(第5版)第1章 绪论（第4版为“概述”，无章序号）西安交通大学 电气工程学院 王兆安2009.11.28第第1章章 绪论绪论 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用 1.4 本教材的内容简介本教材的内容简介1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电力电力领域的领域的电子电子技术。技术。 电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力” 有区别有区别于于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力” ，后者特指电，后者特指电力网的力网的“电力电力” ，前者则更一般些。，前者则更一般些。 电子技术包括信息电子技术和电力电子技电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。子技术都属于信息电子技术。 31.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。 电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。础。 变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电力电子技术的核心。 输入输入 输出输出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类41.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W. Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力电力学学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图图1-1 描述电力电子学的倒三角形描述电力电子学的倒三角形51.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。是一样的，其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。是一致的。电力电子技术和电力学电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电子学和电力学的主要关系。子学和电力学的主要关系。 61.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电国内国外，通常都把电力电 图图1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图动是电气工程的一个二级学科。图1-2用两个三角形对电用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。科内各二级学科的关系。 71.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。础元件和重要支撑技术。 81.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。91.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。明期。 1904年出现了年出现了电子管电子管，它能在真空中对电子流进行控，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。力领域的先河。 20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水银整流器广泛用于电化学广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在这一时期，也应用这一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技术的一场革命。 101.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不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，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。111.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的为代表的全控型器全控型器件件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器件型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。的复合，综合了两者的优点。与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。121.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成混合集成技术技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术术的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。 131.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。 一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用，都是用电力电子装置进行调速的。电力电子装置进行调速的。 一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。 141.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种软起动装置也是软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。151.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用交通运输交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电子技术。也都离不开电力电子技术。 电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台高的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。161.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电直流输电在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整整流阀流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）、静止静止无功发生器（无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量等电力电子装置大量用于电力系统的用于电力系统的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质电能质量控制量控制，改善供电质量。，改善供电质量。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。充电等都需要电力电子装置。 171.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）181.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的器件的高频开关电源高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、。大型计算机所需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。191.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。201.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 新能源、可再生能源发电比如风新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变反应堆在产生强大磁场和核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。图图1-7 风场风场211.4 本教材的内容简介本教材的内容简介本教材的内容本教材的内容22第第2章章 电力电子器件电力电子器件 2.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.2 2.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.3 2.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.4 2.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.5 2.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.6 2.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块 本章小结本章小结 引言引言模拟和数字电子电路的基础模拟和数字电子电路的基础 晶体管和集成电路等电子器件晶体管和集成电路等电子器件 电力电子电路的基础电力电子电路的基础 电力电子器件电力电子器件本章主要内容：本章主要内容： 对电力电子器件的对电力电子器件的概念概念、特点特点和和分类分类等问题作等问题作了简要概述了简要概述 。 分别介绍各种常用电力电子器件的分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理工作原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。 242.1 2.1 电力电子器件概述电力电子器件概述 2.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 2.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成 2.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 2.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点252.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念电力电子器件的概念 电力电子器件（电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的是指可直接用于处理电能的主电路主电路中，实现电能中，实现电能的变换或控制的的变换或控制的电子器件电子器件。 主电路：在电气设备或电力系统中，直接主电路：在电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。承担电能的变换或控制任务的电路。 广义上电力电子器件可分为电真空器件和广义上电力电子器件可分为电真空器件和半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。半导体器件两类，目前往往专指电力半导体器件。 262.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件的特征电力电子器件的特征 所能处理所能处理电功率电功率的大小，也就是其承受电压和的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于电流的能力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子器件。处理信息的电子器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在在开关状态开关状态。 由信息电子电路来控制由信息电子电路来控制 ,而且需要而且需要驱动电路驱动电路。 自身的自身的功率损耗功率损耗通常仍远大于信息电子器件，通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装在其工作时一般都需要安装散热器散热器。 272.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征通态损耗通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。是电力电子器件功率损耗的主要成因。当器件的开关频率较高时，当器件的开关频率较高时，开关损耗开关损耗会随之增会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。大而可能成为器件功率损耗的主要因素。 通态损耗通态损耗断态损耗断态损耗开关损耗开关损耗开通损耗开通损耗关断损耗关断损耗电力电子器件的功率损耗电力电子器件的功率损耗282.1.2 应用电力电子器件的系统组成应用电力电子器件的系统组成电力电子器件在实际应用中，一般是由电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路控制电路、驱动驱动电路电路和以电力电子器件为核心的和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成一个系统。组成一个系统。 电气隔离电气隔离图图2-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成电力电子器件在实际应用中的系统组成292.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。流决定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 IGBT和和Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。断。 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。302.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照驱动信号的性质按照驱动信号的性质 电流驱动型电流驱动型 通过从控制端注入或者抽出通过从控制端注入或者抽出电流电流来实现导通或者关断的控制。来实现导通或者关断的控制。 电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压电压信号就可实现导信号就可实现导通或者关断的控制。通或者关断的控制。按照驱动信号的波形（电力二极管除外按照驱动信号的波形（电力二极管除外 ） 脉冲触发型脉冲触发型 通过在控制端施加一个电压或电流的通过在控制端施加一个电压或电流的脉冲脉冲信号来实现器件的开信号来实现器件的开通或者关断的控制。通或者关断的控制。 电平控制型电平控制型 必须通过必须通过持续持续在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电在控制端和公共端之间施加一定电平的电压或电流信号来使器件开通并流信号来使器件开通并维持维持在导通状态或者关断并维持在阻断状态。在导通状态或者关断并维持在阻断状态。 312.1.3 电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照载流子参与导电的情况按照载流子参与导电的情况 单极型器件单极型器件 由一种由一种载流子载流子参与导电。参与导电。 双极型器件双极型器件 由由电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。 复合型器件复合型器件 由单极型器件和双极型器件集成混合而成，由单极型器件和双极型器件集成混合而成， 也称混合型器件。也称混合型器件。 322.1.4 本章内容和学习要点本章内容和学习要点本章内容本章内容 按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其按照不可控器件、半控型器件、典型全控型器件和其它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的它新型器件的顺序，分别介绍各种电力电子器件的工作工作原理原理、基本特性基本特性、主要参数主要参数以及选择和使用中应注意的以及选择和使用中应注意的一些问题。一些问题。学习要点学习要点 最重要的是掌握其最重要的是掌握其基本特性基本特性。 掌握电力电子器件的掌握电力电子器件的型号命名法型号命名法，以及其，以及其参数参数和和特性特性曲线曲线的使用方法。的使用方法。 了解电力电子器件的了解电力电子器件的半导体物理结构半导体物理结构和和基本工作原理基本工作原理。 了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。了解某些主电路中对其它电路元件的特殊要求。332.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 2.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 2.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 2.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型342.2 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管引言引言电力二极管（电力二极管（Power Diode）自自20世纪世纪50年代初期就获年代初期就获得得应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二应用，但其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。极管仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管快恢复二极管和和肖特基肖特基二极管二极管，具有不可替代的地位。，具有不可替代的地位。 整流二极管及模块整流二极管及模块35AKAKa)IKAPNJb)c)AK2.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理电力二极管是以半电力二极管是以半导体导体PN结结为基础的为基础的, ,实际上是由一个面积实际上是由一个面积较大的较大的PN结结和和两端引两端引线线以及以及封装封装组成的。组成的。从外形上看，可以有从外形上看，可以有螺栓型螺栓型、平板型平板型等多等多种封装。种封装。图图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 基本结构基本结构 c) 电气图形符号电气图形符号362.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理二极管的基本原理二极管的基本原理PN结的结的单向导电性单向导电性 当当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自形成自P区流入而从区流入而从N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF，这就是这就是PN结的正向导通状态。结的正向导通状态。 当当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为结表现为高阻态高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。止状态。 PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截结反向偏置为截止的工作状态，这就叫止的工作状态，这就叫反向击穿反向击穿。 