《电力电子技术》电子教案50学时 - 周景龙版-煤炭工业出版社

讲课： 40学时

上机： 学时

实验：   10学时

其他： 学时

技术基础课( √ ) 专业选修课(公共选修课(   )

1．周景龙. 电力电子技术. 北京：煤炭工业出版社. 

1．王兆安. 电力电子技术(第五版). 北京：机械工业出版社. 

2．黄家善. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社. 

通过本课程的学习，使学生掌握电力电子器件的结构、原理、基本特性；掌握四类基本变流电路的工作原理。为后续课程的学习和从事专业技术工作奠定基础。

该课程介绍电力电子器件的结构、原理、基本特性，着重介绍四类基本变流电路的基本分析方法，为学生将来从事专业技术工作奠定理论基础。其教学重点和难点为

1．电力电子器件的结构、原理、基本特性；

2．整流电路工作原理分析；

3．直流斩波电路工作原理分析；

4. 交流电力控制电路工作原理分析；

5. 逆变电路工作原理分析。

绪论 

2、电力电子技术的发展史

3、电力电子技术的应用

4、教材体系

已学过电子技术，什么是电力电子技术，与模电、数电有何联系，区别是什么？电力电子研究哪些内容，有何应用？通过本课程的学习，我们弄明白这些问题。

欧姆定律：u=Ri

基尔霍夫电流定律（KCL） 任一集总参数电路中的任一节点 ， 在任一瞬间流出该节点的所有电流的代数和恒为零，即。就参考方向而言，流出节点的电流在式中取正号，流入节点的电流取负号。基尔霍夫电流定律是电荷守恒定律在电路中的体现。

基尔霍夫电压定律（KVL）  任一集总参数电路中的任一回路，在任一瞬间沿此回路的各段电压的代数和恒为零，即电压的参考方向与回路的绕行方向相同时，该电压在式中取正号，否则取负号。基尔霍夫电压定律是能量守恒定律在电路中的体现。

分析电路的基本方法：

支路电流法、网孔电流法、回路电流法、结点电压法

电路定理：叠加原理、替代原理、戴维宁定理和诺顿定理、最大功率传输定理

二、新课教学（讲解法、提问法）

1、什么是电力电子技术

①电力电子技术的定义

电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电力电子技术中所变换的“电力” 有区别于“电力系统”所指的“电力” ，后者特指电力网的“电力” ，前者则更一般些。

具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

②电力电子与信息电子

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子技术都属于信息电子技术。

③电力电子技术的两大分支--电力电子器件、变流电路

电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。

变流技术则是电力电子技术的核心。

四类基本变流电路：整流、逆变、直流斩波、交流电力控制。这就是本课程的重点内容。

变流电路工作原理的分析，计算。

表1-1  电力变换的种类

                    输入

    输出

变频、变相

穿插讲述稀土元素在电力电子器件中的应用

第一章 电力电子器件  1.1电力二极管   

2、电力二极管的工作原理

3、电力二极管的伏安特性

4、电力二极管的主要参数

5、电力二极管的类型

电力电子器件概述

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 

 电力电子电路的基础 

                         ——电力电子器件

■本章主要内容：

   ◆对电力电子器件的概念、特点和分类等问题作简要概述。

   ◆分别介绍各种常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主要参数以及选择和使用中应注意的一些问题。 

电力电子器件的概念

电力电子器件（Power Electronic Device）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

    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。

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。

电力电子器件的特征 

    所能处理电功率的大小，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，一般都工作在开关状态。

    由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。

    自身的功率损耗通常仍远大于信息电子器件，在其工作时一般都需要安装散热器。  

电力电子器件的分类

半控型器件

       主要是指晶闸管（Thyristor）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流决定的。

    全控型器件

       目前最常用的是 IGBT和Power MOSFET。

       通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。

    不可控器件 

       电力二极管（Power Diode）

       不能用控制信号来控制其通断。

1、电力二极管的结构

电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。

图1-1  电力二极管的外形、结构和电气图形符号

a)外形  b) 基本结构  c) 电气图形符号

2、电力二极管的工作原理：PN结的单向导电性

当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。

    当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。

    PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。

       按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式 。 

       反向击穿发生时，采取了措施将反向电流在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

3、电力二极管的基本特性：静态特性、动态特性

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。

图1-2  电力二极管的伏安特性

动态特性反映通态和断态之间转换过程的开关特性。

4、电力二极管的主要参数

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（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。

