电力电子技术——第三章
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电力电子技术第三章
波形
有续流
20
单相桥式全控整流电路
（二）基本数量关系
１．直流平均电压
Ud 1
2U 2 sin td t
0 .9U 2 co s
２．直流电流平均值、有效值
I2 Id 1 2
id d t
di d dt R d id 2U 2 sin t
IT I 2 U2 Rd 1 2 1 4
(
Ud Rd
) dt
2
sin 2
2
直流电流的平均值为
I d U d / Rd 0 .4 5U 2 (1 co s ) 2 Rd
I2 Id
sin 2 2 ( )
2 (1 cos )
Ud 1 2
2U 2 sin td t (1 co s ) 1 co s 2
2U 2 2
0 .4 5U 2
Ｕｄ=f(α) α= 0 θ=π Ud = 0.45U2
α=π θ= 0 移相范围 180º Ud = 0
3
单相半波可控整流电路
２．直流电流有效值
sin 2 ( ) (1 cos )
2
单相半波
n
2
1
脉动系数=
基波最大值 直流平均值
7
单相半波可控整流电路
５．晶闸管承受的最大正、反向峰值电压均为交流电压的幅值
U TM 2U 2
ＵＴＭ用于晶闸管额定电压计算
8
单相半波可控整流电路
二、电感性负载 (一)工作原理
有续流
20
单相桥式全控整流电路
（二）基本数量关系
１．直流平均电压
Ud 1
2U 2 sin td t
0 .9U 2 co s
２．直流电流平均值、有效值
I2 Id 1 2
id d t
di d dt R d id 2U 2 sin t
IT I 2 U2 Rd 1 2 1 4
(
Ud Rd
) dt
2
sin 2
2
直流电流的平均值为
I d U d / Rd 0 .4 5U 2 (1 co s ) 2 Rd
I2 Id
sin 2 2 ( )
2 (1 cos )
Ud 1 2
2U 2 sin td t (1 co s ) 1 co s 2
2U 2 2
0 .4 5U 2
Ｕｄ=f(α) α= 0 θ=π Ud = 0.45U2
α=π θ= 0 移相范围 180º Ud = 0
3
单相半波可控整流电路
２．直流电流有效值
sin 2 ( ) (1 cos )
2
单相半波
n
2
1
脉动系数=
基波最大值 直流平均值
7
单相半波可控整流电路
５．晶闸管承受的最大正、反向峰值电压均为交流电压的幅值
U TM 2U 2
ＵＴＭ用于晶闸管额定电压计算
8
单相半波可控整流电路
二、电感性负载 (一)工作原理
第三章_电力电子技术—整流电路_li(第一次课)
变压器二次侧电流有效值i2与输出电流有效值i相等
I I2 1
(
2U 2 U sin t )2 d( t ) 2 R R
1 I 2
1 sin 2 2
I dVT
VT可能承受的最大正向电压为 VT可能承受的最大反向电压为
2 U2 2 2U 2
3.1单相可控整流电路
相控方式——通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出 电压大小的方式
3.1单相可控整流电路
3.1.1 单相半波可控整流电路——阻感负载
阻感负载的特点：
电感对电流变化有抗拒作用，使得流过 电感的电流不能发生突变，因此负载的电流 波形与电压波形不相同。
3.1单相可控整流电路
3.1.1 单相半波可控整流电路——阻感负载
ud O i1 O
t
t
b)
3.1单相可控整流电路
3.1.3 单相全波可控整流电路
单相全波与单相桥式全控比较
单相全波只用2个VT，比单相全控桥少2个，相应地， 门极驱动电路也少2个 单相全波导电回路只含1个VT，比单相桥少1个，因而 管压降也少1个 VT承受最大正向电压 2U2，最大反向电压为 2 2U 2 ， 是单相全控桥的2倍 单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多
结构简单，但输出脉动大，变压器二次侧电
流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化
实际上很少应用此种电路
分析该电路的主要目的在于利用其简单易学
的特点，建立起整流电路的基本概念
3.1单相可控整流电路
3.1.2 单相桥式全控整流电路——电阻负载
电路结构 VT1和VT4组成一对桥臂 VT2和VT3组成另一对桥臂
电力电子技术第3章(313.23)1精品PPT课件
当a = 0°时，整流输出直流电压平均值最大，用Ud0
表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ；
当a =π时，Ud = 0 ；
输出直流电压平均值围0 ~ π 。
3.2.1单相可控整流电路 ②输出电流平均值
IdU Rd0.45U R2.1c2osa
+ q
f) 0
2p
wt
wt +
wt
wt
wt
图3.4 电感负载的单相半波 可控整流电路及其波形
3.2.1单相可控整流电路
