电力电子必备知识点

电力电子必背知识点
1.电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（Power Electronic Device）。

2.电力电子器件的基本特性注：很重要，一定记住
（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。

（2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）外电路来控制。

（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。

为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。

3.按器件的开关控制特性可以分为以下三类：
①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。

如：电力二极管（Power Diode）；
②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。

如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；
③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。

如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor ）、功率场效应管（Power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor）等。

4.前面已经将电力电子器件分为不可控型、半控型和全控型。

按控制信号的性质不同又可分为两种：
①电流控制型器件：
此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。

如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；
②电压控制半导体器件：
这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。

如：代表性器件为MOSFET管和IGBT管。

5.几点结论（重要）
1.晶闸管具有单向导电和可控开通的开关特性。

2.晶闸管由阻断状态转为导通状态时，应具备两个条件：从主电路看，晶闸管应承受正向阳极电压；从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流。

3.晶闸管导通后，只要具备维持导通的主回路条件，晶闸管就维持导通状态，门极便失去控制作用，其阳极电流由外电路决定。

4.欲使晶闸管关断，必须从主电路采取措施，使晶闸管阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向阳极电压。

6.晶闸管的正向特性
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。

随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。

导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。

晶闸管本身的压降很小，在1V 左右。

导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。

Ih称为维持电流。

7.晶闸管的反向特性
晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。

晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。

当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。

1）维持电流ＩＨ：
在室温下门极断开时，元件从较
大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH 。

2）掣住电流ＩL ：
给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL 。

对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL 要比维持电流ＩH 大2~4倍。

8.通态平均电流─额定电流Ita 的
计
算
方
法
：
57
.1)
2~5.1(VT Ta I I
9.通态电流临界上升率 di/dt 定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率 di/dt 。

影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN 结的全部面积。

如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的Ｐ
Ｎ结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。

10.断态电压临界上升率du/dt 定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt 。

影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的ＰＮ结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。

11.电力晶体管GTR 的二次击穿 一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic 迅速增大，出现雪崩击穿。

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：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。

常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。

12.MOSFET的特点
1.开关速度快，一般为10ns~100ns。

2.温度稳定性好，通态电阻具有正温度系数，可实现自动均流。

3.输入阻抗大、驱动功率小，因此驱动电路也较简单。

4.导通电阻大、通态压降大，因此在大电流时通态损耗较大。

13.散热问题
电力半导体器件在电能变换、开关动作中会产生功率损耗，使得器件发热，结面温度上升。

但是，电力半导体器件均有其安全工作区所允许的工作温度（结面温度），无论任何情况下都不允许超过其规定值。

为此，必须要对电力半导体器件进行散热。

电力半导体器件的散热，一般有三种冷却方式：
①自然冷却：只适用于小功率应用场；②风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT应用电路；
③水冷却：适用于大功率应用场合，如大功率GTO、IGCT及SCR等应用电路；
14.IGBT：绝缘栅双极型晶体管，兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。

IGBT的特点
(1) 开关速度高，开关损耗小。

在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。

(2) 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。

(3) 通态压降比VDMOSFET 低，特别是在电流较大的区域。

(4) 输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。

(5) 与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。

15.整流电路的整流原理：利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。

整流电路通常由整流变压器将电源电压变换为适宜的电压幅值，为负载提供需要的直流电压及合理的电压调整范围。

16.整流电路的基本类型
对于ｎ相半波整流电路而言，共有ｎ条整流工作回路，各回路中均含有一个开关元件。

ｎ条整流工作回路的电源电压有一定的相序，相邻两条整流工作回路的电源电压相位差均为2π/n
半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流，变压器利用率低，且有的电路存在直流磁势，造成铁芯直流磁化。

对于ｎ相（单相时n取2）桥式整流电路而言，共有ｎ（n-1）条整流工作回路，各回路中均含有二个开关元件。

各整流工作回路的电源电压有一定的相序，相邻两条整流工作回路的电源电压相位差均为2π/n(n-1)。

17.在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为自然换相点。

对于共阴极组接法的半波不可控整流电路而言，为高通电路，即总是相电压最高的一相元件导通。

所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形正半周交点，输出电压波形为电源电压波形正半周包络线。