例1-1 需要某二极管实际承担的某波形电流有效值为400A，求二极管的IF(AV)。

正向压降UF

   指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。

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。

   使用时，应当留有两倍的裕量。

   最高工作结温TJM

   反向恢复时间trr

浪涌电流IFSM

5、电力二极管的类型

普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管

二、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结，强调应掌握的重点内容。

三、课后作业

１.，求有效值？     　

２.　工频正弦半波电流，波形系数？

３. 需要某二极管实际承担的某波形电流有效值为400A，求二极管的IF(AV)。

学生配合教师进行思考

学生应该注意听教师的讲解。

1.2晶闸管

2、晶闸管的静态伏安特性

3、晶闸管的主要参数

4、晶闸管的派生器件

5、单结晶体管触发电路

了解主要派生器件；

理解单结晶体管触发电路

2、晶闸管的派生器件

3、单结晶体管触发电路

复习上节课二极管的原理，引出新课。

（二）、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

一、晶闸管的结构外形、工作原理

1、晶闸管的结构外形

从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构。晶闸管工作时发热量大，必须安装散热器。

2、晶闸管的工作原理

  引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 

  内部是P1N1P2N2四层半导体结构，形成3个PN结（J1，J2，J3），等效成3个二极管串联，或等效成两个晶体管连接。

图1-3晶闸管的外形、结构和电气图形符号

   分析阳极和阴极分别加上正向和反向电压时，管子均不导通。

当阳极加上正向电压后，管子导通的关键是使J2结失去阻挡作用。

晶闸管的工作原理，用双晶体管模型来分析。

图1-4晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

   a) 双晶体管模型  b) 工作原理 

正反馈过程：

导通时IA值由电源EA和负载电阻Rd来决定，晶闸管的正向导通压降为1.5V。由于正反馈的作用，导通的管子即使门极电流降为零或负值，也不能使管子关断。

维持电流IH：当门极关断时，能维持管子导通所需的最小阳极电流。

正常工作时的特性: 

（1）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 。（单向导电性）

（2）当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 。（正向阻断特性）

（3）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 。

（4）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电流降到接近于零的某一数值以下。 

除门极触发外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雪崩效应 

    ◆阳极电压上升率du/dt过高 

    ◆结温较高

    ◆光触发

这些情况除了光触发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之外，其它都因不易控制而难以应用于实践。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。

二、晶闸管的静态伏安特性 

1、晶闸管的伏安特性

图1-5 晶闸管的伏安特性        

         IG2>IG1>IG

（1）正向特性

    当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。 

    如果正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通 。

    随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低，晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 

    如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态，IH称为维持电流。

（2）反向特性

    其伏安特性类似二极管的反向特性。 

    晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。 

当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。   

2、晶闸管的主要特性参数：

1）额定电压UTn

    断态重复峰值电压UDRM

    是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 国标规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）UDSM的90%。断态不重复峰值电压应低于正向转折电压Ubo。

   反向重复峰值电压URRM 

是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压URRM为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）URSM的90%。 反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压。

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。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2~3倍。

2)额定电流IT(AV）

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40C和规定的冷却状态下，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发热效应来定义的。一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相等）的原则所得计算结果的1.5~2倍。  

5）维持电流IH和擎住电流 IL

维持电流IH ：维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。温越高，则IH越小。 

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后，能维持导通所需的最小电流。约为IH的2~4倍。 

动态参数 

6）开通时间tgt和关断时间tq 

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，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。 电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率di/dt 

