高等职业教育 机电类课程规划教材,电力电子技术,主 编 刘 峰 孙艳萍 主 审 张树江,大连理工大学出版社,目录,,绪 论 第1章 电力电子器件 第2章 晶闸管可控整流电路 第3章 晶闸管的触发电路及保护电路 第4章 有源逆变电路 第5章 变频电路 第6章 直流变换电路 第7章 交流调压电路 第8章 典型电力电子装置介绍,,绪 论,绪 论,1.电力电子技术的发展概况 （1）电力半导体器件 第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段; 第二阶段是以GTO、GTR等全控型器件为代表的发展阶段; 第三阶段是以功率MOSFET、IGBT等电压型全控器件为代表的发展阶段; 第四阶段是以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段，目前正处在发展初期 （2）电力半导体变流技术,绪 论,第一阶段是电子管、离子管（闸流管、汞弧整流器、高压汞弧阀）的发展与应用阶段，此时的变流技术属于整流变换，只是变流技术的一小部分 第二阶段是硅整流管、晶闸管的发展与应用阶段，主要指晶闸管的应用阶段这一时期，随着整流管特别是晶闸管制造水平的不断提高，半导体变流技术所涉及的应用领域不断扩展. 第三阶段是全控型电力半导体器件的发展与应用阶段，是半导体电力变流器向高频化发展的阶段，也是变流装置的控制方式由移相控制向时间比率控制发展的阶段。
第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的时至今日，晶闸管应用领域的绝大部分已经或即将被功率集成器件所取代只是在大功率、特大功率的电化、电冶电源与电力系统有关的高压直流输电（HVDC）、静止式动态无功功率补偿装置（SVC）、串联可控电容补偿装置（SCC）等应用领域，晶闸管暂时还不能被取代 2.电力电子技术的应用 （1）整流: 实现AC.DC的变换 （2）逆变: 实现DC.AC的变换 （3）变频: 实现AC.DC.AC（AC.AC）的变换 （4）交流调压: 把不变的交流电压变换成电压有效值可调的交流电压 （5）斩波: 实现DC.DC（AC.DC.DC）的变换 （6）静止式固态断路器: 实现无触点的开关、断路器的功能第1章 电力电子器件,1.1 普通晶闸管 1.2 全控型电力电子器件 1.3 晶闸管的派生器件 1.4 功率二极管,1.1 普通晶闸管,1.1.1 晶闸管的结构 阳极A和阴极K，门极G（也称控制极） 常用的晶闸管有螺栓式和平板式两种外形图1-1 晶闸管的外形、结构和图形符号,1.1.2 晶闸管的工作原理 晶闸管导通必须同时具备两个条件: （1）晶闸管主电路加正向电压 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。
图1-2 晶闸管导通实验电路图,1.1.3 晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极与阴极间的电压 UA 和阳极电流IA 的关系称为晶 闸管伏安特性图1-3 晶闸管工作原理 等效电路,,图1-4 晶闸管伏安特性曲线,,1.1.4 晶闸管的主要参数 1.正向断态重复峰值电压UDRM 2.反向重复峰值电压URRM 3.通态平均电流IV（AV） Kf =电流有效值/电流平均值 4.维持电流IH 和掣住电流IL 5.晶闸管的开通与关断时间 6.通态电流临界上升率di/dt 7.断态电压临界上升率du/dt 1.1.5 晶闸管的型号及简单测试方法 1.晶闸管的型号,2.晶闸管的简单测试方法 万用表粗测其好坏图1-5 晶闸管型号的含义,1.2.1 门极可关断晶闸管（GTO） 1.GTO的基本工作原理 GTO触发导通的条件是: 当它的阳极与阴极 之间承受正向电压，门极加正脉冲信号(门极为 正，阴极为负）时，可使α1 +α2 1，从而在 其内部形成电流正反馈，使两个等效晶体管接 近临界饱和导通状态 当GTO的门极加负脉冲信号(门极为负，阴极为正)时，门极出现反向电流，此反向电流将GTO的门极电流抽出，使电流减小α1和α2也同时下降，以致无法维持正反馈，从而使 GTO关断。