按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿两种形式两种形式 。 反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。结仍可恢复原来的状态。 否则否则PN结因过热而烧毁，这就是结因过热而烧毁，这就是热击穿热击穿。 372.2.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理PN结的电容效应结的电容效应 称为称为结电容结电容CJ，又称为又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电容CB和和扩散电扩散电容容CD 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。向电压较低时，势垒电容为主。 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。 结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在高速开关的状，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。382.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性伏安特性 正向电压大到一定值（正向电压大到一定值（门槛门槛 电压电压UTO ），），正向电流才开始正向电流才开始 明显增加，处于稳定导通状态。明显增加，处于稳定导通状态。 与与IF对应的电力二极管两端的对应的电力二极管两端的 电压即为其电压即为其正向电压降正向电压降UF。 承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引起的微小而数值恒定的引起的微小而数值恒定的反向反向 漏电流漏电流。IOIFUTOUFU图图2-5 电力二极管的伏安特性电力二极管的伏安特性392.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdtub)UFPiiFuFtfrt02V 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形a) 正向偏置转换为反向偏置正向偏置转换为反向偏置 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 动态特性动态特性 因为因为结电容结电容的存在，电压的存在，电压电流特性是随电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性开关特性。 由正向偏置转换为反向偏置由正向偏置转换为反向偏置 电力二极管并不能立即关断，而是须经电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。伴随有明显的反向电压过冲。 延迟时间延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间反向恢复时间：trr=td+ tf 恢复特性的软度恢复特性的软度： tf /td，或称恢复系或称恢复系 数，用数，用Sr表示。表示。t0:正向正向电流降电流降为零的为零的时刻时刻t1:反向电反向电流达最大流达最大值的时刻值的时刻t2:电流变电流变化率接近化率接近于零的时于零的时刻刻402.2.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置由零偏置转换为正向偏置 先出现一个先出现一个过冲过冲UFP，经经过过一段时间才趋于接近稳态压降一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如的某个值（如2V）。）。 正向恢复时间正向恢复时间tfr 出现电压过冲的原因出现电压过冲的原因:电电导调制效应导调制效应起作用所需的大量起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件大；正向电流的上升会因器件自身的自身的电感电感而产生较大压降。而产生较大压降。电流上升率电流上升率越大，越大，UFP越高。越高。 图图2-6 电力二极管的动态过程波形电力二极管的动态过程波形 b) 零偏置转换为正向偏置零偏置转换为正向偏置 412.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数正向平均电流正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大表示）和散热条件下，其允许流过的最大工工频正弦半波电流频正弦半波电流的平均值。的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有有效值相等效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。正向压降正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正稳态正向电流向电流时对应的正向压降。时对应的正向压降。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有使用时，应当留有两倍两倍的裕量。的裕量。 422.2.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。 最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下结不致损坏的前提下所能承受的所能承受的最高平均温度最高平均温度。 TJM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。反向恢复时间反向恢复时间trr浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流工频周期的过电流。432.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用能，特别是反向恢复特性的不同，介绍几种常用的电力二极管。的电力二极管。 普通二极管（普通二极管（General Purpose Diode） 又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多多用于开关频率不高（用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整流电路中。 其其反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长，一般在5 s以上以上 。 其其正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到可以达到很高。很高。 442.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型快恢复二极管（快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD） 恢复过程恢复过程很短，特别是很短，特别是反向恢复过程反向恢复过程很短（一很短（一般在般在5 s以下）以下） 。 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED） ，采用采用外延型外延型P-i-N结构结构 ，其，其反向恢复时间更短（可低于反向恢复时间更短（可低于50ns），），正向压降也正向压降也很很低（低（0.9V左右）。左右）。 从性能上可分为从性能上可分为快速恢复快速恢复和和超快速恢复超快速恢复两个等两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在在100ns以下，甚至达到以下，甚至达到2030ns。452.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型肖特基二极管（肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD） 属于属于多子多子器件器件 优点在于：优点在于：反向恢复时间反向恢复时间很短（很短（1040ns），），正向恢正向恢复过程中也不会有明显的复过程中也不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的情；在反向耐压较低的情况下其况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管；因此，也很小，明显低于快恢复二极管；因此，其其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还要小，效率都比快速二极管还要小，效率高。高。 弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场以下的低压场合；合；反向漏电流反向漏电流较大且对较大且对温度温度敏感，因此敏感，因此反向稳态损耗反向稳态损耗不不能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。能忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。462.3 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 2.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性 2.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 2.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件472.3 2.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言晶闸管（晶闸管（Thyristor）是是晶体闸流管晶体闸流管的简称，又称作的简称，又称作可控硅整流器可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Laboratories）发明了晶闸管，到发明了晶闸管，到1957年美国通用电气公司（年美国通用电气公司（General Electric）开发出了世界上第一开发出了世界上第一只只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化。年使其商业化。由于其能承受的由于其能承受的电压和电流容量电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在的，而且工作可靠，因此在大容量大容量的应用场合仍然具有比较重要的地的应用场合仍然具有比较重要的地位。位。晶闸管及模块晶闸管及模块482.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构晶闸管的结构 从外形上来看，晶从外形上来看，晶闸管也主要有闸管也主要有螺栓型螺栓型和和平板型平板型两种封装结两种封装结构构 。 引出引出阳极阳极A、阴极阴极K和和门极（控制端）门极（控制端）G三个联接端。三个联接端。 内部是内部是PNPN四层四层半导体结构。半导体结构。 图图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形外形 b) 结构结构 c) 电气图形符号电气图形符号 492.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理图图2-8 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 按照晶体管工作原理，按照晶体管工作原理，可列出如下方程：可列出如下方程：（2-2）（2-1）（2-3）（2-4）式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流增益；的共基极电流增益；ICBO1和和ICBO2分别是分别是V1和和V2的共基极漏电流。的共基极漏电流。502.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而当是很小的，而当发射极电流建立起来之后，发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。在晶体管在晶体管阻断状态阻断状态下，下，IG=0，而而 1+ 2是很小的。由上是很小的。由上式式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。漏电流之和。 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+ 2趋近于趋近于1的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）阳极电流）将将趋近于趋近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上会维持实际上会维持有限值有限值。 由以上式（由以上式（2-1）（2-4）可得）可得(2-5)512.3.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理除门极触发外除门极触发外其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 阳极电压上升率阳极电压上升率du/dt过高过高 结温结温较高较高 光触发光触发这些情况除了这些情况除了光触发光触发由于可以保证控制电路与由于可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。是最精确、迅速而可靠的控制手段。 522.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性静态特性静态特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通 。 当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通 。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通 。 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和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外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一电流降到接近于零的某一数值以下数值以下。 532.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，如果在器件时，如果在器件两端施加正向电压，则晶两端施加正向电压，则晶闸管处于正向闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有很小的正向漏电流流只有很小的正向漏电流流过。过。 如果正向电压超过临界如果正向电压超过临界极限即极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器则漏电流急剧增大，器件件开通开通 。 随着随着门极电流幅值门极电流幅值的增的增大，大，正向转折电压正向转折电压降低，降低，晶闸管本身的压降很小，晶闸管本身的压降很小，在在1V左右。左右。 如果门极电流为零，并如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零且阳极电流降至接近于零的某一数值的某一数值IH以下，则晶以下，则晶闸管又回到闸管又回到正向阻断正向阻断状态，状态，IH称为称为维持电流维持电流。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向转正向转折电压折电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+542.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性反向特性反向特性 其伏安特性类似其伏安特性类似二极管二极管的反的反向特性。向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的只有极小的反向漏电流反向漏电流通过。通过。 当反向电压超过一定限度，当反向电压超过一定限度，到到反向击穿电压反向击穿电压后，外电路如后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。剧增大，导致晶闸管发热损坏。 图图2-9 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向正向转折转折电压电压Ubo正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+552.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性动态特性动态特性 开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈 过程过程需要时间，再加上需要时间，再加上外电路外电路 电感电感的限制，晶闸管受到触发的限制，晶闸管受到触发 后，其阳极电流的增长不可能后，其阳极电流的增长不可能 是是瞬时瞬时的。的。 延迟时间延迟时间td (0.51.5 s) 上升时间上升时间tr (0.53 s) 开通时间开通时间tgt=td+tr 延迟时间随延迟时间随门极电流门极电流的增的增 大而减小大而减小,上升时间除反映晶上升时间除反映晶 闸管本身特性外，还受到闸管本身特性外，还受到外电外电 路电感路电感的严重影响。提高的严重影响。提高阳极阳极 电压电压,延迟时间和上升时间都延迟时间和上升时间都 可显著缩短。可显著缩短。 图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的90%100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA阳极电流稳阳极电流稳态值的态值的10%562.3.2 晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性关断过程关断过程 由于由于外电路电感外电路电感的存在，原处的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也是有过渡过程的。在衰减时必然也是有过渡过程的。 反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr 关断时间关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几百微秒。关断时间约几百微秒。 在在正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间内如果重内如果重新对晶闸管施加新对晶闸管施加正向电压正向电压，晶闸管，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。流控制而导通。图图2-10 晶闸管的开通和关断过程波形晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢复电反向恢复电流最大值流最大值尖峰电压尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA572.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数电压定额电压定额 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的正向正向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-9）。）。 国标规定断态重复峰值电压国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即为断态不重复峰值电压（即 断态最大瞬时电压）断态最大瞬时电压）UDSM的的90%。 