电力电子技术课本

别妄想泡我
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2021年02月09日 02:57
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本文由作者推荐

弟子规读后感-

2021年2月9日发(作者：相思相爱)


第一章



电力电子器件



.


........................... .................................................. .......................................


4



1


．


1


概述



.


.......................................... .................................................. .....................................


4



1


．


2


电力二极管



.


....................................... .................................................. ............................


5



1


．


2


．



1


普通二极管



.


..................................... .................................................. ..............


5



1


．


2


．


2< /p>


快恢复二极管



.


................................................. ..................................................


5



1


．


2


．



3


肖特基二极管


.


.................................... .................................................. ...........


6



1


．


3



晶闸管



.


. .................................................. .................................................. .....................


6



1


．


3


．


1



普通晶闸管



.


.............................. .................................................. ....................


6


< p>
1


．


3


．


2



快速晶闸管（


Fast Switching Thyrisor


—


FST


）



.


......... ..................................


8



1


．


3


．


3



双向晶闸管（


TRIAC


）

< br>


.


....................... .................................................. .......


8



1


．


3


．


4



逆导晶闸管


(RCT) ..... .................................................. ...................................


8



1


．


3


．


5



光控晶闸管（


LTT


）



.


......................... .................................................. ..........


9



1


．


3


．


6



门极可关断晶闸管


GTO


.


............................... ................................................


9



1


．


3


．


7



MOS


控制晶闸管


........ .................................................. ...............................


1


0


1


．< /p>


3


．


8



集成门极换向型晶闸管（


IGCT


）



.


.................. ...........................................


11


1


．


3


．


9



静电感应晶闸管


SITH


..... .................................................. ..........................


1


2


1


．< /p>


4


晶体管



.< /p>


........................................ .................................................. .................................


1


2


1


．< /p>


4


．


1


功率场效 应晶体管



.


........... .................................................. ............................


1


2


1


．< /p>


4


．


2



绝缘栅双极晶体管


IGBT.................. .................................................. .........


1


3


1


．


4


．


3



静电感应晶体管


SIT

< p>
.


................................ .................................................. .


1


5


第二章



电力电子控制技术



.


.............................................. .................................................. ..........


1


6


2


．


1


直流斩波电路



.


........................... .................................................. ..................................


1


6


2


．< /p>


1


．


1


降压斩波 电路



.


............. .................................................. ..................................


1


6


2


．< /p>


1


．


2


升压斩波 电路



.


............. .................................................. ..................................


1


7


2


．< /p>


1


．


3


升降压斩 波电路



.


............ .................................................. ...............................


1


8


2


．< /p>


1


．


4Cuk


斩 波电路


................................... .................................................. ..............


1


9


2


．


1


．


5 Sepic


斩波电路和


Zeta


斩波电 路



.......................... .........................................


2


1


2


．


2


整流电路（


AC- DC


）


........................ .................................................. ........................


2


3


2


．


2


．


1


三相半波可控整流电路



.


.................................. ...............................................


2


3


2


．< /p>


2


．


2


三相半控桥式整流电路



.

< p>
............................................ ....................................


2


4


2


．< /p>


2


．


3


三相全控桥式整流电路



.

< p>
............................................ ....................................


2


6


2


．


3


逆变电路（


DC- AC


）


........................ .................................................. ........................


2


8


2


．


4


交交变频（


AC- AC


）


........................ .................................................. ........................


3


0


2


．


4


．


1 AC


—


AC


变 换的典型电路



..................... .................................................. .......


3


1


2

< p>
．


4


．


2


交交变频和交直交变频的比较



.

................................................ .....................


3


3


2


．


5 PWM


控制的基本原理


................. .................................................. ..............................


3


4


第三章




电力电子技术在各行业的应用



.


............................. .................................................. .....


3


7


3


．


1


变频器



.


.................................. .................................................. .......................................


3


7


3


．< /p>


2


电子电源



.


....................................... .................................................. ..............................


3


9


3


．< /p>


2


．


1


开关电源



.


............... .................................................. ........................................


3


9


3


．< /p>


2


．


2


不间断电 源


(UPS)


.


......... .................................................. ................................


4


1


3


．< /p>


2


．


3


感应加热 电源



.


............. .................................................. ..................................


4


3


3


．< /p>


3


电力电子技术在电力系统中的应用


< /p>


.


............................ ...............................................


4


5


3


．< /p>


3


．


1


发电系统



.


............... .................................................. ........................................


4


6


3


．< /p>


3


．


2


输电系统



.


............... .................................................. ........................................


4


8


3


．< /p>


3


．


3


配电系统



.


............... .................................................. ........................................


