电力电子变流技术复习大纲

《简单电力电子装置设计与调试》复习大纲
I. 晶闸管及单相相控整流电路
1、 掌握晶闸管的工作原理、导通及关断条件、理解晶闸管主要参数
的含义、怎样选用晶闸管的额定电压和额定电流；
1）晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。

注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可以是负。

门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。

2）关断条件：流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。

可以通过降低晶闸管阳极－阴极间电压或增大主电路中的电阻。

在室温且控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流I H 。

当元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流I L 。

对同一晶闸管来说，掣住电流I L 要比维持电流IH 大2～4倍。

2、 晶闸管主要参数
1）额定电压：用等级表示，选用管子时额定电压常常是实际工作时可能承受的最大电压的2～3倍。

2）额定电流
TM )3~2(:
U U Tn 若考虑安全裕量
注意：不同于通常电气元件以有效值来定义额定电流，而是以平均值来定义的。

选择管子时要用有效值相等原则即流过晶闸管实际电流的有效值等于（小于）管子的额定电流有效值。

3．单相半波可控整流电路工作原理及参数计算
几个名词术语和概念
控制角α：控制角α也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。

导通角θ：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。

移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角α的大小。

移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。

分析工作原理、绘制输出电压Ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时候关断这个关键。

电感性负载时，理解输出负电压的原因。

关键是理解电感储存、释放能量的性质。

4、掌握晶闸管对触发电路的要求(见p42)；
5、理解相控电路半波、全波、半控、全控的概念，知道单相半
波、单相桥式全控整流电路电阻性负载、电感性负载的移相
范围、输出电压的计算公式以及输出基波脉动频率（可以参
见发给同学们的可控整流电路的参数表）。

6、双向晶闸管的触发方式(掌握双向晶闸管工作状态I+、III-的
定义)
双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。

主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式：
1）Ⅰ+触发方式 主极T1为正，T2为负；门极电压G 为正，T2为负。

2）Ⅰ-触发方式 主极T1为正，T2为负；门极电压G 为负，T2为正。

3）Ⅲ+触发方式 主极T1为负，T2为正；门极电压G 为正，T2为负。

4）Ⅲ-触发方式 主极T1为负，T2为正；门极电压G 为负，T2为正。

双向晶闸管的参数
1）双向晶闸管额定通态电流不同于普通晶闸管的额定通态电流。

前者用交流有效值标定，后者用正弦半波平均值标定，选择晶闸管时不能混淆。

例如双向晶闸管额定通态电流为100A ，若用两个反并联的普通晶闸管代替，按有效相等的原则，得210057.1)(=AV T I ，所以，A I AV T 45257.1100
)(==。

因此一个100A 的双向晶闸管与两个45A 反并联
的普通晶闸管等效。

7、 掌握单结晶体管的工作原理和导通、关断条件, 单结晶体
管具有以下特点：
(1) 当发射极电压等于峰点电压U p时，单结晶体管导通。

导通之后，当发射极电压小于谷点电压U v时，单结晶体管就恢复截止。

(2) 单结晶体管的峰点电压U p与外加固定电压及其分压比η有关。

单结晶体管的分压比η一般为0.5～0.9。

(3) 不同单结晶体管的谷点电压U v和谷点电流I v都不一样。

谷点电压大约在2～5 V之间。

在触发电路中，常选用η稍大一些，U v低一些和I v大一些的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。

8、讲课所涉及的电力电子器件的英文名称(SCR、MOS、GTO、
IGBT、GTR是什么的缩写)。

9、会分析下图所示的工作原理。

10、单相交流调压电路电阻性负载输出电压有效值及输入功率因数的计算、控制角的移相范围和调压范围
11、单相交流调压电路带电感性负载时的控制角移相范围和调压范围(控制角α、导通角θ与阻抗角的关系)、对触发脉
冲的要求
什么是同步。

触发脉冲信号与主电路电源电压在频率和相位上相互协调(触发信号的频率与主电路的频率保持固定比例、触发信号的相位与主电路的相位保持固定相差）的关系叫同步。

因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列触发。

单相交流调压特点(几点结论）：
1）电阻负载时，负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致，电阻负载时移相范围为0～180°。

改变控制角可以连续改变负载电压有效值，达到交流调压的目的。

2）电感性负载时，不能用窄脉冲触发。

否则当a ＜ Φ时，会出现一个晶闸管无法导通，产生很大的直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。

