电力电子技术 课件汇 大连工业版 项目3-5 交-交变换电路-无源逆变电路

电力电子技术项目3交-交变换电路知识点23.1

双向晶闸管和交流开关及应用3.2

交流调压电路3.3交-交变频电路双向晶闸管3.1双向晶闸管和交流开关及应用

双向晶闸管有塑装型、螺旋型和平板型等几种不同的结构。双向晶闸管的内部结构如图3.1(a)所示，可以等效为图3.1(b)所示的两只普通晶闸管反并联。三个引出端分别是第一主极T1、第二主极T2和门极G，其电气符号如图3.1(c)所示。双向晶闸管的伏安特性曲线可看作是由两只普通晶闸管的特性曲线组合而成，如图3.2所示。结构特性3图3.1双向晶闸管(a)内部结构(b)等效电路(c)电气符号图3.2双向晶闸管伏安特性双向晶闸管3.1双向晶闸管和交流开关及应用

要使双向晶闸管流过交流电流，必须在每半个周期内对门极触发一次，只有在流过双向晶闸管的电流大于擎住电流后，去掉触发脉冲后才能维持其继续导通；只有流过双向晶闸管的电流下降到维持电流以下时，其才能关断并恢复阻断能力。由于双向晶闸管工作在交流电路中，正、反向电流都可以流过，所以它的额定电流不是用平均值而是用有效值(均方根值)来表示，定义为：在标准散热条件下，当器件的单向导通角大于170°时，允许流过器件的最大正弦交流电流的有效值，用IT(RMS)表示。特性主要参数

双向晶闸管的型号规定为：型号KS[额定通态电流值]-[断态重复峰值电压等级]-[断态电压临界上升率等级]-[换向电流临界下降率等级]

其中K代表晶闸管，S表示双向型。如KS100-8-21，表示双向晶闸管，其额定电流100A，断态重复峰值电压8级(800V)，断态电压临界上升率(du/dt)为2级(不小于200V/us)，换向电流临界下降率(di/dt)为1级●参数双向晶闸管其他参数定义与普通晶闸管类似。●参数选择①

额定通态电流IT(RMS选择

要考虑起动或反接电流峰值来选取。②额定电压UTn的选择电压裕量通常取2倍。③

换相能力(du/dt)的选择

一般选200V/us。4双向晶闸管3.1双向晶闸管和交流开关及应用

双向晶闸管两个方向都能导通，门极加正负信号都能触发，因此有四种触发方式：触发方式●Ⅰ+触发方式主端子T1为正，T2为负；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第Ⅰ象限，为正触发。●Ⅰ-触发方式主端子T1为正，T2为负；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第Ⅰ象限，为负触发。●Ⅲ+触发方式主端子T1为负，T2为正；门极电压是G为正，T2为负，特性曲线在第Ⅲ象限，为正触发。●Ⅲ-触发方式主端子T1为负，T2为正；门极电压是G为负，T2为正，特性曲线在第Ⅲ象限，为负触发。

四种触发方式中，Ⅲ+触发方式的触发灵敏度最低，尽量不用。5交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

交流开关是一种快速、较理想的双向开关，同时，由于晶闸管总是在电流过零时关断，这种情况不会因负载或线路电感储存能量而造成暂态过电压和电磁干扰，因此特别适用于操作频繁、可逆运行及有易燃气体和多粉尘的场合。简单交流开关及应用

交流开关的基本形式如图3.3所示。

交流开关的图3.3(a)为普通晶闸管反并联的交流开关，当Q合上时，靠管子本身的阳极电压作为触发电压，具有强触发性质，即使对触发电流很大的管子也能可靠触发，负载上得到的基本上是正弦电压。图3.3(b)采用双向晶闸管，为Ⅰ+、Ⅲ-触发方式，线路简单，但工作频率低。图3.3(c)只用一只普通晶闸管，管子不受反压。由于串联元件多、压降损耗较大。6图3.3晶闸管交流开关的基本形式交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

图3.4为双向晶闸管控制三相自动控温电热炉的电路。当开关Q拨到“自动”位置时，炉温就能自动保持在给定温度。若炉温低于给定温度，温控仪(调节式毫伏温度计)使常开触点KT闭合，小容量双向晶闸管VT4触发导通，继电器KA得电，使主电路中的双向晶闸管VT1~VT3导通，触发方式为Ⅰ+、Ⅲ-，负载电阻RL(电热丝)接通电源使炉子升温。当炉温到达给定温度，温控仪触点KT断开，VT4关断，继电器KA失电，双向晶闸管VT1~VT3关断，炉子降温。因此电热炉温度在给定温度附近小范围内波动。简单交流开关及应用双向晶闸管仅用一只电阻(主电路为R1*、控制电路为R2*)构成本相强触发电路，其阻值可由试验决定。用电位器代替R1*和R2*，调节电位器，使双向晶闸管两端电压(用交流电压表测量)减小到2~5V，此时电位器阻值即为触发电阻值，通常为30Ω~3KΩ，功率小于2W。7图3.4自动控温电热炉电路图交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

固态开关(SolidStateSwitch)，简称SSS，它包括固态继电器(SolidStateRelay)简称SSR、固态接触器(SolidStateContactor)简称SSC，是一种以双向晶闸管为基础构成的无触点通断组件，图3.5为几种常用的固态开关电路。固态开关图3.5a为光电双向晶闸管耦合器非过零电压开关。输入端1、2输入信号时，光电双向晶闸管耦合器B导通，门极由R2、B形成回路以Ⅰ+、Ⅲ-方式触发双向晶闸管。这种电路的输入信号在交流电源的任意相位均可同步接通，称为非过零交流开关。图3.5b为光电晶闸管耦合的零电压开关，1、2端输入信号时，光控晶闸管门极不短接时，耦合器B中的光控晶闸管导通，电流经整流桥与导通的光控晶闸管提供门极电流，使VT导通。由R3、R2、V1组成零电压开关功能电路，当电源电压过零并升至一定幅值时V1导通，光控晶闸管被关断。图3.5c为零电压接通零电流断开的理想无触点开关，1、2端加上输入信号时(交直流电压均可)，适当选取R2与R3的比值，使交流电压在接近零值区域(±25V)且有输入信号时，V2管截止，无输入信号时V2管饱和导通。因此不管什么时候加上输入信号，开关只能在电压过零附近使晶闸管VT1导通，也就是双向晶闸管只能在零电压附近加出入信号使开关闭合。8图3.5几种常用的固态开关电路交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

