2013上海海事大学电力电子整理

主电路:电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路电力电子器件:可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

①目前也往往专指电力半导体器件, ②采用的主要材料是半导体硅。

电力电子器件一般特征：①能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数②工作在开关状态③需要驱动电路④需要安装散热器功率损耗：通态损耗、断态损耗、开关损耗、驱动损耗①通态损耗是功率损耗主要成因②当器件的开关频率较高时，开关损耗是主因。

（开关损耗：开通和关断损耗）电力电子系统：由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成电力电子器件的分类：①半控型， 全控型器件，不可控器件②按驱动性质;电流驱动型，电压驱动型③按电子和空穴：单极型，双极型，双极型④按波形：脉冲触发型，电平控制型不可控器件——电力二极管:①基本结构：以半导体PN 结为基础②基本原理：PN 结的单向导电性PN 结的电容效应：PN 结的空间电荷区就是一个平板电容器，其电荷量在外加电压变化时发生相同的变化，呈现电容效应，称之为结电容。

（结电容影响PN 结的工作频率，特别是在高速开关状态时结电容可能与电路的杂散电感引起高频振荡，影响电路的正常工作。

使用时应加以注意。

）电导调制效应：当PN 结上流过I 较小时，二极管电阻主要是低掺杂N 区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随I 上升而增加；当PN 结上流过的I 较大时，低掺杂N 区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体的电中性条件，其多子浓度也大幅增加，使得电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。

（作用：使得电力二极管在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V 左右，所以正向偏置的电力二极管表现为低阻态。

）静态特性(伏安特性):当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压UTO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。

与正向电流IF 对应的电力二极管两端的电压UF 即为其正向电压降。

电力二极管的主要参数:1. 正向平均电流 IF(A V) （额定电流）： 正弦半波电流的平均值Id: 正弦半波电流的有效值I: I/Id=1.57, （（额定电流为IF(A V)的二极管允许的电流有效值为：1.57 IF(A V)2. 正向压降U F3. 反向重复峰值电压U RRM ：是其雪崩击穿电压U B 的2/34. 最高工作结温T JM ：通常在125~175︒C 范围之内5. 反向恢复时间t rr ：t rr= t d+ t f6.浪涌电流I FSM电力二极管的主要类型：①普通二极管（反向恢复时间较长，一般在5μs 以上；多用于开关频率不高（1kHz 以下）的整流电路中；正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上）②快恢复二极管（反向恢复过程很短, 5μs 以下；耐压较低）③肖特基二极管（单极型；反向恢复时间很短（10~40ns ）；正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；反向耐压不高，多用于200V 以下；反向漏电流较大，且对温度敏感）半控型器件——晶闸管晶闸管导通条件：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极注入正向触发电流。

门极触发：为了节省驱动功率，减小驱动损耗，驱动信号通常采用脉冲信号维持晶闸管导通的条件是：使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流（即维持电流）。

怎样才能使晶闸管由导通变为关断：可通过外加反向阳极电压或减小负载电流的办法，使流过晶闸管的电流降到维持电流值以下。

（阳极电流〈 维持电流 或阳极反电压〉其他几种可能导通的情况：①阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应②阳极电压上升率d u /d t πωωππm m d I t d t I I ==⎰0)sin(212)()sin (2102m m I t d t I I ==⎰πωωπ过高③结温较高④光直接照射硅片，即光触发（只有门极触发（包括光触发）是最可靠的控制手段）晶闸管的基本特性：开通过程（特性图)延迟时间t d：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间上升时间t r：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间开通时间t gt：t gt=t d+t r普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5μs，上升时间为0.5~3μs关断过程→反向阻断恢复时间t rr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间→正向阻断恢复时间t gr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通关断时间t q：t q=t rr+t gr普通晶闸管的关断时间约几百微秒晶闸管的主要参数：1. 电压定额1) 断态重复峰值电压U DRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2) 反向重复峰值电压U RRM：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

额定电压——U DRM和U RRM中较小的值选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍2. 电流定额1) 通态平均电流I T(A V) (额定电流)—晶闸管在环境温度为40︒C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管即：晶闸管允许通过的电流有效值≤1.57 I T(A V)应留一定的裕量，一般取1.5~2倍2) 维持电流I H——使晶闸管维持导通所必需的最小电流3) 擎住电流I L ——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常I L约为I H的2~4倍4) 浪涌电流I TSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流动态参数：除开通时间t gt和关断时间t q外，还有：(1) 断态电压临界上升率d u/d t---指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

