电力电子技术总复习

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1、题型1.填空题（20分）2.分析题（20分）3.简答题（30分）4.计算题（15分）5.设计题（10分，5分）第一章电力电子器件本章重点内容本章重点内容:各种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一些问题。电力电子器件的驱动驱动、保护保护问题。电力电子器件的特征？能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。电力电子器件的分类？半控型器件（半控型器件（Thyristor）全控型器件（全控型器件（IGBT,M

2、OSFET)不可控器件不可控器件(Power Diode)电流驱动型电流驱动型电压驱动型电压驱动型1.不控器件-二极管1.工作原理？2.基本特性？3.主要参数？1）额定正向平均电流）额定正向平均电流IF(AV)2）正向压降）正向压降UF3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM4）反向恢复时间）反向恢复时间trr5）最高工作结温）最高工作结温TJM6)浪涌电流浪涌电流IFSMAKAKa)IKAPNJb)c)AK4、大功率二极管的型号、大功率二极管的型号ZP电流电流电压电压/100 如如ZP50-16表示普通型功率二极管，额表示普通型功率二极管，额定电流为定电流为50A，额定电压为，额定电压为

3、1600V。2.半控器件半控器件晶闸管晶闸管（Thyristor）特点：只能控制其导通，不能控制其关断。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发只只有有门门极极触触发发是是最最精精确确、迅迅速速而而可可靠靠的的控控制制手手段段晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一

4、数值以下。伏安特性正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM动态特性动态特性100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA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以上两者之和tq=trr+tgr（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以上两者之和，tgt=td+tr晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数1）电压定额电压定额通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用

5、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。2）、）、电流定额电流定额 通通 态态 平平 均均 电电 流流（额额 定定 电电 流流）IT(AV)选用器件时 IT(AV)=(1.5 2)IT/1.57维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说对同一晶闸管来说，通常通常IL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不重复性最大正向过载电流。断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt电压上升率过大，使结电容充电

6、电流足够大，造成晶闸管误导通。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。4)、晶闸管的型号、晶闸管的型号 普通,快速型，双向型，逆导型，可关断 KP电流电压/100 KP500-12通态平均电压组别正反向重复峰值电压通态平均电流普通型闸流特性3.全控型器件全控型器件1.GTO2.GTR3.MOSFET4.IGBT1-15GTO GTO 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，承受di/dt能力强。特点：

7、1-16GTR GTR 电力晶体管电力晶体管 典型输出特性：截截止止区区、放放大大区区和饱和区饱和区。在电力电子电路中GTR工作在开关状态。在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，要经过放大区。截止区放大区饱和区OIcib3ib2ib1ib1ib220V将导致绝缘层击穿。除跨导Gfs、开启电压UT以及td(on)、tr、td(off)和tf之外还有：(4)极间电容极间电容极间电容CGS、CGD和CDS1-22IGBT-IGBT-绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导导通通：uGE大于开开启启电电压压UGE(th)时，MO

8、SFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关关断断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT的原理的原理1-232 2 电力电子器件驱动电路电力电子器件驱动电路使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。驱动电路的基本任务驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施加开通或关断的信号。对半控型器件只需提供开通控制信号。对全控型器件则既要提供开

9、通控制信号，又要提供关断控制信号。驱动电路驱动电路主电路与控制电路之间的接口1-24 驱动电路还要提供控制电路与主电路之间的电电气隔离气隔离环节，一般采用光隔离或磁隔离。光隔离一般采用光耦合器磁隔离的元件通常是脉冲变压器图1-25光耦合器的类型及接法a)普通型b)高速型c)高传输比型1-25按照驱动信号的性质分，可分为电电流流驱驱动动型型和电压驱动型电压驱动型。驱动电路具体形式可为分分立立元元件件的，但目前的趋势是采用专用集成驱动电路专用集成驱动电路。双列直插式集成电路及将光耦隔离电路也集成在内的混合集成电路。为达到参数最佳配合，首选所用器件生产厂家专门开发的集成驱动电路。分类分类1-26晶闸

10、管的触发电路晶闸管的触发电路脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通。触发脉冲应有足够的幅度。不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。tIIMt1t2t3t4图1-26理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1t2脉冲前沿上升时间（1s）t1t3强脉宽度IM强脉冲幅值（3IGT5IGT）t1t4脉冲宽度I脉冲平顶幅值（1.5IGT2IGT）晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路1-27触发脉冲要求：1、触发信号的形式：交流、直流、脉冲。一般采用脉冲形式2、触发脉冲信号有一定的功率和宽度。一般采用双窄脉冲或宽脉冲。1-283、为使并联晶闸管同时导通，采用强

