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![第2章电力电子技术(第3版)[王云亮][电子教案(版本)]](https://img.taocdn.com/s1/m/16007ef558fb770bf68a5525.png)
电力电子技术讲义电力电子技术讲义目录第1章电力电子器件 (3)第2章整流电路 (18)第3章逆变电路 (30)第4章直流直流变流电路 (39)第5章PWM控制技术 (45)第1章电力电子器件1.1电力二极管1. 电力二极管的基本特性电力二极管是指可以承受高电压大电流具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要作用；它的基本结构、工作原理和伏安特性与信息电子电路中的二极管相同，以半导体PN结为基础；主要类型有普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管；由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成，从外形上看，大功率的主要有螺栓型和平板型两种封装，小功率的和普通二极管一致。
图1-1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号a) 外形b) 结构c) 电气图形符号2.电力二极管的基本特性静态特性，主要是指其伏安特性。
正向电压大到一定值（门槛电压UTO ），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。
与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。
承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
动态特性，因为结电容的导致电压-电流随时间变化，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开关特性，由正向偏置转换为反向偏置。
电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断图1-2 电力二极管的伏安特性能力，进入截止状态。
在关断之前有较大的图1-3 电力二极管的动态过程波形 a)正向偏置转换为反向偏置b)零偏置转换为正向偏置反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。
延迟时间：td=t1-t0电流下降时间：tf =t2- t1反向恢复时间：trr=td+ tf恢复特性的软度： tf /td ，或称恢复系 数，用Sr 表示。
由零偏置转换为正向偏置，先出现一个过冲UFP ，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V ）。
2）维持电流I H在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚好能保持导通的最小阳极电流称为维持电流I H。
维持电流与元件容量、结温等因素有关，额定电流大的管子维持电流也大，同一管子结温低时维持电流增大，维持电流大的管子容易关断。
同一型号的管子其维持电流也各不相同。
3）擎住电流I L在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就去除触发电压，此时要保持元件持续导通所需要的最小阳极电流，称擎住电流I L。
对同一个晶闸管来说，通常擎住电流比维持电流大数倍。
4）断态重复峰值电流I DRM和反向重复峰值电流I RRMI DRM和I RRM分别是对应于晶闸管承受断态重复峰值电压U DRM和反向重复峰值电压U RRM时的峰值电流。
它们都应不大于表1－2中所规定的数值。
5）浪涌电流I TSMI TSM是一种由于电路异常情况（如故障）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。
用峰值表示，见表1－2。
浪涌电流有上下两个级，这些不重复电流定额用来设计保护电路。
（3）门极参数1）门极触发电流I gT室温下，在晶闸管的阳极—阴极加上6V的正向阳极电压，管子由断态转为通态所必需的最小门极电流，称为门极触发电流I gT。
2）门极触发电压U gT产生门极触发电流I gT所必需的最小门极电压，称为门极触发电压U gT。
为了保证晶闸管的可靠导通，常常采用实际的触发电流比规定的触发电流大。
（4）动态参数1）断态电压临界上升率d u/d td u/d t是在额定结温和门极开路的情况下，不导致从断态到通态转换的最大阳极电压上升率。
实际使用时的电压上升率必须低于此规定值（见表1－2）。
限制元件正向电压上升率的原因是：在正向阻断状态下，反偏的J2结相当于一个结电容，如果阳极电压突然增大，便会有一充电电流流过J2结，相当于有触发电流。
若du/dt 过大，即充电电流过大，就会造成晶闸管的误导通。
所以在使用时，采取保护措施，使它不超过规定值。
2）通态电流临界上升率d i/d td i/d t是在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
其允许值见表1－2。
如果阳极电流上升太快，则晶闸管刚一开通时，会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，造成J2结局部过热而使晶闸管损坏。
因此，在实际使用时要采取保护措施，使其被限制在允许值内。
（5）晶闸管的型号根据国家的有关规定，普通晶闸管的型号及含义如下：课题二单相可控整流电路一. 单相半波可控整流电路1．电阻性负载如图1-9单相半波可控整流调光灯主电路，实际上就是负载为阻性的单相半波可控整流电路，对电路的输出波形u d和晶闸管两端电压波形u T的分析在调试及修理过程中是非常重要的。
在假设主电路和触发电路均正常工作，下面进行电路分析。
图1-9 负载为阻性的单相半波可控整流电路在图1-9单相半波可控整流电路中，整流变压器起变换电压和隔离的作用，其一次和二次电压瞬时值分别用u1和u2表示，二次电压u2为50Hz正弦波，函数表达式为：2sin=tuωU22当接通电源后，便可在负载两端得到脉动的直流电压，其输出电压的波形可以用示波器进行测量。
（1）工作原理在分析电路工作原理之前，先介绍几个名词术语和概念。
控制角α：控制角α也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的电角度。
导通角θ：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。
移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角α的大小。
移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。
1）α= 0°时的波形分析图1－10是α= 0°时实际电路中输出电压和晶闸管两端电压的理论波形。
图1-10（a ）所示为α= 0°时负载两端（输出电压）的理论波形。