6


4



































前言



电力电子技术又称为功率电子技 术，


它是用于电能变换和功率控制的电子技


术。


电力电子技术是弱电控制强电的方法和手段，


是当代高新技术发展的重要内


容，也是支持电力系统技术革新和技术革命发展的重要基础，并成为节能降耗、


增产节约、


提高生产效能的重要技术手段。


微电子技 术、


计算机技术以及大功率


电力电子技术的快速发展，


极大地推动了电工技术、


电气工程和电力系统的技术

发展和进步。



电力电子器件是电力电子技术发展的基础。


正是大功率晶闸管的发明，


使得


半导体 变流技术从电子学中分离出来，


发展成为电力电子技术这一专门学科。

< br>而


20


世纪


90


年代各种全控型大功率半导体器件的发明，


进一步拓展了电力电子技

< p>
术应用和覆盖的领域和范围。


电力电子技术的应用领域已经深入到国民经济 的各


个部门，


包括钢铁、


冶金、


化工、


电力、


石油、


汽车、


运输以及人们的日常生活。


功率范围大到



几千兆瓦的高压直流输电，小到不足


1W

< p>
的手机电池充电器，电


力电子技术的应用随处可见。据统计，在发达的工业 化国家，电厂发电效率，降


低了能源的消耗，


方便了人们的生活 ，


提高了劳动生产率。


各个电力电子设备的

生产厂家形成了相关的产业群体，是国民经济的重要组成部分。


< br>电力电子技术在电力系统中的应用也有长足的发展，例如高压直流输电


（


HVDC


）


、静止无功补偿（

< br>SVC


）


、大型发电机静止励磁、抽水蓄能机组的软启< /p>


动、超高压交流输电线的可控串联补偿（


TCSC


）等等。电力电子技术是电力系


统中发展最快、


最具活 力的组成部分。


电力电子装置与传统的以机械式开关操作


的设备 相比，具有动态响应快，控制方便、灵活的特点，能够显著地改善电力系


统的特性，


在提高系统稳定、


降低运行风险、


节约运行 成本方面具有很大的潜力。


最近，


电力系统的研究发展的热点— 灵活交流输电系统就是以电力电子技术在电


力系统的应用为主要的技术手段，

< p>
以改进和提高电力系统的可控性和灵活性为主


要目的的。各种用户的特制电 力供电方式也离不开电力电子技术。











第一章



电力电子器件



1

．


1


概述



电力电子器件与普通半导体器件一样，目前它所采用的主要材料仍然是单晶


硅，


但由于电压等级和功率要求不一样，


制造工艺也有所不同。

< p>
以开关方式应用


于主电路之中，


对电能进行变换和 控制的半导体器件称为电力电子器件。


其主要


特点为：



（


1


）



电力电子器件具有体积小、质量轻、寿命长、耗电省、耐振性好等优点。


（


2


）



与用于电力电子电路的半导体器件相比，


由于电力电子器件直接 用于电力


电路，


所以承受电压、


电流的 能力是它的重要参数，


提高它所能处理电功


率的能力是电力电子 器件制造和应用的首要问题。



（


3


）



电力电子器件一般都工作在开关状态，


目的是为了减少本身的损耗，


高效


地完成对电能的变换与控制。



（


4


）



实际应用中，


电力电子器件还需要控制电路、


驱动电路以及必要的散热措


施等，才能构成一个完整的电力电子系统。



近


50


年来，电力电子器件 经历了非常迅猛的发展，从大功率电力二极管、半


控型器件晶闸管到导通关断都可控的全 控型器件，


从驱动功率较大的电流控制器


件到驱动功率很小的电 压控制器件，


从低频开关倒高频开关，


从低压小功率到高


压大功率，各种电力电子器件如表


1


所示，对 其可从以下三个角度进行分类。



表


1


各种类型的电力电子器件




类型






分



立



器



件





全控


型器


件





电压控制器件



电流控制器件



电力晶体管（双极型晶体


管）



门极可关断晶闸管



电力场效应晶体管



绝缘栅双极型晶体管



场控晶体管



GTO


Power MOSFET


IGBT


MCT


GTR


（

BJT


）



不可控器件



半控型器件



中文名称



电力二极管



晶闸管（可控硅）



名称



英文名称



Power Diode


Thyristor(SCR)


静电感应晶体管



静电感应晶闸管






集成



模块



功率模块



单片集成模块



智能功率模块



SIT


SITH


Power Module


System on a Chip


IPM



1


．


2


电力二极管



电力二极管（


Power Diode


）通常也被称为半导体整流管（


Semiconductor


Rectifier


—


SR


）或者电力 整流管，在


20


世纪


50


年代初期获得应用，成为出现


最早、结构最简单的电力电子器件，至今仍广泛 应用于各种电力电子设备中。




具 有单向导电特性的二极管在不同的电路中起着不同的作用，


例如在交流—直


流变换中作为整流器件，


在电感滤波及具有电感元件的电路中作为续流元件，


在


晶闸管逆变电路中作为反向充电和能量传输元件，

< p>
在各类变换器中作为隔离、


箝


位、保护元件等。由 二极管的工作速度来决定，它的适应范围，如在共频整流电


路中，


基本上对二极管开关速度没有什么要求，


而在高频变流器中就必须采用恢


复时间短的二极管。


依次二极管可分为三类：


普通二 极管、


快恢复二极管和肖特


基二极管。如图

1.1


所示。



1


．


2


．



1


普通二极管



普通二极管多用于


1kHz


以下的整流电路中，由于工作频率 低，反向恢复时间


并不重要，一般为


25us

< br>左右。电流定额由小于


1A


到树百安，电压等级从


50V


到高达


5kHz.

< br>1


．


2


．


2


快恢复二极管



快恢复二极管也称 为开关二极管，这类二极管的反向恢复时间通常小于


5us


，< /p>


适用于高频下的斩波和逆变电路。高于


400V

< br>的快恢复二极管常用扩散法制造，


用掺金或铂控制反向恢复时间

< br>t


n


的大小。用外延法制造的二极管具有更快的开


关速度，使恢复时间可低于


50ns


，叫做超 快恢复二极管。由于工艺上的差别它


们的正向电压特性也略有不同。


1


．


2


．



3


肖特基二极管


肖特基二极管是肖特基势垒二极管的简称，


又称为面垒二极管，

常用


SBD


表示。


SBD


是通过金属与半导体接触而构成的。当它们接触后，电子就从半导体向金属


扩散，


结果在半导体一侧形成空间电荷区、


内电场和势垒。< /p>


金属和半导体之间的


接触势垒就是肖特基势垒。在外电压的作用下 ，


SBD


也表现出单向导电的特性。


但 是，


SBD


在正向导通时，


N


型区中的电子是流到金属中而不是流到


P


型半导 体


中，


因此不存在扩散电容的问题。


恢 复时间仅是势垒电容的充放电时间。


其反向


恢复时间远小于相同 定额的结型二极管，而且反向恢复时间与反向


di/dt


无关，


正向压降较小，漏电流较大，电压定额较低。









图


1


．


1 (a)


普通二极管


(b)


快恢复二极管


(b)


肖特基二极管









(d)


大功率二极管



1


．


3



晶闸管



1


．


3


．


1



普通晶闸管



普通晶闸管曾称为硅可控 整流器，简称可控硅，为方便起见往往仍沿用


SCR


表示普通晶 闸管。



SCR


是具有四层

< p>
PNPN


结构、三端引出线的半导体器件，外形有两种形式：螺

< p>
栓形和平板形，如图


1.2


所示。











图


1


．


2


螺栓形和平板形晶闸管



在螺栓形晶闸 管中，


螺栓一端是阳极


A


，

< p>
使用时将该端用螺母固定在散热器上；


另一端有两条引线：粗引线是阴极< /p>


K


，细引线是门极


G

。其散热是用两个互相绝


缘的散热器把器件紧夹在中间，


由 于散热效果较好，


容量较大的


SCR


都 采用平板


式结构。



晶闸管导通的工作 原理可以用双晶体管模型来解释，如图


1.3


所示。

< p>


A








G








K


K


N1


P2


N2< /p>


N1


P2


G


A< /p>


I


A


P1


I


G


S


I


C1


PNP


I


C2


R


NPN


I


K


E


A


图


1


．


3


晶闸管的双晶体管模型及其工作原理


a)


双晶体管模型


b)


工作原理



如在器件上取一倾斜的 截面，则晶闸管可以看作由


P


1


N


1


P


2


和


N


1


P


2


N


2


构成的两个


晶体管


V


1


和


V


2


组合而成的。如果外电路向门极注入电流


I< /p>


G


，也就是注入驱动电


流，则

< p>
I


G


流入晶体管


V


2


的基极，即产生集电极电流


I


C2


，它构成晶体管


V


1< /p>


的基极


电流，放大成集电极电流


I


C1


，又进一步增大了


V

2


的基极电流，如此形成强烈的


正反馈，最后


V


1


和


V

< br>2


进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路


注入门极的电流


I


G


，晶闸管由于内 部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状


态。


而若要使晶闸管 关断，


必须去掉阳极所加的正向电压，


或者给阳极施加反压，< /p>


或者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，晶闸管才能关


断。所以，对晶闸管的驱动过程更多的是称为触发，产生注入门极的触发电流


I


G


的电路称为门极触发电路。


也正是 由于通过其门极只能控制其开通，


不能控制


其关断，晶闸管才被 称为半控型器件。



1


．


3


．


2



快速晶闸管（


Fast Switching Thyriso r


—


FST


）



快速晶闸管（如图


1.4


）包括所有专 为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快


速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分 别应用于


400kHz


和


10kHz< /p>


以上


的斩波或逆变电路中。


由于对普通晶 闸管的管芯结构和制造工艺进行了改进，


快


速晶闸管的开关时间 以及


du/dt


和


di/dt


的耐量都有了明显改善。


从关断时间来


看，普通 晶闸管一般为数百微妙，快速晶闸管为树十微妙，而高频晶闸管则为


10us

< p>
左右。与普通晶闸管相比，高频晶闸管不足在于其电压和电流定额都不易


做 高。


由于工作频率较高，


选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平 均电流时不能


忽略其开关损耗的发热效应。









图


1


．


4


快速晶闸管



1


．


3


．


3



双向晶闸管（


TRIAC


）

< p>


双向晶闸管可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成，

< p>
它有两个主电极


T


1


和< /p>


T


2


，一个门极


G


。门极使器件在主电极的正反方向均可触发导通，所以双向


晶 闸管在第Ⅰ和第Ⅱ象限有对称的伏安特性。


双向晶闸管与一对反并联晶闸管相

< p>
比是经济的，


而且控制电路比较简单，


所以在交流 调压电路、


固态继电器和交流


电动机调速等领域应用比较多。< /p>


由于双向晶闸管通常用在交流电路中，


因此不用

< br>平均值而用有效值表示其额定电流值。



1


．


3


．


4



逆导晶闸管


(RCT)