1.2 全控型电力电子器件,图1-6 GTO的电气符号,2.GTO的特定参数 （1）最大可关断阳极电流IATO （2）关断增益βq （3）掣住电流IL 3.GTO的缓冲电路 （1）减轻GTO在开关过程中的功耗 （2）抑制静态电压上升率 4.GTO的门极驱动电路 5.GTO的典型应用 1.2.2 大功率晶体管（GTR） 大功率晶体管又可称为电力晶体管（Giant Transistor），简称GTR 1.GTR的极限参数,图1-10 GTR的外观,（1）集电极最大电流ICM （最大电流额定值） （2）集电极最大耗散功率PCM （3）GTR的反向击穿电压 ①集电极与基极之间的反向击穿电压UCBO ②集电极与发射极之间的反向击穿电压UCEO （4）最高结温TJM 2.二次击穿和安全工作区,图1-11 二次击穿示意图,图1-12 GTR安全工作区,3.GTR的基极驱动电路及其保护电路 （1）基极驱动电路 ①提供全程的正、反向基极电流，保证GTR可靠导通与关断. ②实现主电路与控制电路的隔离 ③具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR ④电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。
图1-13 理想的基极驱动电流波形,（2）GTR的保护电路 ①GTR的过电压保护及di/dt、du/dt的限制 ②GTR的过电流保护 4.GTR的应用 （1）具有自关断能力 （2）能在较高频率下工作 1.2.3 功率场效应晶体管（PM）,图1-23 PM图形符号,1.P-MOSFET的主要特性 （1）输入阻抗高，属于纯容性元件 （2）开关速度快 （3）为负电流温度系数 2.P-MOSFET的栅极驱动电路 （1）基本电路形式,图1-24 PM电路的四种形式,,（2）对栅极驱动电路的要求 ①P-MOSFET的栅极提供所需要的栅极 控制电压，以保证P-MOSFET可靠导通 ②减小驱动电路的输入电阻以提高栅 极充放电速度，从而提高器件的开关速度 ③实现主电路与控制电路间的电隔离 ④栅极驱动电路还应具有较强的抗干扰能力 3.P-MOSFET的应用 （1）在开关稳压调压电源方面，使用P-MOSFET器件作为主开关功率器件可大幅度提高工作频率，工作频率一般在200～400kHz （2）将P-MOSFET作为功率变换器件图1-25 理想栅极控制电压波形,（3）将P-MOSFET作为高频的主功率振荡、放大器件，在高频加热、超声波等设备中使用，具有高效、高频、简单可靠等优点。
1.2.4 绝缘栅双极型晶体管 绝缘栅双极型晶体管简称IGBT 1.IGBT的工作原理 IGBT有三个电极，分别是集电极C、发射极E和栅极G 它的导通和关断由栅极电压来控制图1-29 IGBT的图形符号,图1-28 IGBT的简化 等效电路,,2.IGBT的特性 3.IGBT的栅极驱动电路及其保护 （1）栅极驱动电路 ①采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路 ②推挽输出栅极驱动电路 ③专用集成驱动电路,图1-30 IGBT的伏安特性和转移特性,（2）IGBT的保护 ①过电流保护 ②过电压保护 ③过热保护 4.IGBT的功率模块,图1-35 单管模块的内部电路和输出特性,图1-36 双管模块的内部结构和输出特性,图1-37 六管模块的内部电路,图1-38 智能模块内部框图,1.2.5 静电感应晶体管（SIT） 1.2.6 静电感应晶闸管 1.3.1 快速晶闸管 可允许开关频率在 400Hz以上工作的晶闸管称为快速晶闸管它们的外形、电气符号、基本结构、伏安特性都与普通晶闸管相同 1.3.2 双向晶闸管 双向晶闸管在结构和特性上可以看作是一对反向并联的普通晶闸管1.3 晶闸管的派生器件,1.3.3 逆导晶闸管 逆导晶闸管简称 RCT。