求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管 导通时的电压平衡微分方程，求解在一定φ值情况
下，控制角a与导通角θ的关系。
当R为一定值，L越大，导通角θ越大。其平均 值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小， 负载上得不到所需的功率。
第三章 AC/DC变换技术
交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为 整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电 路。
本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。
路转移的过程称为换流，也称换相。 ⑧自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控
元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然 换相点。
3.2.1单相可控整流电路
（3）基本数量关系 ①输出直流电压平均值
p ω tω t) p a a U d 2 1a p2 U 2 s i nd ( 2 2 U 2 ( 1 c o s) 0 .4 5 U 2 1 c 2 o s
③晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载电流，即：
表示，Ud=Ud0=0.45 U2 ；
当a =π时，Ud = 0 ；
输出直流电压平均值围0 ~ π 。
3.2.1单相可控整流电路 ②输出电流平均值
IdU Rd0.45U R2.1c2osa
+ q
f) 0
2p
wt
wt +
wt
wt
wt
图3.4 电感负载的单相半波 可控整流电路及其波形
3.2.1单相可控整流电路
求得在一般情况下的控制特性，可以建立晶闸管 导通时的电压平衡微分方程，求解在一定φ值情况
下，控制角a与导通角θ的关系。
当R为一定值，L越大，导通角θ越大。其平均 值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小， 负载上得不到所需的功率。
第三章 AC/DC变换技术
交流电能（AC）转换为直流电能（DC）的过程称为 整流，完成整流过程的电力电子变换电路称为整流电 路。
本章主要内容 重点掌握整流电路的结构形式及其工作原理 重点掌握整流电路的工作波形 重点掌握整流电路的数学关系以及设计方法 熟悉变压器漏抗对整流电路的影响 掌握整流电路的谐波和功率因数分析 了解新型的PWM整流电路。
路转移的过程称为换流，也称换相。 ⑧自然换相点：当电路中可控元件全部由不可控
元件代替时，各元件的导电转换点，成为自然 换相点。
3.2.1单相可控整流电路
（3）基本数量关系 ①输出直流电压平均值
p ω tω t) p a a U d 2 1a p2 U 2 s i nd ( 2 2 U 2 ( 1 c o s) 0 .4 5 U 2 1 c 2 o s
③晶闸管电流平均值 流过晶闸管的电流等于负载电流，即：
第三章 有源逆变电路
k
1 n
sin n t
2 I 1 sin t
( 1)
n 6 k 1 k 1 , 2 , 3
k
2 I n sin n t t
n 6 k 1 i a k 1 , 2 , 3
O
t
电流基波和各次谐波有效值分别为
6 Id I1 6 I Id, n n
sin 5 t )
t
变压器二次侧电流谐波分析：
O id
t
In
2
2Id n
n=1,3,5,…
1 ,4
iV T O
Id Id Id
d
t t t t
iV T O
2 ,3
O 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且I u
O i2
与基波有效值的比值为谐波次数的倒数
O b)
VT
1 ,4
n 6 k 1, k 1, 2 , 3 ,
电流中仅含6k1 (k为正整数)次谐波 各次谐波有效值与谐波次数成反比，且 与基波有效值的比值为谐波次数的倒数
功率因数计算
基波因数为
I1 I
3
0 . 955
电流基波与电压的相位差仍为
，故位移因数仍为
1 cos 1 cos
Ratio for In）表示
100 %
电流谐波总畸变率THDi（Total
Harmonic distortion）定义为
THD
i
Ih I1
100 %
Ih总谐波电流有效值
2. 功率因数
正弦电路中的情况: 电路的有功功率就是其平均功率：
电力电子技术第三章 全控型器件的驱动
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2.专用集成驱动电路芯片 1)驱动电路与IGBT栅射极接线长度应小于1m，并使用双绕线，以提 高抗干扰能力。
图3-9 电力MOSFET的一种驱动电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
3z10.tif
第一节 全控型电力电子器件的驱动