11、触发脉冲。4、触发脉冲的同步及其移相范围。5、隔离输出方式和抗干扰能力。采用脉冲变压器进行隔离，并采用静电屏蔽。1-29典型全控型器件的驱动电路典型全控型器件的驱动电路电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V。关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻可以减小寄生振荡。2)电压驱动型器件的驱动电路电压驱动型器件的驱动电路典型驱动芯片：IR2110IR2130IPM：PS215641-313.电力电子器件器

12、件的保护电力电子器件器件的保护1.过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护2.过电流保护过电流保护3.缓冲电路缓冲电路1-32过电压保护方法：过电压保护方法：1-33过电流过载过载和短路短路两种情况保护措施负载触发电路开关电路过电流继电器交流断路器动作电流整定值短路器电流检测电子保护电路快速熔断器变流器直流快速断路器电流互感器变压器同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和合理性。电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图1-37过电流保护措施及配置位置1-34关关断断缓缓冲冲电电路路（du/

13、dt抑制电路）吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制du/dt，减小关断损耗。开开通通缓缓冲冲电电路路（di/dt抑制电路）抑制器件开通时的电流过冲和di/dt，减小器件的开通损耗。复合缓冲电路复合缓冲电路关断缓冲电路和开通缓冲电路的结合。按能量的去向分类法：耗耗能能式式缓缓冲冲电电路路和馈馈能能式式缓缓冲冲电电路路（无损吸收电路）。通常将缓冲电路专指关断缓冲电路，将开通缓冲电路叫做di/dt抑制电路。缓冲电路缓冲电路(Snubber Circuit)：又称吸收电路吸收电路，抑制器件的内因过电压、du/dt、过电流和di/dt，减小器件的开关损耗。2-35第2章 整流电路重点：重点：2.1 单

14、相可控整流电路单相可控整流电路 2.2 三相可控整流电路三相可控整流电路 2.4 电容滤波的不可控整流电路电容滤波的不可控整流电路 2.7 整流电路的有源逆变工作状态整流电路的有源逆变工作状态2-362.1 单相可控整流电路 2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 2.1.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 2.1.3 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 2.1.4 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路2-372.2三相可控整流电路2.2.1 三相半波可控整流电三相半波可控整流电路路2.2.2 三相桥式全控整流电三相桥式全控整流电路路重点掌握1.电路的基本结构

15、和工作原理2.负载的电压、电流波形分析3.基本数量关系4.不同负载类型分析：阻性，感性（带续流二极管）、反电动势5.不同电路拓扑结构对比，器件选型2.1.1单相半波可控整流电路图2-1 单相半波可控整流电路及波形1 1）带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电电阻阻负负载载的的特特点点：电压与电流成正比，两者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2ptttu2uguduVTq0b)c)d)e)00 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)2

16、.1.1单相半波可控整流电路 VT的 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式相位控制方式，简称相控方式相控方式。两个重要的基本概念：触触发发延延迟迟角角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用表示,也称触发角或控制角。导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为(2-1)重点掌握：单相桥式全控电路，阻感性负载2-422.4 电容滤波的不可控整流电路2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电电容滤波的单相不可控整流电路路2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电电容滤波的三相不

17、可控整流电路路2-432.4 电容滤波的不可控整流电路在交直交变频器、不间断电源、开关电源等应用场合中，大量应用。最常用的是单相桥和三相桥两种接法。由于电路中的电力电子器件采用整流二极管，故也称这类电路为二极管整流电路。2-44常用于小功率单相交流输入的场合，如目前大量普及的微机、电视机等家电产品中。1）工作原理及波形分析工作原理及波形分析图2-26 电容滤波的单相桥式不可控整流电路及其工作波形a)电路 b)波形基本工作过程基本工作过程：在u2正半周过零点至w wt=0期间，因u2/2，使Ud为负值。半控桥或有续流二极管的电路，因其整流电压ud不能出现负值，也不允许直流侧出现负极性的电动势，故

18、不能实现有源逆变。欲实现有源逆变，只能采用全控电路。2-492.7.2三相桥整流电路的有源逆变工作状态逆变和整流的区别逆变和整流的区别：控制角 不同0 p p/2时，电路工作在整流状态。p p/2 p p/2时的控制角用p-p-=b b表示，b b 称为逆变角逆变角。逆变角b b和控制角 的计量方向相反，其大小自b=0的起始点向左方计量。2-502.7.3 逆变失败与最小逆变角的限制逆变失败逆变失败（逆变颠覆）逆变时，一旦换相失败，外接直流电源就会通过晶闸管电路短路短路，或使变流器的输出平均电压和直流电动势变成顺向串联顺向串联，形成很大短路电流短路电流。触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各

