1、 模擬電子技術電子技術信息電子技術電力電子技術數字電子技術1.1 電力電子與信息電子1.2 兩大分支 電力交流和直流兩種 從公用電網直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。 交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1 電力變換的種類逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相整流交流交流直流 輸出 輸入1.2 兩大分支3 電力電子技術的應用1 1）概念）概念: : 電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現電能的變換或控制的電子器件。 主電路（主電路（Main Power Circuit） 電氣設備或電力系統中，直接承擔電能的

2、變換或控制任務的電路。2 2）分類）分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導體器件半導體器件 (采用的主要材料仍然是硅）1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件電力電子器件 能處理電功率的能力，一般遠大于處理信息的電子器件。 電力電子器件一般都工作在開關狀態。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征3）同處理信息的電子器件相比的特征：）同處理信息的電子器件相比的特征： 通態損耗通態損耗是器件功率損耗的主要成因。

3、 器件開關頻率較高時，開關損耗開關損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態損耗斷態損耗開關損耗關斷損耗開通損耗1.1.1 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗 電力電子系統電力電子系統：由控制電路控制電路、驅動電路驅動電路、保護電路保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實際應用中的系統組成控制電路檢測電路驅動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統正?？煽窟\行1.1.2 應用電力電子器件系統組成應用電力電子器件系統組成電氣隔離控制電路l半控型器件（

4、半控型器件（Thyristor）l 通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) )l 通過控制信號既可控制其導通又可控制其關 斷，又稱自關斷器件。l不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來控制其通斷, 因此也就不需要驅動電路。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：l 電流驅動型電流驅動型 通過從器件的控制端注入或者抽出電流來實現導通或者 關斷的控制。l 電壓驅動型電壓驅動型 僅通過在器件的控制端和公共端之間施加一定的電壓

5、信號就可實現導通或者關斷的控制。1.1.3 電力電子器件的分類電力電子器件的分類 按照驅動電路信號的性質，分為兩類：按照驅動電路信號的性質，分為兩類： Power Diode結構和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應用?？旎謴投O管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。1.2 不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管引言引言整流二極管及模塊 基本結構和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。 由一個面積較大的PN結和兩端引線封裝組成的。 從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-2 電力二極管的外形、結構和電氣圖形符號 a) 外

6、形 b) 結構 c) 電氣圖形符號1.2.1 PN結與電力二極管的工作原理結與電力二極管的工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK圖1-6 晶閘管的外形、結構和電氣圖形符號a) 外形 b) 結構 c) 電氣圖形符號1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個連接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKb )c )a )AGKKGAP1N1P2N2J1J2J31.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理 常用晶閘管的結構螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形

7、及結構1.3.1 晶閘管的結構與工作原理晶閘管的結構與工作原理式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 晶閘管導通的原理可用晶體管模型解釋，由圖得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 晶閘管的一種派生器件。 可以通過在門極施加負的脈沖電流使其關斷。 GTO的電壓、電流容量

8、較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級以上的大功率場合仍有較多的應用。 DATASHEET 1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）1.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管AGKc)圖1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK 結構： 與普通晶閘管的相同點： PNPN四層半導體結構，外部引出陽極、陰極和門極。 和普通晶閘管的不同點：GTO是一種多元的功率集成器件。圖1-13 GTO的內部結構和電氣圖形符號 a) 各單元的陰極、門極間隔排列的圖形 b) 并聯單元結構斷面示意圖 c) 電氣圖形符號1）GTO的結構和工作原理的結構和

9、工作原理圖1-131.4.1 門極可關斷晶閘管門極可關斷晶閘管 工作原理工作原理： 與普通晶閘管一樣，可以用圖1-7所示的雙晶體管模型來分析。 RN PNPN PAGSKEGIGEAIKIc2Ic1IAV1V2P1AGKN1P2P2N1N2a)b)圖1-7 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 1 1+ + 2 2=1=1是器件臨界導通的條件。是器件臨界導通的條件。 由P1N1P2和N1P2N2構成的兩個晶體管V1、V2分別具有共基極電流增益 1 1和 2 2 。與普通的雙極結型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關特性好。通常采用至少由兩個晶體管按達林頓接法組成的單元結構。采用集