2)如果发现IGBT集电极上产生较大的电压脉冲，应增加栅极串接电 阻RG的阻值。 3)图3-10中外接两个电容为47μF，是用来吸收电源接线阻抗变化引 起的电源电压波动。
图3-6 抗饱和电路
第一节 全控型电力电子器件的驱动
图中VD1、VD2为抗饱和二极管，VD3为反向基极电流提供回路。在 轻载情况下，GTR饱和深度加剧使UCE减小，A点电位高于集电极电 位，二极管VD2导通，使流过二极管VD1的基极电流IB减小，从而减 小了GTR的饱和深度。抗饱和基极驱动电路使GTR在不同的集电极 电流情况下，集电结处于零偏或轻微正向偏置的准饱和状态，以缩 短存储时间。在不同负载情况下以及在应用离散性较大的GTR时， 存储时间趋向一致。应当注意的是，VD2为钳位二极管，它必须是 快速恢复二极管，该二极管的耐压也必须和GTR的耐压相当。因电 路工作于准饱和状态，其正向压降增加，也增大了导通损耗。
图3-2 门极控制电路 结构示意图
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(1)开通控制 开通控制要求门极电流脉冲的前沿陡、幅度高、宽 度大及后沿缓。
图3-3 推荐的GTO门极控制 信号波形
第一节 全控型电力电子器件的驱动
(2)关断控制 GTO的关断控制是靠门极驱动电路从门极抽出P2基区 的存储电荷，门极负电压越大，关断的越快。 (3)GTO的门极驱动电路 GTO的门极控制电路包括开通电路、关断 电路和反偏电路。 间接驱动是驱动电路通过脉冲变压器与GTO门极相连，其优点是： GTO主电路与门极控制电路之间由脉冲变压器或光耦合器件实现电 气隔离，控制系统较为安全；脉冲变压器有变换阻抗的作用，可使 驱动电路的脉冲功率放大器件电流大幅度减小。缺点是：输出变压 器的漏感使输出电流脉冲前沿陡度受到限制，输出变压器的寄生电 感和电容易产生寄生振荡，影响GTO的正确开通和关断。此外，隔 离器件本身的响应速度将影响驱动信号的快速
电气工程概论第三章-电力电子
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
图3-2示出了各种功率半导体器件的工作范围
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
二、大功率二极管
大功率二极管属不可控器件，在不可控整流、电感性负载回路 的续流等场合均得到广泛使用。
（一）大功率二极管的结构 大功率二极管的内部结构是一个具有P型、N型半导体、一个PN 结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，其符号表示如图33(a)所示。 从外部构成看，也分成管芯和散热器两部分。一般情况下， 200A以下的管芯采用螺旋式(图3-3(b) )，200A以上则采用平板 式(图3-3(c) )。
1. 电压参数
（1）断态重复峰值电压UDRM 取断态不重复峰值电压UDSM的90％定义为断态重复峰值电压UDRM， “重复”表示这个电压可以以每秒50次，每次持续时间不大于 10ms的重复方式施加于元件上。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
（2）反向重复峰值电压URRM
取反向不重复峰值电压URSM的90％为定义为反向重复峰值电压 URRM，这个电压允许重复施加。
电气工程概论
3.1 功率半导体器件
三、晶闸管(SCR)
晶闸管是硅晶体闸流管的简称，其价格低廉、工作可靠，尽管 开关频率较低，但在大功率、低频的电力电子装置中仍占主导 地位。 （一）晶闸管的结构 晶闸管是大功率的半导体器件，从总体结构上看，可区分为管 芯及散热器两大部分，分别如图3-7及图3-8所示。
晶闸管常应用于低频的相控电力电子电路，有时也在高频电力电子电路中 得到应用，如逆变器等。在高频电路应用时，需要严格地考虑晶闸管的开 关特性，即开通特性和关断特性。
（1）开通特性 晶闸管由截止转为导通的过程为开通过程。图3-11给出了
《电力电子技术》PPT 第3章
2
2
2
U
(sin
t
1 3
sin
3t
1 5
sin
5t
22
2
U
1
sin(2m 1)t
m12m 1
（3-11）
基波有效值
U1
2
2U
（3-12）
全高次波有效值
UH
U2 ds
U
2 1
U
2 0
U
2 n
n2
（3-13）
则图3-2(b)的波形为矩形波时，其直流成份和有效值可计算出 =0，U 0 =UU（ds 据本章习题1的数据），则总的有效值为
（3-1）
图3-1 正弦电压波形
交流电压的有效值（RMS）、平均值，波形系数和波 高系数定如下：
有效值=
最大值
2
2U U 2
平均值=
2最大值
2
2U π
0.9U
波形系数=
有效值 平均值
U 0.9U
1.11
波高系数=
最大值 有效值
2U 1.41 U
（3-2） （3-3） （3-4） （3-5）
（3-8）
在（3-8）式中， 2，f f 1设T ，t 则
a0
V0
1 T
0Tu (t )dt
1
2
02
u( )d
an
2 T
0Tu(t) cos ntdt
1
02
u( ) cos nd
bn
2 T
0Tu (t )
