1、-1-电力电子技术 期末复习题 第第 1 章章 绪绪 论论 1 电力电子技术电力电子技术定义定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。(应用于电力领域的电子技术，电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支)2 电力变换电力变换的种类的种类（1）交流变直流 AC-DC：整流（2）直流变交流 DC-AC：逆变（3）直流变直流 DC-DC：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流 AC-AC：一般称作交流电力控制 3 电力电子技术电力电子技术分类：分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。4 电力电子学由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉
2、而形成。5 电气工程是一个一级学科，包含了五个二级学科，即电力系统及其自动化、电机与电气、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。6 电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。一般认为，电力电子技术的诞生是从 1975 年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。7 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属半控型器件。其电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。8 全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式，简称斩控方式。9 工业中大量应用各种交直流电动机，电气机车中的直流机车采用整流装置，交流机车采用变频装置。10 电力
3、电子技术在电力系统中的应用：FACTS、TCR、TSC、SVG、APF；电子装置用电源 UPS（详见 7 页）第第 2 章章 电力电子器件电力电子器件 1 电力电子器件与主电路的关系电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：在电气设备或电力系统中，指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。（2）电力电子器件：指可直接用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。特征：1）电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是最重要的参数 2）一般都工作在开关状态 3）往往需要由信息电子电路来控制 4）电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件 2 电力电子器件一般都工作于开关状
4、态，以减小本身损耗。电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。各种损耗各种损耗:开关损耗开关损耗(包括开通损耗和关断损耗包括开通损耗和关断损耗)、通态损耗和断、通态损耗和断态损耗态损耗。通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。3 电力电子系统电力电子系统基本基本组成组成与工作原理与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。（图 2-1）（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。（4）同时，在
5、主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。4 电力电子器件的分类电力电子器件的分类（接下来接下来 2.2 节之后学习的具体器件都应当能知道属于哪种分类方式的哪种类别节之后学习的具体器件都应当能知道属于哪种分类方式的哪种类别）根据控制信号所控制的程度分类根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。如 SCR 晶闸管。（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。如 GTO、GTR、MOSFET 和 IGBT。（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。根据
6、驱动信号的性质分类根据驱动信号的性质分类（1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如 SCR、GTO、GTR。（2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如 MOSFET、-2-IGBT。根据器件内部载流子参与导电的情况分类根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如 MOSFET。（2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如 SCR、GTO、GTR。（3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如 IGBT。5 电力二极管的主要