10、成電路工藝將許多這種單元并聯而成 。1.4.2 電力晶體管電力晶體管1）GTR的結構和工作原理的結構和工作原理圖1-15 GTR的結構、電氣圖形符號和內部載流子的流動 a) 內部結構斷面示意圖 b) 電氣圖形符號 c) 內部載流子的流動1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管 分為結型結型和絕緣柵型絕緣柵型 通常主要指絕緣柵型絕緣柵型中的MOSMOS型型（Metal Oxide Semiconductor FET），簡稱電力MOSFET（Power MOSFET） 結型電力場效應晶體管一般稱作靜電感應晶體管（Static Induction TransistorSIT） 特點特點用柵極電壓

11、來控制漏極電流 驅動電路簡單，需要的驅動功率小。 開關速度快，工作頻率高。 熱穩定性優于GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。電力場效應晶體管電力場效應晶體管1.4.3 電力場效應晶體管電力場效應晶體管電力電力MOSFET的種類的種類 按導電溝道可分為P溝道溝道和N溝道溝道。 耗盡型耗盡型當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝道。 增強型增強型對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道。 電力MOSFET主要是N溝道增強型溝道增強型。 DATASHEET1）電力）電力MOSFET的結構和工作原理的結構和工作原理1.4.4 絕緣柵雙極晶體管

12、絕緣柵雙極晶體管 兩類器件取長補短結合而成的復合器件Bi-MOS器件 絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）(DATASHEET 1 2 ) GTR和MOSFET復合，結合二者的優點。 1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR和GTO的特點雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。 MOSFET的優點單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。1.4.4 絕緣柵雙極晶體管

13、絕緣柵雙極晶體管1) IGBT的結構和工作原理的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發射極EEGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+發 射 極 柵 極集 電 極注 入 區緩 沖 區漂 移 區J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)圖1-22 IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a) 內部結構斷面示意圖 b) 簡化等效電路 c) 電氣圖形符號第2章 整流電路引言整流電路的分類整流電路的分類： 按組成的器件可分為不可控不可控、半控半控、全控全控三種。 按電路結構可分為橋式電路橋式電路和零式電路零式電路。 按交流輸入相數分為單相電路單相電路和多相電路多相電

14、路。按變壓器二次側電流的方向是單向或雙向，又分為單拍電路單拍電路和雙拍電路雙拍電路。整流電路整流電路： 出現最早的電力電子電路，將交流電變為直流電。2.1.1 單相半波可控整流電路圖2-1單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負載的工作情況）帶電阻負載的工作情況變壓器T起變換電壓和電氣隔離的作用。電阻負載的特點電阻負載的特點：電壓與電流成正比，兩者波形相同。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTq0b)c)d)e)00 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier

15、)2.1.1 單相半波可控整流電路2) 帶阻感負載的工作情況帶阻感負載的工作情況圖2-2帶阻感負載的單相半波電路及其波形阻感負載的特點阻感負載的特點：電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發生突變。討論負載阻抗角j、觸發角、晶閘管導通角的關系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qb)c)d)e)f)+ + +2.1.1 單相半波可控整流電路續流二極管續流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-p+b)c)d)e)f)g)iVDRa)圖2-4單相半波帶阻感負載有續流二極管的電路及波形 當u2過零變負時，VDR導通

16、，ud為零，VT承受反壓關斷。 L儲存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續流續流。 數量關系數量關系(id近似恒為Id）ddVT2IIpp（2-5）d2dVT2)(21ItdIIppwpp（2-6）ddVDRIIpp2（2-7）d22dVD2)(21RItdIIppwppp（2-8）2.1.2 單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負載的工作情況帶電阻負載的工作情況a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)dduVT1,4圖2-5單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析 VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2

17、，得到觸發脈沖即導通，當u2過零時關斷。 VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發脈沖即導通，當u2過零時關斷。電路結構電路結構單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)2.1.3 單相全波可控整流電路 單相全波可控整流電路（單相全波可控整流電路（Single Phase Full Wave Controlled Rectifier)，又稱單相雙半波可控整流電路。，又稱單相雙半波可控整流電路。 單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。 變壓器不存在直流磁化的問題。