sin
ntdt
1
02
u(
)
sin
nd
Un
a2 n
电力电子技术第3章 习题答案
3章 交流-直流变换电路 课后复习题第1部分：填空题1.电阻负载的特点是 电压与电流波形、相位相同；只消耗电能，不储存、释放电能 ，在单相半波可控整流电阻性负载电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是 0° ≤a ≤ 180° 。
2.阻感负载的特点是 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 ，在单相半波可控整流带阻感负载并联续流二极管的电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是 0°≤a ≤ 180° ，2 ，续流二极管承受的最大反向电压2 （设U 2为相电压有效值）。
3.单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时，α角移相范围为 0° ≤a ≤ 180° ，2 和2 ；带阻感负载时，α角移相范围为 0° ≤a ≤ 90° ，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为22U 2 ；带反电动势负载时，欲使电阻上的电流不出现断续现象，可在主电路中直流输出侧串联一个 平波电抗器(大电感) 。
4.单相全控桥反电动势负载电路中，当控制角α大于不导电角δ时，晶闸管的导通角θ = 180°-2δ ; 当控制角α小于不导电角 δ 时，晶闸管的导通角 θ = 0° 。
5.从输入输出上看，单相桥式全控整流电路的波形与 单相全波可控整流电路 的波形基本相同，只是后者适用于 较低 输出电压的场合。
6.2 ，随负载加重U d 逐渐趋近于0.9 U 2，通常设计时，应取RC≥ 1.5~2.5T ，此时输出电压为U d ≈ 1.2 U 2(U 27.电阻性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管所承受的最大正向电压U Fm 2 ，晶闸管控制角α的最大移相范围是 0°≤a ≤90° ，使负载电流连续的条件为 a ≤30° (U 2为相电压有效值)。
8.三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差 120° ，当它带阻感负载时，α的移相范围为 0°≤a ≤90° 。
电力电子技术(第二版)第3章答案
第三章 交流-交流变换器习题解答3-1. 在交流调压电路中，采用相位控制和通断控制各有什么优缺点？为什么通断控制适用于大惯性负载？ 答：相位控制：优点：输出电压平滑变化。
缺点：含有较严重的谐波分量 通断控制：优点：电路简单，功率因数高。
缺点：输出电压或功率调节不平滑。
由于惯性大的负载没有必要对交流电路的每个周期进行频繁的控制，所以可以采用通断控制。
对时间常数比较小负载的工作产生影响。
3-2. 单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，问控制角α的有效移相范围有多大？如为三相交流调压电路，则α的有效移相范围又为多大？ 答：单相交流调压电路，负载阻抗角为30°，控制角α的有效移相范围是30°-180°；如为三相交流调压电路，α的有效移相范围是30°-150°。
3-3. 一电阻性负载加热炉由单相交流调压电路供电，如α=0°时为输出功率最大值，试求功率为80%，50%时的控制角α。
解：α＝0时的输出电压最大，为()222max sin 21U t d t U U o ==⎰πωωπ此时负载电流最大，为R U R U I o o 2max max ==因此最大输出功率为R U I U P o o o 22maxmax max ==输出功率为最大输出功率的80%时，有：R U P P o 22max8.08.0⨯==又由παππα-+=22sin 2U U o)22sin (12παππα-+==R R U P o o化简得παα4.02sin 2=- 由图解法解得 α=60°同理，输出功率为最大输出功率的50%时，有： α=90°3-4. 单相交流调压电路，电源电压220V ，电阻负载R=9Ω,当α=30°时，求： （1）输出电压和负载电流；（2）晶闸管额定电压和额定电流； （3）输出电压波形和晶闸管电压波形。
电力电子技术(第2版)第3章
图3-9 三相全波星形无中线调压电路α=0º时的波形
② 控制角α=30º
各相电压过零30º后触发相应晶闸管。以U相为例，uU 过零变 正30º后发出VT1的触发脉冲ug1，uU过零变负30º后发出VT4的 触发脉冲ug2 。 归纳α=30º时的导通特点如下：每管持续导通150º ；有的区 间由两个晶闸管同时导通构成两相流通回路，也有的区间三个 晶闸管同时导通构成三相流通回路。
(1) 三相调压电路在纯电阻性负载时的工作情况