< p>
逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一关芯上的功率集成器件，


这种器件不具有承受反向电压的能力，


一旦承受反向电压即开通。

与普通晶闸管


相比，逆导晶闸管具有正向压降小、关段时间短、高温特性好、额定结 温高等优


点，


可用于不需要阻断反向电压的电路中。

< p>
逆导晶闸管的额定电流由两个，


一个


是晶闸管电流 ，一个是与之反并联的二极管的电流。



1

．


3


．


5



光控晶闸管（


LTT


）



光控晶闸管又称触发晶闸管，是利用一定波长的光 照信号触发导通的晶闸管。


小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，大功率光控晶闸 管则还带有光缆，


光缆上装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器。


由于采用光触发保证了


主电路与控制电路之间的绝缘，


而且可以避免电磁干扰的影响，


因此光控晶闸管


目前在高压大 功率的场合，


如高压直流输电和高压核聚变装置中，


占据重要的 地


位。



1


．


3


．


6



门极可关断晶闸管


GTO


普通晶闸管 由于耐压高、


电流大和相对较强的过载能力，


在高压大功率领域 将


继续广泛应用。


但由于晶闸管是半控型器件，


当用于斩波、


无源逆变等直流输入


电压的变流器中，就 存在器件如何关断（即换流）这一突出问题。为此必须附加


强迫换流电路，使得装置复杂 、笨重、效率低。在实际需要的推动下，随着理论


研究和工艺水平的不断提高，


在普通晶闸管基础上发展起来一种自关断电力电子


器件—门极可关断晶闸 管


GTO


。


GTO

也可看作是晶闸管的派生器件，主要应用于


大功率领域。


G TO


的电压、电流容量比其他全控型器件大，但它的驱动电路技术


难度大、价位高、使其推广受到限制。



GTO


的结构和静态特性与普通晶闸管类似，也为


PNPN


四层半导体结构的三端


器件，其电气符号与实物图如图


1.5< /p>


所示。为便于实现门极控制关断，与


SCR


不同，


GTO


是一种多元的功率集成器件，

< br>内部包含着数百个小


GTO


元。


这些小


GTO


元的阳极共有，


阴极由数 百个细长小条并联在一起，


周围被门极所包围，


以减小


门极和阴极之间的距离，


即阴极呈岛状结构。


阴 极宽度越窄、


门极与阴极距离越


短，越有利于关断。它们的门极 、阴极单独引线，分别并联在一起。组成一个


GTO


器件的所有


GTO


元特性应一致，


否则先开通和后 关断


GTO


元由于电流集中通


过它们而 烧毁。










图


1


．


5 (a) GTO


电气符号


(b)GTO


实物照片



GTO


的开通过程与晶闸管非常相似，


也可采用如图


3


所示的双晶体管模型来分


G


K


A


析。



1


为


P


1


N


1


P


2


晶体管的共基极电流 放大倍数，



2


为

N


2


P


2


N


1


晶体管的共基极电流


放大倍数。当



1




2



1


时，两个晶 体管均饱和导通而使


GTO


导通。


< /p>


1




2



1


时


的阳极电流为 临界导通电流，


定义为


GTO


的掣住电 流。


只有当阳极电流大于掣住


电流后


G TO


才能维持大面积导通。


GTO


与晶 闸管的最大区别就在于导通后



1


< /p>



2


不同，晶闸管常为

< br>1.15


左右，而


GTO


则非常 接近于


1


。因此，


GTO


处于临界饱和


状态，这位通过控制门极关断


GTO< /p>


提供了有利条件。



当

< br>GTO


已处于导通状态时，


对门极施加负的关断脉冲，< /p>


形成


-I


G


，< /p>


相当于将


I


C1


的


电流抽出，使


NPN


晶体管的基极 电流减小，


I


C2


随之减小，


PNP


晶体管基极电流的


减小又使


I


A



和

< br>I


C2


减小，


这是一个正反馈过 程。


当


I


C1



和


I


C2


减小 使得



1




2



1


时，< /p>


晶体管退出饱和，


GTO


不满足维持导通 的条件而关断。


GTO


关断时，随着阳极电

流的下降，阳极电压逐步上升，因而关断时的瞬时功耗较大。


1


．


3


．


7



MOS


控制晶闸管


< br>MOS


控制晶闸管是


MOSFET


和


SCR


的复合器件。


MCT


将


MOSFET


的高输入阻抗、


低驱动功率、


快速开关过程的特性与晶闸管的高压大电流、

< br>低导通压降特性结合


在一起，成为


20

< br>世纪


80


年代末最热门的器件之一。


一个


MCT


器件由数以万计的< /p>


MCT


元组成，


每个元的组成为：


一个


PNP


晶体管和


一个


NPN


晶体管（三者组成


SCR< /p>


）


、一个控制该晶体管开通的


MOSFE T


（


ON-FET


）

< br>和一个控制该晶体管关断的


MOSFET(OFF- FET)


。


ON-FET


连接在


PNP


晶体管的射、


集极之间，


OFF-FET


连接在


PNP


晶体管的基、射极之间，这两组


MOSFET


的栅极


连接在一起，构成


MCT


门极。



MCT


采用双门极控制，


当 门极相对于阳极加负脉冲电压时，


ON-FET


导通，


从而


使


MCT


导通。当 门极相对于阳极加正脉冲电压时，


OFF-FET


导通，从而使


MCT


关


断。


使


MCT


触发导通的门极负脉冲一般为


-5


～


-15V


，

使其关断的门极正脉冲电压


幅值一般为


+10V

< p>
。



MCT


的静态特性与


SCR


一样，可承受反向电压，但它是一种新型的自关断场控< /p>


器件，驱动电路要简单的多。目前，


MCT


有三种结构：


MCT


、


BRT


及


EST


。其中，


M CT


和


BRT


强迫流过


MOSFET


沟道以达到


MOS


栅控制的目的，其正向安全工作区


与


IGBT


相当，但通态压降稍高。因此，


EST


是制造


MCT


的优选结构。目前已研


制出


3KV


的高压


MCT


，并有 很低的通态压降（约为


IGBT


的


1/ 3


）


。



MC T


的优点有：


电压、


电流容量大，


目前水平为阻断电压


3000V


，


峰值电流


1000A


，


最大电流关断密度为


6000A/cm


2


;