3、国产晶闸管的型号

三、晶闸管的派生器件

1、快速晶闸管

可以在 400Hz以上频率工作的晶闸管。视电流容量大小，其开通时间为4～8微秒，关断时间为10～60微秒。主要用于较高频率的整流、斩波、逆变和变频电路。

  2、逆导晶闸管

逆导晶闸管RCT(Reverse-Conducting Thyristir)亦称反向导通晶闸管。其特点是在晶闸管的阳极与阴极之间反向并联一只二极管，使阳极与阴极的发射结均呈短路状态。由于这种特殊电路结构，使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能。例如，逆导晶闸管的关断时间仅几微秒，工作频率达几十千赫，优于快速晶闸管（FSCR）。该器件适用于开关电源、UPS不间断电源中，一只RCT即可代替晶闸管和续流二极管各一只，不仅使用方便，而且能简化电路设计。

  3、双向晶闸管  

双向晶闸管是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极。双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。双向晶闸管的伏安特性曲线：由于双向晶闸管正、反特性具有对称性，所以它可在任何一个方向导通，是一种理想的交流开关器件。

工作原理

双向晶闸管与单向晶闸管一样，也具有触发控制特性。不过，它的触发控制特性与单向晶闸管有很大的不同，这就是无论在阳极和阴极间接入何种极性的电压，只要在它的控制极上加上一个触发脉冲，也不管这个脉冲是什么极性的,都可以使双向晶闸管导通。由于双向晶闸管在阳、阴极间接任何极性的工作电压都可以实现触发控制，因此双向晶闸管的主电极也就没有阳极、阴极之分，通常把这两个主电极称为T1电极和T2电极，将接在P型半导体材料上的主电极称为T1电极，将接在N型半导体材料上的电极称为T2电极。由于双向晶闸管的两个主电极没有正负之分，所以它的参数中也就没有正向峰值电压与反同峰值电压之分，而只用一个最大峰值电压，双向晶闸管的其他参数则和单向晶闸管相同。

伏安特性

  4、光控晶闸管

光控晶闸管是一种用光信号或光电信号进行触发的晶闸管。

图1-10  光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性

a) 电气图形符号  b) 伏安特性

补充：

控制电路与主电路之间的隔离：

（1）变压器

（2）光隔离

发光二极管、光敏三极管

四、晶闸管驱动电路

1、对晶闸管触发电路的要求

触发信号可以使交流、直流或脉冲，脉冲信号只能在门极为正、阴极为负时起作用。触发信号的电压波形有多种形式。

（1）触发信号应有足够的功率（电压与电流）

触发电路输出的触发电压和触发电流，应大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值在短时间内可大大超过额定值。

（2）触发脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡

触发脉冲的宽度一般应保证晶闸管阳极电流在触发脉冲消失前达到擎住电流，使晶闸管能保持通态，这是最小的允许宽度。

（3）触发脉冲的移相范围应能满足变流装置的要求

触发脉冲的移相范围与主电路形式、负载性质及变流装置的用途有关。如三相半波电阻性负载时，要求移相范围为150，而三相桥式全控电阻性负载要求移相范围为120。

（4）触发脉冲与主回路电源电压必须同步

为了使晶闸管在每一周期都能重复在相同的相位上触发，保证变流装置的品质和可靠性，触发电路的同步电压与主回路电源电压必须保持某种固定的相位关系。

（5）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。

2、简易触发电路

用电阻、电容、二极管以及光耦合器等器件可以组成各种简单实用的触发电路。这类触发电路所用元件少，结构简单，常用于控制精度要求不高的小功率负载电路。

1、简单的移相触发电路

2、阻容移相触发电路

3、单结晶体管触发电路

单结晶体管组成的触发电路，具有简单可靠、触发脉  冲前沿陡，抗干扰能力强以及温度补偿性能好等特点。 

应用：单相晶闸管装置。

①单结晶体管的结构、原理

②单结晶体管的自激振荡电路

③由单结晶体管组成的晶闸管触发电路

五、晶闸管的简单测试方法

对于晶闸管的三个电极，可以用万用表粗测其好坏。依据PN结的单相导电原理，用万用表的欧姆档测试元件的三个电极之间的阻值，可初步判断管子是否完好。如用万用表R×1k档测量阳极A和阴极K之间的正、反向电阻都很大，在几百千欧以上，且正反电阻相差很小，用R×10或R×100档测量门极G和阴极K之间的阻值，其正向电阻应小于或者接近反向电阻，这样的晶闸管是好的。如果阳极与阴极或者阳极与门极间为短路，或者阴极与门极间为短路或断路，则晶闸管是坏的。