3）电感性负载时，最小控制角a min ＝ Φ(阻抗角)，要求a ≥Φ 所以的移相范围为Φ ～180°，这几个结论常考试。

计算题时要注意：1）单相交流调压电感性负载时，控制角α的移相范围是πϕ~
R L ωϕarctan
= 2）因α=ϕ时，电流为连续状态，此时负载电流最大。

222)wl R U Z U I （+==
3）最大功率
αϕcos cos 22I U I U P ==
II. 全控型电力电子器件
1、MOS 、GTR 、GTO 、IGBT 等全控型电力电子开关器件根据内部载流子参与导电的情况是怎样进行分类的？根据驱动信号的不同又是如何分类的？
(1) 根据电力电子器件的可控性来区分
部载
子参
导电
种类
分为
2、根据开关频率的大小和器件功率的大小如何对全控型开关器件
MOSFET、GTR、GTO、IGBT进行排序。

3、理解GTO的基本工作原理，为什么GTO可以采用门极信号使其关断而普通晶闸管不能采用门极信号使其关断？
掌握GTO的几个特定参数的含义：①最大可关断阳极电流IATO；
②电流关断增益。

4、GTO设置缓冲电路的目的(R、C、D电路的作用)；
5、GTR（工作在开关状态、大功率）与普通的小功率信号晶体管（工作在放大状态、小功率）的区别，什么叫GTR的二次击穿；
6、GTR对基极驱动电路的要求是什么？GTR有哪些保护电路？
7、 MOSFET的主要特点是什么？对栅极驱动电路有何要求？
8、 IGBT与MOS管相比有何异同点？（驱动控制、导通压降、开关频率）
9、试分析比较MOSFET、GTR、GTO、IGBT的优缺点
III. 中频感应加热电源
1、微波炉与电磁炉在加热事物方面在工作原理上有何区别？
➢电磁炉与中频感应加热都是利用涡流反应的原理进行加热的；
微波炉----------微波炉加热实质是电介质加热（dielectric heating）➢电介质加热通常用来加热不导电材料。

当高频电压加在两极板层上，就会在两极之间产生交变的电场。

需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。

➢不能用铝锅盛装食物在电磁炉上进行加热；
➢微波炉不能加热金属器皿。

2、并联谐振式变频电路、串联谐振式变频电路的输出电压电流波形及其特点。

➢电流并联谐振电路在谐振时输出电流为方波，输出电压为准正弦波；
➢为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈容性, 即负载电流io超前负载电压uo的变化。

IV 直流电压变换电路
1、掌握Buck型降压斩波电路、Boost型升压斩波电路的工作原理，并能默画出其拓扑；
2、理解占空比的含义和掌握脉冲宽度调制（PWM）的原理；
4、掌握根据伏秒平衡原理分析电路拓扑输入输出关系的方法
DC/DC电路的工作原理
➢按输入、输出有无变压器可分有隔离型(有变压器)、非隔离型(无变压器)两类。

1．非隔离型电路(不隔离就是指输入和输出共地）
➢若定义斩波器的占空比
(占空比也叫工作率，是指开关S闭合的持续时间在一个周期内所占的时间比率，或指高电平在一个周期之内所占的时间比率)，占空比有的书上用D来表示。

DC/DC变换电路是将一种直流电源变换为另一种直流电源的电力电子装置。

常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开关电路。

（1）降压斩波电路(降压变换电路别名为“BUCK变换器”、“串联开关稳压电源” 、“三端开关型降压稳压器”) 。

降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电路。

输出电压平均值为 kU U =o
式中k 为斩波器的占空比 T T k ON
=
（2）升压斩波电路
Boost 电路(升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压稳压器) 。

升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。

输出电压平均值
为
U k
U T T U T T T U -==+=11OFF OFF OFF ON o
（3）升降压斩波电路
升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。

输出电压为：
U k k U T T T U T T U -=-==1ON ON OFF ON O
上式中，若改变占空比k ，则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电压。

由此可知，当0<k<1/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为降压斩波器；
当1/2<k<1时，斩波器输出电压高于直流电源输入，此时为升压斩波器。

2、隔离型电路
正激电路(Forward Converter,可以看作带隔离的降压型/Buck 型直流斩波器）
U o =U i *(N 2/N 1) *D 在输出滤波电感电流连续的情况下T T N N U U ON 12i o =
如果输出电感电路电流不连续，输出电压o U 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，
i 12o U N N U =。

（5）反激电路
(可以看作带隔离的升降压型/Buck-Boost 直流斩波器）
U o =U i *(N 2/N 1)(D/D')
当工作于电流连续模式时，off on 12i o T T N N U U
反激电路不应工作于负载开路状态。