晶闸管过零触发开关在电源电压为零或零附近的瞬时被触发而导通，在流过的电流小于其维持电流而自然关断，这种开关对外界的电磁干扰最小。过零触发开关电路与交流调功器

功率的调节方法如下：在设定的周期TC内，用过零电压开关接通几个周波后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内的通断时间比例，以调节负载上的交流平均电压，即可达到调节负载功率的目的。因而这种装置称为调功器或周波控制器。

图3.6为设定周期TC内过零触发输出电压波形的两种工作方式，如在设定周期TC内导通的周波数为n，每个周波的周期为T(f=50Hz时，T=20ms)，则调功器的输出功率和输出电压有效值分别为。9图3.6过零触发输出电压波形(a)全周波连续式(b)全周波断续式交流开关及应用3.1双向晶闸管和交流开关及应用

图3.7为全周波连续式过零触发电路，它由锯齿波产生、信号综合、直流开关、过零脉冲输出以及同步电压五部分组成，其工作波形如图3.8所示。过零触发开关电路与交流调功器过零触发虽然没有移相触发时的高次谐波干扰，但其通断频率比电源频率低，特别当通断比太小时，会出现低频干扰，使照明出现人眼能觉察到的闪烁、电表指针出现摇摆等。所以调功器通常用于热惯性较大的电热负载。10图3.7过零触发电路图3.8过零触发电路工作波形单相交流调压电路3.2交流调压电路

图3.9为单相交流调压器电阻负载的电路图和工作波形。电源电压正半波期间，ωt=α时触发VT1晶闸管，VT1导通。负载上有电流io通过，输出电压uo=ui。ωt=π时刻，电源电压ui过零，io=0，VT1自行关断，uo=0。电阻性负载●电路结构和工作原理电源电压负半波期间，ωt=π+α时，触发VT2导通，uo变为负值。ωt=2π时刻，io=0，VT2自行关断，uo=0。若正负半周以同样的移相角α触发VTl和VT2，则负载上电压有效值可以随α角而改变，实现交流调压。负载电阻上得到缺角的交流电压波形。由于是电阻性负载，所以负载电流波形和电压波形相同。正负半周α起始时刻(a=0)均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的α相等；两只晶闸管的控制角α应保持180°的相位差，使输出电压不含直流成分。11图3.9单相交流调压电路电阻负载原理图和工作波形(a)两只普通晶闸管反并联结构(b)一只双向晶闸管结构(c)工作波形单相交流调压电路3.2交流调压电路

①

输出电压有效值Uo与输出电流有效值Io电阻性负载●数量关系

②

流过晶闸管电流有效值IT

③

输入功率因数PF12单相交流调压电路3.2交流调压电路

电路如图3.10所示。当交流调压器的负载是电动机、变压器一次侧绕组等电感性负载时，晶闸管的工作情况与具有电感性负载的整流情况相似。电感性负载●电路结构和工作原理

电路负载中含有电感成分时，晶闸管中电流(负载电流)的过零时刻将滞后于电压过零时刻，滞后的电角度等于负载的功率因数角。这种关断滞后现象对交流调压器工作产生很大影响。此时，晶闸管的导通角θ，不但与控制角α相关，而且与负载阻抗角φ有关。导通角θ与控制角α、负载阻抗角φ之间的定量关系表达式为。

①当α>φ时，由式(3-5)可以判断出导通角θ<180°，当电路中电感储能释放完毕，管子电流到零关断，其负载电流正负半波断续。负载电流与电压波形如图3.11(a)所示。此时电路工作于周期性的过渡状态，晶闸管每导通一次，就出现一次过渡过程，且相邻两次的过渡过程完全一样，这就是电路的稳定工作状态。α越大，θ越小，波形断续愈严重。13图3.10单相交流调压电感负载电路图图3.11(a)α>φ工作波形单相交流调压电路3.2交流调压电路

②当α=φ时，由式(3-5)可以计算出每只晶闸管的导通角θ=180°。此时，每只晶闸管轮流导通180°，相当于两只晶闸管轮流被短接。电流的正、负半周连续，直接进入稳态值，电流是完整的正弦波。相当于晶闸管失去控制，负载上获得最大功率，此时，电流波形滞后电压波形α角,如图3.11(b)所示。输出电流的表达式只有稳态分量：电感性负载●工作原理

③

当α<φ时，电源接通后，在电源的正半周，如果先触发V1，则根据式(3-5)可判断出它的导通角θ>180°。如果采用窄脉冲触发，当VT1的电流下降为零而关断时，VT2的门极脉冲已经消失，VT2无法导通。到了下一周期，VT1又被触发导通重复上一周期的工作，结果形成单相半波整流现象，回路中出现很大的直流电流分量，无法维持电路的正常工作。根据以上分析，当α≤φ并采用宽脉冲触发时，负载电压、电流总是完整的正弦波，改变控制角α，负载电压、电流的有效值不变，电路失去交流调压作用。因此在感性负载时，要实现交流调压的目的，则最小控制角α=φ(负载的功率因素角)，所以α的移相范围为φ~180°。14图3.11单相交流调压电感负载工作波形(b)α=φ(c)α<φ单相交流调压电路3.2交流调压电路

①

当α>φ时，非正弦负载电压的有效值Uo，负载电流有效值Io，流过晶闸管电流有效值IT的计算式如下:电感性负载●数量关系

②

流过晶闸管电流有效值IT

③

负载电流有效值Io15单相交流调压电路3.2交流调压电路●带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，改变控制角α可以改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。单相交流调压的触发电路完全可套用整流触发电路。单相交流调压的特点●带电感性负载时，不能用窄脉冲触发，否则当α<φ时会发生有一只晶闸管无法导通的现象，电流出现很大的直流分量。。●带电感性负载时，最小控制角为αmin=φ(负载功率因数角)，所以的移相范围为φ~180°。而带电阻性负载时移相范围为0°~180°。16三相交流调压电路3.2交流调压电路

把3个单相交流调压电路接在对称的三相交流电源上，让其互差120°相位工作，则构成一个三相交流调压电路。三相交流调压电路具有多种形式，较常用的形式有以下几种，如图3.12所示。。基本形式

单相交流调压适用于单相负载。如果单相负载容量过大，就会造成三相不平衡，影响电网供电质量，因而容量较大的负载大都分为三相。要适应三相负载的要求，就需用三相交流调压。17图3.12三相交流调压电路的基本形式(a)带中性线星形连接(b)无中线的星形连接(c)支路控制的三角形连接(d)星形中心控制连接三相交流调压电路3.2交流调压电路