图1-6 具有同步环节的单结晶体管触发电路

三、课堂小结（讲解法）

本节课所学知识点比较多，课后复习。

10四、课后作业

1-2,1-3

学生回顾上节课所学内容

注意听讲，做好笔记

实验一、晶闸管的导通、关断条件

2、培养学生的分析问题、解决问题的能力

3、培养学生的动手能力、工程实践能力

4、进一步巩固理论知识，加深理解

2、实验电路分析（讲解、提问）

3、实验步骤

认真做实验，解决实验中出现的问题，记录、分析实验结果。完成实验报告的撰写。

1.3全控型器件

2、GTO的结构、原理、特性、参数

3、MOSFET的结构、原理、特性、参数

4、IGBT的结构、原理、特性、参数

我们学习了不控型器件—电力二极管；半控型器件—晶闸管。

此外，还有全控器件：门极可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）。全控器件与其他器件相比，有什么特点，他们的结构、工作原理怎样，今天开始学习。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

一、电力晶体管

GTR的结构、原理、特性、参数

GTR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样的。

 ◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。 

结构 

     ☞采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构，并采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。

 ☞ GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极）形成的两个PN结（集电结和发射结）构成，多采用NPN结构。

工作原理

图1-8  GTR内部载流子的流动

在应用中，GTR一般采用共发射极接法。集电极电流ic与基极电流ib之比为

称为GTR的电流放大系数，它反映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Iceo时，ic和ib的关系为

单管GTR的 值比处理信息用的小功率晶体管小得多，通常为10左右，采用达林顿接法可以有效地增大电流增益。

GTR的基本特性

    ◆静态特性

      ☞在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三个区域。 

 ☞在电力电子电路中，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。 

  ☞在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。 

图1-9 共发射极接法时GTR的输出特性

二、可关断晶闸管（GTO）

GTO的结构、原理、特性、参数

结构：

与普通晶闸管的相同点： PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。

和普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。

图1-7  GTO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  

b) 并联单元结构断面示意图 

c) 电气图形符号

   工作原理

仍然可以用如图1-4所示的双晶体管模型来分析，V1、V2的共基极电流增益分别是1、2。1+2=1是器件临界导通的条件，大于1导通，小于1则关断。

    ☞GTO与普通晶闸管的不同

      √设计2较大，使晶体管V2控制 灵敏，易于GTO关断。

      √导通时1+2更接近1，导通时接近临界饱和，有利门极控制关断，但导通时管压降增大。 

      √多元集成结构，使得P2基区横向电阻很小，能从门极抽出较大电流。    

GTO的导通过程与普通晶闸管是一样的，只不过导通时饱和程度较浅。

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IA和IK的减小使1+2<1时，器件退出饱和而关断。

GTO的多元集成结构使得其比普通晶闸管开通过程更快，承受di/dt的能力增强。  

GTO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。 

   ◆最大可关断阳极电流IATO

       ☞用来标称GTO额定电流。

   ◆电流关断增益off

       ☞最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比。

       ☞off一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点。 

三、功率场效应晶体管

MOSFET结构、原理、特性、参数

电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：

    ◆驱动电路简单，需要的驱动功率小。 

 ◆开关速度快，工作频率高。 

 ◆热稳定性优于GTR。

 ◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。 

电力MOSFET的结构

电力MOSFET的种类

按导电沟道可分为P沟道和N沟道。 

当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道的称为耗尽型。

对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。

 在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。 

单极型晶体管。 

结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而目前电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。 