伏秒平衡原则在推导DC/DC 变换器输入/输出关系中的应用
➢ 电感的伏秒平衡原则：在稳态工作的开关电源中电感两端
的正伏秒值等于负伏秒值(绝对值相等）。

在稳定状态下，一个开关周期中，电感伏秒积的代数和为0，即电感两端的平均电压为0。

➢ 伏秒平衡的物理意义：就是在一个开关周期中电感储存的
能量等于电感释放的能量。

这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为电感伏秒平衡：
➢ V L1·Ton+V L2·Toff=0
用伏秒平衡法来推导Boost 型变换器的拓扑：
➢ 在Ton 期间：U L1=E
➢ 在Toff 期间：U L2=E-Uo
➢ 由伏秒平衡得：
➢ E·KT+(E-Uo)(1-K)T=0
由上式得：E·T-Uo·(1-K)T=0
得：Uo=E/(1-K)
用伏秒平衡法来推导Buck 型变换器的拓扑：
➢ 在Ton 期间：U L1= E-U O
➢ 在Toff 期间：U L2=-Uo
➢由伏秒平衡得：
➢(E-U O)·KT+(-Uo)(1-K)T=0
由上式得：E ·K -U O ·K+(-Uo)+U O ·K =0
得：E ·K +(-Uo) =0
得：Uo = E ·K
V 有源逆变电路
1、掌握有源逆变与无源逆变的概念；
变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上，电网成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电网中去，这样的逆变称为“有源逆变”。

如果逆变状态下的变流装置，其交流侧接至交流负载，若只将直流电变换成交流电而不回馈电网，这样的逆变则称为“无源逆变”或变频电路。

2、理解实现有源逆变的外部条件和内部条件；
1）外部条件
务必要有一个极性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。

这种直流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。

它是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大于变流器直流侧输出的直流平均电压。

2) 内部条件
要求变流器中晶闸管的控制角α＞π/2，这样才能使变流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交流电网的流转。

上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。

必须指出，对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路，因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。

3、掌握三相半波共阴极逆变电路的工作原理，会画其在不同控制角时的输出电压波形；
在整流状态中，变流器内的晶闸管在阻断时主要承受反向电压，而在逆变状态工作中，晶闸管阻断时主要承受正向电压。

为分析和计算方便，通常把逆变工作时的控制角改用β表示，令β=π-α，称为逆变角。

规定α=π时作为计算β的起点，和α的计量方向相反，β的计量方向是由右向左。

变流器整流工作时，α＜π/2，相应的β＞π/2，而在逆变工作时，α＞π/2而β＜π/2。

4、逆变失败的原因有哪些？
电路在逆变状态运行时，如果出现晶闸管换流失败，则
变流器输出电压与直流电压将顺向串联并相互加强， 由于回路电阻很小，必将产生很大的短路电流，以至可能将晶闸管和变压器烧毁，上述事故称之为逆变失败或叫做逆变颠覆。

(1) 触发电路工作不可靠(造成脉冲丢失或延迟以及触
发功率不够)；
(2) 晶闸管出现故障；
(3) 如果晶闸管参数选择不当，例如额定电压选择裕量不足， 或者晶闸管存在质量问题，都会使晶闸管在应该阻断的时候丧失了阻断能力
(4) 交流电源出现异常
从逆变电路电流公式 (5) 电路换相时间不足
一般取βmin 为30°～35°，以保证逆变时正常换流。

一般在触发电路中均设有最小逆变角保护，触发脉冲移相时， 确保逆变角β不小于βmin 。

例如，两个电机一个工作在整流（电动机）状态， 另一个工作在逆变(发电机)状态。

（1） 应知道U d 、E D 及i d 的方向；
(2） 应知道E D 与U d 的大小关系；
（3） 当α与β的最小值均为30°时， 控制角α的移相范围为多少？
R
U E I
d
D d -=
3、(1) 整流时Ud>Ed，逆变时Ed>Ud；(2) 整流时：30~90度，逆变时:90~150
VI 三相相控整流电路
1、共阴极接法和共阳极接法整流电路中晶闸管的换流规律；
(1) 共阴极接法(晶闸管换流规律：在阴极电位相同的前提下，阳极电位更高的那相导通）；
(2) 在自然换相点之前由于晶闸管承受反向电压，不能导通，因此把自然换相点作为计算触发延迟角α的起点，即该点时α=0º，对应于ωt=30º。

三相半波在一个周期内，ud有三次脉动，脉动的最高频率是150 Hz。

要会画出触发角为任意角度时的输出电压波形和晶闸管的电压波形。

注意(强调）：①对于单相整流电路，控制角α=0°时, ωt=0; ②对于三相整流电路，α=0°时ωt=30 °。

(3) 共阳极接法(晶闸管换流规律：在阳极电位相同的前提下，阴极电位更低的那相导通）
✓要会画任一时刻的等效电路,在一个工频周期里可以分成6个等效电路；
✓必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲。

采用宽脉冲（必须大于60°、小于120°，一般取80°～100°）或双窄脉冲（在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲间隔为60°）都可达到上述目的。