把3个单相如图3.12(a)所示。每个单相交流调压电路分别接在各自的相电源上，每相的工作过程与单相交流调压电路完全相同。这种电路的缺点是在中性线中流过相当大的3次谐波电流。因为3次及其整数倍次谐波电流是同相位的，不能在各相之间流动，只能全部流过中性线。当α=90°时，中性线中的电流最大，近似等于各相电流的有效值。这会给电源变压器和其他负载带来不利的影响，在实际中较少采用。基本形式●带中性线星形连接电路

如图3.12(b)所示。其负载的连接形式可以是星形，也可以是三角形。该电路的特点是每相负载都需要通过另一相才能构成电流回路，因此同三相桥式全控整流电路一样，必须保证不同相的两只晶闸管同时导通，负载中才有电流通过，因而晶闸管的触发脉冲必须是宽脉冲或双窄脉冲。对于星形连接负载，由于3次谐波电流均为同相位，不能在各相之间流动，因此在线路和负载电流中不包含3次及其整数倍次谐波电流。由于该调压电路的负载接线形式灵活，而且不需要中线，因此其应用范围较广。●无中性线星形连接电路18三相交流调压电路3.2交流调压电路

如图3.12(c)。每个带负载的单相交流调压电路跨接在线电压上，每相工作时的电压、电流波形也与单相交流调压电路相同。由于晶闸管与负载串联接成三角形，在负载容量相同的情况下，流过晶闸管的电流比较小，但晶闸管承受电源线电压，耐压要求比较高。另外，线电流中不包含3次及其整数倍次谐波电流，该电路只适用于三角形连接负载，并且由于晶闸管接在负载内部，每相负载都要能单独接线，对三相电动机负载而言不够方便。因此，使其应用范围存在一定的局限性。基本形式●支路控制的三角形(也称内三角形)连接电路

如图3.12(d)所示。用接成三角形的3只晶闸管来代替负载星形接法的中点。与其他电路相比使用的晶闸管最少，但是在同样的负载电流下，晶闸管中流过的电流最大。由于晶闸管只能控制单一方向的电流，使得输出电压正负半周不对称，因而含有偶次谐波。若负载为电动机，偶次谐波将产生与基波转矩方向相反的负转矩，使电动机输出转矩减小并产生脉动，效率也随之降低。但是输出波形的正负半周面积相等，不存在直流分量。由于晶闸管接在负载之后，受电源浪涌电压的影响较小。该电路仅适用于星形连接负载，且该星形的中点不能事先连接好，必须有6个引出端。另外，即使晶闸管处于阻断状态，各相负载都与电源同电位。基于上述特点，该电路只在小容量的三相负载中有一定的应用。●星形中心控制连接电路19三相交流调压电路3.2交流调压电路

①

相位条件。触发信号应与电源电压同步。无论是单相或三相交流调压电路，控制角从各自相电压由负变正的过零点开始算起，即ωt=0时，α=0，这与三相桥式可控整流电路是不同的。晶闸管VT1、VT3、VT5的触发信号应互差120°，VT4、VT6、VT2的触发信号也应互差120°，同一相两只晶闸管的触发信号应互差180°。这样晶闸管VT1~VT6的触发信号依次相差60°，这与三相桥式可控整流电路是相同的。星形连接三相交流调压电路●对触发信号的要求

如图3.12(b)所示为无中线的星形连接三相交流调压电路。为了分析方便，各相上的晶闸管VT1、VT3、VT5的阳极和VT4、VT6、VT2的阴极依次接到三相交流电源U、V、W上。

②脉宽条件。星形连接的三相交流调压电路，由于没有中线，三相中至少要有两相导通才能构成电流的通路，因此单窄脉冲是无法启动电路的。为了保证起始工作电流的流通，并在控制角较大、电流断续的情况下仍能按要求使电流流通，触发脉冲应采用大于60°的宽脉冲(或脉冲列)，或采用间隔60°的双窄脉冲。20三相交流调压电路3.2交流调压电路

①

α=0°，即在相应每相电压过零处给晶闸管触发脉冲。例如，VT1在U相电压过零变正时导通，过零变负时承受反向电压而自然关断，随即VT4导通，晶闸管的导通角为180°，这时的晶闸管相当于二极管。V、W两相的导通情况与此完全相同。触发脉冲分布、各晶闸管的导通区域及U相负载上输出的电压波形如图3.13所示。由图可见，在任何时刻都有3只晶闸管同时导通。忽略晶闸管管压降，负载上输出的电压等于电源电压。星形连接三相交流调压电路●电阻性负载21图3.13α=0°工作波形图3.14α=30°工作波形图3.14α=60°工作波形三相交流调压电路3.2交流调压电路

星形连接三相交流调压电路在电阻性负载时，所得的负载电压和电流的波形都不是正弦波，且随着α角的增大，电流的不连续程度增加，而且正、负半周对称。因此所含的谐波次数为6K±1(K=1,2,3,…)，这和三相桥式全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同，而且也是谐波次数越低，含量越大。和单相交流调压电路相比，没有3次及其整数倍次谐波，因为这种线路无3次及其整数倍次谐波的通路。星形连接三相交流调压电路●谐波情况

在电感性负载下，三相交流调压电路的情况要复杂得多。因为需要同时考虑到三相电路的特点及控制角α和阻抗角φ的大小及其相互关系。若为异步电动机负载，其功率因数角随运行工况而变化，因此定量分析很困难。通常采用实验的方法来实际测量调压电路在不同控制角下的输出电压、电流波形及其有效值。从实验可知，当三相交流调压电路带电感性负载时，同样要求触发脉冲为宽脉冲或双窄脉冲，控制角α的移相范围φ≤α≤150°。在电感性负载下谐波电流的含量比电阻性负载时相对小一些。22三相交流调压电路3.2交流调压电路图3.18所示为3个线电压供电的单相交流调压电路所组成。无论是电阻性负载还是电感性负载，每一相都可以当作单相交流调压电路来分析，前述单相交流调压电路的分析方法和结论完全适用，只是把单相相电压改成线电压。输入的线电流(电源电流)为与该线相连两个负载相电流之和。支路控制三角形连接三相交流调压电路由于三相对称负载相电流中的3次及其整数倍次谐波的相位和大小都相同，所以它们在三角形回路中流动，而不出现在线电流中。因此，线电流中谐波次数为6K±1(K为正整数)。在相同负载和控制角时，线电流中的谐波含量少于星形连接的三相交流调压电路。23图3.18支路控制的三角形连接交流调压电路单相交-交变频电路3.3交-交变频电路