断态不重复峰值电压应低于断态不重复峰值电压应低于正向转折电压正向转折电压Ubo。 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许是在门极断路而结温为额定值时，允许重复重复加在器件上的加在器件上的反向反向 峰值电压峰值电压（见图（见图2-8）。）。 规定反向重复峰值电压规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向为反向不重复峰值电压（即反向 最大瞬态电压）最大瞬态电压）URSM的的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压反向击穿电压。582.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电 压。压。 通常取晶闸管的通常取晶闸管的UDRM和和URRM中较小的标值作为该器件的中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。 选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍倍。电流定额电流定额 通态平均电流通态平均电流 IT(AV） 国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 C和规定的和规定的冷冷 却状态却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半 波电流的平均值。波电流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来定义的。来定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的 原则所得计算结果的原则所得计算结果的1.52倍。倍。 592.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数维持电流维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，电流，一般为几十到几百毫安。一般为几十到几百毫安。 结温结温越高，则越高，则IH越小。越小。 擎住电流擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的后，能维持导通所需的最小最小电流。电流。 约为约为IH的的24倍倍 浪涌电流浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性不重复性最大正向过载电流最大正向过载电流。602.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数动态参数动态参数 开通时间开通时间tgt和关断时间和关断时间tq 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的断态到通态转换的外加电压最大上升率外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大最大通态电流上升率通态电流上升率。 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。损坏。612.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管（快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST） 有有快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。 快速晶闸管的快速晶闸管的开关时间开关时间以及以及du/dt和和di/dt的耐量都有了的耐量都有了明显改善。明显改善。 从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。 高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。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通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。 622.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或或Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对可以认为是一对反并联联反并联联 接接的普通晶闸管的集成的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第反两方向均可触发导通，在第和第和第III象限有象限有对称的伏安特对称的伏安特性性。 双向晶闸管通常用在交流双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用电路中，因此不用平均值而用有效值有效值来表示其额定电流值。来表示其额定电流值。图图2-11 双向晶闸管的电气图形双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 632.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT） 是将是将晶闸管反并联一个晶闸管反并联一个二极管二极管制作在同一管芯上制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有的功率集成器件，不具有承受承受反向电压反向电压的能力，一的能力，一旦承受反向电压即开通。旦承受反向电压即开通。 具有正向压降小、关断具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电不需要阻断反向电压的电路中。路中。 图图2-12 逆导晶闸管的电气图形符号逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 642.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT） 是利用一定波长的是利用一定波长的光光照信号照信号触发导通的晶闸管。触发导通的晶闸管。 由于采用光触发保证由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间了主电路与控制电路之间的的绝缘绝缘，而且可以避免电，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前在晶闸管目前在高压大功率高压大功率的场合的场合。图图2-13 光控晶闸管的电气图形符光控晶闸管的电气图形符 号和伏安特性号和伏安特性 a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性 652.4 典型全控型器件典型全控型器件 2.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 2.4.2 电力晶体管电力晶体管 2.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管 2.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管662.4 典型全控型器件典型全控型器件引言引言门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。门极可关断晶闸管在晶闸管问世后不久出现。20世纪世纪80年代以来，电力电子技术进入了一个年代以来，电力电子技术进入了一个崭新时代。崭新时代。典型代表典型代表门极可关断晶闸管、电力晶体管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管。电力电力MOSFETIGBT单管及模块单管及模块672.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管晶闸管的一种派生器件，但晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于电流使其关断，因而属于全控全控型器件型器件。 GTO的结构和工作原理的结构和工作原理 GTO的结构的结构 是是PNPN四层半导体结四层半导体结 构构。 是一种多元的功率集成是一种多元的功率集成 器件，虽然外部同样引出个器件，虽然外部同样引出个 极，但内部则包含数十个甚极，但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的至数百个共阳极的小小GTO 元元，这些，这些GTO元的元的阴极阴极和和门门 极极则在器件内部则在器件内部并联并联在一起。在一起。 图图2-14 GTO的内部结构和电气图形符号的内部结构和电气图形符号a)各单元的阴极、门极间隔排列的图形各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号电气图形符号d) 682.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管 图图2-8 晶闸管的双晶体管模型晶闸管的双晶体管模型 及其工作原理及其工作原理 a) 双晶体管模型双晶体管模型 b) 工作原理工作原理GTO的工作原理的工作原理 仍然可以用如图仍然可以用如图2-8所示的所示的双晶体双晶体管模型管模型来分析，来分析，V1、V2的共基极电流的共基极电流增益分别是增益分别是 1、 2。 1+ 2=1是器件是器件临界导通的条件，大于临界导通的条件，大于1导通，小于导通，小于1则关断。则关断。 GTO与普通晶闸管的不同与普通晶闸管的不同 设计设计 2较大，使晶体管较大，使晶体管V2控制控制 灵灵敏，易于敏，易于GTO关断。关断。 导通时导通时 1+ 2更接近更接近1，导通时接，导通时接近近临界饱和临界饱和，有利门极控制关断，但，有利门极控制关断，但导通时管导通时管压降压降增大。增大。 多元集成结构，使得多元集成结构，使得P2基区基区横向横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。电阻很小，能从门极抽出较大电流。 692.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时只不过导通时饱和程度饱和程度较浅。较浅。 而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽而关断时，给门极加负脉冲，即从门极抽出电流，当两个晶体管发射极电流出电流，当两个晶体管发射极电流IA和和IK的的减小使减小使 1+ 21时，器件退出时，器件退出饱和饱和而关断。而关断。 GTO的的多元集成结构多元集成结构使得其比普通晶闸管使得其比普通晶闸管开通过程开通过程更快，承受更快，承受di/dt的能力增强。的能力增强。 702.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的动态特性的动态特性 开通过程与普通晶闸管开通过程与普通晶闸管类似。类似。 关断过程关断过程 储存时间储存时间ts 下降时间下降时间tf 尾部时间尾部时间tt 通常通常tf比比ts小得多，而小得多，而tt比比ts要长。要长。 门极负脉冲电流门极负脉冲电流幅值幅值越大，越大，前沿前沿越陡，越陡， ts就越就越短。使门极负脉冲的短。使门极负脉冲的后沿后沿缓慢衰减，在缓慢衰减，在tt阶段仍能阶段仍能保持适当的保持适当的负电压负电压，则可，则可以缩短以缩短尾部时间尾部时间。图图2-15 GTO的开通和关断过程电流波形的开通和关断过程电流波形 Ot0tiGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6抽取饱和导通时抽取饱和导通时储存的大量载流储存的大量载流子的时间子的时间等效晶体管从饱等效晶体管从饱和区退至放大区，和区退至放大区，阳极电流逐渐减阳极电流逐渐减小时间小时间 残存载残存载流子复流子复合所需合所需时间时间 712.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO的主要参数的主要参数 GTO的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。的许多参数都和普通晶闸管相应的参数意义相同。 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO 用来标称用来标称GTO额定电流额定电流。 电流关断增益电流关断增益 off 最大可关断阳极电流最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值与门极负脉冲电流最大值IGM之比。之比。 off一般很小，只有一般很小，只有5左右，这是左右，这是GTO的一个主要缺点。的一个主要缺点。 开通时间开通时间ton 延迟延迟时间与时间与上升上升时间之和。时间之和。 延迟时间一般约延迟时间一般约12 s，上升时间则随上升时间则随通态阳极电流值通态阳极电流值的增大的增大而而 增大。增大。 关断时间关断时间toff 一般指一般指储存储存时间和时间和下降下降时间之和，而不包括时间之和，而不包括尾部尾部时间。时间。 储存时间随储存时间随阳极电流阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于的增大而增大，下降时间一般小于2 s。不少不少GTO都制造成都制造成逆导型逆导型，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电，类似于逆导晶闸管。当需要承受反向电压时，应和压时，应和电力二极管电力二极管串联使用。串联使用。 722.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（电力晶体管（Giant TransistorGTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的大电流的双极结型晶体管（双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT） GTR的结构和工作原理的结构和工作原理 与普通的双极结型晶体管基本原理是一与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。样的。 最主要的特性是最主要的特性是耐压高耐压高、电流大电流大、开关开关特性好。特性好。 73 GTR的结构的结构 采用至少由两个晶体管按采用至少由两个晶体管按达林顿接法达林顿接法组成的单元结构，并采用集组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元成电路工艺将许多这种单元并联并联而成。而成。 GTR是由是由三层半导体三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。结构。2.4.2 电力晶体管电力晶体管图图2-16 GTR的结构、电气图形符号和内部载流子的流动的结构、电气图形符号和内部载流子的流动a) 内部结构断面示意图内部结构断面示意图 b) 电气图形符号电气图形符号 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动+表示高表示高掺杂浓掺杂浓度，度，-表表示低掺示低掺杂浓度杂浓度 742.4.2 电力晶体管电力晶体管空穴流电子流c)EbEcibic=bibie=(1+b )ib图图2-16 c) 内部载流子的流动内部载流子的流动 在应用中，在应用中，GTR一般采用共发射极接一般采用共发射极接法。集电极电流法。集电极电流ic与基极电流与基极电流ib之比为之比为 称为称为GTR的的电流放大系数电流放大系数，它反映，它反映了基极电流对集电极电流的控制能力。了基极电流对集电极电流的控制能力。当考虑到集电极和发射极间的漏电流当考虑到集电极和发射极间的漏电流Iceo时，时，ic和和ib的关系为的关系为 单管单管GTR的的 值比处理信息用的小功值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为率晶体管小得多，通常为10左右，采用左右，采用达林顿接法达林顿接法可以有效地增大电流增益。可以有效地增大电流增益。(2-9)(2-10)752.4.2 电力晶体管电力晶体管GTR的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 在在共发射极共发射极接法时的典接法时的典 型输出特性分为型输出特性分为截止区截止区、放放 大区大区和和饱和区饱和区三个区域。三个区域。 在电力电子电路中，在电力电子电路中， GTR工作在工作在开关状态开关状态，即工，即工 作在作在截止区截止区或或饱和区饱和区。 在开关过程中，即在截在开关过程中，即在截 止区和饱和区之间过渡时，止区和饱和区之间过渡时， 一般要经过一般要经过放大区放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层将导致绝缘层击穿。击穿。 极间电容极间电容 CGS、CGD和和CDS。 漏源间的漏源间的耐压耐压、漏极最大允许、漏极最大允许电流电流和最大和最大耗散功率耗散功率决决定了电力定了电力MOSFET的安全工作区。的安全工作区。 892.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管GTR和和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。动电路简单。绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolar TransistorIGBT或或IGT）综合了综合了GTR和和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。的优点，因而具有良好的特性。 902.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理的结构和工作原理 IGBT的结构的结构 是三端器件，具有是三端器件，具有栅极栅极G、 集电极集电极C和和发射极发射极E。 由由N沟道沟道VDMOSFET与与双双 极型晶体管极型晶体管组合而成的组合而成的IGBT， 比比VDMOSFET多一层多一层P+注入注入 区，实现对漂移区电导率进行调区，实现对漂移区电导率进行调 制，使得制，使得IGBT具有很强的具有很强的通流通流 能力。能力。 简化等效电路表明，简化等效电路表明，IGBT 是用是用GTR与与MOSFET组成的组成的达达 林顿林顿结构，相当于一个由结构，相当于一个由 MOSFET驱动的厚基区驱动的厚基区PNP晶晶 体管。体管。 图图2-23 IGBT的结构、的结构、简化等效电路和电气图简化等效电路和电气图形符号形符号a) 内部结构断内部结构断面示意图面示意图 b) 简化等效简化等效电路电路 c) 电气图形符号电气图形符号RN为晶体为晶体管基区内的管基区内的调制电阻。调制电阻。 912.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的工作原理的工作原理 IGBT的驱动原理与电力的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种基本相同，是一种场场控控器件。器件。 其开通和关断是由栅极和发射极间的电压其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。决定的。 当当UGE为正且大于开启电压为正且大于开启电压UGE(th)时，时，MOSFET内形成内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。导通。 当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。关断。 电导调制效应电导调制效应使得电阻使得电阻RN减小，这样高耐压的减小，这样高耐压的IGBT也也具有很小的具有很小的通态压降通态压降。 922.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性的基本特性 静态特性静态特性 转移特性转移特性 描述的是集电极电流描述的是集电极电流 IC与栅射电压与栅射电压UGE之间的之间的 关系。