18.基本概念
１．从自然换相点计起，到晶闸管门极触发脉冲前沿为止的时间间隔，以电角度表示，称为控制角α。

在自然换相点给予触发时控制角α=0，改变α便可以改变输出电压波形和平均值。

2 ．控制角α的有效变化范围称
为移相范围，移相范围决定于整流电路的类型和负载性质。

3. 晶闸管在一个电源周期内的导通时间，以电角度表示，称为导通角θ，在可控整流电路的分析中，应注意其移相范围和导通角θ与控制角α的关系。

4. 通过改变控制角α来调整输出电压的称为相位控制。

5. 触发脉冲和主电路电压在频率和相位上要有相互协调的配合关系，称为同步。

19. １．电阻负载特点：电压、电流的波形形状相同。

2 ．电感性负载（主要指电感与电阻串联的电路）特点：负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。

3.反电势负载（整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势）特点：只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电流波形也呈较大的脉动。

20.主要研究内容和步骤（重要）１．根据开关元件的理想开关特性和负载性质，分析电路的工作过程。

2 ．根据电路工作过程得出波形分析，包括输出电压ud、各晶闸管端电压uVT、负载电流id、通过各晶闸管电流iVT、变压器次级i2和初级电流i1等。

3.在波形分析的基础上，求得一系列电量间的基本数量关系，以便对电路进行定量分析。

在设计整流电路时，数量关系可作为选择变压器和开关元件的依据。

21.单相桥式与半波电路比较
①、α的移相范围相等，均为0～180°；
②、输出电压平均值Ud是半波整流电路的２倍；
③、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；④、功率因数提高了2倍。

单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变
压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。

在大电感负载情况下，α接近π/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。

且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线，而且在α＝π之前，电流就出现断续。

电感量越小，电流开始断续的α值就越小。

22.失控现象与续流二极管
当控制角突然增大至或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。

为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象：必须加续流二极管，以提供一条通路。

有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。

同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。

应当指出，实现这一功能的条件是VDR 的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和，否则不能消除自然续流现象，关断导通的晶闸管。

23. 实现有源逆变的条件为：一是负载侧有一个提供直流电能的直流电动势，电动势的极性对晶闸管而言为正向电压，在整流回路交流电源电压为负期间，提供晶闸管维持导通的条件；二是要求变流器控制角α>π/2，使变流器输出电压极性为负且维持电流连续，提供改变能流方向的条件。

逆变失败（逆变颠覆）
变流器为逆变工作状态时，若发生换相失控，就会导致外接电动势通过晶闸管形成短路，或者发生输出平均电压和外接电动势
顺向串联形成短路，这种情况称为逆变失败或称为逆变颠覆。

逆变失败的原因
（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。

（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。

（3）交流电源缺相或突然消失。

（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。

24.晶闸管相控触发电路中，实现触发脉冲随控制信号变化作相位移动的控制为移相控制。

延时移相控制方法由同步环节提供自然换相点，再由自然换相点开始计时，以控制角对应的延时时间确定触发脉冲产生的时刻。

垂直移相控制方法：应用条件是具有一个与主电路同步、在移相范围内单调变化的周期性移相信号电压Usy。

线性垂直移相控制方法：移相信号电压Usy在移相范围内线性变化。

余弦交点移相控制方法:移相信号电压usy在移相范围内余弦变化。

25.在各种相控变流电路中，晶闸管触发脉冲前沿对应的控制角α是以晶闸管的自然换相点为计量起点的角度。

自然换相点则决定于加在晶闸管两端的交流电源电压。

因此为保证正确的相位关系，实现同步触发控制，在触发电路中必须引入与电网电压严格同步的基准信号，称为同步信号。

(1).独立同步:每个SCR都有相对独立的相控触发电路。

为使各晶闸管具有相同的控制角，各相触发电路采用同一控制电压进行移相控制。

(2).按相同步:利用全控桥式变流电路中同一相的两个SCR的自然换相点相差180O的特点，每
相设置一个触发电路。

为实现三相主电路工作的对称性，要求三相移相控制的一致性，故三相触发电路由同一个控制电压控制。

(3).单相同步:利用各SCR自然换相点间有固定的相位关系特点，用一个元件的同步电路准确提供各元件的自然换相点。

26.对相控触发电路的基本要求(1)触发电路的触发信号必须在晶闸管门极伏安特性的可靠触发区。

同时要求脉冲功率不超过允许瞬时最大功率限制线和平均功率限制线。

(2)触发脉冲应具有一定的宽度，触发脉冲消失前，阳极电流应能上升至掣住电流，保证晶闸管可靠开通。

(3)触发脉冲应满足晶闸管电路的工作要求。

(4)触发脉冲与主电路电源电压必须同步，并保持与工作状态相适应的相位关系。

(5)触发电路应保证变流电路各元件触发脉冲的对称性。

(6)相控触发电路应采取电磁兼容技术措施，防止因各方面的电磁干扰而出现失控。

27.变频器先将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能，再将直流电能变换为频率和电压符合要求的交流电能，供负载使用。