① 控制角α=0º 由于各相在整个正半周正向晶闸管导通，而负半周反向晶闸管导 通，所以负载上获得的调压电压仍为完整的正弦波。 α=0º时如 果忽略晶闸管的管降压，此时调压电路相当于一般的三相交流电 路，加到其负载上的电压是额定电源电压。图3-9(d)为U相负载 电压波形。 归纳α=0º时的导通特点如下：每管持续导通180º ；每60º区间 有三个晶闸管同时导通。
2 晶闸管交流开关
晶闸管交流开关是一种快速、理想的交流开关。晶闸管交流开关 总是在电流过零时关断，在关断时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、多粉尘的场合。 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 现人眼能察觉到的闪烁、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。
3 工作原理和波形
在正组桥整流工作时，使控制角α从 π / 2 → 0 → π / 2 ，输出的平
均电压由低到高再到低的变化。而在正组桥逆变工作时，使控制角α 从 π / 2 → π → π / 2 ，就可以获得平均值可变的负向逆变电压。 输出电压有效值和频率的调节 交-交变频电路的输出电压是由若干段电源电压拼接而成的。在输出电压 的一个周期内，所包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。 使控制角从 π / 2 → α 0 → π / 2 的频率。 ，改变α0，就改变了输出电压的峰值， 也就改变了输出电压的有效值；改变α变化的速率，也就改变了输出电压
武汉大学研究生课程《电力电子技术》：第3章 谐振式逆变装置-第二部分
解方程式（3.32）并代入初始条件可
得：
iL
VD L
t
Ir
（3.33）
当电感电流下降到零时，这个时间段结束。到此整个 谐振开关过程结束。只要合理进行控制，可以在使三相 逆变器的6个开关管在其PWM控制策略要求的任何时 刻实现实现此开关过程，实现零电压、零电流通断转换。 电感电流iL从Ir下降到0所需时间△t5为：
当交流电源的角频率ω等于谐振角频率ω0时， RLC串联电路的阻抗最小：Z0＝R，导纳最大Y0 ＝1/R，RLC电路的电流最大，电阻R上的功率 最大，电流为正弦波且与电源电压同相。
由式3.4串联谐振时电路的品质因数Q为：
Q 0 L 0 LI0 VL VL
R
RI 0 VR V
(3.7)
i1(t) 2I1 sin t
i3 (t) 2I3 sin 3t
式中，基波电流有效值：I1
22
ID
三次谐波电流有效值：
I3
1.2 2 3
ID
1 3 I1
(3.24) (3.25) (3.26)
(3.27)
因此，A，B两端的三次谐波电压小于基波
电压的5％，VAB(t)可以近似为一个正弦波，
在这个时间段中，改变逆变器开关管 的驱动信号，可使逆变器开关管在零电 压下换相，这个时间段的长度取决于逆 变桥中开关管的状态转换时间。由于这 段时间的起始点可以控制，因此逆变器 开关管的零损耗开通、关断可以在T1～ T6PWM波所需的任何时刻进行，易于 和T1～T6的控制要求同步，使逆变器开 关管在PWM控制所要求的任何时刻。 准确地在零电压条件下关断、开通，无 开关损耗。
3.3.2 电流型并联谐振逆变器工作原理
电力电子技术-第三章--单相整流讲解
3.1.1 单相半波可控整流电路
（Single Phase Half Wave Controlled Rectifier）
1. 电阻负载的工作情况
在工业生产中，某些负载基本上是电阻性的， 如电阻加热炉、电解和电镀等。
电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形 相同并且同相位，电流可以突变。 • 1. 工作原理 • 首先假设以下几点： • (1) 开关元件是理想的，即开关元件(晶闸管)导通 时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大； • 一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。 • (2) 变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的 电阻为零、励磁电流为零。
id 的连续波形每周期分为两 段：u2过零前一段流经SCR， 时宽为π-α；之后一段流经 VDR ，时宽为π+α。由两器 件电流拼合而成。
若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有
SCR 平均值： I a I
dVT
2 d
（2-5）
SCR 有效值：
IVT
1
2
a
I
d2d
(t
在ωt=0到α期间，晶闸管uAK大于零， 但门极没有触发信号，处于正向关断状
态，输出电压、电流都等于零。
在ωt=α时，门极有触发信号，晶闸管 被触发导通，负载电压ud= u2。 在ωt1时刻，触发VT使其开通，u2加 于负载两端，id从0开始增加。这时，交 流电源一方面供给电阻R消耗的能量， 另一方面供给电感L吸收的磁场能量。
)
a 2
I
（2-6）
d
VDR 平均值： VDR 有效值：
a IdVDR 2 Id
（2-7）
