电力电子课件9

1、电工培训之电力电子电工培训之电力电子机械与电气工程系机械与电气工程系第一章第一章 电力电子器件简介电力电子器件简介分类l不可控器件：电力二极管不可控器件：电力二极管l半控型器件：晶闸管半控型器件：晶闸管l全控型器件：电力晶体管，门极可关断晶全控型器件：电力晶体管，门极可关断晶闸管，电力场效应管，绝缘栅双极晶体管闸管，电力场效应管，绝缘栅双极晶体管一.晶闸管l晶闸管（晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅控硅 ，晶闸管是，晶闸管是PNPN四层半导体结构，四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴

2、极和门极；晶闸管它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电工作条件为：加正向电压且门极有触发电流流 ，它是一种大功率开关型半导体器件，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示表示l（旧标准中用字母（旧标准中用字母“SCR”表示）。晶闸管表示）。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。点电子开关、

3、逆变及变频等电子电路中。 l晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理晶闸管的工作条件：晶闸管的工作条件：1. 晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。 2. 晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。承受正向电压的情况下晶闸管才导通。 3. 晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。持导通，即晶闸管导通后，

4、门极失去作用。4. 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。 二.电力晶体管 l其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，其特性有：耐压高，电流大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。通双极结型晶体管的工作原理是一样的。GTR是一种电流控制的双极双结大功率、是一种电流控制的双极双结大功率、高反压电力电子器件，具有自关断能力。高反压电力电子器件，具有自关断能力。l它既具备晶体管饱和压降低、开关时间短它既具备晶体管饱和

5、压降低、开关时间短和安全工作区宽等固有特性，又增大了功和安全工作区宽等固有特性，又增大了功率容量，因此，由它所组成的电路灵活、率容量，因此，由它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通用逆变器等中等容量、中等电机控制、通用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。频率的电路中应用广泛。GTR的缺点是驱的缺点是驱动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二动电流较大、耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和不间断电源次击穿而损坏。在开关电源和不间断电源（UPS）内，）内，GTR正逐步被功率正逐步被功率MOSFET和和IGBT所

6、代替。所代替。 GTR结构和工作原理都和小功率晶体管非结构和工作原理都和小功率晶体管非常相似。常相似。GTR由三层半导体、两个由三层半导体、两个PN结组结组成。和小功率三极管一样，有成。和小功率三极管一样，有PNP和和NPN两种类型，两种类型，GTR通常多用通常多用NPN结构。结构。电力晶体管工作原理电力晶体管工作原理l在电力电子技术中，在电力电子技术中，GTR主要工作在开关主要工作在开关状态。状态。GTR通常工作在正偏通常工作在正偏(Ib0)时大电时大电流导通；反偏流导通；反偏(Ib0时处于截止状态。因时处于截止状态。因此，给此，给GTR的基极施加幅度足够大的脉冲的基极施加幅度足够大的脉冲驱

7、动信号，它将工作于导通和截止的开关驱动信号，它将工作于导通和截止的开关状态。状态。 l电力晶体管的主要参数电力晶体管的主要参数l二次击穿和安全工作区二次击穿和安全工作区l(1)二次击穿二次击穿l二次击穿是影响二次击穿是影响GTR安全可靠工作的一个安全可靠工作的一个重要因素。二次击穿是由于集电极电压升重要因素。二次击穿是由于集电极电压升高到一定值高到一定值(未达到极限值未达到极限值)时，发生雪崩效时，发生雪崩效应造成的。防止二次击穿的办法是：应造成的。防止二次击穿的办法是：应应使实际使用的工作电压比反向击穿电压低使实际使用的工作电压比反向击穿电压低得多。得多。必须有电压电流缓冲保护措施。必须有电

8、压电流缓冲保护措施。(2)安全工作区安全工作区 以直流极限参数以直流极限参数ICM、PCM、UCEM构成构成的工作区为一次击穿工作区，以的工作区为一次击穿工作区，以USB (二次二次击穿电压击穿电压)与与ISB (二次击穿电流二次击穿电流)组成的组成的PSB (二次击穿功率二次击穿功率)是一个不等功率曲线。是一个不等功率曲线。为了防止二次击穿，要选用足够大功率的为了防止二次击穿，要选用足够大功率的GTR，实际使用的最高电压通常比，实际使用的最高电压通常比GTR的的极限电压低很多。极限电压低很多。三三.门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 lGTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦

9、称门）亦称门控晶闸管控晶闸管 。其主要特点为：当门极加负向。其主要特点为：当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。触发信号时晶闸管能自行关断。l普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。，或施以反向电压强近关断。l这就需要增加换向电路，可关断晶闸管克这就需要增加换向电路，可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力