单相输出交-交变频电路组成如图3.19所示。它由具有相同特征的两组晶闸管整流电路反向并联构成。其中一组整流器称为正组整流器(P组)，另外一组称为反组整流器(N组)。电路结构和工作原理

如果正组(P组)整流器工作，反组整流器(N组)被封锁，负载端输出电压为上正下负，负载电流io为正；正组(P组)整流器被封锁，则负载端得到输出电压为上负下正，负载电流io为负。这样，只要交替地以低于电源的频率切换正反组整流器的工作状态，则在负载端就可以获得交变的输出电压。如果控制角α不固定，在正组工作的半个周期内让控制角α按正弦规律从90°逐渐减小到0°，然后再由0°逐渐增加到90°，那么正组整流电路的输出电压的平均值就按正弦规律变化，从零增大到最大，然后从最大减小到零，如图3.19所示(三相交流输入)。在反组整流电路工作的半个周期内采用同样的控制方法，就可以得到接近正弦波的输出电压。两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输出频率ωo。改变变流电路的控制角α，就可改变交流输出电压的幅值。24图3.19单相交-交变频电路及输出波形单相交-交变频电路3.3交-交变频电路

交-交变频电路的负载可以是电感性、电阻性或电容性。将电感性负载的交-交变频电路理想化，忽略变流电路换相时uo的脉动分量，就可把变频电路等效成图3.20(a)所示的正弦波交流电源和二极管的串联。变频电路的工作过程●第一阶段：反组整流器工作，正组整流器被封锁，反组整流器必须工作在有源逆变状态。输出电压uo和输出电流io波形如图3.20(b)所示，一个周期分为六个阶段：●第二阶段：电流过零。为无环流死区。●第三阶段：正组整流器工作，反组整流器被封锁，正组整流器必须工作在整流状态。●第一阶段：反组整流器工作，正组整流器被封锁，反组整流器必须工作在有源逆变状态。●第二阶段：电流过零。为无环流死区。●第三阶段：正组整流器工作，反组整流器被封锁，正组整流器必须工作在整流状态。25图3.20理想化交-交变频电路的整流和逆变工作状态

(a)理想化电路(b)工作波形三相交-交变频电路3.3交-交变频电路三相交-交变频电路是由三组输出电压相位各差120°的单相交-交变频电路组成的，电路接线形式主要有以下两种。公共交流母线进线方式图3.22所示是公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路原理图。该电路由三组彼此独立的，输出电压相位相互错开120°的单相交-交变频电路组成，它们的电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。交流电动机的三个绕组必须拆开，同时引出六根线。公共交流母线进线方式图3.23所示是输出星形联结方式的三相交-交变频电路原理图。电源进线通过变压器和进线电抗器接在公共的交流母线上。三相交-交变频电路的输出端星形联结，电动机的三个绕组也是星形联结，电动机中点和变频器中点分别独立接在一起，电动机只引三根线即可。26图3.22公共交流母线进线方式的三相交-交变频电路图3.23输出星形联结方式的三相交交变频电路电力电子技术项目4直流变换电路知识点284.1全控型电力电子器件4.2基本的直流斩波电路4.3

隔离型直流变换电路4.4直流变换电路的控制门极可关断晶闸管4.1全控型电力电子器件

门极可关断晶闸管(Gate-Turn-Off-Thyristor)简称GTO。它具有普通晶闸管的全部特性，是晶闸管的一种派生器件。同时它又具有门极正脉冲信号触发导通、门极负脉冲信号触发关断的特性，而在它的内部有电子和空穴两种载流子参与导电，所以它属于全控型双极型器件。结构和工作原理

门极可关断晶闸管GTO的结构与普通晶闸管的相同点，P1N1P2N2四层半导体结构，外部引出阳极A、阴极K和门极G。和普通晶闸管不同的是：GTO是一种多元的功率集成器件，内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起，共用一个阳极。如图4.1所示。

GTO的工作原理与普通晶闸管一样，可以用如图4.1(d)所示的双晶体管模型来分析。

当GTO的门极加负脉冲信号(门极为负，阴极为正)时，门极出现反向电流，此反向电流将GTO的门极电流抽出，使其电流减小a1和a2也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使GTO关断。29图4.1GTO的内部结构和电气符号(a)各单元阴极、门极间隔排列的图形(b)并联单元结构断面示意图(c)电气符号(d)双晶体管模型门极可关断晶闸管主要参数

GTO的基本参数与普通晶闸管大多相同，不同的主要参数如下。●最大可关断阳极电流

IATO由门极可靠关断为决定条件的最大阳极电流为最大可关断阳极电流。GTO必须规定一个最大可关断阳极电流，也就是GTO的额定电流。该值与管子电压上升率、工作频率、反向门极电流峰值和缓冲电路参数有关，在使用中应予以注意。●电流关断增益βoff

最大可关断阳极电流与门极负脉冲电流最大值IGM之比称为电流关断增益。关断增益这个参数是用来描述GTO关断能力的。目前大功率GTO的关断增益为3~5，一般很小，这是GTO的一个主要缺点。●掣住电流IL与普通晶闸管一样，IL是指门极加触发信号后，阳极大面积饱和导通时的临界电流。应用

GTO主要用于高电压、大功率的直流变换电路(即斩波电路)、逆变电路中，例如恒压恒频电源(CVCF)、常用的不间断电源(UPS)等。另一类GTO的典型应用是调频调压电源，此电源较多用于风机、水泵、轧机、牵引等交流变频调速系统中。4.1全控型电力电子器件30功率晶体管

功率晶体管又称电力晶体管(GiantTransistor)简称GTR，直译为巨型晶体管。是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管，有时候也称为PowerBJT。结构和工作原理

GTR的结构如图4.2(a)所示，由三层半导体材料构成两个PN结，有NPN和PNP型两种，本图为NPN型，其图形符号如图4.2(b)所示。4.1全控型电力电子器件

GTR的工作原理与普通的三极管基本原理是一样的，如图4.2(c)，主要通过控制基极电流来控制集电极电流。当有足够大的电流驱动信号从基极流过时，就能使管子处于完全导通的状态，当撤去这个信号时，管子自动关断。故它是具有自关断能力的全控型器件。

GTR的单管GTR的β值比小功率的晶体管小得多，通常为10左右。达林顿接法可有效增大电流增益，通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。但饱和压降增加了，开关速度变慢。所以采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成，提高了集成度和可靠性。31图4.2GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动(a)内部结构断面示意图(b)电气图形符号(c)内部载流子的流动功率晶体管特性