IVDR
1
2
2 a
章节及主要内容一览
章节及内容：
第一章：电力电子技术基础—序论
主要内容：电力电子技术、电力电子学、电力电子应用
第二章：电力半导体器件
主要内容：分类及发展、电力二极管、晶闸管、光控晶闸管、GTO、GTR、MOSFET、IGBT
第三章：AC-DC变换电路
主要内容：整流电路分类、整流电路参数、不控整流电路（单相半波不控整流、两相半波不控整流、单相桥式不控整流、三相半波不控整流、三相桥式不控整流、不控整流电路输出电压的谐波分析）、单相可控整流（单相桥式全控、单相桥式半控）、单相桥式半控整流、三相可控整流。
第四章：DC-DC变换电路
主要内容：Buck变换器、Boost变换器，Buck-Boost变换器、Cuk变换器
第五章：DC-AC变换电路
主要内容：电压型DC-AC变换电路、电流型DC-AC变换电路
第六章：开关管的驱动、缓冲和保护电路，
主要内容：驱动电路（晶闸管、GTR、IGBT）；缓冲电路（Buck开通缓冲、Buck关断缓冲）；过电压保护、过电流保护、过热保护。
第七章：磁元件、电感和变压器，
主要内容：磁滞回线、磁化、磁导率、磁性材料、电感、变压器
第八章：测控器件。
电力电子技术---第三章
电力电子技术
第三章
直流—交流变换技术
主讲：李 善 寿 电话: 0551-351314 电邮:xlisq79@
3.1 概述
一、逆变概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变； 交流侧接负载，为无源逆变；
本章讲述无源逆变。
二、逆变器的分类
（1）按功率器件分：
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
二、两级调压逆变电路
电路结构
Udc Ud Uac
DC/DC变换
DC/AC变换
电路特点 优点：分级调压、调频，调节方便； 缺点：电路结构复杂，效率低。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
三、电流连续工作状态下移相调压控制
1、移相调压的工作原理 ug1、ug4互补输出，ug2、ug3互补输出，但两组信号的相位在0～ 之间可调，输出脉宽可以变化，从而调节输出电压基波和有效值。 （1）ωt＝0时刻开始，0～θ1时间段： 此时ug1,3>0、ug2,4=0，VT1、VT3所在桥臂导通，由于是感性负 载，电流滞后，此时负载电流与电压反向，因此VD3、VD1 导通， 负载电感储能向直流母线回馈，负载电流绝对值按照指数规律下 降，直到θ1时刻负载电流过零，负载电压Uo＝+Ud，直流母线的输 入电流与负载电流相同。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
一、单相方波逆变的输出电压控制的基本方法
调节直流母线电压：可以通过相控整流或者整流后加DCDC变换器来实现；
移相调压控制：两套方波逆变器通过变压器进行串联移
相调压或通过移相调压全桥逆变电路实现。 方波PWM电压控制：在输出方波电压中加入脉宽调制波， 调节输出电压的平均值，从而调节输出电压
第三章
直流—交流变换技术
主讲：李 善 寿 电话: 0551-351314 电邮:xlisq79@
3.1 概述
一、逆变概念
逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。
交流侧接电网，为有源逆变； 交流侧接负载，为无源逆变；
本章讲述无源逆变。
二、逆变器的分类
（1）按功率器件分：
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
二、两级调压逆变电路
电路结构
Udc Ud Uac
DC/DC变换
DC/AC变换
电路特点 优点：分级调压、调频，调节方便； 缺点：电路结构复杂，效率低。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
三、电流连续工作状态下移相调压控制
1、移相调压的工作原理 ug1、ug4互补输出，ug2、ug3互补输出，但两组信号的相位在0～ 之间可调，输出脉宽可以变化，从而调节输出电压基波和有效值。 （1）ωt＝0时刻开始，0～θ1时间段： 此时ug1,3>0、ug2,4=0，VT1、VT3所在桥臂导通，由于是感性负 载，电流滞后，此时负载电流与电压反向，因此VD3、VD1 导通， 负载电感储能向直流母线回馈，负载电流绝对值按照指数规律下 降，直到θ1时刻负载电流过零，负载电压Uo＝+Ud，直流母线的输 入电流与负载电流相同。
3.3
单相方波逆变电路的电压控制
一、单相方波逆变的输出电压控制的基本方法
调节直流母线电压：可以通过相控整流或者整流后加DCDC变换器来实现；
移相调压控制：两套方波逆变器通过变压器进行串联移
相调压或通过移相调压全桥逆变电路实现。 方波PWM电压控制：在输出方波电压中加入脉宽调制波， 调节输出电压的平均值，从而调节输出电压
电力电子技术课件 第三章 直流调压电路
③逆变系统：
17