从理论波形图中我们可以分析出，在电源电压u 2正半周区间内，在电源电压的过零点，即：α= 0°时刻加入触发脉冲触发晶闸管VT 导通，负载上得到输出电压u d 的波形是与电源电压u 2相同形状的波形；当电源电压u 2过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压u d 为零；在电源电压u 2负半周内，晶闸管承受反向电压不能导通，直到第二周期α= 0°触发电路再次施加触发脉冲时，晶闸管再次导通。
图1-8（b ）所示为α= 0°时晶闸管两端电压的理论波形图。
在晶闸管导通期间，忽略晶闸管的管压降，u T = 0，在晶闸管截止期间，管子将承受全部反向电压。
（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形图1-10 o 0=α时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形2）o 30=α时的波形分析改变晶闸管的触发时刻，即控制角α的大小即可改变输出电压的波形，图1-11（a ）所示为o 30=α的输出电压的理论波形。
在o 30=α时，晶闸管承受正向电压，此时加入触发脉冲晶闸管导通，负载上得到输出电压u d 的波形是与电源电压u d 相同形状的波形；同样当电源电压u 2过零时，晶闸管也同时关断，负载上得到的输出电压u d 为零；在电源电压过零点到o 30=α之间的区间上，虽然晶闸管已经承受正向电压，但由于没有触发脉冲，晶闸管依然处于截止状态。
图1-11（b ）所示为o 30=α时晶闸管两端的理论波形图。
其原理与o 0=α相同。
（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形图1－11 o 30=α时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形图1-11所示为o 30=α时实际电路中用示波器测得的输出电压和晶闸管两端电压波形，可与理论波形对照进行比较。
将示波器探头的接于白炽灯两端，调节旋钮“t/div ”和“v/div ”，使示波器稳定显示至少一个周期的完整波形，并且使每个周期的宽度在示波器上显示为六个方格（即：每个方格对应的电角度为60°），调节电路，使示波器显示的输出电压的波形对应于控制角α的角度为，如图1-12（a ）所示，可与理论波形对照进行比较。
将示波器探头的测试端和接地端接于晶闸管两端，测试晶闸管在控制角α的角度为30°时两端电压的波形，如图1-12（b ）所示，可与理论波形对照进行比较。
(a)(b) （a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形图1－12 o 30=α时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形3）其他角度时的波形分析继续改变触发脉冲的加入时刻，我们可以分别得到控制角α为60°、90°、120°时输出电压和管子两端的波形，如图1－13、1－14、1－15、1-16、1-17、1-18所示分别为理论波形和实测波形。
其原理请自行分析。
触发导通时刻过零关断时刻（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形 图1－13 o 60=α时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形(a)(b)（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形图1－14 o 60=α时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形 图1－15 o 90=α时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形(a)(b)（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形图1－16 o 90=α时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形 图1－17 o 120=α时输出电压和晶闸管两端电压的理论波形(a) (b)（a ）输出电压波形 （b ）晶闸管两端电压波形图1－18 o 120=α时输出电压和晶闸管两端电压的实测波形由以上的分析和测试可以得出：① 在单相整流电路中，把晶闸管从承受正向阳极电压起到加入触发脉冲而导通之间的电角度α称为控制角，亦称为触发延迟角或移相角。
晶闸管在一个周期内导通时间对应的电角度用θ表示，称为导通角，且απθ-=。
② 在单相半波整流电路中，改变的α大小即改变触发脉冲在每周期内出现的时刻，则d u 和d i 的波形也随之改变，但是直流输出电压瞬时值d u 的极性不变，其波形只在2u 的正半周出现，这种通过对触发脉冲的控制来实现控制直流输出电压大小的控制方式称为相位控制方式，简称相控方式。
③ 理论上移相范围o 0～o 180。
在本课题中若要实现移相范围达到o 0～o180，则需要改进触发电路以扩大移相范围。
（2）基本的物理量计算1）输出电压平均值与输出电流平均值的计算： 2cos 145.0)(d sin 2π212π2d αωωα+==⎰U t t U U2cos 145.0d 2d d d α+==R U R U I可见，输出直流电压平均值U d 与整流变压器二次侧交流电压U 2和控制角α有关。
当U 2给定后，U d 仅与α有关，当α＝0°时，则U d0＝0.45 U 2，为最大输出直流平均电压。
当α＝0°时，U d ＝0。
只要控制触发脉冲送出的时刻，U d 就可以在0～0.45 U 2之间连续可调。
2）负载上电压有效值与电流有效值的计算：根据有效值的定义，U 应是u d 波形的均方根值，即π42sin π2π)(d )sin 2(π21222πααωωα+-==⎰U t t U U负载电流有效值的计算： π42sin π2πd 2αα+-=R U I 3）晶闸管电流平均值I dT 和有效值I T 与管子两端可能承受的最大电压：在单相半波可控整流且为阻性负载的电路中，因为晶闸管与负载串联，所以负载电流的平均值就是流过晶闸管电流的的平均值，负载电流的有效值也就是流过晶闸管电流的有效值，其关系为2cos 145.0d 2d d d α+==R U R U I π42sin π2πd2αα+-=R U I 由图1－16中T u 波形可知，晶闸管可能承受的正反向峰值电压为2TM 2U U =4）功率因数COS φπ42sin π2πcos 2ααϕ+-===I U UI S P例1－2 单相半波可控整流电路，阻性负载，电源电压U 2为220V ，要求的直流输出电压为50V ，直流输出平均电流为20A ，试计算：(1) 晶闸管的控制角α。
(2) 输出电流有效值。
(3) 电路功率因数。
(4) 晶闸管的额定电压和额定电流，并选择晶闸管的型号。
解：(1) 由下式计算输出电压为50V 时的晶闸管控制角, 求得α＝90°2cos 145.02d α+=U U0122045.0502cos ≈-⨯⨯=αΩ===5.22050d d d I U R(2) 当α＝90°时，由下式计算得I ＝44.4Aπ42sin π2πd 2αα+-=R U I(3) 求得的功率因数 π42sin π2πcos 2ααϕ+-===IU UI S P (4) 根据I T(A V) ≥ (1.5~2) I T /1.57，取2倍安全裕量，晶闸管的额定电流为I T(A V)≥42.4~56.6A, 按电流等级可取额定电流50A 。