GTR的主要特点是耐压高、电流大和开关特性好。特性包括静态特性和动态特性。4.1全控型电力电子器件

GTR在电路中一般是共发射极接法，这种接法的典型输出特性有三个区：截止区、放大区和饱和区，和普通晶体管一样，如图4.3所示。

动态特性包括开通过程和关断过程。●静态特性●动态特性

开通过程是延迟时间td和上升时间tr之和即为开通时间ton。延迟时间主要是由发射结势垒电容和集电结势垒电容充电产生的。增大ib的幅值并增大dib/dt，可缩短延迟时间，同时可缩短上升时间，从而加快开通过程。

关断过程是储存时间ts和下降时间tf二者之和，即关断时间toff。储存时间ts是用来除去饱和导通时储存在基区的载流子的，是关断时间的主要部分。减小导通时的饱和深度或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可缩短储存时间，从而加快关断速度，但会使集电极和发射极间的饱和导通压降Uces增加，从而增大通态损耗。32图4.3共发射极接法时GTR的输出特性功率晶体管极限参数4.1全控型电力电子器件●最高工作电压①

集电极与基极之间的反向击穿电压Ucbo

当发射极开路时，集-基极间能承受的最高电压；②

集电极与发射极之间的反向击穿电压Uceo

当基极开路时，集-射极间能承受的最高电压。●集电极最大允许电流ICM即集电极最大电流ICM(最大电流额定值)，一般将直流电流放大倍数β下降到额定值的1/2~1/3时集电极电流IC的值定为ICM。因此，通常IC的值只能到ICM值的一半左右，使用时绝不能让IC值达到ICM，否则GTR的性能将变坏。●集电极最大耗散功率PCM即GTR在最高工作温度下所允许的耗散功率，它等于集电极工作电压与集电极工作电流的乘积。这部分能量转化为热能使管温升高，在使用中要特别注意GTR的散热。●最高结温TJMTGTR的最高结温与半导体材料的性质、器件制造工艺和封装质量有关。一般情况下，塑封硅管的TJMT为125℃~150℃，金封硅管的TJMT为150℃~170℃，高可靠平面管的TJMT为175℃~200℃。33功率晶体管二次击穿现象与安全工作区4.1全控型电力电子器件●GTR的二次击穿现象GTR的一次击穿在集电极电压升高至击穿电压时，IC迅速增大，出现雪崩击穿的时候。只要IC不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿在一次击穿发生时IC增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下降。常会导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。

●安全工作区(SafeOperatingArea--SOA)

即为保证管子正常工作，避免二次击穿现象出现，生产厂家规定安全工作区。如图4.4所示，安全工作区是由最高电压UCEM、集电极最大电流ICM、最大耗散功率PCM、二次击穿临界线PSB限定的。34图4.4GTR的安全工作区功率场效应晶体管

功率场效应晶体管(PowerMOSFieldEffectTransistor)简称P-MOSFET，又叫绝缘栅功率场效应晶体管。功率场效应晶体管是一种单极型电压控制器件，通过栅极电压来控制漏极电流。该器件不但有自关断能力，而且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题和安全工作区宽等优点。结构和工作原理

如图4.5(b)所示，P-MOSFET的种类按导电沟道可分为N沟道和P沟道。三个引脚为漏极D、源极S和栅极G。每种类型又分耗尽型和增强型两种，当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道为耗尽型；对于N(P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道为增强型。功率场效应晶体管主要是增强型，图4.5所示为增强型功率场效应晶体管。4.1全控型电力电子器件

栅源极间电压为零时，漏源极间加正电压，管子截止，P基区与N漂移区之间形成的PN结反偏，漏源极之间无电流流过。只有在栅源极间加正电压UGS时，功率MOSFET管才导电。

当UGS大于UT(开启电压或阈值电压)时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结消失，漏极和源极在电压作用下形成漏极电流。35图4.5P-MOSFET的结构和电气符号(a)结构(b)电气符号功率场效应晶体管特性

如图4.6(a)所示为功率MOSFET的转移特性。当ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导Gfs，图4.6(b)为功率MOSFET的输出特性，包括截止区、饱和区和非饱和区。4.1全控型电力电子器件

功率MOSFET内部存在寄生电容，而功率MOSFET的开关速度与寄生电容充放电有很大关系，只要降低驱动电路内阻，减小时间常数，可加快开关速度。功率MOSFET只靠多子导电，不存在少子储存效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在10~100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是电力电子器件中工作频率最高的。36

图4.6功率MOSFET的转移特性和输出特性(a)转移特性(b)输出特性主要参数

除前面介绍的跨导Gfs、开启电压UT还有：●漏源击穿电压UBDS该参数决定P-MOSFET的最高工作电压，是为了避免管子进入雪崩击穿区而设的极限参数。该值随温度的升高而增大。●通态电阻Ron通常规定在确定的栅极电压UGS下，功率MOSFET由可调电阻区进入饱和区时的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，它决定了信号输出幅度和自身损耗，还直接影响器件的通态压降。器件的电压等级越高其值越大。●最大漏极电流IDM功率MOSFET电流定额参数，表征了功率MOSFET的电流容量，其大小主要受器件沟道宽度的限制。4.1全控型电力电子器件功率场效应晶体管●栅源击穿电压UBGS

栅源之间的绝缘层很薄，超过20V将导致绝缘层击穿。规定了最大栅源击穿电压UBGS极限值为20V。漏源击穿电压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了功率MOSFET的安全工作区。功率MOSFET一般不存在二次击穿问题，但仍需留有一定裕量。37绝缘栅双极型晶体管

绝缘栅双极晶体管(Insulated-gateBipolarTransistor--IGBT)

是GTR和MOSFET的复合，结合二者的优点，具有很好的特性。1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件。结构和工作原理

IGBT是基于P-MOSFET和GTR的复合器件。相当于一个由P-MOSFET驱动的GTR，其简化等效电路如图4.7(b)所示，电气符号如图4.7(c)所示。4.1全控型电力电子器件

IGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G。在应用电路中，IGBT的C接电源正极，E接电源负极。它的导通和关断由栅极电压uGE来控制。栅射间施以正向电压且大于开启电压时，P-MOSFET内形成沟道，为PNP型的晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时电导调制效应使电阻减小，结果高耐压的IGBT也具有低的通态压降。在栅射间施以负电压或不加信号时，P-MOSFET内的沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。38图4.7IGBT的结构、等效电路和电气符号(a)结构(b)简化等效电路(c)电气图形符号特性