3.1.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）简称IGBT， 既具有输入阻抗高、速度快，热稳定性好和驱动电路简单的特点，又具有 通态电压低、耐压高和承受电流大等优点，因此发展迅速，备受青睐。由 于它的等效结构具有晶体管模式，所以称为绝缘栅双极型晶体管。IGBT 于1982年开始研制，1986年投产，是发展最快，使用最广泛的一种混合型 器件。
14
GTR桥臂互锁保护法
若一个桥臂上的两个GTR控制信号重叠或开关器件本身延时过长，则会 造成桥臂短路。为了避免桥臂短路，可采用互锁保护法，即一个GTR关断后， 另一个才导通。采用桥臂的互锁保护，不但能提高可靠性，而且可以改进系 统的动态性能，提高系统的工作频率。
15
3.GTR的应用
①直流传动：
20
③专用集成驱动电路
EXB系列IGBT专用集成驱动模块是日本富士公司出品的，它们性 能好、可靠性高、体积小，得到广泛应用。EXB850、EXB851是标准型， EXB840、EXB841是高速型，它们的内部框图如图所示。
21
集成驱动器的应用电路，它能 驱动150A/600V、75A/1200V、 400A/600V和300A/1200V的IGBT模 块。EXB850和EXB851的驱动延迟 ≤4μs，因此适用于频率高达10kHz的 开关操作。EXB840和EXB841的驱 动信号延迟≤1μs，适用于高达40kHz 的开关操作。使用中IGBT的栅极都 接有栅极电阻RG，表3.4和3.5分别列 出了EXB850和EXB840驱动电路中 IGBT的栅极串联电阻RG的推荐值和 电流损耗。
26
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•
基本原理：
(1) (2)
稳态条件下电感两端电压在一个开关周期内的平均值为零。 稳态条件下电容电流在一个开关周期内的平均值为零。
3.1 DC-DC变换电路概述
•
控制方式
1. 定频调宽
•
定频指保持开关周期、工作频率不变，即T=ton+toff 恒定，调宽
指改变开关导通时间ton 来改变占空比D，从而改变输出直流电 压平均值。称为脉宽调制（PWM）。
3.4 交流电力控制器
• 结构 ：将一对晶闸管反并联或用一个双向晶闸管与负载
串联，然后接到交流电源上，通过对晶闸管的控制可实现 对负载的交流电压和功率的控制。 • 分类：交流调压器、交流调功器和交流无触点开关。 • 应用：在电力系统中主要用于交流电压的调节、有功及无 功功率的调节、以及负载短路时的电流通断控制等；也广 泛用于电路温控、灯光调节、异步电动机软启动和调速等
的平均功率。 • 在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电 网电压电流造成谐波污染。
3.4.2 交流调功电路
• 设控制周期为M倍电源
uo 导通段 =
周期，其中晶闸管在前N 个周期导通，后M－N个
2 N M uo , io u1
2U 1
O M
2 M 3 M
周期关断。 • 电阻负载时，负载电流
b) α =120°
线电压过零关断
当α ＝150°时 输出电压为0
3.4.2 交流调功电路
• 交流调功电路与交流调压电路电路形式完全相同，调节对
象不同——调节输出功率；控制方法不同——周波控制。
• 周波控制：将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几
个整周波，通过改变通断周波数的比值来调节负载所消耗
• 平均直流输出电压高于 直流输入电压的变换电 路称为升压DC-DC变换 电路 。
– 0<t<ton区间，S导通，VD
截止，UL=Ui； – ton<t<T区间， S截止， VD导通续流， 电源与电 感共同给负载供电， UL=Ui-Uo。
0 ton T t S ton toff
iL
L
VD
Ui
us
VT2 R u1 uo L
u1
φ α
t
不同，晶闸管每半周导通时会产
生不同的过渡过程。
– α>φ时，电流断续，输出电压可 控； – α ≤ φ时，电流连续，电压完整、
0 uG1 0 uG2 0 uo 0 io 0 uVT 0
t t t
不可控，电流为滞后电压φ的正
弦波。
t
t
3.4.1.1 单相交流调压器
• 负载电压平均值为
T T 1 Uo Ui Ui Ui t off T t on 1 D
• 由于0≤D<1，升压斩波电路输出电压的范围： Ui~∞ 。
• 注意，D→1时，Uo→∞，故应避免D过于接近1，以免造
成电路损坏。 • 电感的电压泵升作用和电容的稳压作用使得输出电压可以 高于输入电压。
2 2
相电压 过零关断
uan' a) 0 2 3 3 t1 t2 t3
α
4 5 3 3
2
当
0°≤α＜60°
a) α=30°
时，三管导通与 两管导通交替出 现，每管导通 180°-α
3.4.1.2 三相交流调压电路
＜ 90° VT5 VT1 1 VT VT3 VT5 VT1 当 60° ≤ α 两 管 导 VT3 VT5 晶闸管 任意时刻 导通区间 VT66 VT VT VT VT6 VT22 VT44 VT6 通 ， 每 管 导 通 uab 120° uac ua 2 后导通管使先导 2 4 5 通管承受反压而 uan' 关断 3 3 b) 2 0 2 3 3 t1 t2 t3