关系。 开启电压开启电压UGE(th)是是 IGBT能实现电导调制而能实现电导调制而 导通的最低栅射电压，随导通的最低栅射电压，随 温度温度升高而略有下降。升高而略有下降。 （a）图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 a) 转移特性转移特性 932.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管输出特性（伏安特性）输出特性（伏安特性） 描述的是以栅射电压描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电为参考变量时，集电极电流流IC与集射极间电压与集射极间电压UCE之间的关系。之间的关系。 分为三个区域：分为三个区域：正向正向阻断区阻断区、有源区有源区和和饱和区饱和区。 当当UCE0时，时，IGBT为为反向阻断工作状态。反向阻断工作状态。 在电力电子电路中，在电力电子电路中，IGBT工作在工作在开关状态开关状态，因而是在因而是在正向阻断区正向阻断区和和饱饱和区和区之间来回转换。之间来回转换。 (b)图图2-24 IGBT的转的转移特性和输出特性移特性和输出特性 b) 输出特性输出特性 942.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管动态特性动态特性 开通过程开通过程 开通延迟时间开通延迟时间td(on) 电流上升时间电流上升时间tr 电压下降时间电压下降时间tfv 开通时间开通时间ton= td(on)+tr+ tfv tfv分为分为tfv1和和tfv2两段。两段。 关断过程关断过程 关断延迟时间关断延迟时间td(off) 电压上升时间电压上升时间trv 电流下降时间电流下降时间tfi 关断时间关断时间toff = td(off) +trv+tfi tfi分为分为tfi1和和tfi2两段两段 引入了少子储存现象，因而引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于电力的开关速度要低于电力MOSFET。 图图2-25 IGBT的开关过程的开关过程952.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的主要参数的主要参数 前面提到的各参数。前面提到的各参数。 最大集射极间电压最大集射极间电压UCES 由器件内部的由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电晶体管所能承受的击穿电压所确定的。压所确定的。 最大集电极电流最大集电极电流 包括额定直流电流包括额定直流电流IC和和1ms脉宽最大电流脉宽最大电流ICP。 最大集电极功耗最大集电极功耗PCM 在正常工作温度下允许的最大耗散功率。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。 962.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的特性和参数特点可以总结如下：的特性和参数特点可以总结如下： 开关速度开关速度高，高，开关损耗开关损耗小。小。 在相同电压和电流定额的情况下，在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的的安安全工作区全工作区比比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。能力。 通态压降通态压降比比VDMOSFET低，特别是在电流较低，特别是在电流较大的区域。大的区域。 输入阻抗输入阻抗高，其输入特性与电力高，其输入特性与电力MOSFET类类似。似。 与电力与电力MOSFET和和GTR相比，相比，IGBT的的耐压耐压和和通流能力通流能力还可以进一步提高，同时保持还可以进一步提高，同时保持开关频率开关频率高高的特点。的特点。 972.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT的擎住效应和安全工作区的擎住效应和安全工作区 IGBT的擎住效应的擎住效应 在在IGBT内部寄生着一个内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开晶体管和作为主开关器件的关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN晶体晶体管的基极与发射极之间存在管的基极与发射极之间存在体区短路电阻体区短路电阻，P形体区的横形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一结施加一个个正向偏压正向偏压，一旦，一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，电流失控，这种现象称为控制作用，电流失控，这种现象称为擎住效应擎住效应或或自锁效应自锁效应。 引发擎住效应的原因，可能是引发擎住效应的原因，可能是集电极电流集电极电流过大（静过大（静态擎住效应），态擎住效应），dUCE/dt过大（动态擎住效应），或过大（动态擎住效应），或温度温度升高。升高。 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据还要小，因此所允许的最大集电极电流实际上是根据动态动态擎住效应擎住效应而确定的。而确定的。982.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 IGBT的安全工作区的安全工作区 正向偏置正向偏置安全工作区（安全工作区（Forward Biased Safe Operating AreaFBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。最大集电极功耗确定。 反向偏置反向偏置安全工作区（安全工作区（Reverse Biased Safe Operating AreaRBSOA） 根据最大集电极电流、最大集射极间电压和根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率最大允许电压上升率dUCE/dt。 992.5 其他新型电力电子器件其他新型电力电子器件 2.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCT 2.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT 2.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH 2.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT 2.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力基于宽禁带半导体材料的电力 电子器件电子器件1002.5.1 MOS控制晶闸管控制晶闸管MCTMCT（MOS Controlled Thyristor）是将是将MOSFET与与晶闸管晶闸管组合而成的复合型器件。组合而成的复合型器件。 结合了结合了MOSFET的高输入阻抗、低驱动功率、的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通快速的开关过程和晶闸管的高电压大电流、低导通压降的特点。压降的特点。由数以万计的由数以万计的MCT元元组成，每个元的组成为：组成，每个元的组成为：一个一个PNPN晶闸管，一个控制该晶闸管开通的晶闸管，一个控制该晶闸管开通的MOSFET，和一个控制该晶闸管关断的和一个控制该晶闸管关断的MOSFET。 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。 1012.5.2 静电感应晶体管静电感应晶体管SIT是一种是一种结型场效应晶体管结型场效应晶体管。是一种是一种多子导电多子导电的器件，其的器件，其工作频率工作频率与电力与电力MOSFET相相当，甚至超过电力当，甚至超过电力MOSFET，而而功率容量功率容量也比电力也比电力MOSFET大，因而适用于大，因而适用于高频大功率高频大功率场合。场合。栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为这被称为正常导通型器件正常导通型器件，使用不太方便，此外，使用不太方便，此外SIT通态电通态电阻阻较大，使得较大，使得通态损耗通态损耗也大，因而也大，因而SIT还未在大多数电力电还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。子设备中得到广泛应用。 1022.5.3 静电感应晶闸管静电感应晶闸管SITH可以看作是可以看作是SIT与与GTO复合而成。复合而成。 又被称为又被称为场控晶闸管（场控晶闸管（Field Controlled ThyristorFCT），），本质上是两种载流子导本质上是两种载流子导电电的的双极型双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。通流能力强。 其很多特性与其很多特性与GTO类似，但类似，但开关速度开关速度比比GTO高高得多，是得多，是大容量大容量的快速器件。的快速器件。 一般也是正常导通型，但也有一般也是正常导通型，但也有正常关断型正常关断型 ，电，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。 1032.5.4 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCT是将一个平板型的是将一个平板型的GTO与由很多个并联的电力与由很多个并联的电力MOSFET器件和其它辅助元件组成的器件和其它辅助元件组成的GTO门极驱门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。一起。 容量容量与普通与普通GTO相当，但相当，但开关速度开关速度比普通的比普通的GTO快快10倍，而且可以简化普通倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大应用时庞大而复杂的而复杂的缓冲电路缓冲电路，只不过其所需的，只不过其所需的驱动功率驱动功率仍然仍然很大。很大。 目前正在与目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。等新型器件激烈竞争。1042.5.5 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件基于宽禁带半导体材料的电力电子器件硅的禁带宽度为硅的禁带宽度为1.12电子伏特（电子伏特（eV），而宽禁带半导体而宽禁带半导体材料是指禁带宽度在材料是指禁带宽度在3.0电子伏特电子伏特左右及以上的半导体材左右及以上的半导体材料，典型的是碳化硅（料，典型的是碳化硅（SiC）、）、氮化镓（氮化镓（GaN）、）、金刚石等金刚石等材料。材料。基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将基于宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。以及随后的半导体制造工艺的困难。 1052.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块基本概念基本概念 20世纪世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将年代中后期开始，模块化趋势，将多多个器件封装在一个模块中，称为个器件封装在一个模块中，称为功率模块功率模块。 可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性。 对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求。从而简化对保护和缓冲电路的要求。 将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自将器件与逻辑、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，称为诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率功率集成电路（集成电路（Power Integrated CircuitPIC）。1062.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块实际应用电路实际应用电路 高压集成电路（高压集成电路（High Voltage ICHVIC） 一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片一般指横向高压器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。集成。 智能功率集成电路（智能功率集成电路（Smart Power ICSPIC） 一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片一般指纵向功率器件与逻辑或模拟控制电路的单片 集成。集成。 智能功率模块（智能功率模块（Intelligent Power ModuleIPM） 专指专指IGBT及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片及其辅助器件与其保护和驱动电路的单片 集成，也称智能集成，也称智能IGBT（Intelligent IGBT）。）。 1072.6 功率集成电路与集成电力电子模块功率集成电路与集成电力电子模块发展现状发展现状 功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之功率集成电路的主要技术难点：高低压电路之间的间的绝缘绝缘问题以及问题以及温升温升和和散热散热的处理。的处理。 以前功率集成电路的开发和研究主要在以前功率集成电路的开发和研究主要在中小功中小功率率应用场合。应用场合。 智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难智能功率模块在一定程度上回避了上述两个难点点,最近几年获得了迅速发展。最近几年获得了迅速发展。 功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为功率集成电路实现了电能和信息的集成，成为机电一体化的理想接口。机电一体化的理想接口。108本章小结本章小结将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本将各种主要电力电子器件的基本结构、工作原理、基本特性和主要参数等问题作了全面的介绍。特性和主要参数等问题作了全面的介绍。电力电子器件归类电力电子器件归类 按照器件内部按照器件内部电子电子和和空穴空穴两种载流子参与导电的情况两种载流子参与导电的情况 单极型单极型：肖特基二极管、：肖特基二极管、 电力电力MOSFET和和SIT等。等。 双极型双极型：基于：基于PN结的电结的电 力二极管、晶闸管、力二极管、晶闸管、GTO和和 GTR等。等。 复合型复合型 ：IGBT、SITH 和和MCT等。等。 图图2-26 电力电子器件分类电力电子器件分类“树树”109本章小结本章小结按驱动类型按驱动类型 电压电压驱动型器件驱动型器件 单极型器件和复合型器件。单极型器件和复合型器件。 共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工共同特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。作频率高。 电流电流驱动型器件驱动型器件 双极型器件。双极型器件。 共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，共同特点是：具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。但工作频率较低，所需驱动功率大，驱动电路也比较复杂。 按控制信号的波形按控制信号的波形 电平电平控制型器件控制型器件 电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如电压驱动型器件和部分电流驱动型器件（如GTR） 脉冲脉冲触发型器件触发型器件 部分电流驱动型器件（如晶闸管和部分电流驱动型器件（如晶闸管和GTO） 110本章小结本章小结电力电子器件的现状和发展趋势电力电子器件的现状和发展趋势 20世纪世纪90年代中期以来，逐渐形成了年代中期以来，逐渐形成了小功率小功率（10kW以下）以下）场合以场合以电力电力MOSFET为主，为主，中、大中、大功率功率场合以场合以IGBT为主的压倒性局面，在为主的压倒性局面，在10MVA以以上或者数千伏以上上或者数千伏以上的应用场合，如果不需要自关的应用场合，如果不需要自关断能力，那么断能力，那么晶闸管晶闸管仍然是目前的首选器件仍然是目前的首选器件 。 电力电力MOSFET和和IGBT中的技术创新仍然在继中的技术创新仍然在继续，续，IGBT还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用还在不断夺取传统上属于晶闸管的应用领域领域 。 宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于宽禁带半导体材料由于其各方面性能都优于硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料硅材料，因而是很有前景的电力半导体材料 。111第3章 直流斩波电路3.1 基本斩波电路基本斩波电路3.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 本章小结本章小结112第3章 直流斩波电路引言直流斩波电路（DC Chopper）将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter）。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。 电路种类6种基本斩波电路：降降压压斩斩波波电电路路、升升压压斩斩波波电电路路、 升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。复合斩波电路不同结构基本斩波电路组合。多相多重斩波电路相同结构基本斩波电路组合。1133.1 基本斩波电路3.1.1 降压斩波电路降压斩波电路3.1.2 升压斩波电路升压斩波电路3.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路3.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路 1143.1.1 降压斩波电路 电路结构 全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。 降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)1153.1.1 降压斩波电路工作原理工作原理c) 电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa) 电路图图3-1 降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。动画演示。1163.1.1 降压斩波电路数量关系数量关系电流连续负载电压平均值：（3-1）（3-2）tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 a-导通占空比导通占空比 电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。 负载电流平均值：1173.1.1 降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T 频率调制。ton和T都可调，改变占空比混合型。