给相电压为负，给VS1、VS6触发脉

47、冲，则触发脉冲，则VS1、VS6导通，在导通，在t1t2时刻内时刻内VS1、VS6导通，电流导通，电流从从A相经相经VS1、负载和、负载和VS6回到回到B相，相，A相电流为正，相电流为正，B相电流为负。相电流为负。t2时刻：时刻：A相还保持较大的正电压，相还保持较大的正电压，C相电压开始比相电压开始比B相是压的负值更大。相是压的负值更大。在在t2时给时给VS1、VS2触发脉冲，则触发脉冲，则VS1维持导通，且维持导通，且VS2导通，导通，VS2导导通使通使VS6承受反向电压而关断，电承受反向电压而关断，电流从流从A相经相经VS1、负载和、负载和VS2回到回到C相，在相，在t2t3时间内，时间内

48、，VS1、VS2导导通，通，A相电流为正，相电流为正，C相电流为负。相电流为负。t3时刻：时刻：C相还保持较大的负电压，相还保持较大的负电压，B相电压开始比相电压开始比A相电压的正值更大。相电压的正值更大。在在t3时刻给时刻给VS2、VS3触发脉冲，触发脉冲，VS2维持导通，维持导通，VS3导通使导通使VS1承受承受反向电压而关断，反向电压而关断，t3t4时间内时间内VS2、VS3导通，电流从导通，电流从B相经相经VS3、负载、负载和和VS2回到回到C相，相，B相电流为正，相电流为正，C相相电流为负。电流为负。t4t5时间内时间内VS3、VS4导通；导通；t5t6时间内时间内VS4、VS5导通

49、；导通； t6t7时间时间内内VS5、VS6导通；导通；t7t8时间内又是时间内又是VS1、VS6导通。导通。三相桥式全控整流电路输出电压等于三相桥式全控整流电路输出电压等于共阴极组与共阳极组输出电压之和。共阴极组与共阳极组输出电压之和。可控整流电路(顺变器)小结n 单相半波电路简单，指标差，只适用单相半波电路简单，指标差，只适用 于小功率要求不高的场合。于小功率要求不高的场合。n 单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大, ,适用适用小功率电路。小功率电路。n 晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，小功率的

50、反电势负载。小功率的反电势负载。n 三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。n 三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。高压电路。 利用利用晶闸管晶闸管电路把电路把直流电直流电变成变成交流电交流电，这种对，这种对应于应于整流整流的的逆向过程逆向过程，称之为，称之为逆变逆变，把，把直流电直流电变成变成交流电交流电的装置，叫做的装置，叫做逆变器逆变器。 变流器变流器交流侧接到交流侧接到负载负载，把，把直流电直流电逆变逆变为某一频率或可变频率的交流电为某一频率或可变频率的交流电供给负载供给负载 变流器变

51、流器的交流侧接到的交流侧接到交流电源交流电源上，把上，把直直流电流电逆变为同频率的交流电逆变为同频率的交流电反馈到电网反馈到电网去去逆变逆变无源逆变无源逆变:既可实现既可实现整流整流，又可实现，又可实现逆变逆变的装置的装置称为称为变流器变流器211/ 21.17cos0/ 310112dddddAddddddpddddddtVSuudiUiLdtdiuEUdI RLIdtUEiLuUIUtRd1L、有源逆变电路）整流状态（0） U假设（u 负载电压,平均电时被触发导通，u， 是增加的，控制角，流）（平均电感应电动势e压，E反电的极性时，点：是左正右负动，点电势负载）感储到 点：存能量。3001

52、232230ddddddddddiULidtdiULEdtVStVSVUSu ， ， 达到最大值。u，感应电动势为左负右正，释放能量，u仍维持继续导通到时触发导通，VS1关断；再导通,VS2关断。一周期中波形的正面积大于负面积。电源相电压极性在整流工作一周期中大部分是左负右正，流过变压器次极线圈的电流由点：点到 点：平均电压：交流低电位向高电位电源输出能量：电动机吸电能：。流过直流电动机电枢的电流由高位流向低位。 每只晶闸管导通角为每只晶闸管导通角为120，输出电压的平均值为：，输出电压的平均值为：/ 2,00/ 2dU当输出电压平均值故三相半波整流电路带感性负载时触发脉冲的控制角为是122/

53、 21.17cos0/ 3102101dpdddAdddddddddddddUdiLdiuEI RLIdtUEI RUtVSuuduiUitUddtLL时被触发导通，u， 是增加的，（u 负载电压,平均电流）（平均电压，E反电动势，感应电动势e 的极）逆变状态（） U假设控制角 性是电感储存2时，点：点到 点能量。交流电网及负载）电动机：左正右负，送出能量。0200330003dddddddddddLdddiULdtdiULidtdiULiedtUu，电感及交流电网吸收能量，电动机输出能量。u ， ， 达到最大值。u，电流 减小，感应电动势 左负右正，电感释放能量，电动机输出能量，电感释放能量

