电力电子技术资料

电力电子技术复习大纲一基本概念（填空和问答）1 电力电子技术的定义电力电子技术是利用电力电子器件构成的电路系统对电能进行变换和控制的技术。

这种变换包括对电压、电流、频率和波形等方面的变换。

2 电力电子变换电路的种类(1) AC-DC变换器：把固定的交流电变换成幅值固定或可调的直流电，实现从交流到直流的变换；(2) DC-DC变换器：把幅值固定的直流电变换成幅值固定或可调的直流电，实现从直流到直流的变换；(3) DC-AC变换器：把幅值固定的直流电变化成可调的交流电，实现从直流到交流的变换；(4) AC-AC变换器：把固定的交流电变化成电压或频率可调的交流电，实现从交流到交流的变换。

这四种变换电路称为基本的变流形式。

由它们组合还可以构成各种各样复杂的变换器。

3 电力电子技术的发展及趋势电力电子技术的发展有赖于电力电子器件的发展。

以器件为核心的电力电子技术的发展可分为三个阶段：1904~1957年称为电力电子技术的史前期；1957～1980年称为传统电力电子技术阶段；1980年至今称为现代电力电子技术阶段。

现代电力电子技术发展趋势是：应用技术的高频化、硬件结构的模块化和产品性能的绿色化。

高频化可使电力电子装置小型化和高效率，模块化可减小装置的体积和装置的分布参数，绿色化可控制谐波、减小对电网和负载的影响。

4. 电力电子技术的应用(1) 在电机调速方面的应用：交直流电机的调压和变频；（2）在电力系统中的应用：高压直流输电技术、柔性交流输电技术、静止无功发生器、有源电力滤波器；（3）电源装置：在冶金、电化学工业中大量使用大容量整流电源、高频或中频感应加热电源、开关电源；（4）家用电器：调光台灯、节能灯，变频空调、变频冰箱等；（5）电子开关5 电力二极管的特性及主要类型特性：单向导电性：PN结加一定的正向电压（u AK>0.7V）可以导通；反向阻断和击穿性：加反向电压（u AK<0V）则只有微小的反向漏电流流过，不能导通。

不断加大反向电压，当超过反向击穿电压值时，反向漏电流将急剧增大，形成反向击穿。

主要类型：电力二极管按照性能，特别是反向恢复特性的不同，分为普通二极管、快恢复二极管和肖特基二极管三种形式。

普通二极管又称整流二极管，多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路中。

其反向恢复时间较长，一般在5us以上，但正向电流定额和反向电压定额可以达到很高，分别可达数千安和数千伏以上。

快恢复二极管，恢复过程很短，特别是反向恢复过程很短（一般在5us以下）的二极管，从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。

肖特基二极管以金属和半导体接触形成的势垒为基础，其优点在于：反向恢复时间很短（10～40ns），正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲；在反向耐压较低的情况下其正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。

因此，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管要小，效率高。

其弱点在于：当所能承受的反向耐压提高时其正向压降也会高得不能满足要求，因此多用于200V以下的低压场合。

另外，反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向稳态损耗不能忽略，而且必须严格地限制其工作温度。

6 晶闸管的特性(1) 晶闸管具有单向导电和可控开通的开关特性。

当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

(2) 晶闸管要导通工作，应具备两个条件：从主回路看，晶闸管应承受正向阳极电压；从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流。

(3) 晶闸管一旦导通，门极便失去控制作用，移除触发电流或是从门极抽取电流，都不会使晶闸管关断。

门极触发电流常采用脉冲形式。

触发脉冲的宽度与晶闸管的开通特性及负载性质有关。

(4) 欲使导通的晶闸管关断，需从主回路采取措施，使晶闸管阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向电压。

7晶闸管的派生器件及应用晶闸管的派生器件主要有：快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。

（1）快速晶闸管：主要用于直流电源供电的逆变器、斩波器以及较高频率(400 Hz以上)的其他变流电路中。

（2）逆导晶闸管：逆导晶闸管相当于普通晶闸管与硅整流二极管的反并联，采用逆导晶闸管时，可以简化主电路结构，提高主电路工作的可靠性。

逆导晶闸管的额定电流有两个，一个是晶闸管电流，一个是与之反并联的二极管的电流。

因此，它用分数表示，分子为晶闸管电流定额，分母为整流管电流定额，如300/150 A等。

（3）双向晶闸管：双向晶闸管相当于一对反并联的普通晶闸管。

双向晶闸管在承受正、反向电压时，均可控制导通，且正、反方向的电流波形对称，属交流开关器件。

因此，额定电流的标注方法与晶闸管不同，双向晶闸管是以电流有效值标定的。

（4）光控晶闸管：又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管，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。

利用8kV、3.5kA的光控晶闸管构成的300MVA电力变换装置是目前容量最大的电力电子装置。

8 典型全控型器件及其特点典型全控型器件：可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管（GTR）、功率场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。