10、，压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（体管（GTR）。）。四四.电力场效应管电力场效应管(电力电力MOSFET)l特点特点用栅极电压来控制漏极电流，驱用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。但电流容量小，耐压低，一般只适用于功但电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过率不超过10kW的电力电子装置的电力电子装置 。 l

11、电力电力MOSFET的开关速度的开关速度l电力电力MOSFET的开关速度和的开关速度和C充放电有很充放电有很大关系。可降低驱动电路内阻大关系。可降低驱动电路内阻Rs减小时间减小时间常数，加快开关速度。不存在少子储存效常数，加快开关速度。不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开关时间在应，关断过程非常迅速。开关时间在10100ns之间，工作频率可达之间，工作频率可达100kHz以以上，是主要电力电子器件中最高的。场控上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。一般来器件，静态时几乎不需输入电流。一般来说，电力说，电力MOSFET不存在二次击穿问题。不存在二次击穿问题。五五.

12、绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三双极型三极管和极管和MOS(绝缘栅型场效应管绝缘栅型场效应管)组成的复组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有兼有MOSFET的高输入阻抗和的高输入阻抗和GTR的低导通压的低导通压降两方面的优点。降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大密度大，但驱动电流较大; MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流

13、密度小。导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为降低。非常适合应用于直流电压为600V及及以上的变流系统如以上的变流系统如交流电机交流电机、变频器变频器、开开关电源关电源、照明电路、牵引传动等领域。、照明电路、牵引传动等领域。l lIGBT 中双极性中双极性PNP晶体管的存在，虽然带晶体管的存在，虽然带来了电导调制效应的好处，但也引入了少来了电导调制效应的好处，但也引入了少子储存现象。因此子储存现象。因此IGBT的开关速度低于的开关速度低于MOSFET，但明显高于，但明显高于GTR。I

14、GBT在关断在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。加。IGBT的开启电压约的开启电压约34V，和，和MOSFET相当。相当。六六.电力电子器件的驱动电力电子器件的驱动l可控型电力电子器件（包括全控和半控）可控型电力电子器件（包括全控和半控）多为三端器件，其中有两个电极接主电路，多为三端器件，其中有两个电极接主电路，如晶闸管的阳极和阴极、如晶闸管的阳极和阴极、GTR 的集电极和的集电极和发射极。工作时可承受很高的电压和通过发射极。工作时可承受很高的电压和通过很大的电流。另一个电极起

15、控制作用，如很大的电流。另一个电极起控制作用，如晶闸管的门极，晶闸管的门极，MOSFET 的栅极，在其上的栅极，在其上面施加一定的电压或通以适当的电流可以面施加一定的电压或通以适当的电流可以控制器件的通断。控制器件的通断。l较之主电路的电压或电流，这个起控制作较之主电路的电压或电流，这个起控制作用的电压或电流都很小，这种用的电压或电流都很小，这种“以弱控强以弱控强”的作用称之为驱动的作用称之为驱动，与之相关的电路叫做，与之相关的电路叫做驱动电路。电力电子器件的结构和性能各驱动电路。电力电子器件的结构和性能各不相同，对驱动信号的要求也不一样，这不相同，对驱动信号的要求也不一样，这使得各种器件的驱

16、动电路存在着很大的差使得各种器件的驱动电路存在着很大的差异。异。l按照驱动电路加在电力电子器件控制端和按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端的信号的性质，将电力电子器件分公共端的信号的性质，将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类。晶闸管为电流驱动型和电压驱动型两类。晶闸管虽然是电流驱动器件，但是它是半控型器虽然是电流驱动器件，但是它是半控型器件，驱动电路常称为触发电路。对典型的件，驱动电路常称为触发电路。对典型的全控器件全控器件GTO,GTR属于电流驱动型属于电流驱动型,电力电力MOSFET和和IGBT属于电压驱动型。主要介属于电压驱动型。主要介绍晶闸管的驱动电路。绍晶闸管的驱动电路

17、。l晶闸管驱动电路（触发电路）晶闸管驱动电路（触发电路） 晶闸管触发电路应满足下列要求：晶闸管触发电路应满足下列要求： 1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。采用宽脉冲或双窄脉冲。采用宽脉冲或双窄脉冲。2)脉冲应有足够的幅度。对户外寒冷场合，脉冲应有足够的幅度。对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度增大为器件最大触发电流脉冲电流的幅度增大为器件最大触发电流的的35倍，脉冲前沿的陡坡也需增加，一般倍，脉冲前沿的陡坡也需增加，一般需大需大12A/ss。3 3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额。且在门极伏安