在逆变或直流电路中经常需要将晶闸管和二极管反向并联使用，逆导晶闸管就是根据这一要求将晶闸管和二极管集成在同一硅片上制造而成的图1-43 双向晶闸管,1.3.4 光控晶闸管 光控晶闸管简称LTT，是一种光控器件，它与普通晶闸管的不同之处在于其门极区集成了一个光电二极管图1-44 逆导晶闸管,功率二极管属于不可控器件，由电源主回路控制通断状态. 1.4.1 功率二极管的工作原理,图1-45 光控晶闸管电气符号和伏安特性曲线,1.4 功率二极管,1.4.2 功率二极管的主要参数 1.正向平均电流I F（AV） I F（AV） ≥（1.5～2）I/1.57,图1-46 功率二极管的结构和图形符号,图1-47 功率二极管的外形,图1-48 功率二极管的伏安,2.正向压降UF 3.反向重复峰值电压URRM 4.反向恢复时间trr 1.4.3 功率二极管的主要类型 1.整流二极管 2.快速恢复二极管 3.肖特基二极管,第2章 晶闸管可控整流电路,2.1 单相半波可控整流电路 2.2 单相全波和单相全控桥式可控整流电路 2.3 三相半波可控整流电路 2.4 三相全控桥式整流电路 2.5 变压器漏电抗对整流电路的影响,如图2-1所示的是晶闸管可控整流装置的原理框图。
2.1.1 电阻性负载 电炉、白炽灯等均属于电阻性负载电阻性负载的特点是:负载两端电压波形和流过负载的电流波形相似，其电流、电压均允许突变2.1 单相半波可控整流电路,,图2-2（a）为单相半波电阻性负载可控整流电路 （1）ud 波形的平均值Ud 的计算,图2-2 单相半波电阻性负载可控整流电路及波形,Ud = √2 U2 sinωtd（ωt）=0.45 U2（1+cosα）/2 Ud/U2 =0.45（1+cosα）/2 Id =Ud/Rd （2）负载上电压有效值U与电流有效值I的计算 U = √1/2π （√2 U2 sinωt）2 d（ωt） = U2 √（π-α）/2π+sin2α/4π I=U/Rd （3）晶闸管电流有效值IVT 及其两端可能承受的最大正、反向电压UVTM 的计算 IVT =I=U/Rd U VTM =√2 U2,,,,,,IVT/Id =I/Id =I2/Id =√[πsin2α+2π（π-α）]/√2（1+cosα） cosφ=P/S=UI/U2I=√(π-α)/2π+sin2α/4π 例2.1 单相半波可控整流电路，电阻性负载要求输出的直流平均电压为 50V～92V之间连续可调，最大输出直流平均电流为30A，直接由交流电网220V供电，试求: （1）控制角α的可调范围; （2）负载电阻的最大有功功率及最大功率因数; （3）选择晶闸管型号规格（安全裕量取2倍）。
解: （1）由式（2-1）或由图2-3的Ud /U2 曲线求得: 当Ud =50V时 cosα=[(2×500)/(0.45×220)]-1≈0,,,,所以 α=90° 或由Ud/U2 曲线查出，当Ud/U2 =50/220≈0.227时，α≈90° 当Ud =92V时 cosα=[(2×920)/(0.45×220)]-1≈0.86 所以 α=30° 或由Ud/U2曲线查出，当Ud/U2 =92/220=0.418时，α≈30° （2）α=30°时，输出直流电压平均值最大为92V，这时负载消耗的有功功率也最大，由式（2-8）或查表2-1可求得 I=1.66×Id =1.66×30A≈50A cosφ≈0.693 P=I2 Rd =（502 ×92/30）W≈7667W （3）选择晶闸管，因α=30°时，流过晶闸管的电流有效值最大为50A所以 IVT（AV） =2×(ITM/1.57)=2×(50/1.57)≈64A 取100A 晶闸管的额定电压为 UVTn =2UVTM =2√2×220V≈622V 取700V 故选择KP100-7型号的晶闸管 2.1.2 电感性负载及续流二极管 电机的励磁线圈、滑差电动机电磁离合器的励磁线圈以及输出电路中串接平波电抗器的负载等都属于电感性负载。
图2-4 单相半波电感性负载电路波形图,当电感Ld 很大时（一般XL ≥10Rd 时，就认为是大电感）,对于不同控制 角α，晶闸管的导。