此种方式应用最多第2章2.1节介绍过：电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续1183.1.1 降压斩波电路同样可以从能量传递关系出发进行的推导 由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变 电源只在V处于通态时提供能量，为 在整个周期T中，负载消耗的能量为输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。1193.1.1 降压斩波电路 负载电流断续的情况：负载电流断续的情况： I10=0，且t=tx时，i2=0式（3-7）式（3-6）（3-16）tx1，输出电压高于电源电压，故为升压升压斩波电路。升压比；升压比的倒数记作b ，即。 b和a的关系：因此，式（3-21）可表示为 （3-23）（3-22）1233.1.2 升压斩波电路电压升高得原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即 ： 。 （3-24） 与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。输出电流的平均值Io为：(3-25)电源电流的平均值Io为：(3-26)1243.1.2 升压斩波电路2) 升压斩波电路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（PFC）电路三是用于其他交直流电源中ttTEiOOb)a)i1i2I10I20I10tontofftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20uo图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a） 电路图 b） 电流连续时 c） 电流断续时用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。动画演示。1253.1.2 升压斩波电路数量关系当V处于通态时，设电动机电枢电流为i1，得下式：(3-27)当V处于断态时，设电动机电枢电流为i2，得下式：（3-29）当电流连续时，考虑到初始条件，近似L无穷大时电枢电流的平均值Io，即（3-36）该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了 。1263.1.2 升压斩波电路如图3-3c，当电枢电流断续时：当t=0时刻i1=I10=0，令式（3-31）中I10=0即可求出I20，进而可写出 i2的表达式。另外，当t=t2时，i2=0，可求得i2持续的时间tx，即图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形-电流断续的条件txt0fftOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI201273.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路 升降压斩波电路升降压斩波电路 (buck -boost Chopper) 电路结构1283.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路基本工作原理a)otb)oti1i2tontoffILIL图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。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。动态演示。1293.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路数量关系稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即（3-39）所以输出电压为：（3-41）V处于通态uL = EV处于断态uL = - uo（3-40）1303.1.3升降压斩波电路和Cuk斩波电路图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：（3-42）由上式得：（3-43） 结论当0a 1/2时为降压，当1/2a 0，则，则VD3仍承受反向电压而不能导通。直到仍承受反向电压而不能导通。直到uC13升高到升高到与与eVU相等相等后，后，VD3才承受正向电才承受正向电压而导通，进入压而导通，进入VD3和和VD1同时导通的同时导通的二极管换流阶段。二极管换流阶段。 波形分析波形分析 图图4-17给出了电感负载时给出了电感负载时uC13、iU和和iV的波形图。的波形图。 uC1的波形和的波形和uC13完全相同。完全相同。 uC3从从零零变到变到-UC0，uC5从从UC0变到变到零零，变化幅度是，变化幅度是C1的一半。的一半。 这些电压恰好符合相隔这些电压恰好符合相隔120后从后从VT3到到VT5换流时的要求，为下次换流换流时的要求，为下次换流准备好了条件。准备好了条件。 1774.3.2 三相电流型逆变电路三相电流型逆变电路OOOOOwtwtwtOwtwtVT4导通UVWiViWiUudMVT1导通VT3导通VT6导通VT5导通VT2导通uVT1图图4-19 无换相器电动机电路工作波形无换相器电动机电路工作波形 图图4-18 无换相器电动机的基本电路无换相器电动机的基本电路 负载为同步电动机负载为同步电动机 其工作特性和调速方式都和直流电其工作特性和调速方式都和直流电动机相似，但没有换向器，因此被称为动机相似，但没有换向器，因此被称为无换向器电动机无换向器电动机。 采用采用120导电方式导电方式，利用电动机，利用电动机反反电势电势实现换流。实现换流。 BQ是转子位置检测器，用来检测磁是转子位置检测器，用来检测磁极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发极位置以决定什么时候给哪个晶闸管发出触发脉冲。出触发脉冲。1784.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路 4.4.1 多重逆变电路多重逆变电路 4.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路1794.4 多重逆变电路和多电平逆变电路多重逆变电路和多电平逆变电路引言引言电压型电压型逆变电路的输出电压是矩形波，逆变电路的输出电压是矩形波，电流型电流型逆逆变电路的输出电流是矩形波，变电路的输出电流是矩形波，矩形波矩形波中含有较多中含有较多的的谐波谐波，对负载会产生不利影响。，对负载会产生不利影响。 常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来，使之成为使之成为接近正弦波接近正弦波的波形。的波形。 也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波能够输出较多的电平，从而使输出电压向正弦波靠近。靠近。 1804.4.1 多重逆变电路多重逆变电路12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo图图4-20 二重单相逆变电路二重单相逆变电路 图图4-21 二重逆变电路的工作波形二重逆变电路的工作波形 二重单相电压型逆变电路二重单相电压型逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器压器T1和和T2串联串联起来。起来。 输出波形输出波形 两个单相的输出两个单相的输出u1和和u2是是180矩形波矩形波。 u1和和u2相位错开相位错开 =60,其中的其中的3次谐波就次谐波就错开了错开了360=180，变压器串联合成后，变压器串联合成后，3次谐次谐波互相抵消波互相抵消，总输出电压中不含，总输出电压中不含3次谐波。次谐波。 uo波形是波形是120矩形波，含矩形波，含6k1次谐波次谐波，3k次谐波都被抵消。次谐波都被抵消。由此得出的一些结论由此得出的一些结论 把若干个逆变电路的输出按一定的相位差把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。 多重逆变电路有多重逆变电路有串联多重串联多重和和并联多重并联多重两种两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。流型逆变电路多用并联多重方式。 1814.4.1 多重逆变电路多重逆变电路图图4-22 三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路 三相电压型二重逆变电路三相电压型二重逆变电路 电路分析电路分析 由两个三相桥式逆变电路构成，由两个三相桥式逆变电路构成，输出通过输出通过变压器串联变压器串联合成。合成。 两个逆变电路均为两个逆变电路均为180导通方导通方式式。 工作时，逆变桥工作时，逆变桥II的相位比逆的相位比逆变桥变桥I滞后滞后30。 T1为为/ Y联结，线电压变比为联结，线电压变比为 ，T2一次侧一次侧联结，二次侧两绕组联结，二次侧两绕组曲折曲折星形接法星形接法，其二次电压相对于一次电，其二次电压相对于一次电压而言，比压而言，比T1的接法超前的接法超前30，以抵消，以抵消逆变桥逆变桥II比逆变桥比逆变桥I滞后的滞后的30，这样，这样uU2和和uU1的的基波相位就相同基波相位就相同。 如果如果T2和和T1一次侧匝数相同，一次侧匝数相同，为了使为了使uU2和和uU1基波幅值相同基波幅值相同，T2和和T1二次侧间的匝比就应为二次侧间的匝比就应为 。 1824.4.1 多重逆变电路多重逆变电路UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud图图4-23 二次侧基波电压合成相量图二次侧基波电压合成相量图 图图4-24 三相电压型二重逆变电路波形图三相电压型二重逆变电路波形图 工作波形工作波形 T1、T2二次侧基波电压二次侧基波电压合成情况的相量图如图合成情况的相量图如图4-23所示，图中所示，图中UA1、UA21、UB22分别是变压器绕组分别是变压器绕组A1、A21、B22上的基波电压相量。上的基波电压相量。 由图由图4-24可以看出，可以看出，uUN比比uU1接近正弦波。接近正弦波。1834.4.1 多重逆变电路多重逆变电路基本的数量关系基本的数量关系 把把uU1展开成傅里叶级数得展开成傅里叶级数得式中，式中，n=6k1，k为自然数。为自然数。 uU1的基波分量有效值为的基波分量有效值为 n次谐波有效值为次谐波有效值为 (4-23)(4-24)(4-25)1844.4.1 多重逆变电路多重逆变电路输出相电压输出相电压uUN的基波电压有效值为的基波电压有效值为 其其n次谐波有效值为次谐波有效值为式中，式中，n=12k1，k为自然数，在为自然数，在uUN中已不含中已不含5次、次、7次等谐波。次等谐波。该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动该三相电压型二重逆变电路的直流侧电流每周期脉动12次，称为次，称为12脉脉波逆变电路波逆变电路，一般来说，使，一般来说，使m个三相桥式逆变电路的相位依次错开个三相桥式逆变电路的相位依次错开 运行，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，运行，连同使它们输出电压合成并抵消上述相位差的变压器，就可以构成就可以构成脉波数为脉波数为6m的逆变电路的逆变电路。 (4-26)(4-27)1854.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUNuUNuUViUiduVNuWNuNNUdUd2Ud3Ud62 Ud3图图4-9 三相电压型桥式逆变电路三相电压型桥式逆变电路 图图4-10 电压型三相桥式逆变电路的工作波形电压型三相桥式逆变电路的工作波形 回顾回顾图图4-9三相电压型桥式三相电压型桥式逆变电路和逆变电路和图图4-10的波形，的波形，以以N为参考点，输出相电压为参考点，输出相电压有有Ud/2和和-Ud/2两种电平，称两种电平，称为为两电平逆变电路两电平逆变电路。1864.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路图图4-25 三电平逆变电路三电平逆变电路 三电平逆变电路三电平逆变电路 电路分析电路分析 也称也称中点钳位型中点钳位型（Neutral Point Clamped） 逆逆变电路变电路。 每桥臂由两个全控器件每桥臂由两个全控器件串联构成，两者都反并联了二串联构成，两者都反并联了二极管，且中点通过钳位二极管极管，且中点通过钳位二极管和直流侧中点相连和直流侧中点相连 。 以以U相相为例分析工作情况为例分析工作情况 V11和和V12（或（或VD11和和VD12）导通，）导通，V41和和V42关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为Ud/2。 V41和和V42（或（或VD41和和VD42）导通，）导通，V11和和V12关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为-Ud/2。 V12和和V41导通，导通，V11和和V42关断时，关断时，UO间电位差为间电位差为0。 V12和和V41不能同时导通，不能同时导通，iU0时，时，V12和和VD1导通，导通，iU0时，时，V41和和VD4导通。导通。1874.4.2 多电平逆变电路多电平逆变电路 线电压的电平线电压的电平 相电压相减得到线电压。相电压相减得到线电压。 两电平逆变电路的输出线电压有两电平逆变电路的输出线电压有Ud和和0三种电平，三种电平，三电平逆变电路的输出线电压有三电平逆变电路的输出线电压有Ud、Ud/2和和0五种电五种电平。平。 三电平逆变电路输出三电平逆变电路输出电压谐波电压谐波可大大少于两电平逆可大大少于两电平逆变电路。变电路。 三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。受电压为直流侧电压的一半。用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等用与三电平电路类似的方法，还可构成五电平、七电平等更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为更多电平的电路，三电平及更多电平的逆变电路统称为多电平逆变电路。多电平逆变电路。188本章小结本章小结讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理讲述基本的逆变电路的结构及其工作原理 四大类基本变流电路中，四大类基本变流电路中，AC/DC和和DC/AC两类电路更两类电路更为基本、更为重要。为基本、更为重要。换流方式换流方式 分为分为外部换流外部换流和和自换流自换流两大类，外部换流包括两大类，外部换流包括电网换流电网换流和和负载换流负载换流两种，自换流包括两种，自换流包括器件换流器件换流和和强迫换流强迫换流两种。两种。 换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重换流概念在晶闸管时代十分重要，全控型器件时代其重要性有所下降。要性有所下降。189本章小结本章小结逆变电路分类方法逆变电路分类方法 可按可按换流方式换流方式、输出相数输出相数、直流电源的性质或用途直流电源的性质或用途等分类。等分类。 本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为本章主要采用按直流侧电源性质分类的方法，分为电压型电压型和和电流型电流型两类。两类。 电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认电压型和电流型的概念用于其他电路，会对这些电路有更深刻的认识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的识，负载为大电感的整流电路可看为电流型整流电路，电容滤波的整流电路可看成为电压型整流电路。整流电路可看成为电压型整流电路。与其它章的关系与其它章的关系 本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整，第本章对逆变电路的讲述是很基本的，还远不完整，第7章的章的PWM控控制技术制技术在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是在逆变电路中应用最多，绝大部分逆变电路都是PWM控制的，控制的，学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。学完下一章才能对逆变电路有一个较为完整的认识。 逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成逆变电路的直流电源往往由整流电路而来，二都结合构成间接交流间接交流变流电路变流电路。 此外，间接直流变流电路大量用于此外，间接直流变流电路大量用于开关电源开关电源，其中的核心电路仍是，其中的核心电路仍是逆变电路，这些将在第逆变电路，这些将在第10章介绍，学完第章介绍，学完第10章后，对逆变电路及其章后，对逆变电路及其应用将有更完整的认识。应用将有更完整的认识。190第第5 5章章 直流直流变流电路直流直流变流电路 5.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 本章小结本章小结引言引言直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括包括直接直流直接直流变流电路变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。 直接直流变流电路直接直流变流电路 也称也称斩波电路（斩波电路（DC Chopper）。 功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。电。 一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。输入与输出之间不隔离。 间接直流变流电路间接直流变流电路 在直流变流电路中增加了在直流变流电路中增加了交流环节交流环节。 在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直因此也称为直交交直电路。直电路。 1925.1 基本斩波电路基本斩波电路 5.1.1 降压斩波电路降压斩波电路 5.1.2 升压斩波电路升压斩波电路 5.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 5.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路1935.1.1 降压斩波电路降压斩波电路图图5-1 降压斩波电路的原理图及波形降压斩波电路的原理图及波形a）电路图）电路图 b）电流连续时的波形）电流连续时的波形 c）电流断续时的波形）电流断续时的波形 降压斩波电路（降压斩波电路（Buck Chopper） 电路分析电路分析 使用一个使用一个全控型器件全控型器件V，图中为，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。路。 设置了设置了续流二极管续流二极管VD，在，在V关断时给负关断时给负载中电感电流提供通道。载中电感电流提供通道。 主要用于电子电路的供电电源，也可拖主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现下负载中均会出现反电动势反电动势，如图中，如图中Em所示。所示。 工作原理工作原理 t=0时刻驱动时刻驱动V导通导通，电源，电源E向负载供电，向负载供电，负载电压负载电压uo=E，负载电流，负载电流io按指数曲线上升。按指数曲线上升。 t=t1时控制时控制V关断关断，二极管，二极管VD续流，负载续流，负载电压电压uo近似为零近似为零，负载电流呈指数曲线下降，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。使负载电流连续且脉动小。 1945.1.1 降压斩波电路降压斩波电路基本的数量关系基本的数量关系 电流连续时电流连续时 负载电压的平均值为负载电压的平均值为 负载电流平均值为负载电流平均值为 式中，式中，ton为为V处于通态的时间，处于通态的时间，toff为为V处于断态的时间，处于断态的时间，T为开关周期，为开关周期， 为导通占空比，简称占空比或导通比。为导通占空比，简称占空比或导通比。 