通态压降小，约为


1.1V


，仅为


IGBT


通态压降的


1/3

< p>
；


开关速度快，


开关损耗小，

开通时间为


200ns


，


可以在< /p>


2us


时间内关断


1000V

< p>
。


电压；工作温度高，其温度受限于反向漏电流，上限值可达


250


～


270


。


C


；


MCT


即使关断失 败，


器件也不会损坏；


当工作电压超过安全工作区时，


MCT


可能失效，


可用简单的熔断器件进行短路 保护；


MCT


容易串并联实用，以满足更大功率的要

< p>
求。



MCT


曾一度被认 为是一种最有发展前途的电力电子器件，但是，经过十多年的


努力，其关键技术没有大的 突破，而与此同时其竞争对手


IGBT


却进展飞速，所


以目前从事


MCT


研究和开发的人不多。



1


．


3

< p>
．


8



集成门极换向型 晶闸管（


IGCT


）



为了适应高电压大功率的需要，国内外开展了新型功率开关器件


IGCT


的研究


工作，


IGCT


的全称是集成门极换向型晶闸管，是在


IGCT


和

< p>
GTO


成熟技术的基础


上，


专门为高电压大功率场合而设计的功率开关器件，


它将


GTO


芯片与反并联二


极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱 动器在外围以低电感方式连接，


结合了晶体管和晶闸管两种期间的优点，


即晶体管的稳定的关断能力和晶闸管的


低通态损耗，


I GCT


在导通期间发挥晶闸管的性能，关断阶段呈类似晶体管的特


性。


IGCT


具有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、 结构紧凑、损耗低的


特点。此外，


IGCT

还具有制造成本低和成品率高的特点，有极好的应用前景。



IGCT


是


GCT


（门极换向型晶闸 管）


和集成门极驱动电路的合称。


当


G CT


工作在


导通状态时，


是一个类似于 晶闸管的正反馈开关，


其特点是携带电流能力强和通


态压降低。 在关断状态时，


GCT


门—阴极


PN< /p>


结提前进入反向偏置，并有效地退


出工作，整个期间呈晶体管方式 工作。







图


1


．


6


各种封装形式的


IGCT


GCT


关断时，通过打开一个与阴极串联的开关（通常是


MOSFET


）


，使


P


基极


-N


发射极反偏，


从而迅速阻止阴极注入，


将整体的阳极电流强制转化为门极电流


（通

常在


1us


内）


，这样便把


GTO


转化为一个无接触基区的


NPN


晶体管，消除了阴极


发射极的正反馈作用，


G TO


也就均匀关断，而且没有载流子收缩效应。这样，它


的最大 关断电流比传统


GTO


的额定电流高出许多。

< br>由于


GCT


在增益接近


1


时关断，


因此，保护性的吸收电路可省去。



IGCT


的关键设计技术如下：采用缓冲层，使芯片所需的厚度 减少，相应地降


低导通和关断损耗；


采用透明发射极技术。


大大降低了门极触发功率，


并缩短了


关断时 间；采用低电感的安装结构和门极驱动电路，具有良好的开关性能。图


1.6

< p>
是各种封状形式的


IBCT


。


IGCT


的典型应用有：①串联应用。与


GTO


相比，


IGCT


的一 个突出的优点是存


储时间短，因而在串联应用时，各个


IGC T


关断时间的偏差极小，其分担的电压


会较为均衡，

< p>
所以适合大功率应用。


在铁路用


100MV.A< /p>


转换控制网络的输出级中，


采用了


12< /p>


个


IGCT


，每组


6


个串联，直流



中间电路电压额定 值为


10KV


，输出电


流为

< p>
1430A


；②牵引逆变器。由于牵引领域的广泛需要，逆导


IGCT


发展很快，


IGCT


可无吸收关断，比


GTO


逆变器更加紧凑。在目前已成功应用 的


IGCT


三相逆


变器中，

< p>
只需要


di/dt


限制电路，

门极驱动电源在中心放置，


进一步减小了逆变


器的体积。< /p>



IGCT


在


G TO


技术基础上进行了重大改进，采用硬驱动技术，在整体结构上集

成了门极驱动电路和反并联二极管，省去了吸收电路，易于串联应用。


IGCT


兼


具了


GTO


和< /p>


IGBT


的优点：电流容量大、阻断电压高、开关频率高、可靠性 高、


结构紧凑、便于集成、损耗低，适合于中电压大功率应用场合。

IGCT


的生产工


艺与


GTO


完全兼容，是极具发展潜力的新一代功率器件。


< br>1


．


3


．


9



静电感应晶闸管


SITH < /p>


SITH


诞生于


1972


年，


是在


SIT


的漏极层上附 加一层与漏极层导电类型不同的


发射极层而得到的。


因为其工作 原理也与


SIT


类似，


门极和阳极电压 均能通过电


场控制阳极电流，因此


SITH

又被称为场控晶闸管。由于比


SIT


多了一个具有少


子注入功能的


PN


结，


因而


SITH


是两种载流子导电的双极型器件，


具有电导调制


效应，通态压降低、通流能力强。其很多特性与


GTO


类似，但开关速度比


GTO

高得多，是大容量的快速器件。



SITH


一般也是正常导通型，但也有正常关断型。此外，其制造工艺比


GTO


复


杂得多，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。

< p>


1


．


4


晶体管



1


．


4


．


1


功率场效应晶体管



(1)


功率


M OSFET


的类型



功率场效应晶体管 分为结型和绝缘栅型，


但通常主要指绝缘栅型，


栅极是由多


晶硅制成的，它同基片之间隔着


SiO


2< /p>


薄层，因此它同其它两个极之间是绝缘的。


这样一来，只要


SiO


2


层不被击穿，栅极对源极之间的阻抗 是非常高的。结型功


率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（


SIT


）


。



根据载流子的性质，功率


MOSFET


可分为

< br>P


沟道和


N


沟道两种类型，符号 与实


物如图


1.7


所示。







D


D



G



S


G



S



(a) (b) (c)


图


1


．


7 < /p>


功率


MOSFET


的符号



（


a


）

< br>N


沟道


(b) P


沟道


(c)


实物图片



它由三个电极：栅极


G


、源极


S


、 漏极


D


。


N


沟 道中的载流子是电子，


P


沟道中


的载流 子是空穴。其中每一种类型又可以分为增强型和耗尽型。增强型


MOSFET

< p>
在


U


GS


=0

< p>
时，


无导电沟道，


漏极电流


I


D


=0;


耗尽型

< br>MOSFET


在


U


GS


=0


时，


导电沟道已


存 在。功率


MOSFET


主要是


N


沟道增强型。



(2)


工作原理



当漏、源极间加正向电压， 栅、漏极间


U


GS


=0


时，


P


基区与


N


漂移区之间形成


的


PN


结反 偏，漏源极之间无电流流过。如在栅源极间加正电压


U


GS


，栅极是绝缘


的，所以不会有栅极电流流过，但栅极的正电压会将其 下面


P


区中的空穴推开，


而将


P


区中的少子—电子吸引到栅极下面的


P


区表面。


当


U


GS< /p>


>U


T


(U


T< /p>


为开启电压或


阈值电压


)