IGBT的转移特性与P-MOSFET转移特性类似，如图4.8(a)所示表示IC与UGE间的关系，UGE越高，IC越大，与普通晶体管的伏安特性一样。。4.1全控型电力电子器件

IGBT的输出特性是以UGE为参考变量时的IC与UCE间的关系，如图4.8(b)所示。分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。分别与GTR的截止区、放大区和饱和区相对应。绝缘栅双极型晶体管

当UGE>UGE(th)(开启电压：一般为3~6V)时，IGBT开通，其输出电流IC与驱动电压UGE基本呈线性关系。当UGE<UGE(th)时，IGBT关断。值得注意的是，IGBT的承受反向电压能力很差，其反向阻断电压UBM只有几十伏，因此限制了它在需要承受高反压场合的应用。39图4.8IGBT的转移特性和输出特性(a)转移特性(b)输出特性主要参数●最大集射极间电压UCES该参数决定器件的最高工作电压，它由内部PNP晶体管的击穿电压确定，具有正温度系数。●最大集电极电流包括集电极连续电流IC和峰值电流ICM。为IGBT的额定电流，表征其电流容量。IC受结温的限制，ICM是为避免擎住效应的发生而规定的参数。●最大集电极功耗PCM功率为IGBT正常工作温度下允许的最大功耗。4.1全控型电力电子器件●最大栅射极电压UGES栅极电压是由栅氧化层特性所限制，为了确保长期使用的可靠性，应将栅极电压限制在20V之内。绝缘栅双极型晶体管特点●开关速度高，开关损耗小。●安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。●通态压降比功率MOSFET低。●与功率MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。●输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。40MOS控制晶闸管MCT4.1全控型电力电子器件其他新型全控型开关器件静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成门极换流晶闸管IGCT基于宽禁带半导体材料的电力电子器件41概述4.2基本的直流斩波电路

基本的直流斩波电路有降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升-降压(Buck-Boost)斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路等6种基本形式；其中前三种斩波电路最为常见。

分析直流斩波电路所作的假设条件：●忽略电路的漏电感、杂散电阻等参数；●认为电力电子器件和与之配合的二极管是理想的，即导通时压降为零、阻断时漏电流为零、开关过程瞬间完成；●滤波电路的电磁时间常数远大于电子开关的工作周期，认为负载电压在一个开关周期中为常数。直流斩波电路的基本工作原理图4.10(a)所示电路表明了直流斩波的基本工作原理，实现斩波的关键在于对斩波开关S的通断控制。控制开关器件的通断时间比就可以在输出端得到电压可调的直流电，如图4.10(b)所示。图4.10直流斩波原理图(a)原理图(b)工作波形设开关器件S的导通时间为ton，周期为T，定义斩波电路工作的占空比D=ton/T，则输出电压的平均值为：当占空比从0到1变化时，所对应的输出电压平均值从0到Ud变化，因此改变占空比D就可以实现对输出电压的调节。42概述4.2基本的直流斩波电路

基本的直流斩波电路有降压(Buck)斩波电路、升压(Boost)斩波电路、升-降压(Buck-Boost)斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路等6种基本形式；其中前三种斩波电路最为常见。

分析直流斩波电路所作的假设条件：●忽略电路的漏电感、杂散电阻等参数；●认为电力电子器件和与之配合的二极管是理想的，即导通时压降为零、阻断时漏电流为零、开关过程瞬间完成；●滤波电路的电磁时间常数远大于电子开关的工作周期，认为负载电压在一个开关周期中为常数。直流斩波电路的基本工作原理图4.10(a)所示电路表明了直流斩波的基本工作原理，实现斩波的关键在于对斩波开关S的通断控制。控制开关器件的通断时间比就可以在输出端得到电压可调的直流电，如图4.10(b)所示。设开关器件S的导通时间为ton，周期为T，定义斩波电路工作的占空比D=ton/T，则输出电压的平均值为：当占空比从0到1变化时，所对应的输出电压平均值从0到Ud变化，因此改变占空比D就可以实现对输出电压的调节。43图4.10直流斩波原理图(a)原理图(b)工作波形降压(Buck)斩波电路4.2基本的直流斩波电路

降压斩波电路也称为Buck变换器，正如名字所定义的，降压斩波电路的输出电压Uo低于输入电压Ud。降压斩波电路的典型用途是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电势，如图4.11(a)中所示的EM。当斩波器件S导通时，E向负载供电，负载电压uo=E，由于大电感L的储能作用，负载电流io按指数曲线上升，此时续流二极管VD承受反向电压不导通；而斩波器件S关断时，大电感L的储能使负载电流io经VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流io呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串接电感量较大的电感。电路结构工作原理当斩波器件至一个周期T结束，再驱动斩波器件S导通，重复上一周期的过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等，如图4.11(b)所示。44图4.11降压斩波电路的原理图和工作波形(a)电路原理图(b)工作波形降压(Buck)斩波电路4.2基本的直流斩波电路

在稳态情况下，电感电压波形是周期性变化的。电感电压在一个周期内对时间的积分为零，所以负载电压的平均值为。基本数量关系

式中，ton为S处于通态的时间；toff为S处于断态的时间；T＝ton+toff为开关周期；D为占空比。由于ton<T，所以Ud<E。改变通断比，就可使Ud从零到E之间连续变化，故称为降压斩波电路。降压斩波电路的输出电压平均值与输入电压之比、刚好等于斩波开关的导通时间与斩波周期之比。改变占空比D就可以控制斩波电路的输出电压和电流的平均值。并且在负载电流连续且可略去电流纹波影响时，此斩波电路有类似于变压器的规律：电压与电流成反比，其占空比D则类似变压器的匝比k。只要调节D，即可调节负载的平均电压。

负载电流平均值为。

如果L的值较小，则在S关断后至再次导通前，可能会出现负载电流衰减到零，即负载电流断续的情况。一般不希望出现电流断续的情况。45升压(Buck)斩波电路4.2基本的直流斩波电路

输出电压的平均值高于输入电压的直流变换电路称为升压斩波电路，又叫Boost电路。它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。升压斩波电路的基本形式如图4.12(a)所示。图中S为全控型电力器件组成的开关，VD是快恢复二极管。在理想条件下，当电感L中的电流iL连续时，电路的工作波形如图4.12(b)所示。当斩波器件S导通时，电感电流iL增大，电感L储能增加。设S处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为：电路结构和工作原理基本数量关系当斩波器件S处于断态时，电感电流iL下降，电感L的感应电势改变极性，与电源电势E叠加，使二极管VD导通，E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设处于断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为：稳态时，一个周期T中电感L积蓄能量与释放能量相等，则：升压的关键原因：一是电感L储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。46图4.12升压斩波电路的原理图和工作波形(a)电路原理图(b)工作波形升降压(Buck-Boost)斩波电路4.2基本的直流斩波电路