7、类型电力二极管的主要类型：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管 图 2-3 中空间电荷区，也被称为耗尽层、阻挡层或势垒层 电力二极管的半导体物理结构和工作原理与信息电子电路二极管的不同之处：（详见 15 页）（1）电力二极管垂直导体结构，信息电子电路横向导电结构（2）电力二极管在 P 区和 N 区之间多了一层低掺杂 N 区接近于本征半导体（P-i-N 结构）6 电导调制效应电导调制效应（详见（详见 15 页）页）7（18 页）页）正弦半波波形的平均值与有效值的关系 1：1.57，（后面计算 50 页例 3-1 有用到），对于 42 页习题 4 给出波形则按原始公式计算有效值，不用平均值推出有
8、效值。晶闸管的导通工作原理晶闸管的导通工作原理（图图 2-8）（1）当 AK 间加正向电压AE，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向 PN 结。（2）当 GK 间加正向电压GE，NPN 晶体管基极存在驱动电流GI，NPN 晶体管导通，产生集电极电流2cI。（3）集电极电流2cI构成 PNP 的基极驱动电流，PNP 导通，进一步放大产生 PNP 集电极电流1cI。（4）1cI与GI构成 NPN 的驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反馈，这样 NPN 和 PNP 两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。晶闸管在晶闸管在以下情况下也可能被触发导通以下情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩
9、效应；阳极电压上升率过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。晶体管导通关断条件（注意维持电流）（习题 3）（了解一下动态特性关断过程 22 页）擎住电流（24 页）晶闸管的派生器件（24 页）（了解）2.3.1.4.3 晶闸管是半控型器件的原因晶闸管是半控型器件的原因（1）晶闸管导通后撤掉外部门极电流GI，但是 NPN 基极仍然存在电流，由 PNP 集电极电流1cI供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。（2）因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能控制其关断。2.3.1.4.4 晶闸管的关断工作原理晶闸管的关断工作原理 满足下面条件，晶闸管才能关断：（1）去掉 AK 间
10、正向电压；（2）AK 间加反向电压；（3）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。2.3.2.1.1 晶闸管正常工作时的静态特性晶闸管正常工作时的静态特性（1）当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能导通。（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。（4）若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管的派生器件：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管 典型全控型器件：典型全控型器
11、件：GTO（结构，设计要点（与普通晶闸管不同的是结构，设计要点（与普通晶闸管不同的是 1）2）3）26 页）页）（1）GTO 与普通晶闸管的相同点：是 PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。（2）GTO 与普通晶闸管的不同点：GTO 是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小 GTO 元，这些 GTO 元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。GTR（基本原理，开关状态工作在哪几个区图基本原理，开关状态工作在哪几个区图 2-17，一次，一次击穿，二次击穿概念击穿，二次击穿概念 30 页页）/BJT 特性：耐压高、电流大、开关特性
12、好。GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管短的多，略短于 GTO。电力场效应晶体管电力场效应晶体管 MOSFET（与信息电子电路中场效应管区别与信息电子电路中场效应管区别）-3-电力电力 MOSFET 的通态电阻具有正的温度系数，这一点对器件并联时的均流有利的通态电阻具有正的温度系数，这一点对器件并联时的均流有利 开关状态工作在哪几个区图开关状态工作在哪几个区图 2-21（1）电力 MOSFET 是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。（2）当GSU大于某一电压值TU时，栅极下 P 区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使 P 型半导体反型成 N 型半导体，形成反型层。绝缘栅双极晶体