时，栅极下


P


区表面的电子浓度将超过空穴浓度，使< /p>


P


型半导体反型


成反型层，该反型层形成


N


沟道而使


PN


结消失，漏极和源极导电，流过漏极电


流。



1


．


4


．

2



绝缘栅双极晶体管


IGBT


绝缘栅双极晶体管


（


IGBT


）


是一种复合型电力半导体器件。


它将


MOSFET


和


GTR


的优点集于一身，


具有耐压高、


电流大、


工作频率高、


通态压降低、


驱动功率小、

无二次击穿、安全工作区宽、热稳定性好等优点。


IGBT


制造技术成熟，自


20


世


纪

< p>
80


年代初问世以来，已发展到第四代产品，在电机控制、中频和开关电源 ，


以及要求快速、低损耗的领域备受青睐。



(1) IGBT


的结构原理



IGBT


是从功率


MOSFET


发展而来，图


1.8


给出了一种由

< br>N


沟道


MOSFET


与双极


晶体管复合而成的


IGBT


基本结构、


符号、


等效电路和实物照片。


由图可知，< /p>


IGBT


与


N


沟 道


MOSFET


结构十分类似，不同之处是

IGBT


多一个


P


+


层发射极，形成


PN


结


J1


，


由此引出集电极；


发射极和栅极与< /p>


N


沟道


MOSFET

类似。


IGBT


可按缓冲区


的有无 来分类，


缓冲区是介于


P


+

< p>
发射区和


N


-


漂移区之间 的


N


+


层。


有


N


+


缓冲区称为


非对称型


IGBT


，也称为穿透型


I GBT


；无


N


+


缓冲区称为对称型


IGBT


，也称为非穿

透型


IGBT


。由于其结构的不同，器件的性能也有所不同 ，非对称型


IGBT


反向阻


断能力弱， 但正向阻断能力强，但正向压降低，关断时间短，关断尾部电流小；


对陈型


IGBT


具有正、反向阻断能力，但特性不及非对称的


IGBT


。



从结构图中可以看出，


IGBT


相当于一个由


N


沟道


MOSFET


驱动的厚基区

GTR


（


PNP


型）


，其简化等效电路如图


5


（


b


）所示，等效电路中


R


dr


是厚基区


GTR


基区内的


扩展电阻。


IGBT


是以


GTR


为主导元件、


N


沟道


MOSFET


为驱动元件的达林顿结构。


图

< br>5


（


b


）为以

< br>GTR


形式表示的


IGBT


符号 ，若以


MOSFET


形式表示，也可将


IGBT


的集电极称为漏极、发射极称为源极。







J3



发射极


E


栅极


G


C


U


J1


I


D


R< /p>


dr


N


+


N


+


+


N


+


P


N


+


N


-


N


+


J1


P


+


-


+

漂移区


缓冲区


注入区


J2


-


+


G














C


-


集电极


E


(a) (b)


C


G


(c) (d)


图


1


．


8 (a) IGBT


的结构


(b)


简化等效电路



(c)


电气图形符号


(d)


大功率


IGBT


以上所示


PNP


晶体管与


N


沟道


MOSFET


组合而成的


IGBT


称为


N


沟道


I GBT


，相


应的，改变半导体的类型可制成

P


沟道


IGBT


，即


MOSFET


为


P


沟道，< /p>


GTR


为


NPN


型，其符号和


N


沟道


IGBT


箭头方向相反。



(2)


工作原理


IGBT


的开通与关断是由栅极电压来控制的。以


N


沟道


IGBT


为例，栅极施以正


电压时，


MOSFET


内形成导电沟道，

< p>
并为


PNP


晶体管提供基极电流，


使


IGBT


导通。


此时，从< /p>


P


+


区注入到


N


-


区的空穴（少子）对


N


-


区进行电导调制，减少了


N


-


区的总


电阻，使高耐压的


IGBT


也具有低的通态压降。在栅极施以负压时，


MOSFET


内的


沟道消失，


PNP


管的基极电流被切断，


IGBT


即被关断。

< br>


1


．


4


．


3



静电感应晶体管


SIT


SIT


诞生于


1970


年，实际上是一种结型场效应 晶体管。将用于信息处理的小


功率


SIT


器件的横向导电结构改为垂直导电结构，即可制成大功率的


SIT

器件。


SIT


是一种多子导电的器件，其工作频率与电力< /p>


MOSFET


相当，甚至超过电力


MOS FET


，而功率容量也比电力


MOSFET

大，因而适用于高频大功率场合，目前已


在雷达通信设备、


超声波功率放大、


脉冲功率放大和高频感应加热等某些专业领


域 获得了较多的应用。



但是


SIT


在栅极不加任何信号是导通的，


栅极加负偏压时关断，


这也被称为正


常导通型器件，使用不太方便。此外，


SIT


通态电阻较大，使得通态损耗也大，


因而


SIT


还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
























第二章



电力电子控制技术



2


．


1


直流斩波电路




2


．


1


．


1


降压斩波电路



斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，


也可带蓄电池负载 ，


两种情况下


负载中均会出现反电动势，如图

< br>Em


所示，图中在


V


关断时给负 载中的电感电流


提供通道，设置了续流二极管


VD


。



工作原理如图


2


．


1:


t=0


时< /p>


V


导通，


E


向负 载供电，


u


0


=E

，


i


0


按指数曲线上升

< p>
;


t=t


1


时


V


关断，


i


0


经


VD


续流，


u


0


近似为零


,


i


0


呈指数曲线下降，为使


i


0


连续且


脉动小，通常使


L< /p>


值较大。








E


V


VD


L


i


o


u


o


R

< p>
+


E


M


M


-



图


2


．


1



a)


U


GE


t


on


t


of f


T


i


1


i< /p>


2


降压斩波电路的原理图



U



GE


< /p>


t


t


on


T


t


off


t





i


0


i


0


i


1


t


1


t


x


i


2


t


2

< br>t


I10


U


0

< br>E


I20


t


1

< br>t


2


t



U


0


E



E


M


t


t



b)


电流连续时的波形




















c)


电流断续时的波形



数量关系：



电流连续时，负载电压平均值










导通占空比，简称占空比或导通比。



t


on


t


on


U


o



E



E




E







t



on






t


off








T














（


2


-


1


）




0


随之减小降压斩波电路，也称为


Buck


变换器（


Buck


U

0


最大为


E


，减小


,U


Converter


）

。



负载电流平均值


< p>
若负载中


L


值较小，


则在


V


关断后，


负载电流在提前衰减到零，


因此会出现负


斩波电路三种控制方式


:


（


1


）脉冲宽度调制（


PWM


）或脉冲调宽型——


T


不变，调节


t


on


（


2


）频率调制或调频型——


t


on


不变，改变


T


（


3


）混合型——


t


on


和


T


都可调，使占空比改变

< br>


2


．


1


．


2


升压斩波电路



U


o



E

m


I



o














（


2


-2


）
































R



载电流 断续的情况，


u


0


平均值会被抬高，但 是一般不希望出现电流断续的情况。



L


i


1


E


V


i


o


VD


C


u< /p>


o


R
































图


2


．


2



升


压


斩


波


电


路


及

< br>其


波


形



工作原理如图


2


．


2


：



假设电路中


L

< p>
值、


C


值很大。当


V


处于通态时，电源


E


向电感


L


充电，充电电


流基本恒为


I


1


，同时


C


的 电压向负载供电，因


C


值很大，输出电压


u


0


为恒值，


记为

< br>U


0


。设


V

处于通态的时间为


t


on


，此阶段


L


上积蓄的能量为


EI


1


t


on


；

< br>V


处于断


态时，


E


和


L


共同向


C


充电并向负载


R


供电。设


V


关断的时间为


t


off


，则此期间


电感


L


释放能量为



U


o



E



I


1


t


off


。




I


0


I


1


U


GE


稳态时， 一个周期


T


中


L


积蓄能量与释放能量相等，即



EI


1


t


on




U


o



E



I


1


t


off



















（


2-< /p>


3


）



化简得：


U


o



t


on



t


off< /p>


t


off


T


E< /p>



E



t


off













（


2-


4< /p>


）



T


/


t


off



1


输出电压高于电源电压，


上式中的，



故称升压斩波电路，


也称之为


boos t


变换器。




式中


T/t


off


表示升压比，调节 其即可改变


U


0


，将升压比的倒数记作



，即





t


off


T



。



< /p>



和导通占空比



有如下关系


：



< br>




1






























（


2


-


5


）



1


1


E



E





（


2-


6< /p>


）



因此，式（


2-4


）可表示为：


U


o




1


< br>



升压斩波电路能使输出电压高于电源电压的原因，< /p>


L


储能之后具有使电压泵升的


作用，电容


C


可将输出电压保持住。


< p>
升压斩波电路目前的典型应用，


一是用于直流电动机传动，


二是用作单相功率


因数校正电路，三是用于其他交直流电源中。



2


．


1

．


3


升降压斩波电路



V


i



1



E



u



L



VD


i



2



I



L



L



C



u



o



R



a)



i


1


I


L


t


on< /p>


t


off


o


i< /p>


2


I


L


t


o


b)


t



图


2


．


3




升


降

< br>压


斩


波


电


路


及


其


波


形



a


)