18、圖2-9單相全波可控整流電路及波形a)wtwb)udi1OOt2.1.3 單相全波可控整流電路單相全波與單相全控橋的區別：單相全波與單相全控橋的區別：v單相全波中變壓器結構較復雜，材料的消耗多。v單相全波只用2個晶閘管，比單相全控橋少2個，相應的，門極驅動電路也少2個；但是晶閘管承受的最大電壓是單相全控橋的2倍。v單相全波導電回路只含1個晶閘管，比單相橋少1個，因而管壓降也少1個。從上述后兩點考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場合應用。2.5.1 諧波和無功功率分析基礎2） 功率因數功率因數正弦電路中的情況電路的有功功率有功功率就是其平均功率平均功率：pjwp20cos)(21UItuid

19、P（2-59） 視在功率視在功率為電壓、電流有效值的乘積，即S=UI（2-60） 無功功率無功功率定義為：Q=U I sinj j （2-61） 功率因數功率因數l 定義為有功功率P和視在功率S的比值：SPl（2-62） 此時無功功率Q與有功功率P、視在功率S之間有如下關系：222QPS（2-63） 功率因數是由電壓和電流的相位差j 決定的：l l =cos j j （2-64）第3章 直流斬波電路引言直流斬波電路（DC Chopper）v將直流電變為另一固定電壓或可調電壓的直流電。v也稱為直流-直流變換器（DC/DC Converter）。v一般指直接將直流電變為另一直流電，不包括直流交流直

20、流。 電路種類v6種基本斬波電路：降壓斬波電路降壓斬波電路、升壓斬波電路升壓斬波電路、 升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。v復合斬波電路不同結構基本斬波電路組合。v多相多重斬波電路相同結構基本斬波電路組合。3.1.1 降壓斬波電路電路結構全控型器件若為晶閘管，須有輔助關斷電路。續流二極管負載出現的反電動勢典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載。 降壓斬波電路降壓斬波電路（Buck Chopper)3.1.2 升壓斬波電路 升壓斬波電路升壓斬波電路（Boost Chopper）保持輸保持輸出電壓出電壓儲存電能儲存電能電路結構1)升壓斬波電路的基本原理交

21、交變頻直接交直交變頻間接 本章主要講述 交流交流-交流變流電路交流變流電路 把一種形式的交流變成另一種形式交流的電路第4章 交流電力控制電路和交交變頻電路交流電力控制電路只改變電壓,電流或控制電路的通斷,而不改變頻率的電路。變頻電路改變頻率的電路交流調壓電路相位控制交流調功電路通斷控制 4.1 交流調壓電路 原理原理兩個晶閘管反并聯后串聯在交流電路中，通過對晶閘管的控制就可控制交流電力。 電路圖電路圖 4.1.1 單相交流調壓電路wwwwROu1uoioVT1VT2u1uoiouVTtOtOtOt圖4-1 電阻負載單相交流調壓電路及其波形 1 電阻負載電阻負載 l與 的關系：的關系： 0時，功

22、率因數 l1， 增大，輸入電流滯后于電壓且畸變，l降低。 輸出電壓與 的關系： 移相范圍為0 。 0時，輸出電壓為最大。 U0U1，隨的增大，U0降低， 時，U00。 若晶閘管短接，穩態時負載電流為正弦波，相位滯后于u1的角度為j ，當用晶閘管控制時，只能進行滯后控制，使負載電流更為滯后。 設 =0時刻仍定為u1過零的時刻，阻感負載穩態時 的移相范圍應為j 。 4.1.1 單相交流調壓電路 2 阻感負載阻感負載0.6Ou u1 1uoi ou VTwtOwtOwtwtOuG1uG2OOwtwt圖4-2 阻感負載單相交流調壓電路及其波形u 負載阻抗角： j =arctan(wL / R)VT14

23、.2.1 交流調功電路 交流調功電路與交流調壓電路的異同比較 相同點相同點 電路形式完全相同完全相同 不同點不同點 控制方式不同不同交流調壓電路在每個電源周期周期都對輸出電壓波形進行控制。 交流調功電路是將負載與交流電源接通幾個周期,再斷開幾個周期,通過通斷周波數的比值來調節負載所消耗的平均功率。4.2.1 交流調功電路u 電阻負載時的工作情況 控制周期為M倍電源周期，晶閘管在前N個周期導通，后MN個周期關斷。負載電壓和負載電流（也即電源電流）的重復周期為M倍電源周期。pM電源周期控制周期=M倍電源周期=2p4pMO導通段=2pNM3pM2pMuou1uo,iowtU12圖4-13 交流調功電