升-降压斩波电路是由降压和升压两种基本斩波电路混合串连而成，也称为Buck-Boost电路，其原理图和工作波形如图4.13所示，它主要用于可调直流电源。其输出电压可以小于输入电压，也可以大于输入电压。且输出电压极性与输入电压的相反。稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即：电路结构和工作原理基本数量关系当S处于通态期间时，uL＝E；而当S处于断态期间时，uL＝－uo。如S、VD是没有损耗的理想开关，则：当

0<D<1/2时为降压

，当1/2<D<1时为升压。当斩波开关S关断时，VD导通，电感L存储的能量向电容C和负载R释放。可见负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，与前面介绍的降压斩波电路和升压斩波电路的输出情况正好相反，所以该电路又称为反极性直流变换电路。所以输出电压为：当斩波开关S处于通态时，电源E经斩波开关S向电感L供电，使其存储能量，同时，电容C维持输出电压恒定并向负载R供电。VD处于阻断状态，此时电流iL方向如图4.13(a)所示。47图4.13升-降压斩波电路的原理图和工作波形库克(Cuk)斩波电路4.2基本的直流斩波电路

库克(Cuk)斩波电路也类似于升-降压斩波电路，即输出电压的平均值既能高于输出电压，又能低于输入电压。电路形式如图4.14(a)所示,该图中L1和L2为储能电感，VD是快恢复续流二极管，电容C是传送能量的耦合电容。这种电路的特点是：输出与输入的电压极性相反，输出端电流的纹波小，输出直流电压平稳，降低了对外部滤波器的要求。电路结构和工作原理该电路的等效电路如图4.14(b)所示，相当于开关S在A、B两点之间交替切换。开关S合向B点的时，斩波开关S处于通态。由于电容C上的电压uC使二极管VD反偏而截止，直流电源E向电感L1输送能量，电感L1中的电流iL1线性增长，电感L1电流iL1的回路为：E→L1→S。与此同时，原来储存在电容C中的能量向负载和L2释放。电容C的放电回路为：R→L2→C→S。iC=i2,负载获得反极性电压。48图4.14库克斩波电路的原理图和工作波形库克(Cuk)斩波电路4.2基本的直流斩波电路

当开关S合向A点的时，斩波开关S关断，L1中的感应电动势改变方向，使二极管VD正偏而导通，L1经C、VD对C充电储能，所以其电流iL1线性减小，而对电容充电的电流iC=i1其方向与放电电流的方向相反，因此iC突变为负值。在此期间，L2向负载释放能量，其电流iL2也呈线性下降。在整个周期T＝ton+toff中，电容C从输入端向输出端传递能量，只要L1、L2和C足够大，就可保证输入、输出电流是平稳的。稳态时电容C的电流在一周期内的平均值为零。也就是其对时间的积分为零，即:基本数量关系

在图4.14(b)的等效电路中，开关S合向B点时间即S处于通态的时间ton，则电容电流和时间的乘积为I2ton。开关S合向A点的时间为S处于断态的时间toff，则电容电流和时间的乘积为I1toff。由此可得，

从而可得,

当电容C很大使电容电压uC的脉动足够小时，输出电压uo与输入电压E的关系可用以下方法求出：

当开关S合到B点时，B点电压uB=0，A点电压uA=−uC；

当S合到A点时，uB=uC，uA=0，因此，B点电压uB的平均值为：

另一方面，A点的电压平均值为：

且L2的电压平均值为零，按图中U0的极性，有：

于是可得出输出电压U0与电源电压E的关系为：49Sepic斩波电路和Zeta斩波电路4.2基本的直流斩波电路

图4.15分别给出了Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的原理图。Sepic斩波电路的基本工作原理是：在S处于通态期间，电源E经斩波开关S向电感L1贮能，并且C1贮存的能量向L2转移。E→L1→S回路和C1→S→L2回路同时导电，L1和L2贮能。当斩波开关S关断后，E→L1→C→VD→负载(C2和R)回路及L2→VD→负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电，C1贮存的能量在S处于通态时向L2转移。Zeta斩波电路也称双Sepic斩波电路，其基本工作原理是：在斩波器件S处于通态期间，电源E经斩波器件S向电感L1贮能。当斩波器件S关断后，L1经VD与C1构成振荡回路，其贮存的能量转移至C1，至振荡回路电流过零，L1上的能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。Sepic斩波电路和Zeta斩波电路的输入输出关系均为：50图4.15Sepic斩波电路和Zeta斩波电路(a)Sepic斩波电路(b)Zeta斩波电路概述4.3隔离型直流变换电路

带隔离变压器的直流变换电路是在基本的直流斩波电路中插入了隔离变压器，使电源和负载之间有电气隔离，提高变换电路运行的安全可靠性和电磁兼容性，适当的电压比还可以使电源电压与负载电压匹配。正激变换电路正激变换电路包含多种不同结构，典型的单开关正激变换电路及其工作波形如图4.16所示。正激变换电路的工作过程：斩波开关S开通后，变压器绕组W1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组W2两端的电压也是上正下负。因此VDl处于通态，VD2为断态，电感上的电流逐渐增长；S关断后，电感L通过VD2续流，VD1关断，L的电流逐渐下降。

隔离型直流变换电路可分为单端变换电路和双端变换电路两大类，单端变换电路的变压器磁通只在一个方向上变化，包括正激变换电路和反激变换电路；双端变换电路的变压器磁通作正、反两个方向变化，类型有半桥变换电路、全桥变换电路和推挽变换电路。51图4.16正激变换电路原理图及理想化波形