电


路


图















b)


波


形


< /p>


设


L


值很大，


C


值也很大，


使电感电流


i


l


和电容电压即负载电压


U


o


基本为恒值。



工作原理如图


2


．


3


：

< p>


当


V


处于通态时，电源


E


经


V


向


L


供电使其贮存能量，此时电流为


i


1


。同


C


维持输出电 压恒定并向负载


R


供电。


< p>
当


V


处于断态时，


L


的能量向负载释放，


电流为


i


2


。


负载电压极性为上负下正，

与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。



稳 态时，一个周期


T


内电感


L

< p>
两端电压


u


l


对时间的积 分为零，即




T

0


u


L


d


t



0


（


2-


7


）






































当


V


处


于


通< /p>


态


期


间


，


u


l


=E


；


而


当


V


处


于


断


态


期

< br>间


，


u


l


=-u


0


。


于


是


：



E



t


on



U


o



t


of f



（


2-8


）



所以输出电压为：



U


o



< /p>


改变



t


on< /p>


t



E



on


E



E


t


off


T



t


on


1


< p>



（


2-9


）



，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。



当


0





1


2


时为降压



当


1


2

< p>




1


时为升压



因此称作升降压斩波电路或称之为


buck-boost


变换器。



2


．


1


．


4


Cu k


斩波电路



图


2


．


4


所示为


Cuk


斩波电路的原理图及其等效电路


。


L


1


C


L


2


E


V


VD


u


o


R


a)< /p>


i


1


L


1


+


B


C


-

< p>
s


A


L


2


i


2


u


o

u


A


E


R


u


B



b)


i


1


L


1


+< /p>


B


C


-


s


A


L


2


i

< p>
2


u


o


u


A


E


R


u

B



c)


图

2


．


4


C


u


k


斩


波


电


路


及


其


等


效


电


路



当


V


处于通态时，


E< /p>


—


L


1


—


V


回路和


R


—


L


2


—


C

< p>
—


V


回路分别流过电流，当


V


处于


断态时，


E

< br>—


L


1


—


C


—


VD


回路和

R


—


L


2


—


VD


回路分别流过电流，输出电压的极性与

< br>电源电压极性相反，


等效电路如图


3-5b


所示，


相当于开关


S


在


A


、


B


两点之间交


替切换。



稳态时电容


C


的电流在一周期内的平均值应为零，也就是其对时间的积分为


T


零，即



0


i


C


d


t


0















（


2-< /p>


1


0


）



在图


3-5b


的等效电路中，


开关


S


合向


B


点时间即


V


处于通态的时间


t


on


，


则


电容 电流和时间的乘积为


I


2


t

< p>
on


。


开关


S

< p>
合向


A


点的时间为


V


处于断态的时间


t


off

< br>，


则


电


容


电


流


和


时


间


的


乘


积


为


I


1


t


off


。


由


此


可


得


I


2


t


on



I


1


t


off












（


2


-11


）



从


而


可


得


I


2


t


off


T



t


on


1







I

1


t


on


t


on



（


2-


1


2


）





















当电容


C


很 大使电容电压


U


c


的脉动足够小时，输 出电压


U


0


与输入电压


E


的关


系可用以下方法求出：



当开关


S


合到


B


点时，


B


点电压

U


B



0


，


A


点电压


U


A




U


C< /p>


；


当


S


合到


A


点时，


t


off


U


B



U


C


，


U


A



0


，因此，


B


点电压


U


B


的平均值 为



（


U


c


为电容电压


U


B< /p>



U


C


T


u


c


的平均值）


，又 因电感


L1


的电压平均值为零，所以



t


off


E




U


B



U


C


。



T


t


on


U

< p>


U


C


，且


L


2


的电压平均值为零，按图


另一方面，


A


点的电压平均值为



o


t


3-5b


中输出电压


U


o


的极性，有

< p>


U


A




on


U

< br>C


。于是可得出输出电压


U


o< /p>


与电源


T


电压


E


的关系：



T


t


on


t


on



U


o



E< /p>



E



E


t


off


T



t


on


1




优点（与升降压斩波电路相比）


：

< p>


















（


2


-1< /p>


3


）



这一输入输出关系与升降压斩波电路时的情况相同。



输入电源电流和输出负载电流都是连续的，


且脉动很小，


有利于对输入、


输出


进行滤波。



2


．


1


．


5 Sepic


斩波电路和


Zeta< /p>


斩波电路



图


2


．


5


分别给出了


Sepic


斩波电路和


Zeta


斩波 电路的原理图。



i


1


L


1


C


1

u


C1


E


V


i


2


L


2


C


2


a)


V


i< /p>


1


E


L


1


VD


C


2


u


o


R


C


1


L


2


u


o

< br>R


VD


b)


< br>图


2


．


5


S


ep


i


c


斩


波


电


路


和


Ze


t


a


斩< /p>


波


电


路



a


）


S


ep


i


c


斩


波


电


路





b


）


Zet


a


斩


波


电


路



Sepic


斩 波电路的基本工作原理是：当


V


处于通态时，

< br>E


—


L


1


—


V


回路和


C


1


—


V


—


L


2


回路同时导电，


L

< br>1


和


L


2


贮能。


V


处于断态时，


E

< p>
—


L


1


—


C1


—


VD


—负载（


C


2


和


R


）


回路及


L


2


—


VD


—负载回路同时导电，此阶段


E


和


L


1

既向负载供电，同时也向


C


1


充电 ，


C


1


贮存的能量在

< br>V


处于通态时向


L


2

< p>
转移。



Sepic


斩波 电路的输入输出关系由下式给出：



t


on


t


on



U


o



E


< /p>


E



E


t


off


T



t


on


1




（


2-


14


）









Z


eta


斩波电路也称双


Sepic


斩波电路，其基本工作原理是：在


V


处于通态期


间，电源


E


经开关

V


向电感


L


1

贮能，同时，


E


和


C


1


共同向负载


R


供电，并向


C


2


充电。待


V


关断后，


L


1


经


VD


向


C


1


冲电，其贮存的能量转移至


C


1


。同时，


C


2


向负


载供电，


L


2


的电流则经


VD


续流。



Zeta


斩波电路的输入输出关系为：




U


o



E



1




























（


2


-1


5


）



两种电路相比，具有相同的输入输出关系。


Sepic


电路中，电源电流和负载电


流均连续，有利于输入、 输出滤波，反之，


Zeta


电路的输入、输出电流均是断


续的。
























2


．


2


整流电路（


AC- DC


）



整流电路按器件组成可分为不 可控整流电路、半控整流电路和全控整流电路：


按电网相数可分为单相整流电路、


三相整流电路和多相整流电路；


按接线方式可


分为半波整流电路和全波整流电路等等。


有源逆变电路可以看成是整流电路的另


外一种工作方式，同一套整流装置既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态。

< br>


2


．


2


．


1


三相半波可控整流电路



图


2


．


6

< p>
为三相半波可控整流电路：









n


i


a


=i


T


1


a


b


T


1


T

< p>
2


T


3


a


)


i


b


c

< br>i


c


i


0


负


载


u


0
























































b


)











图


2


．


6



三相半波可控整流电路图






















a)


电路




b


）波形（



L


?