GTO：耐压高、电流大、控制功率小、使用方便和价格低等。

它具有自关断能力，属于全控器件，在容量、效率及可靠性等方面具有优势。

缺点：开关速度慢，电流驱动方式电流关断增益大，驱动电路复杂。

主要使用在较大功率的应用场合。

GTR：是一种耐高电压、耐大电流的双极结型晶体管。

可用于10kHz以下的大功率电力变换电路中。

GTR的缺点是耐冲击能力差，易受二次击穿损坏。

自20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管的主要是GTR。

但是目前，其地位已大多被绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和电力场效应晶体管（MOSFET）所取代。

MOSFET具有驱动功率小、驱动电路简单、开关速度高、无二次击穿、安全工作区宽等特点。

由于其易于驱动，开关频率可高达500kHz，特别适于高频化电力电子装置，但因为其电流容量和热容量小，耐压低，一般只适用于小功率（不超过10kW）的电力电子装置。

IGBT是一种复合器件，它的输入级为MOSFET，输出级为GTR，集中了MOSFET及GTR各自的优点，因而具有良好的特性：开关速度快，工作频率高，输入阻抗高，输入电流小，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，导通电阻小、容量大。

IGBT目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET及一部分GTO的市场，成为覆盖大中小功率等级电力电子设备的主导器件。

9单相半波阻感负载电路，输出电压为何会出现负半周，以及续流二极管的作用。

在u 2处于负半周（u 2<0）：在u 2由正变负的过零点处，由于电感电流的滞缓惯性作用，i d 仍处于减小的过程中，但能量尚未释放完毕。

此时尽管u 2=0，然而由于L 释放能量，L 两端下正上负的自感电势作用使VT 正偏而继续导通。

由于电感的存在延迟了VT 的关断时刻，使u d 波形出现负面积部分，与带纯电阻负载时相比其平均值U d 下降。

在负载两端反并联续流二极管，使得在u 2处于负半周时，电感通过VD R 续流释放储能，负载电流i d 下降，VT 承受反压关断。

如忽略二极管的通态电压，则在续流期间u d 为0，u d 中不再出现负面积部分，这与电阻负载时基本相同。

10 单相半控桥阻感负载电路不加VDR ，输出电压是否会出现负半周，此处VDR 的作用是什么？不加VDR ，该电路的换流规律是： VT 1和VT 3彼此在触发时换流，VD 2和VD 4则在u 2过零时自然换流。

输出电压和电阻负载相同，没有负半周。

该电路实用中需加设续流二极管VD R ，以避免可能发生的失控现象。

VT 1在2u 正半周导通，在2u 过零变负时仍因续流而保持导通，直到VT 3被触通，迫使VT 1关断换流，即VT 1的关断是以VT 3的触发导通为条件的。

但是若在VT 1导通后，脉冲控制电路需停止工作，不再发脉冲，则在2u 负半周，由于电感的作用，VT 1和VD 2一直续流，直到2u 过零变正时，VT 1将继续同VD 4一起导通。

可见尽管都已没有触发脉冲，然而VT 1总是一直维持导通，而VD 2、VD 4轮换导通。

在这种一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况下，输出电压u d 成为正弦半波，输出电压波形和单相半波不可控整流电路相同，脉冲控制电路失去控制作用，即所谓失控现象。

有了续流二极管VD R 时，当u 2<0时，负载经VD R 续流，晶闸管关断，这就避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控现象。

应当指出，实现这一功能的条件是VD R 的通态电压低于自然续流回路开关管子通态电压之和，否则将不能消除失控现象。

11 三相桥式整流电路的特点（1）任何时刻总是上、下两组各有1只晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路；（2）6只晶闸管按VT 1、VT 2、VT 3、VT 4、VT 5、VT 6的顺序触发，相位依次差60︒；共阴极组VT 1、VT 3、VT 5的脉冲依次差120︒，共阳极组VT 4、VT 6、VT 2也依次差120︒；同一相的上、下两个桥臂，例如VT 1与VT 4，脉冲相差180︒；（3）整流输出电压u d 每周期脉动6次，每次脉动的波形形状相同，故该电路为6脉波整流电路；（4）为确保在任意时间上、下两组晶闸管各有一只导通，需对两组中应导通的2个晶闸管同时施加触发脉冲。

为此，可采用宽脉冲触发或双窄脉冲触发两种触发方式，宽脉冲触发：要求触发脉冲宽度大于60︒（一般取80︒~100︒），如图2-19中的宽脉冲方式，VT 1在a 相正半周自然换相点处触发，隔60°后VT 2触发，此时VT 1脉冲仍存在，从而保证VT 1和VT 2同时导通。

双窄脉冲触发：在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发一个脉冲。

即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60︒，脉宽一般为20︒~30︒。

如图2-19中的双窄脉冲方式中，给在VT 2加触发脉冲的同时，给VT 1管再补发一个1′窄脉冲，其它按顺序类推。

双脉冲电路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。

宽脉冲触发电路简单，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿不够陡，对于晶闸管串联使用不利。

因此，常用的是双脉冲触发方式；（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，它只与同组晶闸管导通情况有关，分析方法也相同；（6）变压器二次绕组流过正负两个方向的电流，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的利用率。

12带平衡电抗器的双反星形可控整流电路中，双反星形接法的目的和平衡电抗器作用是什么，电路的特点？两组半波电路并联运行时，两组的相电压互差180o ，因而相电流也互差180o 。