18、特电压、电流和功率定额。且在门极伏安特性的可靠触发区域之内。性的可靠触发区域之内。4 4）应有良好的抗干扰能、温度稳定性及主电）应有良好的抗干扰能、温度稳定性及主电路的电气隔离。路的电气隔离。lGTO的驱动的驱动 GTO一般应用于大容量的场合，驱动电路一般应用于大容量的场合，驱动电路通常包括三部分：开通驱动电路、关断驱通常包括三部分：开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分。可分为脉动电路和门极反偏电路三部分。可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。直接耦合式驱动电路可以避免电路内部相直接耦合式驱动电路可以避免电路内部相互干扰和寄生振荡，可得到较陡

19、的脉冲前互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿，目前应用比较广泛，但功耗大，效率沿，目前应用比较广泛，但功耗大，效率较低。较低。l lGTR的驱动的驱动 GTR也是一种电流控制型器件，但也是一种电流控制型器件，但GTR有有线性放大区。在电力电子电路中线性放大区。在电力电子电路中GTR多工多工作在开关状态，应回避其进入线性放大区。作在开关状态，应回避其进入线性放大区。l电压控制型器件驱动电压控制型器件驱动 以电力以电力MOSFET驱动为例，由于栅极和源驱动为例，由于栅极和源极之间是绝缘的，所以在器件导通和关断极之间是绝缘的，所以在器件导通和关断的稳定状态都不可能出现栅极电流，需要的稳定状态都不可

20、能出现栅极电流，需要的仅是一个栅极电压。但是器件的各电极的仅是一个栅极电压。但是器件的各电极之间都存在着电容，因此驱动电压的变化之间都存在着电容，因此驱动电压的变化将产生电容充放电电流，充放电时间常数将产生电容充放电电流，充放电时间常数决定栅极电压变化的速率，进而影响器件决定栅极电压变化的速率，进而影响器件的开关速度。为了减小时间常数，要求驱的开关速度。为了减小时间常数，要求驱动回路的电阻尽可能小。动回路的电阻尽可能小。练习（牛刀小试）练习（牛刀小试）l1.电力场效应管电力场效应管MOSFET()现象。现象。A、有二次击穿、有二次击穿 B、无二次击穿、无二次击穿 C、防止二、防止二次击穿次击穿

21、 D、无静电击穿、无静电击穿l2. 逆变电路输出频率较高时，电路中的开逆变电路输出频率较高时，电路中的开关元件应采用关元件应采用()。A、晶闸管、晶闸管 B、电力晶体管、电力晶体管 C、可关断晶闸、可关断晶闸管管 D、电力场效应管、电力场效应管l3. 电力晶体管是电力晶体管是()控制型器件。控制型器件。A、电流、电流 B、电压、电压 C、功率、功率 D、频率、频率练习练习l4. 逆变器输出频率较高时，电路中的开关逆变器输出频率较高时，电路中的开关元件应采用电力晶体管。（元件应采用电力晶体管。（ ）l5. 绝缘栅双极晶体管内部为四层结构。（）绝缘栅双极晶体管内部为四层结构。（）l6. 电力场效应

22、管电力场效应管MOSFET是理想的（）控是理想的（）控制器件。制器件。A、电压、电压 B、电流、电流 C、电阻、电阻 D、功率、功率练习练习l7.电力晶体管的缺点是电力晶体管的缺点是()。 A、功率容量小、功率容量小 B、必须具备专门的强迫、必须具备专门的强迫换流电路换流电路 C、具有线性放大特性、具有线性放大特性 D、易受、易受二次击穿而损坏二次击穿而损坏l 8.在电力电子装置中，电力晶体管一般工在电力电子装置中，电力晶体管一般工作在作在(D)状态。状态。lA、放大、放大 B、截止、截止 C、饱和、饱和 D、开关、开关l9.电力晶体管电力晶体管GTR有（）个有（）个PN结。结。A、1 B、2

23、 C、3 D、4第第2章章 整流电路整流电路引言引言整流电路的分类：整流电路的分类：按组成的器件可分为按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。三种。按电路结构可分为按电路结构可分为桥式电路桥式电路和和零式电路零式电路。按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相电路单相电路和和多相电路多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单单拍电路拍电路和和双拍电路双拍电路。整流电路整流电路： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。2.1 单相可控整流电路单相可控整流电路 2.1.1 单相

24、半波可控整流电路单相半波可控整流电路 2.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 2.1.3 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 2.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路图2-1 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况变压器变压器T起变换电压和起变换电压和电气隔离的作用。电气隔离的作用。电阻负载的特点：电压电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波与电流成正比，两者波形相同。形相同。2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路首先，引入两个重要的基本概念：首先，引入两个重要的