24、路典型波形(M =3、N =2)圖4-1電阻負載單相交流調壓電路4.2.2 交流電力電子開關 概念概念 把晶閘管反并聯后串入交流電路中，代替電路中的機械開關，起接通和斷開電路的作用。 優點優點 響應速度快，無觸點，壽命長，可頻繁控制通斷。u與交流調功電路的區別區別 并不控制電路的平均輸出功率。 通常沒有明確的控制周期，只是根據需要控制電路的接通和斷開。 控制頻度通常比交流調功電路低得多。4.3.1 單相交交變頻器 1 電路構成和基本工作原理u電路構成如圖4-18，由P組和N組反并聯的晶閘管變流電路構成，和直流電動機可逆調速用的四象限變流電路完全相同。變流器P和N都是相控整流電路。圖4-18 單

25、相交交變頻電路原理圖和輸出電壓波形ZPN輸出電壓平均輸出電壓圖4-18OuouoP=0P=p2P=p2wt第5章 逆變電路 引言逆變的概念 逆變與整流相對應，直流電變成交流電。l 交流側接電網，為有源逆變有源逆變。l 交流側接負載，為無源逆變無源逆變。l 逆變與變頻l變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。l交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。 主要應用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等，給交流負載供電。交流電機調速用變頻器、不間斷電源、感應加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。本章講述無源逆變l以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本

26、的工作原理5.1.1 逆變電路的基本工作原理圖5-1 逆變電路及其波形舉例負載a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1S4是橋式電路的4個臂，它由電力電子器件及輔助電路組成，負載為阻感負載。5.1.2 換流方式分類l換流換流電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱為換相換相。開通：適當的門極驅動信號就可使器件開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。l在逆變電路中，換流及換流方式問題最為全面和集中,因此安排在本章集中講述。5.2 電壓型逆變電路1）

27、逆變電路的分類 根據直流側電源性質根據直流側電源性質的不同的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路Voltage Source Type Inverter-VSTI直流側是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路Current Source Type Inverter-CSTI直流側是電流源電流源5.2 電壓型逆變電路2）電壓型逆變電路的特點圖5-5電壓型全橋逆變電路 (1)直流側為電壓源或并聯大電容，直流側電壓基本無脈動無脈動。 (2)交流側輸出電壓為矩形波，輸出電流和相位因負載阻抗不同而不同。 (3)阻感負載時需提供無功功率。為了給交流側向直流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂

28、并聯反饋二極管。5.3.1 單相電流型逆變電路1) 電路原理圖512 單相橋式電流型（并聯諧振式）逆變電路由四個橋臂構成，每個橋臂的晶閘管各串聯一個電抗器，用來限制晶閘管開通時的di/dt。工作方式為負載換相負載換相。電容C和L、R構成并聯諧振電路。l 輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠小于基波。l 負載電路對基波呈現高阻抗而對諧波呈現低阻抗，故負載電壓波形接近正弦波。第6章 PWM控制技術 引言 PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脈寬調制技術脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。 第3、

29、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斬直流斬波電路波電路采用的就PWM技術；第4章的4.1斬控斬控式調壓電路式調壓電路和4.4矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路都涉及到了。6.1 PWM控制的基本思想1）重要理論基礎面積等效原面積等效原理理沖量沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環節的輸出響應波形基本相同圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數f (t)d (t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)6.1 PWM控制的基本思想Ou t若要改變等效輸出

30、正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out6.1 PWM控制的基本思想OwtUd-Ud 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud 根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。6.2.1 計算法和調制法 工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補。 以uo正半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷。 負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區間為正，一段區間為負。 負載電流為正的區間，V1和V4導通時，uo等于Ud 。2）調制法圖64 單相橋式PWM逆變電路結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明(1)電路工作原理1單相PWM整流電路圖6-28單相PWM整流電路6.4.1 PWM整流電路的工作原理vPWM整流電路也可