第8章 电力电子学基础

况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控
制电路中要采取保护措施，在选用时，其电 压、电流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影 响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；
(3) 导致电网电压波形畸变，高次 谐波分量增加，干扰周围的电气设备；
(4) 控制电路比较复杂，对维修人 员的技术水平要求高。
Ud U 1 cos 0.9 2 R R 2
2U 2
1
1 cos 2
晶闸管承受的最大正反向电压：
2. 电感性负载
有了续流二极管，当电源电压降到零时，负 载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关 断，不会出现失控现象。
负载电压： Ud
2U 2 sintd (t ) 0.9U 2
3.电力场效应晶体管
主要参数：
1 ）开启电压 UT—当 uGS 上升到开启 电压UT时，开始出现漏极电流; 2)漏极电压
3)漏极直流电流和脉冲直流峰值
•删源电压 •极间电容
4.绝缘栅双极晶体管(IGBT)
简化等效电路
图形符号
基本电路
8.2 单相可控整流电路 整流——将交流电变为直流电的过程； 整流电路——将交流电变为直流电的电路； 整流 8.2.1 单相半波可控整流电路
晶闸管电流平均值：
IdVS
Id 2
2U 2
晶闸管承受的最大正反向电压： 续流二极管的电流平均值：
Idv
2 Id 2
8.2.2 单相桥式整流电路 一、晶闸管组成的半控桥式整流电路。
1. 电阻性负载
负载电压： Ud
负载电流： I d
2U 2 sintd (t ) 0.9U 2
2U 2 sintd (t ) 0.9U 2
2U 2
1
1 cos 2
晶闸管承受的最大正反向电压： 流过每只晶闸管平均电流：
流过续流二极管的平均电流 ：
Id 2
I dv 2 Id 2
为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成 单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改 变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。
3.反电势负载 当整流电路输出接有电势负载时,只有当电源电源的瞬时值大于反电势，同 时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的 时间内，负载上保留原有的反电势。
a. 负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 b. 负载电流平均值比电阻性负载时低 U E Id d R 因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比 值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于 直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大， 要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用 以平滑电流的脉动。
2U 2
1
1 cos 2
晶闸管承受的最大正反向电压： 流过每只晶闸管平均电流： 流过续流二极管的平均电流：
Id 2
Id
半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不 加续流二极管。 这是因为在电源电压过零时，电感中的电流 通过V1和V2形成续流，确保VS1或VS2可靠关断， 这样也就不会出现失控现象。 负载电压： Ud
（ 1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，
晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；
（2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸
管导通必须同时具备的两个条件；（ 3 ）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复
阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。
一、带电阻性负载的可控整流电路
可控 单相 不可控 可控 三相 不可控
u2－输入电压 ； ud－输出电压 ； α－控制角 ；晶闸管元件承受 正向电压起始点到触发脉冲 的作用点之间的电角度。
θ－导通角 ；是晶闸管在
一周期时间内导通的电角度。
的范围
0 ~
的范围 ~ 0

单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就 得不到所需要的电压和电流。
三、加续流二极管的电路 为了提高大电感负载时的单相半波可 控整流电路整流输出平均电压，可采取负 载两端并联一只二极管的措施。 输入电压： u2 2U 2 sint
负载电压： Ud
1 1 cos 2 U sin td ( t ) 0 . 45 U 2 2 2 2
二、单相全控桥式整流电路 单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代 替即构成全控桥。
例10.1 欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压 U0=0V~180V,电流I0=0~10A。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流 电压和电流有效值，并选择整流元件。 解: 设在晶闸管导通角θ为π(控制角为0 )时输出电压值为最大（180V）， 则对 应的输入交流电压有效值为最大。
（ 2 ） 在 t1~t2 之 间 : uAK>0 ，由于开关 S 合上， ud ， u2即 使ug>0，而 晶闸管导通； （3）在 t2~t3 之间， uAK<0，尽管ug>0，但 ud=0，即晶闸管关断；
主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1 瞬间 合上开关S，在t4 瞬间拉开开关S。
反向截止状态: 当 uAK <URSM ，元件中有很小的反向电流（反向 漏电流）流过，处于截止状态。
反向( uAK <0 )
反向击穿：当 uAK =URSM ，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通 状 态。 URSM称为反向不重复峰值电压，或用UBR表示称反向击穿电压。
4. 晶闸管的主要参数 1） 断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加 在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压 。 UDRM=UDSM -100 2）反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在 晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压 。 URRM=URSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般： 晶闸管的UDRM 、 UDRM应等于 所承受的正、反向电压的（2~3）倍。 3）额定通态平均电流（额定电流）IT 在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的 工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。
三、全控型开关器件
1.门极可关断晶闸管（GTO） 工作特点：
1) 当门极 G 上加正电压或 正脉冲信号时，GTO导 通并保持； 2) 当门极上加上反向电压 或反向脉冲时，GTO关 断并保持。
2.电力晶体管（GTR）
内部结构
基本电路
开关时间
主要特性 1） 开路关断电压—基极开路时另两个极之间能承受的最高电压； 2）集电极最大持续电流—基极偏置时，集电极能流过的最大电流。
电力电子学的任务： 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 弱电 电力半导体器件 强电
电力半导体器件根据其
导通和管断的可控性可分为
不可控器件 电力半导体器件 半控型器件 全控型器件
由电力半导体器件和相应电路所组成的电力变换电路按功能可以分为：
可控整流电路—将固定频率、电压的交流电变为固定或可调的直流电； 交流调压电路—将固定频率、电压的交流电变为可调电压的交流电； 逆变电路—把直流电变为频率固定或可调的交流电； 变频电路—把固定频率的交流电变为频率可调的交流电； 斩波电路—把固定的直流电压变为可调直流电压； 电子开关 —功率半导体工作在开关状态，可以代替继电器、接触器用于频 繁开合操作的场合。
4）维持电流 IH
在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一 般为几mA～一百多mA
其他电力半导体器件
• 1.双向晶闸管
8. 8.6 8.7
逆导晶闸管
I G K O IG=0 U
A
a)
b)
8.8 图10.9 逆导晶闸管 将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。 逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是反并联二极管的电流。
(3) 损耗小、效率高，晶闸管本
身的压降很小 (仅1V左右 )，总效率可 达 97.5% ，而一般机组效率仅为 85% 左右；
功率 (电流自几十安～几千安，电压自几
百伏～几千伏)，
(2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导 通和截止时间都在微秒级；
(4) 体积小、重量轻。
缺点：
(1) 过载能力弱，在过电流、过电压情
（4）在 t3~t4 之间， uAK>0，这时ug>0 ,而 ud u2，所以，晶闸管又导通；
（5）当 t=t4 时， ug=0 ，但uAK>0 ， ud u2 ，即晶闸管仍处于导通状态； （6）当 t=t5 时， uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。
综上所述可得出以下结论：
输入电压： u2 2U 2 sint 负载电压： Ud 负载电流： I d
1 1 cos 2U 2 sintd (t ) 0.45U 2 2 2
Ud U 1 cos 0.45 2 R R 2
2U 2
晶闸管承受的最大正反向电压：
二、带电感性负载的可控整流电路
在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。 目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。
晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一 种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。