19、晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。交流电源缺相或突然消失。换相的裕量角不足，引起换相失败。1)逆变失败的原因逆变失败的原因3-513 基本斩波电路1 降压斩波电路降压斩波电路2 升压斩波电路升压斩波电路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4 可逆斩波电路（桥式可逆）可逆斩波电路（桥式可逆）重点掌握1.电路结构2.工作原理3.基本数量关系4.特点和应用3-533.1.1 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

20、。降压斩波电路降压斩波电路（Buck Chopper)3-54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。3-55数量关系数量关系电流连续输出电压平均值

21、：（3-1）（3-2）tonV通的时间通的时间 toffV断的时间断的时间 -导通占空比导通占空比（SPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out6-82OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。6-83等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流第3章的直流斩波电路6.2节的PWM逆变电路6.4节的PWM整流电路不等幅不等幅PWM波波输入电源是交流或不是恒定的直流4.1节的斩控式交流调压电路Owt

22、Ud-UdUot2)PWM波形6-84掌握单极性和双极性PWM调制方法工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。以uo正半周为例，V1通，V2断，V3和V4交替通断。负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。图64 单相桥式PWM逆变电路(1)电路工作原理6-85图64 单相桥式PWM逆变电路V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两

23、种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。6-86(2）调制原理ur正半周正半周，V1保持通通，V2保持断断。当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud。当uruc时时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。当当uruc时时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。图6-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 和单极性PWM控制方式对应，也是在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。6-88

24、图6-5 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图6-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。掌握关键名词：异步调制同步调制分段调制载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr6-90规则采样法（掌握）规则采样法计算公式推导正弦调制信号波三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度(6-7)a称为调制度调制度，0a1；wr为信号波角频率从图6-12得,(6-6)ucuOturTcADBO

25、tuotAtDtBdd d 2d2d图6-12规则采样法6-91电流滞环跟踪PWM1)采用滞环比较方式的PWM电路跟踪控制。tOiii*+D Ii*-D Ii*图6-23滞环比较方式的指令电流和输出电流图6-22滞环比较方式电流跟踪控制举例基本原理基本原理把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。V1（或VD1）通时，i增大V2（或VD2）通时，i减小通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+D DI和i*-D DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L

26、大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。滞环环宽电抗器L的作用第8章 组合变流电路基本的变流电路 第25章分别介绍的AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四大类基本的变流电路基本的变流电路。间接交流变流电路 先将交流电整流为直流电，再将直流电逆变为交流电，是先整流先整流后逆变后逆变的组合。间接直流变流电路 先将直流电逆变为交流电，再将交流电整流为直流电，是先逆变先逆变后整流后整流的组合。8.1间接交流变流电路间接交流变流电路由整流电路、中间直流电路和逆变电路构成。分为电压型电压型间接交流变流电路和电流型电流型间接交流变流电路间接交流变流电路的逆变部分多采用 PW

27、M控制控制。当负载为电动机时，通常要求间接交流变流电路具有再再生生反反馈馈电电力力的能力，要求输出电压的大小和频率可调，此时该电路又名交直交变频电路交直交变频电路。不能再生反馈电力不能再生反馈电力的电压型间接交流变流电路的整流部分采用的是不可控整流，它只能由电源向直流电路输送功率，而不能反馈电力。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，若负载能量反馈到中间直流电路，将导致电容电压升高，称为泵升电压泵升电压。1）电压型间接交流变流电路图8-1 不能再生反馈的电压型间接交流变流电路8.2间接直流变流电路采用这种结构的变换原因：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。输出电压与输入电压

28、的比例远小于1或远大于1。交流环节采用较高的工作频率，工作频率高于20kHz可以可以进一步缩小变流装置的体积和重量。变压器整流电路滤波器直流交流交流脉动直流直流逆变电路图图 8-158-15 间接直流变流电路的结构8.2.7开关电源如果间接直流变流电路输入端的直流电源是由交流电网整流得来，所构成的交直交直电路，通常被称为开关电源。由于开关电源采用了工作频率较高的交流环节，变压器和滤波器都大大减小，体积和重量都远小于相控整流电源。器件工作在开关状态，损耗小，效率高。稳压范围宽，输入电压的变化可以通过调节占空比的大小来补偿，这样在工频电网电压变化较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。此外，工作频率的提高还有利于控制性能的提高。设计题1.直流电源设计（输出电压，电流给定）确定电路原理图，元器件参数计算。2.变频器设计，设计电路原理图，分析控制方法。