整流器
输入
AC
滤波器逆变器
DC DC AC
输出整流器:将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能, 可以是不可控的，也可以是可控的。

滤波器:将脉动的直流量滤波成平直的直流量,可以对直流电压滤波(用电容),也可以对直流电流滤波(用电感)。

因为逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，总会有无功功率的交换，要靠中间直流环节的储能元件来缓冲。

逆变器:将直流电能逆变为交流
电能,直接供给负载,它的输出频率和电压均与交流输入电源无关,称为无源逆变器。

它是变频器的核心。

28.变频器常用的调压方法
可控整流器调压：根据负载对变频器输出电压的要求，通过可控整流器实现对变频器输出电压的调节。

直流斩波器调压：采用不可控整流器，保证变频器电源侧有较高的功率因数，在直流环节中设置直流斩波器完成电压调节。

逆变器自身调压：采用不可控整流器，通过逆变器自身的电子开关进行斩波控制，使输出电压为脉冲列。

改变输出电压脉冲列的脉冲宽度，便可达到调节输出电压的目的。

这种方法称为脉宽调制(Pulse Width Modulation--PWM).
PWM根据调制波形的不同，可分为：
单脉冲调制：在输出电压波形的半周期内只有一个脉冲。

多脉冲调制：在输出电压波形的半周期内有多个脉冲。

正弦波脉宽调制：在输出电压波形的半周期内为多脉冲调制，而且每个脉冲的宽度按正弦规律变化。

29.变频器中逆变器的基本类型1.按直流输入端滤波器分类
电压型逆变器：中间直流环节采用大电容作为滤波器，逆变器的输入电压平直且电源阻抗很小，类似于电压源。

电流型逆变器：中间直流环节采用大电感作为滤波器，逆变器的输入电流平直且电源阻抗很大，类似于电流源。

2.按电子开关的开关频率分类(1).︒180导电型逆变器：三相逆变器的6个电子开关按顺序相差
︒
60导通，每个开关导通︒
180。

任何时候都有3个开关导通，换流在同一相的两个桥臂上进行。

其输出电压波形与负载的功率因
数无关。

(2).︒120导电型逆变器：三相逆变器的6个电子开关按顺序相差︒
60导通，每个开关导通1︒20。

任何时候都有2个开关导通，换流在同一组的相邻桥臂上进行。

其输出电压波形受与负载的功率因数影响
30.电压型逆变器特点:
（1）直流侧接有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗状态。

（2）由于直流电压源的箝位作用，交流侧电压波形为矩形波，与负载阻抗角无关，而交流侧电流波形因负载阻抗角的不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。

（3）当交流侧为电感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。

为了给交流侧向直流侧反馈能量提供通道，各臂都并联了续流二极管。

（4）变频电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，故功率的脉动是由直流电流的脉动来体现的。

（5）当变频电路的负载是电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。

因直流侧电压方向不能改变，只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给电路再反并联一套变频桥，这将使电路变得复杂。

40.电流型逆变器特点:
（1）直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，
直流回路呈现高阻抗状（2）由于各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形因负载阻抗角的不同而不同。

（3）直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故
可控器件不必反并联二极管。

（4）当变频电路的负载为电动机时，若变频电路中的交—直变换是可控整流时，则可很方便地实现再生制动，不需另加一套变频桥。

41.开关
(1).硬开关：开关器件在其端电压不为零时开通（硬开通），在其电流不为零时关断（硬关断），硬开通、硬关断统称为硬开关。

特点：开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。

产生较大的开关损耗和开关噪声。

(2).软开关：开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。

特点：不存在电压和电流的交迭。

降低开关损耗、开关噪声。

提高开关频率。

42.(1).单相半波电路R负载:α角的有效移相范围为0≤ α ≤π，导通角为θ=π-α。

晶闸管可能承受的最大电压为: 2
2U
U
m
=
整个电路只有一个等效工作回路，两种工作状态，三个阶段.
(2).单相半控桥RL负载:定量计算：满足假设ωL>>R时，id= Id=Ud/ R。

晶闸管可能承受的最大电压为: 2
2U
U
m
='
有三个等效工作回路（两个整流回路，一个续流回路）电路工作分为电流断续与电流连续两种情况，电流断续时有四种工作状态，电流连续时有三种工作状态。

)
64
3(
2
cos
1
9.0
)
cos
1(
2
2
2-
+
=
+
=
α
α
π
U
U
U
d
定量计算：满足假设ωL>>R时，id= Id=Ud/ R。