2、三相半波可控整流电路的优缺点；
三相半波整流电路的特点：变压器绕组中流过的是直流脉动电流，在一个周期中，每相绕组只工作1/3周期，因此存在变压器铁芯直流磁化和利用率不高的问题。

3、三相全控桥式整流电路的工作原理（晶闸管导通顺序）及
特点、输出电压数值及会画输出电压波形(给定控制角，画
输出电压波形)；
整流输出电压u d由线电压波头u ab、u ac、u bc、u ba、u ca和u cb组成，其波形是上述线电压的包络线。

可以看出，三相全控桥式整流电压Ud在一个周期内脉动6次，脉动频率为300 Hz，比三相半波大一倍（相当于6相）。

注：①线电压超前相电压30度；②先在相电压波形上找到触发脉冲的起始时刻，然后在输出的线电压波形(不要找错线电压波形）上找到对应的相同时刻，沿着线电压的波形走向标出导通宽度的波形。

(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
4、 理解外双脉冲/内双脉冲的概念
三相全控桥式整流电路要求用双窄脉冲触发，即用两个间隔
60°的窄脉冲去触发晶闸管。

产生双脉冲的方法有两种， 一种是每个触发电路在每个周期内只产生一个脉冲， 脉冲输出电路同时触发两个桥臂的晶闸管，这叫外双脉冲触发； 另一种是每个触发电路在一个周期内连续发出两个相隔60°的窄脉冲， 脉冲输出电路只触发一个晶闸管，这称为内双脉冲触发。

内双脉冲触发是目前应用最多的一种触发方式。

1．学习三相整流电路时应注意的几点
（1）α=0°的地方——自然换相点为相邻相电压（或线电压）的交点。

它距相电压波形的原点30°，距对应线电压原点60°。

（2）α=0°时，相当于二极管电路不可控整流情况，单相整流电路输出电压波形为正弦电压正半周波形，三相半波整流电路输出电压波形为三相相电压的正向包络线，而三相桥式整流电路输出电压波形是三相相电压的正负包络线，即六个线电压的正向包络线。

2．负载性质不同的三相半波可控整流电路的特点
（1）电阻性负载（移相范围α=0°~150°）
0°≤α≤30°时，一个周期内，三个晶闸管轮流导电，每个晶闸管导通角120°，电流连续。

输出电压平均值αcos 17.12d U U =。

30°≤α≤150°时，每个晶闸管的导通角为150°-α，电流断续。

输出电压平均值
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++=)6πcos(1675.0d αU 。

此时，在三个晶闸管全部都关断期间，晶闸管承受该相的相电压，每个周期内由六断组成。

晶闸管承受的反向最大电压为线电压峰值，正向电压为相电压峰值。

I 、I 2和I T 三者的关系为32I
I I T ==
（2）电感性负载（移相范围α=0°~90°）
电感足够大，使电流波形连续且近似为一水平线，每个晶闸管轮流导通120°，输出电压平均值αcos 17.12d U U =。

各电流有效值关系为I =I d 、32I
I I T ==。

当30°≤α≤90°时，输出电压波形出现负值，因而常加续流二极管，以提高输出电压平均值。

此时输出电压波形和电阻性负载一样，晶闸管的导通角为150°-α，续流二极管每个周期内导通三次，导通角为3α-90°。

（3）共阳极接法的三相半波电路
该电路的自然换相点为相电压负半周相邻两相电压的交点。

换相总是由一相换到阴极电位更负的一相上去。

电流连续时，输出电压平均值为U d ＝-1.17U 2 cos α
3．学习三相桥式全控整流电路应注意的问题
（1）按三相U 、V 、W 的顺序，共阴极连接的三个晶闸管编号为VT1、VT3、VT5，共阳极连接的三个晶闸管编号为VT4、VT6、VT2。

如此编号目的是为了分析问题方便。

（2）在任何时刻都必须有两个晶闸管（分别属于共阴极组和共阳极组）同时导通，构成电流通路，才有电压输出。

因此为保证整流电路能启动运行或在电流断续后能再次导通，触发脉冲的宽度应大于60°而小于120°或用双窄脉冲，以使两个晶闸管同时得到触发而导通。

（3）每隔60°有一个晶闸管换流，共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在本连接组内换流。

每个周期内，六个晶闸管导通的顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，触发脉冲也必须按此顺序做响应安排，各脉冲依次相隔60°。

电流连续时，每个晶闸管导通120°。

（4）输出电压波形为六个线电压的组合。

（5）α=60°是电阻性负载电流连续与断续的分界点。

电感性负载时。

α>60°时，输出电压波形中出现负值。

（6）I 、I 2和I T 三者的关系为3I
I T =，I I I I T 816.03
222===。