按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET（Vertical V-groove MOSFET）和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。电力MOSFET也是多元集成结构。

图1-10  电力MOSFET的结构和电气图形符号

a)内部结构断面示意图   b)电气图形符号

电力MOSFET的工作原理

 ☞截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。 

☞导通

√在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。

√当UGS大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。 

√UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。 

电力MOSFET的基本特性 

 ◆静态特性 

图1-11 电力MOSFET的转移特性和输出特性

  a) 转移特性 b) 输出特性

电力MOSFET的主要参数 

 ◆跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。

 ◆漏极电压UDS 

 ☞标称电力MOSFET电压定额的参数。 

 ◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM 

 ☞标称电力MOSFET电流定额的参数。 

 ◆栅源电压UGS 

 ☞栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿。

 ◆极间电容

 ☞ CGS、CGD和CDS。 

  ◆漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决定了电力MOSFET的安全工作区。  

四、绝缘栅双极晶体管

IGBT的结构、原理、特性、参数

复合型器件，GTR和MOSFET取长补短的复合，同时具有二者的优点，在中小功率场合应用最多。同时不断提高电压、电流容量，以期在大功率场合也有应用。重点讲解。

优点：输入阻抗高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。

在电机控制和开关电源和要求快速低损耗的领域应用广泛。

 IGBT的结构和工作原理 

   ◆IGBT的结构是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT，比VDMOSFET多一层P+注入区，实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。 

   简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由

 驱动的厚基区PNP晶体管。         

图1-12  IGBT的简化等效电路和电气图形符号

b) 简化等效电路  c) 电气图形符号

IGBT的工作原理

 ☞IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。 

 ☞其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。

 当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。 

 √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IGBT关断。 

 ☞电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。 

IGBT的基本特性

 ◆静态特性

图1-13  IGBT的转移特性和输出特性

IGBT的主要参数

   ◆前面提到的各参数。

 ◆最大集射极间电压UCES

 ☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。 

 ◆最大集电极电流

 ☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP。 

 ◆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。  

IGBT的特性和参数特点可以总结如下：

    ☞开关速度高，开关损耗小。 

 ☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

 ☞通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 

 ☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。 

 ☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。 

栅射电阻Rge的影响

IGBT的输人阻抗很高且为容性，静态时输入端没有电流流过，只是在工作中存在对输人电容进行充放电的动态电流。为了改善脉冲的前后沿陡度和防止产生振荡，减小集电极大的电压尖脉冲，需要在栅极串联电阻Rg。

学生回顾上节课所学内容

注意听讲，做好笔记

第四节 其他新型电力电子器件

第五节 电力电子器件的保护

2  电力电子器件的保护

3  电力电子器件的串并联使用

第四节 其他新型电力电子器件

一、静电感应晶体管SIT

■是一种结型场效应晶体管（Static Induction Transistor）。

多子导电的器件，其工作频率与电力MOSFET相当，甚至超过电力MOSFET，而功率容量也比电力MOSFET大，因而适用于高频大功率场合。

门源电压为零时，器件处于导通状态；门源电压加负偏压时关断。

图1-29 SIT的原理结构及图形符号

■漏极电流不仅受门极电压的控制，同时受漏极电压的控制。

■SIT优点：工作频率高、输出功率大、线性度好、失真小、输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好和抗辐射能力强等。

  应用：雷达通信设备、超声波功率放大、开关电流、脉冲功率放大和高频感应加热等领域。

图1-30 SIT的伏安特性

二、静电感应晶闸管SITH

可以看作是SIT与GTO复合而成。（Static Induction Thyristor） 

■本质上是两种载流子导电的双极型器件，具有电导调制效应，通态压降低、通流能力强。 

■通过改变门极偏压、调节导电沟道中空间电荷区的宽度来控制导电沟道的关断与开通的，从而实现其开关作用。 

图1-31 SITH单胞结构及图形符号

■阳极阻断电压UAK和阳极可关断电流由门极负电压-UGK控制。 -UGK越高，阻断阳极电压的能力越强。

■SITH的正向压降小，开关速度快。对电压变化率和电流变化率的承受能力很高，从而对缓冲电路的要求低。

图1-32 SITH的伏安特性

三、MOS控制晶闸管（MCT）

■MCT（MOS Controlled Thyristor）是MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。 