电流断续时，负载电压电流断续时，负载电压uo平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。况。 斩波电路有三种控制方式斩波电路有三种控制方式 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变不变，改变ton。 频率调制频率调制：ton不变，改变不变，改变T。 混合型混合型：ton和和T都可调，改变占空比都可调，改变占空比(5-1)(5-2)1955.1.1 降压斩波电路降压斩波电路对降压斩波电路进行解析对降压斩波电路进行解析 基于基于分时段线性电路分时段线性电路这一思想，按这一思想，按V处于处于通态通态和处于和处于断态断态两个过程来分析，两个过程来分析，初始条件分初始条件分电流连续电流连续和和断续断续。 电流连续时得出电流连续时得出式中，式中， ， ， ， ，I10和和I20分别是负分别是负载电流瞬时值的最小值和最大值。载电流瞬时值的最小值和最大值。 把式（把式（5-9）和式（）和式（5-10）用泰勒级数近似，可得）用泰勒级数近似，可得 平波电抗器平波电抗器L为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。为无穷大，此时负载电流最大值、最小值均等于平均值。 (5-9)(5-10)(5-11)1965.1.1 降压斩波电路降压斩波电路(3-11)所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路所示的关系还可从能量传递关系简单地推得，一个周期中，忽略电路中的损耗，则中的损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等电源提供的能量与负载消耗的能量相等，即，即 则则假设电源电流平均值为假设电源电流平均值为I1，则有，则有 其值小于等于负载电流其值小于等于负载电流Io，由上式得，由上式得 即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。即输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。(5-12)(5-13)(5-14)(5-15)1975.1.1 降压斩波电路降压斩波电路电流断续时有电流断续时有I10=0，且，且t=ton+tx时，时，i2=0，可以得出，可以得出 电流断续时，电流断续时，txtoff，由此得出电流断续的条件为，由此得出电流断续的条件为 输出电压平均值为输出电压平均值为 负载电流平均值为负载电流平均值为 (5-16)(5-17)(5-18)(5-19)1985.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-1 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，已知所示的降压斩波电路中，已知E=200V，R=10，L值值极大，极大，Em=30V，T=50s，ton=20 s,计算输出电压平均值计算输出电压平均值Uo，输输出电流平均值出电流平均值Io。 解：由于解：由于L值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为值极大，故负载电流连续，于是输出电压平均值为 输出电流平均值为输出电流平均值为 1995.1.1 降压斩波电路降压斩波电路例例5-2 在图在图5-1a所示的降压斩波电路中，所示的降压斩波电路中，E=100V， L=1mH，R=0.5，Em=10V，采用脉宽调制控制方式，采用脉宽调制控制方式，T=20 s，当当ton=5 s时，计算输出电压平均时，计算输出电压平均值值Uo，输出电流平均值输出电流平均值Io，计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电计算输出电流的最大和最小值瞬时值并判断负载电流是否连续。流是否连续。 解：由题目已知条件可得：解：由题目已知条件可得：当当ton=5 s时，有时，有 由于由于 所以输出电流连续。所以输出电流连续。2005.1.1 降压斩波电路降压斩波电路此时输出平均电压为此时输出平均电压为 输出平均电流为输出平均电流为 输出电流的最大和最小值瞬时值分别为输出电流的最大和最小值瞬时值分别为 2015.1.2 升压斩波电路升压斩波电路0iGE0ioI1a)b)图图5-2 升压斩波电路及其工作波形升压斩波电路及其工作波形a）电路图）电路图 b）波形）波形 升压斩波电路升压斩波电路 工作原理工作原理 假设假设L和和C值很大。值很大。 V处于处于通态通态时，电源时，电源E向电感向电感L充电，电流充电，电流恒定恒定I1，电容，电容C向负载向负载R供电，输出电压供电，输出电压Uo恒定。恒定。 V处于处于断态断态时，电源时，电源E和电感和电感L同时向电容同时向电容C充电，并向负载提供能量。充电，并向负载提供能量。 基本的数量关系基本的数量关系 当电路工作于稳态时，一个周期当电路工作于稳态时，一个周期T中电感中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即积蓄的能量与释放的能量相等，即 化简得化简得 上式中的上式中的 (5-20)(5-21)2025.1.2 升压斩波电路升压斩波电路将升压比的倒数记作将升压比的倒数记作，即，即 ，则，则 和导通占空比和导通占空比 有如下关系有如下关系 式（式（5-21）可表示为）可表示为 输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是输出电压高于电源电压，关键有两个原因：一是L储能之后具有使电压泵升储能之后具有使电压泵升的作用，二是电容的作用，二是电容C可将输出电压保持住。可将输出电压保持住。 如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即消耗，即 输出电流的平均值输出电流的平均值Io为为 电源电流电源电流I1为为 (5-22)(5-23)(5-24)(5-25)(5-26)2035.1.2 升压斩波电路升压斩波电路例例5-3 在图在图5-2a所示的升压斩波电路中，已知所示的升压斩波电路中，已知E=50V，L值和值和C值极大，值极大，R=20 ，采用脉宽调制控制方式，当采用脉宽调制控制方式，当T=40 s，ton=25 s时，计算输出电压平均值时，计算输出电压平均值Uo，输出输出电流平均值电流平均值Io。 解：输出电压平均值为：解：输出电压平均值为： 输出电流平均值为：输出电流平均值为：2045.1.2 升压斩波电路升压斩波电路ttTEiOOi1i2I10I20I10tontoffuotOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20a)b)图图5-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形a）电路图）电路图 b）电流连续时）电流连续时 c）电流断续时）电流断续时 典型应用典型应用 一是用于直流电动机传动，二是用一是用于直流电动机传动，二是用作单相功率因数校正（作单相功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）电路，三是用于其）电路，三是用于其他交直流电源中。他交直流电源中。 以用于直流电动机传动为例以用于直流电动机传动为例 在直流电动机在直流电动机再生制动再生制动时把电能时把电能回馈给直流电源。回馈给直流电源。 电动机电枢电动机电枢电流连续电流连续和和断续断续两种两种工作状态。工作状态。 直流电源的电压基本是恒定的，直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。不必并联电容器。 基于基于分时段线性电路思想，分时段线性电路思想，电流电流连续时得连续时得L为无穷大时电枢电流的平均为无穷大时电枢电流的平均值值Io为为 (5-36)2055.1.2 升压斩波电路升压斩波电路当电枢电流断续时，可求得当电枢电流断续时，可求得i2持续的时间持续的时间tx，即，即 当当txt0ff时，电路为电流断续工作状态，时，电路为电流断续工作状态，txt0ff是是电流断续的条件，即电流断续的条件，即 tOTOEtc)uoioi1i2t1t2txtontoffI20图图5-3 用于直流电动机回馈能用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形量的升压斩波电路及其波形c）电流断续时）电流断续时(5-37)(5-38)2065.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路a)图图5-4 升降压斩波电路及其波形升降压斩波电路及其波形a）电路图电路图 b）波形波形 升降压斩波电路升降压斩波电路 工作原理工作原理 V导通导通时，电源时，电源E经经V向向L供电使其供电使其贮能，此时电流为贮能，此时电流为i1，同时同时C维持输出电维持输出电压恒定并向负载压恒定并向负载R供电。供电。 V关断关断时，时，L的能量向负载释放，的能量向负载释放，电流为电流为i2，负载电压极性为上负下正，与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电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。斩波电路。 基本的数量关系基本的数量关系 稳态时，一个周期稳态时，一个周期T内电感内电感L两端电两端电压压uL对时间的积分为零，即对时间的积分为零，即 当当V处于通态期间，处于通态期间，uL=E；而当而当V处于断态期间，处于断态期间，uL=-uo。于是：于是： (5-39)(5-40)2075.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路所以输出电压为：所以输出电压为：改变导通比改变导通比 ，输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当，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，当时为降压，当1/2 1时为升压，因此将该电路称作升降压斩波时为升压，因此将该电路称作升降压斩波电路。电路。 电源电流电源电流i1和负载电流和负载电流i2的平均值分别为的平均值分别为I1和和I2，当电流脉动足够小时，有，当电流脉动足够小时，有 由上式可得由上式可得 如果如果V、VD为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即为没有损耗的理想开关时，则输出功率和输入功率相等，即 (5-41)(5-42)(5-43)(5-44)2085.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路图图5-5 Cuk斩波电路及其等效电路斩波电路及其等效电路a） 电路图电路图 b） 等效电路等效电路 Cuk斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和RL2CV回路分别流过电流。回路分别流过电流。 V关断时，关断时，EL1CVD回路和回路和RL2VD回路分别流过电流。回路分别流过电流。 输出电压的极性与电源电压输出电压的极性与电源电压极性相反极性相反。 基本的数量关系基本的数量关系 C的电流在一周期内的平均值应为零，即的电流在一周期内的平均值应为零，即(5-45)2095.1.3 升降压斩波电路和升降压斩波电路和Cuk斩波电路斩波电路 由由(5-45)得得 从而可得从而可得 由由L1和和L2的电压平均值为零，可得出输出电压的电压平均值为零，可得出输出电压Uo与电源电压与电源电压E的关系的关系 与升降压斩波电路相比，与升降压斩波电路相比，Cuk斩波电路有一个明显的优点，其输入电源电流斩波电路有一个明显的优点，其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。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。(5-46)(5-47)(5-48)2105.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Sepic斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，导通时，EL1V回路和回路和C1VL2回路同时导电，回路同时导电，L1和和L2贮能。贮能。 V关断时，关断时，EL1C1VD负载负载回路及回路及L2VD负载负载回路同时导电，回路同时导电，此阶段此阶段E和和L1既向负载供电，同时也向既向负载供电，同时也向C1充电（充电（C1贮存的能量在贮存的能量在V处于通态时处于通态时向向L2转移）转移）。 输入输出关系输入输出关系 图图5-6 a)Sepic斩波电路斩波电路 (5-49)2115.1.4 Sepic斩波电路和斩波电路和Zeta斩波电路斩波电路Zeta斩波电路斩波电路 工作原理工作原理 V导通时，电源导通时，电源E经开关经开关V向电感向电感L1贮能。贮能。 V关断时，关断时，L1VDC1构成构成振荡回路振荡回路， L1的能量转移至的能量转移至C1，能量全部转，能量全部转移至移至C1上之后，上之后，VD关断，关断，C1经经L2向负载供电。向负载供电。 输入输出关系为输入输出关系为 两种电路具有相同的输入输出关系，两种电路具有相同的输入输出关系，Sepic电路中，电源电流连续但负载电电路中，电源电流连续但负载电流断续，有利于输入滤波，反之，流断续，有利于输入滤波，反之，Zeta电路的电源电流断续而负载电流连续；电路的电源电流断续而负载电流连续；两种电路输出电压为正极性的。两种电路输出电压为正极性的。 图图5-6 b Zeta斩波电路斩波电路 (5-50)2125.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路复合斩波电路和多相多重斩波电路 5.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 5.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 5.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路2135.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路概念概念 复合斩波电路复合斩波电路：降压斩波电路和升压斩波电路组合构降压斩波电路和升压斩波电路组合构成。成。 多相多重斩波电路多相多重斩波电路：相同结构的基本斩波电路组合构相同结构的基本斩波电路组合构成成 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路 斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行电动运行，又可，又可再生制动再生制动，降压斩波电路能使电动机工，降压斩波电路能使电动机工作于第作于第1象限，升压斩波电路能使电动机工作于第象限，升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。象限。 电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组电流可逆斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合，此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是合，此电路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第一种极性，故其可工作于第1象限和第象限和第2象限。象限。2145.2.1 电流可逆斩波电路电流可逆斩波电路a)图图5-7 电流可逆斩波电路及其波形电流可逆斩波电路及其波形a） 电路图电路图 b） 波形波形 电路结构电路结构 V1和和VD1构成构成降压斩波电路降压斩波电路，电动机为，电动机为电动运行，工作于第电动运行，工作于第1象限。象限。 V2和和VD2构成构成升压斩波电路升压斩波电路，电动机作，电动机作再生制动运行，工作于第再生制动运行，工作于第2象限。象限。 必须防止必须防止V1和和V2同时导通而同时导通而导致电源短导致电源短路。路。工作过程工作过程 两种工作情况：只作降压斩波器运行和两种工作情况：只作降压斩波器运行和只作升压斩波器运行。只作升压斩波器运行。 第第3种工作方式种工作方式：一个周期内：一个周期内交替交替地作为地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。降压斩波电路和升压斩波电路工作。 第第3种工作方式下，当一种斩波电路电流种工作方式下，当一种斩波电路电流断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让断续而为零时，使另一个斩波电路工作，让电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流反方向流过，这样电动机电枢回路总有电流流过。电流流过。 一个周期内，电流不断，响应很快。一个周期内，电流不断，响应很快。 2155.2.2 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路图图5-8 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 桥式可逆斩波电路桥式可逆斩波电路 将将两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机可以使电动机可以4象限象限运行。运行。 工作过程工作过程 V4导通时，等效为导通时，等效为图图5-7a所示的电流可逆斩波电路，提供所示的电流可逆斩波电路，提供正电压正电压，可使，可使电动机工作于电动机工作于第第1、2象限象限。 V2导通时，导通时，V3、VD3和和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供动机提供负电压负电压，可使电动机工作于，可使电动机工作于第第3、4象限象限。2165.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路tOtttttttOOOOOOO1u2u3uoi1i2i3ioa)b)图图5-9 多相多重斩波电路及其波形多相多重斩波电路及其波形a）电路图电路图 b）波形波形 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 是在电源和负载之间接入多个结构相是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。同的基本斩波电路而构成的。 相数相数:一个控制周期中电源侧的电流一个控制周期中电源侧的电流脉波数。脉波数。 重数重数：负载电流脉波数。：负载电流脉波数。3相相3重降压斩波电路重降压斩波电路 电路及波形分析电路及波形分析 相当于由相当于由3个降压斩波电路单元个降压斩波电路单元并并联联而成。而成。 总输出电流为总输出电流为 3 个斩波电路单元输个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的平均值的3倍，脉动频率也为倍，脉动频率也为3倍。倍。 总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流脉动（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需很小，所需平波电抗器平波电抗器总重量大为减轻。总重量大为减轻。 2175.2.3 多相多重斩波电路多相多重斩波电路 当上述电路电源公用而负载为当上述电路电源公用而负载为3个独立负载个独立负载时，则为时，则为3相相1重斩波电路重斩波电路，当电源为当电源为3个独立电个独立电源，向一个负载供电时，则为源，向一个负载供电时，则为1相相3重斩波电路重斩波电路。 电源电流的电源电流的谐波分量谐波分量比单个斩波电路时显著比单个斩波电路时显著减小。减小。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提其余各单元可以继续运行，使得总体的可靠性提高。高。2185.