54、维持VS1导通，直到VS2被触发导通，VS1才关断。点到 点：点：点后：特点平均电交流侧电流由高电位流压,一周期向低电位吸收： 中u 波能量，形的负面积电枢电流由低位流到高位大于正面积；交流电源吸收能量；直流电动机处于发电状态（制动状态），输，出能量。221.17cos1.17cos0/6/ 2/6dddpPdUEEUUUU 平均电压与反电动势负载 的极性与整流状态相反，变流器处于逆变状态，触发脉冲丢失或晶闸管损坏，使晶闸管不能正常换相，会导致反电动势E与平均电压U 极性相同串联叠加，引起短路。为了有时间来发送触发脉冲，不造成逆变失败，逆变角逆变条件：逆变角 与控制角 关系：逆变失败：电感有时

55、间吸收能。量，能释放1VS能量，维持导通。2、无源逆变电路无源逆变电路 当开关当开关S1、S4闭合，闭合， S2、S3断开，断开，电流从电源正极经电流从电源正极经S1、负载、负载、S4回到电源负极；经过一定时间间隔，将开关回到电源负极；经过一定时间间隔，将开关S1、S4打打开并同时将开关开并同时将开关S2、S3闭合，则电流从电流正极经过闭合，则电流从电流正极经过S3、负载、负载、S2回到电源负极。回到电源负极。1）、工作原理）、工作原理用开关电路来说明用开关电路来说明 改变两组开关每秒内闭合和断开的次数，就可改变输出改变两组开关每秒内闭合和断开的次数，就可改变输出电压的频率，这就是它的电压的频

56、率，这就是它的变频变频作用。作用。频率的频率的单位为秒分之一单位为秒分之一 2）波形与相位）波形与相位阻性负载：阻性负载：电流电流i0与电压与电压u0的波形相同，相位也相同。的波形相同，相位也相同。感性负载：感性负载：电流电流i0相位滞后电压相位滞后电压u0，二者的波形不同。，二者的波形不同。t1以前以前S1、S4闭合，闭合，u0、i0均为正。均为正。 t1时断开时断开S1、S4，同时闭合，同时闭合S2、S3， u0立即变负，负载中有电感，电流极性不能立刻改变仍维持原方向。立即变负，负载中有电感，电流极性不能立刻改变仍维持原方向。从直流电源负极流出，经从直流电源负极流出，经S2、负载、负载、S

57、3流回正极，电感中储存的流回正极，电感中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到到t2降为降为0， i0才反向才反向并逐渐增大。并逐渐增大。3）换流：）换流：变流电路在工作中，电流不断从一个支路向另一个转移。变流电路在工作中，电流不断从一个支路向另一个转移。4）换流方式：）换流方式： 器件换流器件换流（用全控型器件的自关断能力换流）；（用全控型器件的自关断能力换流）；电网换流电网换流（电网实现换流，如整流与有源逆变）；（电网实现换流，如整流与有源逆变）；负载换流负载换流（电容（电容性负载，由负载提供换流电压实现换流）；性负载，由负载提供换流电压实现换

58、流）；强迫换流强迫换流（用电容上储（用电容上储存的能量给晶闸管强迫施加反向电压或反向电流实现换流）。存的能量给晶闸管强迫施加反向电压或反向电流实现换流）。u0i0i0Ud3、电压型逆变电路、电压型逆变电路特点：特点：直流侧是电压源，并联有大直流侧是电压源，并联有大电容，电容器阻止直流电流通过，允电容，电容器阻止直流电流通过，允许交流电流通过，直流电压无脉动。许交流电流通过，直流电压无脉动。交流侧输出电压波形为矩形波，交交流侧输出电压波形为矩形波，交流侧输出电流波形和相位与负载阻抗流侧输出电流波形和相位与负载阻抗有关，为三角形波或正弦波。有关，为三角形波或正弦波。当交流侧为当交流侧为阻感负载时需

59、要提供无功功率，直流侧电容还起缓冲阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容还起缓冲无功能量的作用；无功能量的作用；为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。逆变桥各臂并联反馈二极管。晶闸管开关器件一旦导通，不能自行关断，要关断晶闸管，需要晶闸管开关器件一旦导通，不能自行关断，要关断晶闸管，需要设置强迫关断电路，增加了成本，降低了可靠性，也限制了开关频设置强迫关断电路，增加了成本，降低了可靠性，也限制了开关频率。率。绝大多数逆变器都采用全控型的电力半导体器件，如绝缘栅双绝大多数逆变器都采用全控型的电力半导体器件，如绝缘栅双极晶

60、体管，高压、大电流、开关速度快。极晶体管，高压、大电流、开关速度快。1）、单相半桥电压型逆变电路）、单相半桥电压型逆变电路特点特点: 有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管。管。直流侧接有两个相互串联的电容，两个电容的连接点是直流直流侧接有两个相互串联的电容，两个电容的连接点是直流电源中点。负载接在直流电源中点与两个桥臂连接点之间。电源中点。负载接在直流电源中点与两个桥臂连接点之间。输出电压输出电压u0波形为矩形波，幅值波形为矩形波，幅值UmUd/2。工作原理：工作原理：t2以前以前VT1导通，导通，VT2关断。关断。 t2时给时