■结合了MOSFET的高输入阻抗、快开关速度和晶闸管的高电压大电流特性。

■由数以万计的MCT元组成，每个元的组成为：一个PNPN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MOSFET。 

■控制信号以阳极为基准。加负脉冲电压时，MCT导通；加正脉冲电压时，MCT关断。

■门极负脉冲幅度-5V~-15V，正脉冲电压+10V。

■MCT优点：

   （1）电压、电流容量大。

   （2）通态压降小，约为1.1V。

   （3）di/dt和du/dt承受能力强。

   （4）开关速度快，开通时间为200ns。

   （5）工作温度高。

   （6）即使关断失败，也不会损坏，驱动电路简单

四、电子注入增强型栅极晶体管（IEGT）

■为IGBT的派生器件，融合了IGBT和GTO的优点，开关特性和IGBT相当，正向压降比普通晶闸管低，关断时尾部电流比IGBT小。

IEGT的栅极驱动功率比GTO小两个数量级，代替GTO用于高压大容量的领域。

第五节 电力电子器件的保护及串并联使用

一、电力电子器件的保护

1、过电流保护

造成电力电子器件过电流的重要原因是：

      电网电压波动太大、管子损坏、缺相、过载等（主要为过载和短路两种情况），引起装置中的电力电子器件的电流超过正常的工作电流。

过电流保护措施：

    （1）快速熔断器保护。具有快速熔断的特性，熔断时间小于20ms，保证在电力电子器件损坏之前，切断短路故障。

    （2）电流检测和过电流继电器。

    （3）直流快速开关。它先于快速熔断器动作，但成本较高。

过电流保护措施：

（a）桥臂串联快速熔断器  （b）交流侧接快速熔断器 （c）直流侧接快速熔断器

图1-35 快速熔断器保护的接法

A——交流进线电抗器；B——电流检测和过流继电器；C、D、E——快速熔断器；F——过流继电器；G——直流快速开关

图1-34 过电流保护措施

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。

直流快速开关整定在电子电路动作之后实现保护，

过流继电器整定在过载时动作。

2、过电压保护

过电压的产生：凡超过正常工作时电力电子装置应承受的最大峰值电压称为过电压。分为

（1）外因过电压：主要来自雷击和系统操作过程等外因

操作过电压：由分闸、合闸等开关操作引起

雷击过电压：由雷击引起

（2）内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程

换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后，反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

过电压保护措施

图1-36　过电压抑制措施及配置位置

F 避雷器　C0 静电感应过电压抑制电容  R1C1、RC2  过电压抑制环节  RV 压敏电阻过电压抑制器　

二、缓冲电路

缓冲电路(Snubber Circuit) ： 又称吸收电路。

     开关转换的瞬间，储能元件释放的能量使电力电子器件受到很大的冲击，容易造成器件损坏。

    器件工作在高频开关状态，开关损耗至关重要。

     缓冲电路设置的目的：

     避免器件流过过大电流、电压，错开同时出现的电压电流的峰值，将开关损耗转移至缓冲电路，抑制器件的内因过电压、过电流、过热、du/dt和di/dt，减小器件的开关损耗，确保器件安全可靠运行。