2. 定宽调频
•
定宽指保持开关导通时间ton 不变，调频指调节开关工作周期T
来改变占空比D，从而改变输出直流电压平均值。称为频率调
制型（PFM）。
3.1 DC-DC变换电路概述
•
控制方式
3. 调频调宽
•
此种方式是前两种方式的综合，开关导通时间ton与开关工作频
率f均可变，控制比较复杂。通常用于需大幅度改变输出电压数 值的场合。
3.4.1.1 单相交流调压器
VT1 io
• 移相范围：0~π。
u1
VT2
uo
R
•
a =0时，功率因数λ=1，
随着a增大，输入电流滞 后于电压且发生畸变，λ 也逐渐降低。
u1
O uo
t
0 io
t
0 u VT
t
0
t
3.4.1.1 单相交流调压器
VT1 io
2. 阻感负载
•控制角α和负载阻抗角φ的关系
3.2 非隔离型DC-DC变换电路
非隔离型
降压
升压
升降压
Cuk
Sepic
Zeta
3.2.1 降压斩波(Buck)电路
S
us
iL
L
VD
• 平均直流输出电压低于
Uo
C
Ui
S
R
直流输入电压的变换电
路称为降压DC-DC变换
电路 。
Ui
t
uS iL iS
ton
• 由全控型器件（如 IGBT）、二极管和LC 低通滤波器构成 。 • 电感电流连续和电感电 流断续两种工作模式 。
b) α =60°
3.4.1.2 三相交流调压电路
晶闸管 导通区间 VT5 VT5 VT1 VT1 VT3 VT3 VT5 VT5
当90°≤α ＜150°，两 管导通与无管导通交替 出现，负载电压断续， ，每个波头宽度为150° －α 。
VT4 VT6 VT6 VT2 VT2 VT4 VT4 VT6 uab ua u ac uan' 2 2 5 3 c) 2 4 0 2 3 3 3
U o 2 N U i2 N Po Pmax R M R M
• 式中，Pmax、Ui分别为在设定周期TC内全部周波导通时，装置输出功 率和电压有效值。因此改变导通周波数N即可改变输出电压和功率。
3.4.3 交流电力电子开关
• 把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开
100
s in ( ) s in ( ) e
60
– 以φ为参变量，可将a和θ的关系 用右图曲线表示。 – 移相范围： φ ～π
20 0 20 60 100 ) / (° 140 180
3.4.1.1 单相交流调压器
• α>φ时负载电压有效值Uo为
1 1 2 Uo ( 2U1 sin t ) d(t ) U1 π π sin 2 sin(2 2 ) π
• α>φ时
– 在ωt = a时刻开通VT1，负载电流应满足如下方程和初始条件
di Rio 2U1 sin t dt io t 0 L
– 解方程得
t 2U1 tg sin(t ) sin( )e Z
io
t
• 负载电压有效值Uo、负载电流有效值Io、电路的功率因数
λ分别为
Uo 1
2 U 1 s in t d t U 1
2
1 s in 2 2
Uo Io R
P U oIo U o S U 1Io U 1
1 s in 2 2
t
t
T
t
3.2.1 降压斩波(Buck)电路
• 主开关和二极管轮流导通。
• 主开关开通时，电感储能，电压为Ui-Uo，电流上升；二
极管续流时，电感放电，电压为-Uo，电流衰减。
• 低通滤波器LC可减少输出电压、电流的脉动。
3.2.1 降压斩波(Buck)电路
• 负载电压平均值为
t on t on Uo Ui U i DU i t on t of f T
t t t t
iG2 0 io 0
通角小于π。
– io由两个分量组成，正弦稳 态分量、指数衰减分量。
iT1
iT2
3.4.1.1 单相交流调压器
• 带电阻性负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流电路 交流侧电流波形一致，改变α可以改变负载电压有效值， 移相范围为0°~180°。
3.4.1.1 单相交流调压器
VT1 io
1．电阻负载
•在交流电源 的正半周和负半 周，分别对VT1和VT2的开通
u1
VT2
uo
R
u1
角a进行控制来调节输出电压。
•正负半周a 起始时刻（a =0）
O uo
t
均为电压过零时刻，正负半周
的a 相等。
0 io
t
0 u VT
t
0
t
3.4.1.1 单相交流调压器
n ub VT5 uc ia VT1 ua VT3 Uan a VT4 b VT6 c VT2 负载
n'
• 移相范围是0°~ 150°。
3.4.1.2 三相交流调压电路
VT4 VT1 VT4 VT1 VT1 VT1 晶闸管 VT3 VT6 VT3 VT6 VT6 VT6 导通区间 VT2 VT5 VT2 VT5 5 uab ua uac
• α=φ时
• 自由分量iS=0，导通角θ=180°，正负半周电流处于临界状态；
• 相当于晶闸管失去控制作用，电路失去调压作用。
3.4.1.1 单相交流调压器
• α<φ时
– VT1提前导通，负载L被过