25、基本概念：触发延迟角触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度起到施加触发脉冲止的电角度,用用a a表示表示,也称也称触触发角发角或或控制角控制角。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用电角度，用表示表示 。直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为aaa2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222dUUttdUU2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路2) 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况 图2-2 带阻感负载的单相半波电路及其波形阻感负载的特点阻感负载的

26、特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路对单相半波电路的分析对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：可基于上述方法进行：v当当VTVT处于处于断态断态时，相当于时，相当于电路在电路在VTVT处断开，处断开，i id d=0=0。v当当VTVT处于处于通态通态时，相当于时，相当于VTVT短路。短路。图2-3 单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态 b)VT处于导通状态 a)b)VTRLVTRLu2u2电力电子电路的一种基本分析方法电力电子电路的一种基本分析方

27、法v通过器件的理想化，将电路简化为通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路分段线性电路。v器件的每种状态对应于一种器件的每种状态对应于一种线性电路线性电路拓扑。拓扑。2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路当VT处于通态时，如下方程成立：VTb)RLu2b) VT处于导通状态tURitiLsin2dd2dd（2-2）)sin()sin(tanjajaje（2-4）v 初始条件：t= a ，id=0。求解式（2-2）并将初始条件代入可得v 当t=+a 时，id=0，代入式（2-3）并整理得 )sin(2)sin(22)(2djjaatZUeZUitLR（2-3）22)( LRZRLj

28、arctan其中 ，2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路续流二极管续流二极管图2-4 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2IIad2dVT2)(21ItdIIaaddVDRIIa2d22dVD2)(21RItdIIaa2.1.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路VTVT的的a a 移相范围为移相范围为180180 。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化直流磁化。实际上很少应用此种电路。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主

29、要目的建立起整流电路的基分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。本概念。 单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况图2-5 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析 VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。 VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路数量关系数量关系aaa2cos19 . 02cos

30、122)( dsin21222dUUttUUa 角的移相范围为180。 向负载输出的平均电流值为： 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTaRUII2cos19 . 02cos12222ddaaRURURUI2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 流过晶闸管的电流有效值： 变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等： 由上两式得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。aaa2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUIaaa2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VT2.1

31、.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路2）带阻感负载的工作情）带阻感负载的工作情况况 u图2-6 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。 u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。 至t=+a 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。 VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 数量关系数量关系aaaacos9 . 0cos22)( d

32、sin21222dUUttUU 晶闸管移相范围为90。 晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值： 变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III 晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路3） 带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况图2-7 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 在|u2|E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后， ud=u2， ，直至|u2|=E，i

33、d即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。REuidd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUE2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路当当 30 的情况的情况 特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120 。2.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路aaaacos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262daaaUttdUU整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30时，负载电流连续，有：a3

34、0时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：2.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。图2-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载2.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即RUIdd222RM45.2632UUUU22UUFM2.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路2）阻感负载）阻感负载图2-16 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电

35、路及a =60时的波形 特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。 a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。 a30时（如a=60时的波形如图2-16所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。 阻感负载时的移相范围为90。2.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路数量关系数量关系 由于负载电流连续， Ud可由式（2-18）求出，即2d0d17.1UUU Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和

36、2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。图2-15 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载2.2.1三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为 晶闸管的额定电流为 晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。ddVT2577. 031IIIIdVTVT(AV)368.057.1III2RMFM45. 2UUU2.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，V

37、T3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）图2-17 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT62.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路1）带电阻负载时的工作情况）带电阻负载时的工作情况当a60 时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续 波形图： a =0 （图218 ） a =30 （图219） a =60 （图220）当a60 时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值 波形图： a =90 （ 图221）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是1202.2

38、.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路晶闸管及输出整流电压的情况如表21所示时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb 请参照图2182.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差

39、120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差180。 三相桥式全控整流电路的特点特点（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。2.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路（3）u ud d一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可采用两种方法：一种是宽脉冲触发 一种是双脉冲触发（常用） (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 三相桥式全控整流电路的特点特点a60 时时 当电感足够大的时候， id

40、的波形可近似为一条水平线。2.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况a =0a =302.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路2) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况a 60 时（时（ a =90） 阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。 电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。 阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90 。2.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路3) 定量分析定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60 时）的平均值为： 带电阻负

41、载且a 60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为 ：Id=Ud /Raaacos34.2)(sin63123232dUttdUU)3cos(134.2)(sin63232daaUttdUU2.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路当整流变压器为图2-17中所示采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为：ddddIIIII816.03232)(3221222晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时