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路 5.3.1 正激电路正激电路 5.3.2 反激电路反激电路 5.3.3 半桥电路半桥电路 5.3.4 全桥电路全桥电路 5.3.5 推挽电路推挽电路 5.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流 5.3.7 开关电源开关电源2195.3 带隔离的直流直流变流电路带隔离的直流直流变流电路引言引言图图 5-10 间接直流变流电路的结构间接直流变流电路的结构同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为直直交交直电路直电路。 采用这种结构较为复杂的电路来完成直流采用这种结构较为复杂的电路来完成直流直流的变换有以下原因直流的变换有以下原因 输出端与输入端需要隔离。输出端与输入端需要隔离。 某些应用中需要相互隔离的多路输出。某些应用中需要相互隔离的多路输出。 输出电压与输入电压的比例远小于输出电压与输入电压的比例远小于1或远大于或远大于1。 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量。波电容的体积和重量。间接直流变流电路分为间接直流变流电路分为单端单端(Single End)和和双端双端(Double End)电路两电路两大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路大类，在单端电路中，变压器中流过的是直流脉动电流，而双端电路中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属中，变压器中的电流为正负对称的交流电流，正激电路和反激电路属于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。于单端电路，半桥、全桥和推挽电路属于双端电路。 2205.3.1 正激电路正激电路SuSiLiSOttttUiOOO图图 5-11 正激电路的原理图正激电路的原理图图图 5-12 正激电路的理想化波形正激电路的理想化波形正激电路正激电路(Forward) 工作过程工作过程 开关开关S开通开通后，变压器绕后，变压器绕组组W1两端的电压为上正下负，两端的电压为上正下负，与其耦合的与其耦合的W2绕组两端的电压绕组两端的电压也是上正下负，因此也是上正下负，因此VD1处于通处于通态，态，VD2为断态，电感为断态，电感L的电流的电流逐渐增长。逐渐增长。 S关断关断后，电感后，电感L通过通过VD2续流，续流，VD1关断。变压器的励磁关断。变压器的励磁电流经电流经N3绕组和绕组和VD3流回电源，流回电源，所以所以S关断后承受的电压为关断后承受的电压为 。2215.3.1 正激电路正激电路BRBSBHO图图 5-13 磁心复位过程磁心复位过程变压器的磁心复位变压器的磁心复位 开关开关S开通后，变压器的激磁电流由零开通后，变压器的激磁电流由零开始，随时间线性的增长，直到开始，随时间线性的增长，直到S关断，导关断，导致变压器的激磁电感饱和。致变压器的激磁电感饱和。 必须设法使激磁电流在必须设法使激磁电流在S关断后到下一关断后到下一次再开通的时间内降回零，这一过程称为次再开通的时间内降回零，这一过程称为变变压器的磁心复位压器的磁心复位。 变压器的磁心复位所需的时间为变压器的磁心复位所需的时间为输出电压输出电压 输出滤波电感电流连续时输出滤波电感电流连续时 输出电感电流不连续时，在负载为零的输出电感电流不连续时，在负载为零的极限情况下极限情况下 (5-51)(5-52)2225.3.2 反激电路反激电路SuSiSiVDtontoffttttUiOOOO图图 5-14 反激电路原理图反激电路原理图图图 5-15 反激电路的理想化波形反激电路的理想化波形反激电路反激电路 工作过程工作过程 S开通开通后，后，VD处于断态，处于断态，W1绕组的电流线绕组的电流线性增长，电感储能增加。性增长，电感储能增加。 S关断后关断后，W1绕组的电流被切断，变压器绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过中的磁场能量通过W2绕组和绕组和VD向输出端释放，向输出端释放，电压为电压为 。 工作模式工作模式 当当S开通时，开通时，W2绕组中的电流尚未下降到绕组中的电流尚未下降到零，则称工作于零，则称工作于电流连续模式电流连续模式，输出输入电压关，输出输入电压关系为系为 S开通前，开通前，W2绕组中的电流已经下降到零，绕组中的电流已经下降到零，则称工作于则称工作于电流断续模式电流断续模式，此时输出电压高于，此时输出电压高于（5-53）的计算值，在负载为零的极限情况下，）的计算值，在负载为零的极限情况下， ， 所以应该避免负载开路状态。所以应该避免负载开路状态。(5-53)2235.3.3 半桥电路半桥电路图图 5-16 半桥电路原理图半桥电路原理图图图 5-17 半桥电路的理想化波形半桥电路的理想化波形半桥电路半桥电路 工作过程工作过程 S1与与S2交替导通，使变压器一次交替导通，使变压器一次侧形成幅值为侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变开的交流电压，改变开关的占空比，就可以改变二次侧整流电关的占空比，就可以改变二次侧整流电压压ud的平均值，也就改变了输出电压的平均值，也就改变了输出电压Uo。 S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于通态，处于通态，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，当两处于通态，当两个开关都关断时，变压器绕组个开关都关断时，变压器绕组N1中的电中的电流为零，流为零，VD1和和VD2都处于通态，各分都处于通态，各分担一半的电流。担一半的电流。 S1或或S2导通时电感导通时电感L的电流逐渐的电流逐渐上升，两个开关都关断时，电感上升，两个开关都关断时，电感L的电的电流逐渐下降，流逐渐下降，S1和和S2断态断态时承受的峰值时承受的峰值电压均为电压均为Ui。 2245.3.3 半桥电路半桥电路 由于由于电容电容的的隔直作用隔直作用，半桥电路对由于两个开关导通，半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用，因此不容易发生变压器的动平衡作用，因此不容易发生变压器的偏磁偏磁和和直流磁饱直流磁饱和和。输出电压输出电压 滤波电感滤波电感L的电流连续时的电流连续时 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-54）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下情况下(5-54)2255.3.4 全桥电路全桥电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图图 5-18 全桥电路原理图全桥电路原理图 图图 5-19 全桥电路的理想化波形全桥电路的理想化波形全桥电路全桥电路 工作过程工作过程 全桥电路中，全桥电路中，互为对角的两个开关互为对角的两个开关同时导通同时导通，同一侧半桥上下两开关，同一侧半桥上下两开关交替交替导通，使变压器一次侧形成幅值为导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交的交流电压，改变占空比就可以改变输出电流电压，改变占空比就可以改变输出电压。压。 当当S1与与S4开通后，开通后，VD1和和VD4处于处于通态，电感通态，电感L的电流逐渐上升。的电流逐渐上升。 当当S2与与S3开通后，开通后，VD2和和VD3处于处于通态，电感通态，电感L的电流也上升。的电流也上升。 当当4个开关都关断时，个开关都关断时，4个二极管都个二极管都处于通态，各分担一半的电感电流，电处于通态，各分担一半的电感电流，电感感L的电流逐渐下降，的电流逐渐下降，S1和和S2断态时承受断态时承受的峰值电压均为的峰值电压均为Ui。2265.3.4 全桥电路全桥电路 如果如果S1、S4与与S2、S3的导通时间不对称，则交流电压的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有中将含有直直流分量流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流，会在变压器一次侧产生很大的直流 分量，造成磁路饱和，因分量，造成磁路饱和，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。一个电容，以阻断直流电流。 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。，还应留有裕量。 输出电压输出电压 滤波电感电流连续时滤波电感电流连续时 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-55）的计算值，）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 (5-55)2275.3.5 推挽电路推挽电路S1S2uS1uS2iS1iS2iD1iD2tonTtttttttt2Ui2UiiLiLOOOOOOOO图图 5-20 推挽电路原理图推挽电路原理图图图 5-21 推挽电路的理想化波形推挽电路的理想化波形推挽电路推挽电路 工作过程工作过程 推挽电路中两个开关推挽电路中两个开关S1和和S2交替导通，在绕组交替导通，在绕组N1和和N1两端分两端分别形成相位相反的交流电压。别形成相位相反的交流电压。 S1导通时，二极管导通时，二极管VD1处于处于通态，电感通态，电感L的电流逐渐上升，的电流逐渐上升，S2导通时，二极管导通时，二极管VD2处于通态，电处于通态，电感感L电流也逐渐上升。电流也逐渐上升。 当两个开关都关断时，当两个开关都关断时，VD1和和VD2都处于通态，各分担一半的都处于通态，各分担一半的电流，电流，S1和和S2断态时承受的断态时承受的峰值电峰值电压压均为均为2倍倍Ui。 2285.3.5 推挽电路推挽电路 如果如果S1和和S2同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避同时导通，就相当于变压器一次侧绕组短路，因此应避免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过免两个开关同时导通，每个开关各自的占空比不能超过50%，还要留，还要留有死区。有死区。 输出电压输出电压 当滤波电感当滤波电感L的电流连续时的电流连续时 输出电感电流不连续，输出电压输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于式（将高于式（5-56）的计算值，）的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 (5-56)229电路电路优点优点缺点缺点功率范围功率范围应用领域应用领域正激正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。全桥全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源5.3.5 推挽电路推挽电路表表 5-1 各种不同的间接直流变流电路的比较各种不同的间接直流变流电路的比较2305.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流图图5-22 a)全波整流电路原理图全波整流电路原理图 双端电路双端电路中常用的整流电路形式为中常用的整流电路形式为全波整流电路全波整流电路和和全桥整流电路全桥整流电路。全波整流电路的特点全波整流电路的特点 优点：电感优点：电感L的电流回路中只有的电流回路中只有一个二极管压降一个二极管压降，损耗小，而且整，损耗小，而且整流电路中只需要流电路中只需要2个二极管个二极管，元件数较少。，元件数较少。 缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且缺点：二极管断态时承受的反压较高，对器件耐压要求较高，而且变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。变压器二次侧绕组有中心抽头，结构较复杂。 适用场合：输出电压较低的情况下（适用场合：输出电压较低的情况下（100V）。）。2315.3.6 全波整流和全桥整流全波整流和全桥整流全桥电路的特点全桥电路的特点 优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。优点：二极管在断态承受的电压仅为交流电压幅值，变压器的绕组简单。 缺点：电感缺点：电感L的电流回路中存在的电流回路中存在两个二极管压降两个二极管压降，损耗较大，而且电路中，损耗较大，而且电路中需要需要4个二极管个二极管，元件数较多。，元件数较多。 适用场合：高压输出的情况下。适用场合：高压输出的情况下。同步整流电路同步整流电路 当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用当电路的输出电压非常低时，可以采用同步整流电路，利用低电压低电压MOSFET具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高具有非常小的导通电阻的特性降低整流电路的导通损耗，进一步提高效率。效率。 这种电路的缺点是需要对这种电路的缺点是需要对V1和和V2的通与断进行控制，增加了控制电路的复的通与断进行控制，增加了控制电路的复杂性。杂性。 图图5-22 b)全桥整流电路原理图全桥整流电路原理图 图图5-23 同步整流电路原理图同步整流电路原理图2325.3.7 开关电源开关电源如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，如果输入端的直流电源是由交流电网整流得来，则构成则构成交交直直交交直直电路，采用这种电路的装电路，采用这种电路的装置通常被称为开关电源。置通常被称为开关电源。 由于开关电源采用了由于开关电源采用了工作频率较高工作频率较高的交流环节，的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件变压器和滤波器都大大减小，因此同等功率条件下其体积和重量都远远小于相控整流电源。下其体积和重量都远远小于相控整流电源。 工作频率的提高还有利于控制性能的提高。工作频率的提高还有利于控制性能的提高。233本章小结本章小结直流直流-直流变流电路（直流变流电路（DC/DC Converter）包括包括直接直流变流电路直接直流变流电路和和间接直流变流电路间接直流变流电路。 直接直流变流电路包括直接直流变流电路包括6种基本斩波电路、种基本斩波电路、2种复种复合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的合斩波电路及多相多重斩波电路，其中最基本的是是降压斩波电路降压斩波电路和和升压斩波电路升压斩波电路两种。两种。常见的间接直流变换电路可以分为常见的间接直流变换电路可以分为单端单端和和双端双端电电路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端路两大类，单端电路包括正激和反激两类，双端电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都电路包括全桥、半桥和推挽三类，每一类电路都可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。可能有多种不同的拓扑形式或控制方法。 234第6章 交流电力控制电路和交交变频电路6.1 交流调压电路交流调压电路6.1.1 单相交流调压电路单相交流调压电路6.1.2 三相交流调压电路三相交流调压电路6.2 其他交流电力控制电路其他交流电力控制电路6.2.1 交流调功电路交流调功电路6.2.2 交流电力电子开关交流电力电子开关6.3 交交变频电路交交变频电路6.3.1 单相交交变频电路单相交交变频电路6.3.2 三相交交变频电路三相交交变频电路概 述交流-交流变流电路 一种形式的交流变成另一种形式交流的电路， 可改变相关的电压、电流、频率和相数等交流电力控制电路交流电力控制电路变频电路变频电路只改变电压、电流或控制电路的通断，不改变频率改变频率，大多不改变相数，也有改变相数的交流调压电路相位控制（或斩控式）交流调功电路及交流无触点开关通断控制交交变频电路交直交变频电路1.晶闸管交交变频电路2.矩阵式变频电路先把交流整流成直流，再把直流逆变成另一种频率或可变频率的交流,间接变频电路2366.1 交流调压电路u交流电力控制电路的结构 两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，控制晶闸管 就可控制交流电力u交流电力控制电路的类型交流调压电路:交流调功电路:交流电力电子开关:每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值以交流电周期为单位控制晶闸管通断，改变通断周期数的比，调节输出功率的平均值并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。237u交流调压电路的应用：交流调压电路的应用：灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制）异步电动机软起动异步电动机软起动异步电动机调速异步电动机调速供用电系统对无功功率的连续调节供用电系统对无功功率的连续调节在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压一次电压2386.1.1 单相交流调压电路1 电阻负载电阻负载原原原原理理理理分分分分析析析析在 u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压正负半周a 起始时刻（a =0）均为电压过零时刻，稳态时，正负半周的a 相等负载电压波形是电源电压波形的一部分，负载电流（也即电源电流）和负载电压的波形相同239电阻负载单相交流调电阻负载单相交流调压电路及其波形压电路及其波形u数量关系数量关系负载电压有效值负载电压有效值 负载电流有效值负载电流有效值晶闸管电流有效值晶闸管电流有效值功率因数功率因数6.1.1 单相交流调压电路ROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTw wtOw wtOw wtOw wt2402 阻感负载阻感负载u 阻感负载时阻感负载时 的移相范围的移相范围 负载阻抗角：负载阻抗角：j j = arctan(w wL / R) 稳态时负载电流为正弦波，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于相位滞后于u1的角度为的角度为j j =0时刻仍定为时刻仍定为u1过零的时过零的时刻，刻， 的移相范围应为的移相范围应为j j 阻感负载单相交流调压电路及其波形6.1.1 单相交流调压电路2416.1.1 单相交流调压电路u 数量关系数量关系负载电压有效值负载电压有效值： 晶闸管电流有效值：晶闸管电流有效值： 瞬态微分方瞬态微分方程求解可得程求解可得负载电流有效值负载电流有效值负载电流有效值负载电流有效值2423.