电力电子复习整理

第一章

电力电子技术的概念

根据电力电子器件的特性、采用一种有效的静态变换和控制方法，将一种电能形式转换为另一种电能形式的技术。

电力电子功率变换的分类 AC/DC 变换 整流器 DC/AC 变换 逆变

有源逆变 DC/AC 变换时，交流输出与电网相连。

无源逆变 DC/AC 变换时，交流输出直接与负载相连 。 AC/AC 变换 变频器 DC/DC 变换 直流斩波 第二章

功率半导体器件分类

不可控型: 功率二极管:导通和关断均由电路潮流决定。

半可控型: 晶闸管:在器件在承受正向电压时，由控制信号控制器件的导通，而关断状态由电路潮流决定。

全控型: 可控开关 :由控制信号控制器件的导通和关断。 绝缘栅双极晶体管（IGBT ） 门极可关断晶闸管（GTO ） 电力场效应晶体管（MOSFET ） 双极结型晶体管（BJT ）

绝缘栅门极换流晶闸管（IGCT ）

二极管的工作原理、特性和分类

当功率二极管承受正向电压时，它的正向导通压降很小，大约在1V 左右。 当功率二极管承受反向电压时，只有极小的漏电流可通过该器件。 正向平均电流IF （AV ）

设正弦半波电流的峰值为Im ，则额定电流为:

()

I 1I sin ()2m

F AV m I td t π

ωωπ

π

==

⎰

额定电流有效值为：

I 2

m

F I =

=

某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数:

f K =电流有效值电流平均值()F F AV I 1.57

I 2f K π==≈

额定电流IF(AV)=100A 的电流功率二极管，其额定电流有效值IF =Kf IF(AV)=157A 。

正向压降UF

几种常用的功率二极管 肖特基二极管 快恢复二极管 工频二极管

晶闸管的工作原理、特性、分类和选型（电流有效值、波形系数、额定电压和额定电流）

晶闸管承受正向电压时，在门极注入正向脉冲电流可将它触发导通。

晶闸管一旦开始导通，门极就失去控制作用。不论门极触发电流是否存在，晶闸管都保持导通。

通过外电路使阳极电流反向，并且降到接近于零的某一数值，可使已导通的晶闸管关断。 晶闸管通过电源电压的正半波控制其导通。当晶闸管电流开始反向时，电源电压变负，晶闸管所承受的电压也同时反向。理想晶闸管将会使其电流在t=T/2后立即变为0 。 波形如图所示。

额定电压U R

选用晶闸管时，应使其额定电压为正常工作电压峰值UM 的2~3倍，以作为安全裕量。 U R =(2~3)U M

根据所使用具体电流波形来计算出允许使用的电流平均值选用晶闸管时，设三相工频半波电流峰值为Im 时的波形，通态平均电流为：

()

I 1I sin ()2m

T AV m I td t π

ωωπ

π

==

⎰

正弦半波电流有效值为：

2

I 1(I sin )()22m

m I t d t π

ωωπ

=

=

⎰

晶闸管有效值与通态平均电流的比值为：

()

AV I 1.57

I 2

T π

=

≈

有效值与平均值的比为(波形系数)：

()

1.57f d T AV I K I I =≈

实际电路中，由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.5~2倍的安全系数，故在给定晶闸管的额定电流后，可计算出该晶闸管的任意波形时允许的电流平均值为：

()1.57(1.5~2)T AV d f

I I K =

半导体功率器件开关能量损耗的计算

()()01

()

2s c on c off d s P U I f t t =+

可控开关的理想特性描述

1

1cos ϕ⋅⋅=I U P

① 关断时，不论正、反向阻断电压有多高，都没有电流流过该器件。 ② 导通时，压降为零，此时可传导任意大的电流。

③ 该器件一旦被触发，立即从导通状态到关断状态，反之亦然。 ④ 该器件只需很小的电流就能触发。

BJT 、达林顿管、MOSFET 、GTO 和IGBT 的基本原理 IGBT

像MOSFET 一样，IGBT 的输入阻抗高，只需很小的能量来开关器件。 如同BJT 一样，即使当它承受较高电压时，它的导通压降也很小。 与GTO 类似，IGBT 能够被设计承受一定的反向压降。

IGBT 的耐压可以做得较高，最大允许电压UCEM 可达4500V 以上。

第三章

似稳态过程的概念

电力电子技术的应用中非正弦的稳态运行过程。

网络换流整流器单相桥路：视在功率，有功功率，畸变功率和谐波

S=UI=UId απcos 22d UI P = απ

sin 221d UI Q =

2

122Q P S D --= d I U D ⋅-=2

81π

畸变功率与控制角a 无关，但在电压、电流中产生以下特征频率分量: 网络电流: n = 1,3,5,7,9,11,⋯ 输出电压: m = 0,2,4,6,8,⋯

网络换流整流器三相桥路：视在功率，有功功率，畸变功率和谐波

交流侧总电流i s 和对应的基波电流有效值i s1分别为：

d s I I 32

=

d s I I π

321=

2122Q P S D --= d s UI UI S 23== απ

cos 2

3

d UI P =

απ

sin 2

31d UI Q =

2

9

12π-

=d UI D

此处的畸变功率与控制角a 无关

① 与单相整流桥路相同，但没有3及3的倍数次谐波 n = 1，5，7，11，13，17，19……

② 直流电压中的谐波 m = 0，6，12，18……

直流电流的谐波次数： m = k ×p ， k = 0,1,2,3,⋯

交流侧电流中的谐波次数 n = k ×p ±1，k =1,2,3,…

以上各式中， p 为每周期的脉冲次数。

稳态下的非正弦波形：THD ，PF, DPF ，浪涌（峰值）系数的计算