13、管绝缘栅双极晶体管 IGBT（与与 MOSFET 的区别，开关状态工作在哪几个区图的区别，开关状态工作在哪几个区图 2-24）擎住效应（与擎住效应（与擎住电流（24 页）比较）（36 页）（1）GTR 和 GTO 是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。（2）电力 MOSFET 是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。（3）复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。（4）绝缘栅双极晶体管 IGBT 是一种复合型器件，由 GTR 和 MOSFET 两个器件复合而成，具有 G
14、TR 和 MOSFET 两者的优点，具有良好的特性。（5）IGBT 是三端器件，具有栅极 G、集电极 C 和发射极 E。（6）IGBT 由 MOSFET 和 GTR 组合而成。MCT（MCT 元的组成：37 页）、SIT、SITH、IGCT、基于宽禁带半导体材料的电力电子器件（典型的是碳化硅、氮化镓、金刚石等，比硅器件优越的性能：39 页倒数第二段倒数第三句开始）功率集成电路功率集成电路：将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。集成电力电子器件模块集成电力电子器件模块：将电力电子器件及其控制、驱动、保护等所有信息电子电路都封装起来。（功率集成电路与集
15、成电力电子器件模块区别）功率集成电路与集成电力电子器件模块区别）电力电子集成技术电力电子集成技术带来的好处带来的好处：装置体积减小、可靠性更高、使用更方便、安装维护成本较低、实现电能与信息的集成。以上各器件的比较 Diode（不可控）、BJT（半控）、GTO，GTR，MOSFET，IGBT（全控）（1）开关速度（电导调制效应）MOSFETIGBT（2）功率容量 BJT，GTO，GTR 功率容量大（3）控制难易程度 （电压型较电流型开通容易）第第 3 章章 整流电路整流电路（不考电容滤波，不考电容滤波，87 页只需看页只需看 3.8 与与 3.8.1 之间的段落之间的段落）（1）整流电路定义：将
16、交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。3.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（4）触发角）触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。（7）几个定义）几个定义 “半波”整流：“半波”整流：改变触发时刻，du和di波形随之改变，直流输出电压du为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在2u正半周内出现，因此称“半波”整流。单相半波可控整流电路：单相半波可控整流电路：如上半波整流，同时电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。3.1.1.3 电力电子电路的基本特点及分析方法电力电子电路的基本特点及
17、分析方法（1）电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。（2）电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。3.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 3.1.2.1 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况（1）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的原理图）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的原理图 由 4 个晶闸管（VT1 VT4）组成单相桥式全控整流电路。VT1 和 VT4组成一对桥臂，VT2 和 VT3组成一对桥臂。-4-（2）单相桥式全控整
18、流电路带电阻负载时的波形图）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图 0：VT1 VT4未触发导通，呈现断态，则0du、0di、02i。2VTVT41uuu，2VTVT2141uuu。：在角度时，给 VT1 和 VT4加触发脉冲，此时 a 点电压高于 b 点，VT1 和 VT4承受正向电压，因此可靠导通，041VTVTuu。电流从 a 点经 VT1、R、VT4流回 b 点。2duu，d2ii，形状与电压相同。)(：电源2u过零点，VT1 和 VT4承受反向电压而关断，2VTVT2141uuu（负半周）。同时，VT2 和 VT3未触发导通，因此0du、0di、02i。2)(：在)(角度时，给 V
19、T2 和 VT3加触发脉冲，此时 b 点电压高于 a 点，VT2 和 VT3承受正向电压，因此可靠导通，03VTVT2uu。VT1 阳极为 a 点，阴极为 b 点；VT4 阳极为 a 点，阴极为 b 点；因此2VTVT41uuu。电流从 b 点经 VT3、R、VT2流回 b 点。2duu，d2ii。（3）全波整流）全波整流 在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。（4）直流输出电压平均值）直流输出电压平均值 2cos19.02cos122)(sin21222dUUttdUU（5）负载直流电流平均值）负载直流电流平均值 2cos19.02cos122R22ddRURU