(a)电路原理图(b)理想化波形正激变换电路4.3隔离型直流变换电路斩波开关S开通后，变压器的励磁电流im由零开始，随着时间的增加而线性地增长，直到S关断。S关断后到下一次再开通的一段时间内，必须设法使励磁电流降回零，否则下一个开关周期中，励磁电流将在本周期结束时剩余值的基础上继续增加，并在以后的开关周期中依次累积起来，变得越来越大，从而导致变压器的励磁电感饱和。励磁电感饱和后，励磁电流会更加迅速地增长，最终损坏电路中的开关器件。因此在S关断后，使励磁电流降回零是非常重要的，这一过程称为变压器的磁芯复位。斩波开关S关断后，变压器励磁电流通过W3绕组和VD3流回电源，并逐渐线性的下降为零。从S关断到W3绕组的电流下降到零所需的时间为：S处于断态的时间必须大于trst，以保证S下次开通前励磁电流能够降为零，使变压器磁心可靠复位。在输出滤波电感电流连续的情况下，即S开通时电感L的电流不为零，输出电压与输入电压的比为：如果输出电感电路电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下，输出电压与输入电压的比为：52图4.17磁芯复位过程反激变换电路4.3隔离型直流变换电路反激变换电路及其工作波形如图4.18所示。与正激变换电路不同，反激变换电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电感。如果当S开通时，绕组W2中的电流尚未下降到零，则称电路工作于电流连续模式。反激变换电路可以工作在电流断续和电流连续两种模式：当电路工作在断续模式时，输出电压高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载电流为零的极限情况下，Uo→∞，这将损坏电路中的器件，因此反激变换电路不应工作于负载开路状态。开关S开通后，VD处于断态，绕组W1的电流线性增长，电感储能增加；S关断后，绕组W1的电流被切断，变压器中的磁场能量通过绕组W2和VD向输出端释放。如果S开通前，绕组W2中的电流已经下降到零，则称电路工作于电流断续模式。当工作于电流连续模式时，53图4.18反激变换电路原理图及理想化波形半桥变换电路4.3隔离型直流变换电路半桥变换电路及其工作波形如图4.19所示。S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui。输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下S1与S2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电压ud的平均值，也就改变了输出电压Uo。由于电容的隔直作用，半桥变换电路对由两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和。滤波电感L的电流连续时，输出电压为：S1导通时，二极管VD1处于通态，S2导通时，二极管VD2处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组N1中的电流为零，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流。54图4.19半桥变换电路原理图及理想化波形全桥变换电路4.3隔离型直流变换电路全桥变换电路及其工作波形如图4.20所示。为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。全桥变换电路中，互为对角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。当4个开关都关断时，4个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降，S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui

。如果S1、S4与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和，因此全桥变换电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。当S1与S4开通后，VD1和VD4处于通态，电感L的电流逐渐上升。当S2与S3开通后，VD2和VD3处于通态，电感L的电流也上升。输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下滤波电感电流连续时，输出电压为：55图4.20全桥变换电路原理图及理想化波形推挽变换电路4.3隔离型直流变换电路推挽变换电路原理图及其工作波形如图4.21所示。推挽变换电路中两个开关S1和S2交替导通，在绕组N1和N2两端分别形成相位相反的交流电压。当两个开关都关断时，VD1和VD2都处于通态，各分担一半的电流，S1和S2断态时承受的峰值电压均为2倍Ui

。如果S1和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留有死区。S1导通时，二极管VD1处于通态，电感L的电流逐渐上升，S2导通时，二极管VD2处于通态，电感L电流也逐渐上升。输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于上式的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下滤波电感电流连续时，输出电压为：56图4.21推挽变换电路原理图及理想化波形时间比控制方式

直流变换电路中通过改变占空比D就可以实现对输出电压的调节，而占空比D的调节可以通过改变开关器件S导通时间ton或者工作周期T来实现。●定频调宽也称为脉冲宽度调制(PWM)，即保持斩波频率f(T=1/f=常数)不变，工作周期T恒定，通过改变斩波开关的导通时间(脉冲宽度)τ来改变输出电压的控制方式。●定宽调频亦称为脉冲频率调制(PFM)，即导通时间ton保持不变，仅通过改变斩波频率f来改变负载电压的控制方式。4.4直流变换电路的控制●调频调宽即同时改变斩波频率f和导通时间ton的控制方式。这时直流变换电路的输出电压平均值可以在较宽的范围内变化。直流变换电路的控制方式恒流控制方式

对于采用直流变换电路进行调速的车辆在加速时，为使其加速度恒定，需要进行恒流控制。而在进行恒流控制时，可采用瞬时值或平均值控制方法。●瞬时值控制

电流瞬时值与预先设定的直流上限值Imax和下限值Imin相比较，如果电流的瞬时值小于直流电流的下限值，控制斩波电路开通；如果电流的瞬时值大于直流电流的上限值，控制斩波电路关断，如图4.22(b)所示。

这种以电流瞬时值来实现控制的方式称为瞬时值控制，其控制原理如图4.22(a)所示。这种控制方式瞬时响应速度快，因此需要采用开关频率高的全控型器件作为开关器件。57图4.22瞬时值控制方式(a)原理框图(b)工作波形恒流控制方式4.4直流变换电路的控制直流变换电路的控制方式●平均值控制

用负载电流的平均值与给定值相比较，其偏差值去控制开关器件的开通与关断，这种方式称为平均值控制。如图4.23(a)所示。

图中设置了产生斩波电路固定工作频率的振荡器和控制占空比D的移相器，其控制波形如图4.23(b)所示。对于恒流控制，一般采用平均值控制方式，因为这种控制方式工作频率稳定，但瞬时响应稍差。脉宽调制的基本原理

直流变换电路采用PWM控制方式时，脉宽调制信号一般都采用锯齿波或三角波与脉宽控制信号Uct比较的方法产生，其原理如图4.24(a)所示。

在锯齿波或三角波大于或小于Uct时，产生输出脉冲信号，调节Uct大小可以调节脉冲宽度，如图4.24(b)。锯齿波或三角波称为载波，脉宽控制信号Uct称为调制波或控制波。图中载波(锯齿波)没有出现负值，是单极性的，称为单极性调制。如果锯齿波有正负值，控制信号Uct可以是正负直流，这称为双极性调制。58图4.22平均值控制方式(a)原理框图(b)工作波形图4.24脉宽调制(a)原理(b)波形基准电压源4.4直流变换电路的控制脉宽调制(PWM)芯片SG3525

SG3525是通用半导体公司生产的推出了一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片。

直流基准电压源是一个典型的三端稳压器，精度可达5.1V+1%，采用了温度补偿。作为内部电路的供电电源，可以通过16脚对外提供电压基准(输出电流为50mA)，作为电路中电压和电流的给定基准。基准电压源设有过流保护电路。

SG3525内部电路的结构及引脚排列如图4.25所示，内部电路由基准电压、振荡器、误差放大器、PWM比较器和锁存器、分相器、欠压锁定、输出级、软启动及关断电