R


）















它可以看成是由三个单相半波可控整流电路通过三个晶闸管共阴极接法构成

< br>的，三个晶闸管的触发脉冲互差


120


0


。在三相电路中，通常规定






t





60




0




为触< /p>


发角



的起算点，下面分析带大电感时的 工作情况。



u


an


在








6








时刻触发


a


相晶闸管


T


1


导通，


a


相电压





加到负载上，


T


1


管通


t




< br>


过负载电流（


i


0

< p>
）


，


T


1


管道通一直持续到


b


相晶闸管


T


2


被触发为止。



在





t





5





6










时


刻


触


发


b


相


晶


闸


管


T


2


，


T


1


管

< br>立


即


加


上


反


向


电


压


（


u



ab







u



an






u



bn


< /p>


）而关断，负载电流也就立即转移到


T


2


管，负载被施加以


b


相电


压，这种情况一直持续到


c


相晶闸管


T


3


被触发为止。



3



在




t






2







时刻


触发


c


相


晶闸


管< /p>


T


3


，则


T


2


管


立即


加上


反向电压


（



u



bc






u



bn






u



cn


< /p>


）


而关断，


负载电流也就立即转移到


T


3


管，


c


相电压加到负载上，


直到


a

< br>相晶闸管


T


1


再一次被触发为止 。



从上述分析可知：



(1)


在负载电流连续情况下，每个晶闸管的导电角均为


2






3



。



(2)


在 晶闸管支路不存在电管情况下，晶闸管之间的电流转移是瞬间完成的。



(3)


负载上出现的电压波形是相电压波形。



(4)


未导通晶闸管所承受的电压是线电压而不是相电压。

< p>


(5)


整流输出电压的脉动频率为


3f


。



2


．


2


．


2


三相半控桥式整流电路



具有续流二极 管的三相半控桥式整流电路图，如图


2


．


7


：



i


T


1









i


0


=I


0


T


1


a


b


n


T

< p>
2


i


T


2


T


3


i


T

3


大电感


负载


i

< br>a


U


0


i


b


c


i


c













D3


D2


D1


i


D


i< /p>


D


3


i


D


2


i


D


1

< p>


a


）























b


)




图


2


．


7



三


相


半


控


桥


式


整

< br>流


电


路


图


及


其


波


形



a


）


电


路




b


）


波


形


（



L


?


R


）

< br>


在



L


?


R


情况下，可忽略负载电流的脉动。晶闸管的脉冲互差


120


0


。三个晶


闸管为共阴极接法，三个整流管为共阳极接法。



t

< p>



6




时刻触发


a


相


T


1


管道通时，必然是


c< /p>


现假定触发角为



，因此在




u


相整流管


D


1


导通，


因为此时


c


相电位最低，


于是


ac


出现在负载上，


负载电流


（


i


0


）


t



7


< br>6


为止，此时


u


ac



通过


T


1


和


D


1< /p>


管流通，直至




=0


。过后，


T

1


管加上反压，


续流二极管


D


导通，负载电流转到


D


管。若无续流二极管 ，


T


1


管道通时间要一直


延续到


b


相


T


2


管被触发导通为止，因此，在



7



6




t



5



6




期间，负载电


流自动地通过


T


1


和


D


2


续 流。



到


< /p>


b


相


T


2


管被触发导通，


同时


a


相整流管


D


2



也导通，


于是


u

ba



t



5



6




时，


i


0


通过


电压加到负载上，同时续流二极管


D


被 加上反向电压而关断，负载电流



T


1


和


D


2


管流 通，直到至




t



11



6< /p>


为止，此时


u


ba=0



。过后，


T


2


管加上反向电压


（


u


ba


变负）


，续流 二极管


D


又导通，负载电流转到


D


管。



t



9



6


< p>


时刻导通，一直持续到



同理，分析可知，


c


相

T


3


管在






t< /p>



5



2


。


在这期间


u


cb< /p>


电压出现在负载上。其它分析同上。



2


．


2


．


3


三相全控桥式整流电路



三相全控桥式 整流电路在工业领域获得广泛的应用，其电路图如图


2


．


8


：



i

< p>
T


1


i


0


=I


0


T


1

< br>a


b


n


T


3


T


5


大电感


负载


i


a


U


0


i


b


c


i< /p>


c


T


4


T


6


a)


T


2




b)



图


2


．


8


三相全控桥式整流电路



a)


电路


b)


波形图（



L


?


R

< br>）



将三相半控桥式整流电路中的三个整流管换成晶闸管 就构成三相全控桥式整


流电路，


T


1< /p>


，


T


3


和


T


5


三个晶闸管按共阴极联结，

< p>
T


2


，


T


4


和


T


6

< br>三个晶闸管按共阴


极联结。这六个晶闸管的触发次序按


6 -1-2-3-4-5-6


的顺序循环进行，而且


6

< p>
个晶闸管的触发脉冲要互差


60


o


。欲使电源接通到负载上，任何时刻都必需有两


个晶闸管同时导通，

< p>
因此每个触发脉冲的宽度要延续超过六分之一电源周期；


或


是采用双脉冲触发方式，即每发一个触发脉冲之后，间隔


60

< br>o


再发一个脉冲。因


为同组晶闸管的触发脉冲的相位差相 差


120


o


，所以晶闸管最大导电角< /p>



为


120


o< /p>


。


而且，每隔


60


o


就有一次换相，所以其整流输出电压的脉动频率是电源脉动频率

的


6


倍。



下面针对



L


?

R


情况进行分析。



在




t



(


< p>
6




)


以前，共阳极组的


T


6


管已导 通，这时触发


T


1


管导通。因此，



u


ab


电压加在 负载上。



在



(



6




)




t



(



2




)

< br>期间，


T


1


和

< br>T


6


管同时导通，




t



(

< p>


2




)


时刻，触发共阳极组的


T


2


管，


T


6


管被 加上反向电压而关断。


在



因此，在



(



2




)




t



(5


< p>
6




)


期间


T


1


和

< br>T


2


管同时导通，


u

< p>
ac


电压加在负载


上。




t



5



6




时刻，


触发共阴极组的


T


3


管，


T


1


管被加上反向电压而关断。


因


在



此，在


< /p>


(5



6




)




t



(7


< p>
6




)


期间，


T


3


和


T


2


管同时导通，


u


bc


电压加在负载


端。



从前面分析可知，电路中的晶闸管每隔


60


0



换相一次，而同组晶闸管每间隔



12 0


0


换相一次。对于感性负载，每个晶闸管的导电角总是


120


0


，因为一般负载

电流是连续的，


对于阻性负载，


负载电流可以连续，


也可以断续，


此处不再赘述。











2


．


3


逆变电路（


DC- AC


）



逆变电路根据直流侧电源性 质的不同可分为两种：


直流侧是电压源的称为电压


型逆变电路；


直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。


它们也分别被称为电压 源


型逆变电路和电流源型逆变电路。



电压型逆变电路有以下主要特点：



1


）



直流侧 为电压源，


或并联有大电容，


相当于电压源。

< br>直流侧电压基本无脉动，



直流回路呈现低阻抗。



2


）



由于直 流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻


< br>抗角无关。交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。



3


）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，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 馈的无功能量提供通道，