20、UI（6）晶闸管参数计算）晶闸管参数计算 承受最大正向电压：)2(212U 承受最大反向电压：22U 触发角的移相范围：0时，2d9.0 UU；o180时，0dU。因此移相范围为o180。-5-晶闸管电流平均值：VT1、VT4与 VT2、VT3轮流导电，因此晶闸管电流平均值只有输出直流电流平均值的一半，即2cos145.0212ddVTRUII。3.1.2.2 带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况（1）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的原理图（2）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图）单相桥式全控整流电路带阻感负载时的波形图 分析时，假设电路已
21、经工作于稳态下。假设负载电感很大，负载电流不能突变，使负载电流di连续且波形近似为一水平线。：在角度时，给 VT1 和 VT4加触发脉冲，此时 a 点电压高于b 点，VT1 和 VT4承受正向电压，因此可靠导通，041VTVTuu。电流从 a 点经 VT1、L、R、VT4流回 b 点，2duu。di为一水平线，2dVT1,4iii。VT2 和 VT3为断态，02,3VTi )(：虽然二次电压2u已经过零点变负，但因大电感的存在使 VT1 和 VT4持续导通。041VTVTuu，2duu，2dVT1,4iii，02,3VTi。2)(：在)(角度时，给 VT2 和 VT3加触发脉冲，此时 b 点电
22、压高于 a 点，VT2 和 VT3承受正向电压，因此可靠导通，03VTVT2uu。由于 VT2 和 VT3的导通，使 VT1 和 VT4承受反向电压而关断01,4VTi。VT1 阳极为 a 点，阴极为 b 点；VT4 阳极为 a 点，阴极为 b 点；因此2VT1,4uu。电流从 b 点经 VT3、L、R、VT2流回 b 点，2duu。di为一水平线，2dVT2,3iii。)2(2：虽然二次电压2u已经过零点变正，但因大电感的存在使 VT2 和 VT3持续导通。032VTVTuu，2VT1,4uu，2duu，2dVT2,3iii，01,4VTi。（3）直流输出电压平均值）直流输出电压平均值 co
23、s9.0cos22)(sin21222dUUttdUU（4）触发角的移相范围）触发角的移相范围 0时，2d9.0 UU；o90时，0dU。因此移相范围为o90。（5）晶闸管承受电压：）晶闸管承受电压：正向：22U；反向：22U-6-3.1.2.3 带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况（1）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的原理图）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的原理图 当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，即反电动势负载。正常情况下，负载电压du最低为电动势E。负载侧只有2u瞬时值的绝对值大于反电动势，即Eu2时，才有晶闸管
24、承受正电压，有导通的可能。（2）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的波形图）单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的波形图 )(：在角度时，给 VT1 和 VT4加触发脉冲，此时Eu2，说明VT1 和 VT4承受正向电压，因此可靠导通，2duu，RddEui。)()(：在)(角度时，Eu2，说明 VT1 和 VT4已经开始承受反向电压关断。同时，由于 VT2 和 VT3还未触发导通，因此Eud，0di。)()(：此过程为 VT2 和 VT3导通阶段，由于是桥式全控整流，因此负载电压与电流同前一阶段，2duu，RddEui。3.2 三相可控整流三相可控整流电路电路 3.2.1 三相半波可控整流电
25、路三相半波可控整流电路 3.2.1.1 电阻负载电阻负载（1）三相半波可控整流电路带电阻负载时的原理图）三相半波可控整流电路带电阻负载时的原理图 变压器一次侧接成三角形，防止 3 次谐波流入电网。变压器二次侧接成星形，以得到零线。三个晶闸管分别接入 a、b、c 三相电源，其所有阴极连接在一起，为共阴极接法。（2）三相半波不可控整流电路带电阻负载时的波形图）三相半波不可控整流电路带电阻负载时的波形图 将上面原理图中的三个晶闸管换成不可控二极管，分别采用 VD1、VD2和 VD3表示。工作过程分析基础：三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断
26、，输出整流电压即为该相的相电压。21tt：a 相电压最高，则 VD1导通，VD2和 VD3反压关断，auud。32tt：b 相电压最高，则 VD2导通，VD3和 VD1反压关断，buud。43tt：b 相电压最高，则 VD2导通，VD3和 VD1反压关断，buud。按照上述过程如此循环导通，每个二极管导通o120。自然换向点：在相电压的交点1t、2t、3t处，出现二极管换相，即电流由一个二极管向另一个二极管转移，这些交点为自然换向点。（3）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（o0）-7-自然换向点：对于三相半波可控整流电路而言，自然换向点是各相