(3).三相半波整流R负载
有三个等效工作回路轮
流工作，对于共阴极接法，自然换相点在ωt=π/6处（按前面假设a相的初始相位为0），每个自然换相点相差2π/3，因此，每个晶闸管的触发脉冲也相差2π/3。

有效移相范围0<α<5π/6以α=π/6为分界，当α<π/6时为电流连续，当α>π/6时为电流断续。

电流连续时电路有三种工作状态，电流断续时电路有四种工作状态。

电流连续(α<π/6)时的定量计算：id=ud/R.晶闸管可能承受的最大电压为:2
6U
U
m
=,导通角θ=2π/3.
电流断续时(α>π/6)的定量计算：id=ud/R.晶闸管上最大电压为2
6U
U
m
=
导通角θ=(5π/6)—α(4).三相半波整流RL负载
带有续流二极管的情况：当α≤π/6时续流二极管不工作，电路工作过程与无续流二极管时完全相同。

当α>π/6时，续流二极管工作，每个电源周期续流三次，故续流二极管的导通角为θVDR=3(α–π/6)。

输出电压ud的波形与纯电阻负载时一样，故Ud的计算也一样。

续流二极管工作时晶闸管关断，故晶闸管的导通角为θVT= (5π/6) –α 。

续流二极管承受的最大电压为2
2U
(5).三相全控桥式的触发方式
按
VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差。

共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差。

同一桥臂的二个元件，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差。

(6).三相全控桥式电路RL负载
三相桥式电路有六个工作回路轮流工作，电流比较容易连续，故只考虑电流连续的情况。

电流连续的必要条件是：α<π/2。

六个工作回路的自然换相点，从相电压图上看，在相电压的交点处；从线电压图上看，是对应整流回路的线电压瞬时值变为最高的时刻。

当α<π/3时，输出电压ud 的波形均为正值；当α>π/3时， ud 波形中出现负的部分；当α=π/2时， ud 中正、负两部分包围的面积相等。

晶闸管承受的最大电压为
2
6U U m
. 有效移相范围0<α <(2π/3).
(7). 三相全控桥式电路R 负载
三相桥式电路有六个工作回路轮流工作，id=ud/R 当α≤π/3时，电流连续，有关电压波形与RL 负载时相同。

有效移相范围为0≤α≤2π/3，当α>π/3时，每个工作回路导通时间为(2π/3)−α，晶闸管每个电源周期导通二次，导通角为θVT=2[ (2π/3)−α]。

(8).三相半控桥式整流电路 应注意的几个问题：
1.晶闸管要触发后才能换流，二极管则自然换流。

2.只要α≠0则六个等效回路的工作时间就不一样。

3.如果共阳极组为二极管，则共阳极端的电位与a 、b 、c 三点电位中最低的那一点相同。

4.电感负载时必须接续流二极
管，以防止失控。

(9).RLE 负载中电感L 的作用
由于电感的储能作用，在整流回
路电源电压瞬时下降为u2<E 时，电感的自感电势可提供正向电
压，整流回路将继续维持导通状
态，直至电流id下降为零自然关断或电路换相为止。

延长了整流回路晶闸管导通时间，使负载电流id平稳。

在u2>0且id上升期间，由电源提供能量，供电感储能及电动势做功。

在u2>0且id下降期间，由电源提供能量及电感释放能量，供电动势做功。

在u2<0期间，由电感释放能量，除供电动势做功外，还向电源系统反馈能量。

(10).RLE负载全控电路的几点结论
1) 在电流断续条件下，整流回路导通期间电流id为输入正弦电压RLE电路零状态电流响应。

受电感L的影响，延长了整流回路晶闸管的导通时间。

2) 在电流连续条件下，整流回路导通期间电流id为输入正弦电压RLE电路非零状态电流响应。

受电感L影响，id波形连续且平稳；受电动势E的影响，id波形较RL负载时下移E/R。

有关电压波形和RL负载时相同，并具有相同的数量关系表达式。

3) 在ωL>>R的条件下，受电感L 的影响R ，可视为id =Id；受电动势E的影响，Id =(Ud-E)/。

电流波形基本与RL负载时相同，并具有，相同的数量关系表达式。

4) RLE负载可控整流电路输出功率为P=I2R+IdE。

其中，I2R 为负载电阻的热损耗，I为负载电流有效值；IdE为电动势做功，Id为负载电流平均值。

在电感L 充分大且id =Id时，P=Id2R+IdE 。

(11).三相半波可控整流电路换相过程分析
在换相期间，参与换相的两个元件同时导通，整个换相过程用电角度表示，称换相重叠角γ。

43.交-交变频器输出电压波形控制。