逆变桥各臂都反并联


了反馈二极管。< /p>



电流型逆变电路有以下主要特点：


< /p>


1


）直流侧串联有大电感，相当于电流源。直流侧电流基本无脉动 ，直流回路呈


现高阻抗。



2


）电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流

为矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电压波形和相位则因负载阻


抗情况的 不同而不同。



3


）当交流侧为阻感负 载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作


用。因为反馈无功能量时直流电 流并不反向，因此不必像电压型逆变电路那


样要给开关器件反并联二极管。



图


2


．

< br>9


分别是电压型与电流型的电路拓扑图：




Ld


D1


T 1


I


C


D4


T 4


R4


D3


C4


T3


D


R1


C1

L


Cd


Ud


a

b


R3


T2


D2

< br>R2


D1


T1


R1


C1


L


T2


R


D2


R2


C2


C2


a


I


C


D4

< p>
R4


C4


b


D3


T3


T4


C3


R4


C3

















a)








































b)



图


2


．


9 a)


串联谐振型逆变器（电压型）




b)


并联谐振型逆变器（电流型）








i


U


U


i














感性状态（串联）


















容性状态（并联）









串联谐振型逆变器和并联谐振型逆变器电路拓扑结构上的对偶 性导致两种逆


变器电路特性，工作波形的对偶关系，主要表现在以下几个方面，如表


2


：



表


2


串联与并联逆变器的比较




拓



扑



结



构




负载为串联谐振电路




功率器件需反并联二极管，为谐振电流提

功率器件需串联二极管，承受谐振电路产


供通路



工



作



特



性



输入电压为直流




输出电压为矩形波，输出电流近似正弦波



输出电流为矩形波，输出电压近似正弦波




一般工作在感性准谐振状态




电压源供电，逆变器换流需死区时间




优



缺



点



电压源供电，


浪涌电流大，


短路保护困难，


电流源供电，


电流冲击小，


短路保护容 易，


开路保护容易



串联谐振电路负载匹配方法较少




串联谐振型逆变器对负载电路拓扑结构要


并联谐振型逆变器对负载线路寄生参数敏


求较低，负载引线可适当加长



功率器件不需要承受反压




调功方式灵活




感，负载引线不宜过长


< p>
功率器件需承受反压，高速大容量二极管


选择困难



一般采用调节直流电压调功



开路保护相对较难



并联谐振电路负载匹配方法较灵活



电流源供电，逆变器换流需重叠时间



一般工作在容性准谐振状态



生的反向电压



输入电流为直流



负载为并联谐振电路



串联谐振型逆变器



采用大电容滤波，恒压源供电



并联谐振型逆变器



采用大电感滤波，恒流源供电



2


．


4


交交变频（


AC- AC


）



交交变频电路是把电网频率的 交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电


路，由于没有中间直流环节，因此属于直接 变频电路。



交交变频电路主要应用于大功率交流电机调速系统 ，


这种系统使用的是三相交


交变频电路，


三相交交变频电路是由三组输出电压相位各差


120


度的单相 交交变


频电路组成的。



电路接线方式


:



三相交交变频电路主要有两种接线方式，


即公共交流母线进线方式和输出星形< /p>


联结方式。



（


1


）



公共交流母线进线方式



公共交流 母线进线方式的三相交交变频电路简图，如图


2


．


10


：



图


2


．


10


公共交流母线进线三相交交变频电路



它有三组彼此独立的，


输出电压相位错开


120


度的单相交交变频电路构成，


它


们的电源进线电抗器接 在公共的交流母线上。


因为电源进线端公用，


所以三组单


相交交变频电路的输出端必须隔离。


为此交流电动机的三个绕组必须拆 开，


共引


出六根线。这种电路主要用于中等容量的交流调速系统 。



（


2


）



输出星形联结方式



输出星形联结方 式的三相交交变频电路原理图，如图


2


．


11


：



图4-24



a)

图4-25


b)










图


2


．


11


输出星形联结方式的三相交交变频电路



a)


简图


b)


详图



三组单相交交变频电路的输 出端是星形联结，电动机的三个绕组也是星形联


结，


电动机中性 点不和变频器中性点接在一起，


电动机只引出三根线即可。


因为


三组单相交交变频电路的输出联接在一起，


其电源进线就必须隔 离，


因此三组单


相交交变频器分别用三个变压器供电。


、



由于变频器输出端中点和负载中点相联接，


所以在构成三相变频电路的六组桥


式电路中，至少要有不同输出 相的两组桥中的四个晶闸管同时导通才能构成回


路，


形成电流，


和整流电路一样，


同一组桥内的两个晶闸管靠双触发脉冲保证同


时导通，而两组桥之间则是靠各自的触发脉冲有足够的宽度，以保证同时导通。



2


．


4


．


1 AC


—


AC


变换的典型电路



两组三脉波变流器组成的


AC/AC


变换器如图


2

< br>．


12


，当供给纯阻负载时，两组


变流器都工作于整流方式。



a


U< /p>


an


N


i


ap< /p>


U


bn


U


cn< /p>


b


P


i


o


i


an


u


o


负载


c


N



图


2


．


12


三脉波单相负载


AC/AC


变换器电路



三脉波和六脉波三相负载


AC/AC


变换器电路示于图


2


．


13


：



Z

< br>a


Z


a


b


c


a


Z


b


n


b


a


c


Z


b


Z


C


Z


c



























a)







































b)



图


2


．


13


三相输出的


AC/AC


变换器电路



a)


三脉波三相


b)


六脉波三相



三脉波三相电路用了


18


只晶闸管，


而 六脉波三相电路用了


36


只晶闸管。


可 见


AC/AC


变换器在提高脉波数时所用的开关器件是很多的， 但因脉波数提高，输出


电压波形更加接近正弦波。


< p>
通常，


电网换流的


AC/AC

变换器的输出频率限于电源频率的


1/3


以下，

< p>
因为过


高的输出频率将带来谐波增加的坏处。


改变 基准正弦波的频率，


就可以改变输出


频率。

改变调制因子，


就可以改变输出电压。


输出电压的峰值取决 于变流器所能


提供的最大输出电压的平均值。



此外，值得注意的有两点：



（


1


）无论负载是感性的，容性的还是阻性的，网侧电流总是滞后于其相 应的电


压。



（


2


）网侧基波电流滞后于相应电压的相角彼比负载的功率因数角大。

< br>


AC/AC


变换器实质上就是双重变流器，因此，从控 制上，除采用无环流控制方


式外，亦可采用有环流控制方式。不过环流工作方式仅在负载 电流较低时使用，


以维持负载电流的连续，


从而改善负载电流波 形。


当负载电流增大时，


又改换为


无环 流控制方式。



近年来出现了一种新颖的矩阵式变频电路，这种 电路也是一种直接变频电路，


电路所用的开关器件是全控型的，控制方式不是相控方式而 是斩控方式。



图


2

< br>．


14


中，图


a


是矩阵式变频电路的主电路拓扑。三相输入电压为


Ua


，


Ub


和


Uc


，三相输出电压为


Uu


，


Uv


和


Uw


。九个开关器件组成

< br>3


×


3


矩阵，因此该电


路被称为矩阵式变频电路，


也被称为矩阵变换器。


图中每个开关都是矩阵中的一


个元素，采用双向可控开关，图


b


给出了应用较多的一种开关单元。




a) b)


图


2


．


14


矩阵变换的等效电路



矩阵式变频电路 的优点是输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制；


输入电流也可控制为正弦波 且和电压同相，功率因数为


1


，也可控制为需要的功

< p>
率因数；


能量可双向流动，


适用于交流电动机的四 象限运行，


不通过中间直流环

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