27、晶闸管能触发导通的最早时刻（即开始承受正向电压），该时刻为各晶闸管触发角的起点，即o0。21tt：a 相电压最高，VT1开始承受正压，在1t时刻触发导通，01VTu，而 VT2和 VT3反压关断。auud，RuiiddVT1。32tt：b 相电压最高，VT2开始承受正压，在2t时刻触发导通，02VTu，而 VT3和 VT1反压关断。bduu，01VTi，VT1承受 a 点-b 点间电压，即abVT1uu。43tt：c 相电压最高，VT3开始承受正压，在3t时刻触发导通，03VTu，而 VT1和 VT2反压关断。cduu，01VTi，VT1承受 a 点-c 点间电压，即acVT1uu。（4）三相
28、半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（o30）定义：1t时刻为自然换向点后o30，2t和3t时刻依次间距o120。)90(o11tt：a 相电压最高，VT1已经承受正压，但在1t时刻（即o30）时开始触发导通，01VTu，而 VT2和 VT3反压关断。auud，RuiiddVT1。2o1)90(tt：虽然已到 a 相和 b 相的自然换向点，b 相电压高于 a 相电压，VT2已经开始承受正压，但是 VT2没有门极触发脉冲，因此VT2保持关断。这样，原来已经导通的 VT1仍然承受正向电压（0au）而持续导通，01VTu，auud，RuiiddVT1。32
29、tt：b 相电压最高，VT2已经承受正压，2t时刻（即o30）时开始触发导通 VT2，02VTu，这样 VT1开始承受反压而关断。-8-bduu，01VTi，VT1承受 a 点-b 点间电压，即abVT1uu。43tt：c 相电压最高，VT3已经承受正压，3t时刻（即o30）时开始触发导通 VT3，03VTu，这样 VT2开始承受反压而关断。cduu，01VTi，VT1承受 a 点-c 点间电压，即acVT1uu。（5）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（）三相半波可控整流电路带电阻负载时的波形图（o60）定义：1t时刻为自然换向点后o60，2t和3t时刻依次间距o120。)90(o11
30、tt：a 相电压最高，VT1在1t时刻（即o60）时开始触发导通，即使过了自然换向点，但因 VT2未导通及0au，而使 VT1持续导通，01VTu，而 VT2和 VT3反压关断。auud，RuiiddVT1。2o1)90(tt：a 相电压过零变负（0au），而使 VT1承受反压关断，而 VT2（未触发导通）和 VT3仍为关断。0dVT1ii，0du。32tt及43tt期间情况分别为 VT2和 VT3导通过程，与上述相同。（6）三相半波可控整流电路带电阻负载不同触发角工作时的情况总结）三相半波可控整流电路带电阻负载不同触发角工作时的情况总结 当o30时，负载电流处于连续状态，各相导电o120。当
31、o30时，负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电o120。当o30时，负载电流处于断续状态，直到o150时，整流输出电压为零。结合上述分析，三相半波可控整流电路带电阻负载时角的移相范围为o150，其中经历了负载电流连续和断续的工作过程。（7）数值计算）数值计算 o30时，整流电压平均值（负载电流连续）：cos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU 当o0时，dU最大，2d17.1UU。o30时，整流电压平均值（负载电流断续）：-9-)6cos(1 675.0)6cos(1 223)(sin23212262dUUttdUU 当o150时，dU最小，0dU。负载电
32、流平均值：RUIdd。晶闸管承受的最大反向电压：为变压器二次侧线电压的峰值，222RM45.2632UUUU 晶闸管承受的最大正向电压：如 a 相，二次侧 a 相电压与晶闸管正向电压之和为负载整流输出电压dU，由于dU最小为 0，因此晶闸管最大正向电压2FM2UU。2.2.1.2 阻感负载阻感负载（1）三相半波可控整流电路带阻感负载时的原理图）三相半波可控整流电路带阻感负载时的原理图 当阻感负载中的电感值很大时，整流获得的电流di波形基本是平直的，即流过晶闸管的电流接近矩形波。当o30时，整流电压波形与电阻负载时相同，因为两种负载情况下，负载电流均连续。（2）三相半波可控整流电路带阻感负载时的
33、波形图（）三相半波可控整流电路带阻感负载时的波形图（o60）定义：1t时刻为自然换向点后o60，2t和3t时刻依次间距o120。21tt：VT1承受正压并触发导通，过自然换向点后 a 相电压仍大于 0，VT1仍持续导通。a 相过零点后，由于电感的存在，阻止电流下降，因而 VT1仍持续导通。aduu，ddaIii，0cbii，01VTu。32tt：当2t时刻，b 相电压最高，同时触发导通，则 VT2导通，这样 VT1承受反压关断，由 VT2向负载供电。bduu，ddbIii，0caii，abVT1uu。43tt：工作过程与上述相同。cduu，ddcIii，0baii，acVT1uu。（3）三相半波可控整流电路带阻感负载不同触发角工作时的情况总结）三相半波可控整流电路带阻感负载不同触发角工作时的情况总结 阻感负载状态下，由于大电感的存在，使负载电流始终处于连续状态，各相导电o120。当o30时