42、的Id为：REUIdd式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。2.4电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路2.4电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。 最常用的是单相桥和三相桥两种接法。 由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路1） 工作原理及波形分析工作原理及波形分析a) 电路

43、 b) 波形图2-26 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至 t=0期间，因u2ud，故二极管均不导通，电容C向R放电，提供负载所需电流。至 t=0之后，u2将要超过ud，使得VD1和VD4开通，ud=u2，交流电源向电容充电，同时向负载R供电。2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路2) 2) 主要的数量关系主要的数量关系 输出电压平均值输出电压平均值 电流平均值电流平均值 输出电流平均值IR为： IR = Ud /R Id =IR 二极管电流iD平均值为： ID = Id / 2=IR/ 2 二极管承受的电压二

44、极管承受的电压 22U 空载时， 重载时，Ud逐渐趋近于0.9U2，即趋近于接近电阻负载时的特性。 在设计时根据负载的情况选择电容C值，使 , 此时输出电压为： Ud1.2 U2。2d2UU2/)53(TRC 2.4.1电容滤波的单相不可控整流电路电容滤波的单相不可控整流电路 感容滤波的二极管整流电路感容滤波的二极管整流电路实际应用为此情况，但分析复杂。u ud d波形更平直，电流i i2 2的上升段平缓了许多，这对于电路的工作是有利的。图2-29 感容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a） 电路图 b）波形2.4.2电容滤波的三相不可控整流电路电容滤波的三相不可控整流电路1 1） 基本

45、原理基本原理 某一对二极管导通时，输出电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。 当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。图2-30 电容滤波的三相桥式不可控整流电路及其波形2.6 大功率可控整流电路大功率可控整流电路2.6.1 带平衡电抗器的双反星形可控整带平衡电抗器的双反星形可控整流电路流电路2.6.2 多重化整流电路多重化整流电路2.6 大功率可控整流电路大功率可控整流电路引言引言带平衡电抗器的双反星形可控整流电路的特点：适用于低电压、大电流的场合。多重化整流电路的特点：在采用相同器件时可达到更大的功率。可减少交流侧输入电流的谐波或提高功率因

46、数，从而减小对供电电网的干扰。2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路电路结构的特点电路结构的特点图2-35 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 二次侧为两组匝数相同极性相反的绕阻，分别接成两组三相半波电路。 二次侧两绕组的极性相反可消除铁芯的直流磁化。 平衡电抗器是为保证两组三相半波整流电路能同时导电。 与三相桥式电路相比，双反星形电路的输出电流可大一倍。2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路 绕组的极性相反的目的：消除直流磁通势消除直流磁通势 如图可知，虽然两组相电流的瞬时值不同，但是平均电流相等而绕组的极性相反

47、，所以直流安匝互相抵消。图2-36 双反星形电路，a a =0时两组整流电压、电流波形2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路双反星形电路中如不接平衡电抗器，即成为六相半波整流电路：六相半波整流电路：平衡电抗器的作用：平衡电抗器的作用： 使得两组三相半波整流电路同时导电。对平衡电抗器作用的理解是掌握双反星形电路原理的关键。2.6.1带平衡电抗器的双反星形可控整流电路带平衡电抗器的双反星形可控整流电路原理分析原理分析(续续)：图2-38 平衡电抗器作用下两个晶闸管同时导电的情况 虽然 ，但由于Lp的平衡作用，使得晶闸管VT6和VT1同时导通。 时间推迟至ub

48、与ua的交点时， ub = ua ， 。 之后 ub ub ，电流才从VT6换至VT2。此时VT1、VT2同时导电。 每一组中的每一个晶闸管仍按三相半波的导电规律而各轮流导电。21dduu0pu2.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态2.7.1 逆变的概念逆变的概念2.7.2 三相桥整流电路的有源逆变工作状态三相桥整流电路的有源逆变工作状态2.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败与最小逆变角的限制2.7.1 逆变的概念逆变的概念1) 什么是逆变？为什么要逆变？什么是逆变？为什么要逆变？逆变（Invertion）把直流电转变成交流电，整流的逆过程。逆变电路把直流电逆变成

49、交流电的电路。v有源逆变电路交流侧和电网连结。 应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。v无源逆变电路变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在后面介绍。对于可控整流电路，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为变流电路变流电路。2.7.1 逆变的概念逆变的概念2) 直流发电机直流发电机电动机系统电能的流转电动机系统电能的流转图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转a）两电动势同极性EG EM b）两电动势同极性EM EG c）两电动势反极性，形成短路 电路过程分析。 两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，回路电阻小，可在两个电动势间交换很大的功率。2.7.1 逆