单相交流调压电路的谐波分析单相交流调压电路的谐波分析u电阻负载的情况电阻负载的情况波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波波形正负半波对称，所以不含直流分量和偶次谐波(n=3,5,7,)6.1.1 单相交流调压电路式中式中式中式中: :243 基波和各次谐波有效值基波和各次谐波有效值 负载电流基波和各次谐波有效值负载电流基波和各次谐波有效值 电流基波和各次谐波标么值随电流基波和各次谐波标么值随 变化的曲线（基准电流为变化的曲线（基准电流为 =0时时的有效值的有效值）如图所示）如图所示电阻负载单相交流调压电路基电阻负载单相交流调压电路基波和谐波电流含量波和谐波电流含量6.1.1 单相交流调压电路244u阻感负载的情况阻感负载的情况电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含电流谐波次数和电阻负载时相同，也只含3、5、7等次谐波等次谐波随着次数的增加，谐波含量减少随着次数的增加，谐波含量减少和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含量少一些当当 角相同时，随着阻抗角角相同时，随着阻抗角 的增大，谐波含量有所减少的增大，谐波含量有所减少6.1.1 单相交流调压电路245ua j 时单相交流调压电路aj时阻感负载交流调压电路工作波形波形分析: VT1提前通，L被过充电，放电时间延长， VT1的导通角超过 触发VT2时， io尚未过零， VT1仍导通， VT2不通io过零后， VT2开通， VT2导通角小于方程式(6-5)和(6-6)所得io表达式仍适用，只是at 过渡过程和带R-L负载的单相交流电路在t =a (a j)时合闸的过渡过程相同 io由两个分量组成：正弦稳态分量、指数衰减分量 衰减过程中， VT1导通时间渐短， VT2的导通 时间渐长 稳态的工作情况和a =j时完全相同pwtwtwtwtaaqOOOuG1G2jT1T2246图图4-7 斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路4斩控式交流调压电路斩控式交流调压电路一般采用全控型器一般采用全控型器件作为开关器件件作为开关器件原原原原理理理理分分分分析析析析基本原理和直流斩波电路有类似之处基本原理和直流斩波电路有类似之处u1正半周正半周u1负半周负半周设斩波器件（设斩波器件（V1或或V2）导通时间为）导通时间为ton，开关周期为，开关周期为T，则导通比，则导通比 = ton/T，改变，改变 可调节输出电压可调节输出电压斩波控制斩波控制斩波控制斩波控制续流通道续流通道续流通道续流通道6.1.1 单相交流调压电路247图图4-8 电阻负载斩控式交电阻负载斩控式交流调压电路波形流调压电路波形6.1.1 单相交流调压电路单相单相-斩控式交流调压电路波形斩控式交流调压电路波形2486.1.2 三相交流调压电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式根据三相联结形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式a) 星形联结星形联结 b) 线路控制三角形联结线路控制三角形联结c) 支路控制三角形联结支路控制三角形联结 d) 中点控制三角形联结中点控制三角形联结249u三相四线三相四线基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，基本原理：相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开三相互相错开120工作。基波和工作。基波和3倍次以外的谐波倍次以外的谐波在三相之间流动，不流过零线在三相之间流动，不流过零线问题：三相中问题：三相中3倍次谐波同相位，全部流过零线。倍次谐波同相位，全部流过零线。零线有很大零线有很大3倍次谐波电流。倍次谐波电流。=90时，零线电流时，零线电流甚至和各相电流的有效值接近甚至和各相电流的有效值接近三相三线三相四线1星形联结电路6.1.2 三相交流调压电路250u 三相三线，电阻负载时的情况三相三线，电阻负载时的情况 任一相导通须和另一相构成回路任一相导通须和另一相构成回路 电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽电流通路中至少有两个晶闸管，应采用双脉冲或宽脉冲触发脉冲触发 触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为触发脉冲顺序和三相桥式全控整流电路一样，为VT1 VT6,依次相差依次相差60 相电压过零点定为相电压过零点定为 的起点，的起点， 角移相范围是角移相范围是0 1506.1.2 三相交流调压电路251a =30，分析，分析a相波形。相波形。5.6通通01.5.6通通,Ua1.6通通Uab/21.2.6通通,Ua1.2通通Uac/21.2.3通通,Ua252a =60，分析，分析a相波形。相波形。5.6通通01.6通通Uab/21.2通通Uab/2253a =120，分析，分析a相波形。相波形。4. 5 通通Uac/2无器件无器件导通导通5. 6 通通0无器件无器件导通导通1. 6 通通Uab/2无器件无器件导通导通254a) =30 b) =60 c) =1206.1.2 三相交流调压电路(1) 0 a 60：三管导通与两管导通交替，每管导通180a 。但a =0时一直是三管导通(2) 60 a 90：两管导通，两管导通，每管导通每管导通120(3) 90 a 150：两管导两管导通与无晶闸管导通交替，每通与无晶闸管导通交替，每相每管导通相每管导通150- a，两管共两管共导通角度为导通角度为3002 a255u谐波情况谐波情况电电流流谐谐波波次次数数为为6k1(k=1，2，3，)，和和三三相相桥桥式式全全控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同控整流电路交流侧电流所含谐波的次数完全相同谐波次数越低，含量越大谐波次数越低，含量越大和和单单相相交交流流调调压压电电路路相相比比，没没有有3倍倍次次谐谐波波，因因三三相相对对称称时，它们不能流过三相三线电路时，它们不能流过三相三线电路6.1.2 三相交流调压电路2566.2 其他交流电力控制电路l以交流电源周波数为控制单位以交流电源周波数为控制单位交流调功电路交流调功电路l对电路通断进行控制对电路通断进行控制交流电力电子开关交流电力电子开关2576.2.1 交流调功电路异同u与交流调压电路的电路形式完全相同控制方式不同：将负载与电源接通几个周波，再断开几个周波，改变通断周波数的比值来调节负载所消耗的平均u应用常用于电炉的温度控制因其直接调节对象是电路的平均输出功率,所以称为交流调功电路-控制对象时间常数很大，以周波数为单位控制即可-通常晶闸管导通时刻为电源电压过零的时刻，负载 电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常 意义的谐波污染258u电阻负载时的工作情况电阻负载时的工作情况 控制周期为M倍电源周期，晶闸管在前N个周期 导通，后MN个周期关断交流调功电路典型波形(M =3、N =2) 当M=3、N=2时的电路波形如图6.2.1 交流调功电路2596.2.2 交流电力电子开关u作用：作用：u优点：优点：u与交流调功电路的区别与交流调功电路的区别并不控制电路的平均输出功率并不控制电路的平均输出功率通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通常没有明确的控制周期，只是根据需要控制电路的接通和断开通和断开控制频度通常比交流调功电路低得多控制频度通常比交流调功电路低得多代替机械开关，起接通和断开电路的作用 响应速度快，无触点，寿命长，可频繁控制通断2606.3 交交变频电路u本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器本节讲述：晶闸管交交变频电路，也称周波变流器(Cycloconvertor)u交交变频电路交交变频电路把电网频率的交流电变成可调频率的把电网频率的交流电变成可调频率的交流电，属于直接变频电路交流电，属于直接变频电路u广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要广泛用于大功率交流电动机调速传动系统，实用的主要是三相输出交交变频电路是三相输出交交变频电路261直接变频器直接变频器直接变频器直接变频器按波形的不同又可分为两类按波形的不同又可分为两类按波形的不同又可分为两类按波形的不同又可分为两类: :交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF262方波形直接变频器方波形直接变频器方波形直接变频器方波形直接变频器改变正反组切换频率改变正反组切换频率改变正反组切换频率改变正反组切换频率, ,可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率. .改变改变改变改变a a的大小的大小的大小的大小, ,即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值. .这种方式控制这种方式控制这种方式控制这种方式控制, ,谐波分量大谐波分量大谐波分量大谐波分量大. .263 正弦波直接变频器正弦波直接变频器正弦波直接变频器正弦波直接变频器改变正反组切换频率改变正反组切换频率改变正反组切换频率改变正反组切换频率, ,可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率可以改变输出交流电的频率. .改变改变改变改变a a的大小的大小的大小的大小, ,即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值即可改变输出交流电的幅值. .这种方式控制这种方式控制这种方式控制这种方式控制, ,谐波分量少谐波分量少谐波分量少谐波分量少. .适用于低速大容量的场合适用于低速大容量的场合适用于低速大容量的场合适用于低速大容量的场合. . . .264l 三相交交变频电路 三相交交变频电路可以由三相交交变频电路可以由3个单相交交变频个单相交交变频电路组成。电路组成。 如果每组可控整流装置都用桥式电路，含如果每组可控整流装置都用桥式电路，含6个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需可逆线路共需36个晶闸管，即使采用零式电路个晶闸管，即使采用零式电路也须也须18个晶闸管。个晶闸管。265 三相交交变频器的基本结构（接法）266 输出星形联结方式三相交交变频电路267三相桥式三相桥式交交变频电路交交变频电路268交交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，多，总体设备相当庞大总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟。成熟。 这类交这类交-交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，交变频器的主要缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2。l直接变频的特点：直接变频的特点：269本章重点单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、单相交流调压电路的结构及工作原理（相控、斩控）斩控）单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。单相交流调压电路相控方式下的有效移相范围。（纯阻、阻感负载）（纯阻、阻感负载）三相三线制调压电路的结构及波形分析。三相三线制调压电路的结构及波形分析。交交变频电路的类型及控制方式。交交变频电路的类型及控制方式。270第7章 PWM控制技术一一 PWM的基本原理的基本原理二二 PWM控制方式控制方式（1）计算法）计算法（2）调制法）调制法三三 PWM在逆变电路中的应用（电压型）在逆变电路中的应用（电压型）四四 PWM调制方式调制方式结合结合2717.1 PWM7.1 PWM的基本理论的基本理论冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同指环节的输出响应波形基本相同272思考：利用上理论，如何用一系列方波等效一个正弦波？思考：利用上理论，如何用一系列方波等效一个正弦波？273思考：若要改变等效输出正弦波幅值，可采用什么措施？思考：若要改变等效输出正弦波幅值，可采用什么措施？ 按同一比例改变各脉冲宽度即可。按同一比例改变各脉冲宽度即可。274 PWM PWM波形波形若若等等效效为为正正弦弦波波 SPWM SPWM波形波形当然，当然，SPWM波形远不止这一种。波形远不止这一种。275等幅等幅等幅等幅PWMPWMPWMPWM波：波：波：波： 输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流直流斩波电路直流斩波电路PWMPWM逆变电路逆变电路不等幅不等幅不等幅不等幅PWMPWMPWMPWM形：形：形：形： 输入电源是交流或不是恒定的直流输入电源是交流或不是恒定的直流基于面积等效原理进行控制，本质是相同的基于面积等效原理进行控制，本质是相同的276PWMPWM波形可等效为各种波形：面积等效原理波形可等效为各种波形：面积等效原理波形可等效为各种波形：面积等效原理波形可等效为各种波形：面积等效原理直流斩波电路直流斩波电路直流波形直流波形SPWM波波正弦波形正弦波形等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如: :l黄色：黄色： 所需波形所需波形 红色：等效的红色：等效的PWMPWM波波2777.2 7.2 PWM的控制方式及逆变实现的控制方式及逆变实现 控制方式：控制方式：根根据据正正弦弦波波频频率率、幅幅值值和和半半周周期期脉脉冲冲数数，准准确确计计算算PWM波波各各脉脉冲冲宽宽度度和和间间隔隔，据据此此控控制制逆逆变变电电路开关器件的通断，就可得到所需路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。波形。本本法法较较繁繁琐琐，当当输输出出正正弦弦波波的的频频率率、幅幅值值或或相相位位变化时，结果都要变化。变化时，结果都要变化。一一 计算法计算法278二二 调制法调制法方法：方法：*将所希望得到的波形作为将所希望得到的波形作为调制信号调制信号 ur *把接受调制的信号作为把接受调制的信号作为载波载波uc (通常采用三角波）通常采用三角波） *在两波交点时刻控制开关器件的通断，就可以在两波交点时刻控制开关器件的通断，就可以 得到与调制信号得到与调制信号ur波形一致的输出信号。波形一致的输出信号。所以，当调制信号所以，当调制信号ur为正弦波时，自然也就得到为正弦波时，自然也就得到SPWM波形。波形。SPWM单极性单极性SSPWM双极性双极性BSPWM279（1）单极性）单极性SPWM（SSPWM）特点：特点：载波载波u uc c 在在u ur r正半周，都用正极性三角正半周，都用正极性三角波，波， 在负半周都用负极性三角波。在负半周都用负极性三角波。在正半周，在正半周， u ur r 大于大于u uc c时，相应的器件开通，时，相应的器件开通，U U0 0= =UdUd, ,当当u ur r 小于小于u uc c时，相应的器件关断时，相应的器件关断U U0 0=0=0在负半周，在负半周， u ur r 大于大于u uc c时，相应的器件关断时，相应的器件关断U U0 0=0,=0,当当u ur r 小于小于u uc c时，相应的器件开通，时，相应的器件开通， U U0 0= -= -UdUd在调制信号在调制信号u ur r 的半个周期内，三角波的半个周期内，三角波u uc c只在一只在一个方向上变化，得到的个方向上变化，得到的SPWMSPWM波形也只在一个方向波形也只在一个方向上变化，故称之为单极性上变化，故称之为单极性SPWMSPWM。 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形280电路的实现：电路的实现：（单相全桥（单相全桥PWM逆变电路）逆变电路）281 （1）当）当Vr大与大与Vc时，时，根据调制电路分析，器根据调制电路分析，器件是何工作状态？件是何工作状态？ *T1，T4开通，开通，T2，T3关断，关断，U0=Ud（2）当）当Vr小与小与Vc时，时，根据调制电路分析，器根据调制电路分析，器件是何工作状态？件是何工作状态？ *T2，T4开通，开通，T1，T3关断，关断，U0=0282（1）当）当Vr大与大与Vc时，时，根据调制电路分析，器根据调制电路分析，器件是何工作状态？件是何工作状态？（2）当）当Vr小与小与Vc时，时，根据调制电路分析，根据调制电路分析，器件是何工作状态？器件是何工作状态？283完整完整 SSPWM电路电路284（2 2）双极性）双极性SPWMSPWM（BSPWMBSPWM）双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形特点：特点：载波载波Uc在调制波在调制波Ur的正负两个半周期内，都的正负两个半周期内，都在正负两个方向变化，不再单一了。调制波在正负两个方向变化，不再单一了。调制波Ur仍为正弦波。仍为正弦波。在在Uc与与Ur的交点时刻控制各器件的通断。的交点时刻控制各器件的通断。 Ur大于大于 U c时器件开通。时器件开通。输出的输出的SPWM 波形在两个方向变化，故称之为双波形在两个方向变化，故称之为双极性极性SPWM。285电路的实现：电路的实现：思考：工作原理？思考：工作原理？286l三相三相PWM逆变工作原理逆变工作原理三相桥式三相桥式PWMPWM逆变器主电路原理图逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2Ud287288自然采样法自然采样法自然采样法的运算比较复杂；自然采样法的运算比较复杂；规则采样法规则采样法在工程上更实用的简化方法，在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。法。lSPWM信号的生成方法信号的生成方法软件生成方法软件生成方法289规则采样法规则采样法 脉宽时间：脉宽时间：t2=Tc(1+MsintD)/2间隔时间：间隔时间：t1=t3=（Tc-t2）/22907.3 PWM7.3 PWM的调制方式（在调制电路中体现）的调制方式（在调制电路中体现）（1）几个基本概念：）几个基本概念： 载波频率：载波频率：fc 调制信号频率：调制信号频率：fr *载波比：载波比：N=fc/fr（即为一个调制周期内所包含的三角即为一个调制周期内所包含的三角 载波载波的个数）的个数） 291（2）调制方式的分类：）调制方式的分类： 调制信号周期变化时，载波个数不变调制信号周期变化时，载波个数不变同步调制同步调制特点：特点：f fr r变化时，变化时， f fc c也要相应变化。也要相应变化。因为因为N N不变，半个周期内的脉冲数不变，脉冲相位不变，不变，半个周期内的脉冲数不变，脉冲相位不变，正负半周期内的脉冲对称。保证输出波形的对称性。正负半周期内的脉冲对称。保证输出波形的对称性。当当f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，相邻两个脉冲之间的间距很大，也很低，相邻两个脉冲之间的间距很大，谐波显著增加，输出发生较大畸变，对负载不利。谐波显著增加，输出发生较大畸变，对负载不利。292异步调制异步调制调制信号周期变化时，载波个数改变调制信号周期变化时，载波个数改变（2）调制方式的分类：）调制方式的分类：特点：特点：f fr r变化时，变化时， f fc c不不变化。变化。N N可变，半周期内脉冲数可变，脉冲相位可变，正负半可变，半周期内脉冲数可变，脉冲相位可变，正负半周期内的脉冲数不对称。周期内的脉冲数不对称。当当f fr r高时，高时，N N减少，半周期内脉冲减少，与正弦波差异减少，半周期内脉冲减少，与正弦波差异较大，输出特性变坏。较大，输出特性变坏。293分段同步调制分段同步调制（2）调制方式的分类：）调制方式的分类：特点：特点：将将f fr r频率分成若干段，在每段内载波比频率分成若干段，在每段内载波比N N恒定。恒定。f fr r高的频段，高的频段，N N小，这样小，这样f fc c不至于过高，限制在开关器件不至于过高，限制在开关器件允许的范围以内。允许的范围以内。f fr r低的频段，低的频段，N N大，这样大，这样f fc c不至于过低，避免了上述中畸不至于过低，避免了上述中畸变带来的不良影响。变带来的不良影响。各频率段本身的各频率段本身的N N又分别是恒定的。但各段之间的又分别是恒定的。但各段之间的N N是不是不一样的。一样的。同步，异步相结合同步，异步相结合294第7章 PWM控制技术小结vPWM在电力电子中的重要性以及其基本理论在电力电子中的重要性以及其基本理论vSPWM的基本分类，各自特性的基本分类，各自特性vSPWM在逆变中的应用，掌握调制电路在在逆变中的应用，掌握调制电路在PWM逆变电路中的关键作用。逆变电路中的关键作用。vPWM的调制方式，各自优缺点。的调制方式，各自优缺点。295 思考：思考：（1 1）PWM的基本理论是什么？的基本理论是什么？（2 2）如何利用）如何利用PWM的基本理论实现正弦波与的基本理论实现正弦波与 一系一系列等幅不等宽脉冲的等效？列等幅不等宽脉冲的等效？（3 3）SPWM分为哪两种基本的方式？分为哪两种基本的方式？（4 4）在）在PWM中调制法是一种什么样的方法？它最中调制法是一种什么样的方法？它最突出的特点是什么？突出的特点是什么？（5 5）分析）分析SSPWM的工作原理。的工作原理。296