如果d u/d t过大，会使晶闸管误导通(2) 通态电流临界上升率d i/d t：指在规定条件下晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率晶闸管的派生器件：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管全控型器件典型代表：门极可关断晶闸管GTO，电力晶体管GTR，电力场效应晶体管MOSFET，绝缘栅双极晶体管IGBT（自锁效应P37）MOSFET的开关时间很短，一般在10-100ns 之间。

是电力电子器件中开关频率最高的器件。

门极可关断晶闸管：GTO能够通过门极关断的原因:内部结构、参数与普通晶闸管不同整流电路的分类：①按控制方式可分：不可控、半控、全控②按电路结构可分：桥式电路,零式电路③按交流输入相数分：单相电路和多相电路④按变压器二次侧电流的方向是单向或双向分：单拍电路和双拍电路 《一》单相半波可控整流电路： 变压器T 起：电压匹配和隔离的作用 几个重要的基本概念：触发延迟角：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，用a 表示，又称触发角或控制角 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为，用θ表示移相：改变控制角的大小 移相范围：正常运行下控制角能够变化的范围同步：使触发信号与晶闸管阳极电压在频率和相位上一致 几个概念的解释：u d 为脉动直流，波形只在u 2正半周内出现，故称“半波”整流采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控u d 波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路基本数量关系: 设 (1), 直流输出电压平均值为 这种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称为相位控制方式，简称相控方式(2),输出电流平均值为 Id = Ud/R(3), VT 承受的最大峰值电压为 (4), a 移相范围为 0--180︒(5), VT 的导通角：负载电压有效值: Ud/U2 Kf=I/Id 与控制角的关系控制角 0° 30 60 90 120 150 180Ud/U2 0.45 0.42 0.338 0.225 0.113 0.0301 0U/U2 0.707 0.6986 0.6342 0.5 0.3127 0.1201 0Kf=I/Id 1.57 1.66 1.88 2.22 2.78 3.99 — a)b)c)d)e)V t U u ωsin 222=⎰+=+==παααπωωπ2cos 145.0)cos 1(22)(sin 221222d U U t td U U 22U απθ-=παπαπωωππα22sin 41)()sin 2(21222-+==⎰U t d t U U控制角 0° 最大工频正弦半波电流的平均值。

2.单相半波可控整流电路——带阻感负载的工作情况阻感负载的特点：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电感电压： 负载阻抗角： ， 式中， ， 。

由此式可得出图3-2e 所示的id 波形。

当ωt =θ+α时，id =0，代入式（3-3）并整理得 ： 输出的直流电压平均值: 3.单相半波可控整流电路——有续流二极管的电路数量关系: ( L“足够大”)晶闸管导通角：p-a 续流管导通角： p+a若近似认为i d 为一条水平线，恒为I d ，则有：负载电压平均值：负载电流平均值：晶闸管电流平均值：晶闸管电流有效值：续流管电流平均值：续流管电流有效值：《二》单相桥式全控整流电路：1. 单相桥式全控整流电路——带电阻负载的工作情况关断时晶闸管各承受电压：u 2/2a 角的移相范围为180︒数量关系: 负载电压平均值: 负载电流平均值:流过晶闸管的电流平均值: 负载电压有效值: 负载电流有效值:晶闸管电流有效值:变压器副边电流有效值（变压器二次电流有效值）: I2=I不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S =U 2I 2 。

• 整流电路的功率因数: 2. 单相桥式全控整流电路——带阻感负载的工作情况小电感时，i d 断续, 导通角<180º。

负载电感很大，负载电流 i d 连续且波形近似为一水平线换相，亦称换流 dt di L u d L =R L ωϕarctan =t U Ri t i L ωsin 2d d 2d d =+)sin(2)sin(22)(2ϕωϕααωω-+--=--t Z U e Z U i t L R d 22)(L R Z ω+=R L tg ωϕ1-=)sin()sin(ϕαθϕαϕθ-+=--tg e ⎰+=θααωπ)(212t d u U d ⎰+=+==παααπωωπ2cos 19.02cos 122)(d sin 21222U U t t U U d 2cos 19.02cos 12222d d ααπ+=+==R U R U R U I 2cos 145.0212d dVT α+==R U I I παπαπωωππα-+==⎰2sin 21)()sin 2(1222U t d t U U παπαπ-+==2sin 212R U R U I 2)(d )sin 2(2122I t t R U I ==⎰παωωπVT παππαϕ-+===22sin cos 22I U UI S P数量关系: 整流输出电压平均值： 整流输出电流平均值: Id = Ud/R晶闸管移相范围为：0︒~ 90︒。