缓冲电路的基本类型和结构

    包括导通缓冲和关断缓冲。

设计思路：在器件开通时使电流缓升，关断时使电压缓升。避免同时承受高电压和大电流，减小开关损耗。

1、开通缓冲电路（di/dt抑制电路）

     利用电感电流不能突变的原理抑制器件开通时的电流过冲di/dt，减小器件的开通损耗。

     缺点：开通缓冲电路在器件关断时会产生尖峰电压

图1-37 开通缓冲电路

2、关断缓冲电路（du/dt抑制电路）

    利用电容上电压不能突变来减小器件的抑制du/dt，抑制尖峰电压，减小关断损耗。

    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。

图1-38 关断缓冲电路

缓冲电路作用分析

图　关断时的负载线

图　di/dt抑制电路和

充放电型RCD缓冲电路及波形

a)  电路    b)  波形

3、复合缓冲电路（du/dt抑制电路）

    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：耗能式缓冲电路和馈能式缓冲电路（无损吸收电路）。

图1-39 复合缓冲电路

三、电力电子器件的串并联

1、晶闸管的串联

目的：当单个晶闸管的额定电压小于要求时，可以将器件串联。

问题：理想串联希望器件分压相等，但因特性差异，使器件电压分配不均匀。

静态不均压：串联的器件流过的漏电流相同，但因静态伏安特性的分散性，各器件分压不等。

动态不均压：由于器件动态参数和特性的差异造成的不均压。

静态均压措施：

选用参数和特性尽量一致的器件。

采用电阻均压，Rp的阻值应比器件阻断时的正、反向电阻小得多。

动态均压措施：

选择动态参数和特性尽量一致的器件。

用RC并联支路作动态均压。

采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。

图1-40 串联均压措施

2、晶闸管的并联

目的：多个器件并联来承担较大的电流

问题：会分别因静态和动态特性参数的差异而电流分配不均匀。

均流措施：

挑选特性参数尽量一致的器件。

采用均流电抗器。

用门极强脉冲触发也有助于动态均流。

当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串后并的方法联接。

图1-41 晶闸管并联时的电流分配与均流措施

3、电力MOSFET和IGBT并联运行的特点

    1）电力MOSFET并联运行的特点

      通态电阻Ron具有正温度系数，具有电流自动均衡的能力，容易并联。

      注意选用参数尽量相近的器件并联。

      电路走线和布局应尽量对称。

      可在源极电路中串入小电感,起到均流电抗器的作用。

    2）IGBT并联运行的特点

      在1/2或1/3额定电流以下的区段，通态压降具有负温度系数。

      在以上的区段则具有正温度系数。

      并联使用时也具有电流的自动均衡能力，易于并联。

本章小结

主要内容

全面介绍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。

集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、并联使用。

电力电子器件类型归纳

单极型：电力MOSFET和SIT

双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH

复合型：IGBT和MCT

电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH

      特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。

电流驱动型：双极型器件中除SITH外

      特点：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,驱动电路较复杂。                              

电力电子器件分类“树”

二、课堂小结（讲解法）

第一章内容已结束。本章是基础知识，对器件的结构、原理掌握，才能正确使用器件，才能分析由电力电子器件组成的各类变流电路。所以要求对器件的结构、原理、特性要掌握。

三、作业

注意听讲，做好笔记。

第二章 整流电路   第一节 单相可控整流电路

掌握整流电路的基本概念；

掌握单相半波可控整流电路带不同负载的工作情况；

整流电路的基本概念；

单相半波可控整流电路带不同负载的工作情况；

整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。

1、单相半波可控整流电路

①带电阻负载时的工作情况

ⅰ电路原理图

图2-1单相半波可控整流带电阻负载时的电路及工作情况

ⅱ分析工作原理

◆变压器T起变换电压和隔离的作用，其一次侧和二次侧电压瞬时值分别用u1和u2表示，有效值分别用U1和U2表示，其中U2的大小根据需要的直流输出电压ud的平均值Ud确定。 

 ◆电阻负载的特点是电压与电流成正比，两者波形相同。 

 ◆在分析整流电路工作时，认为晶闸管（开关器件）为理想器件，即晶闸管导通时其管压降等于零，晶闸管阻断时其漏电流等于零，除非特意研究晶闸管的开通、关断过程，一般认为晶闸管的开通与关断过程瞬时完成。

◆改变触发时刻，ud和id波形随之改变，直流输出电压ud为极性不变，瞬时值变化的脉动直流，其波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流。加之电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路称为单相半波可控整流电路。整流电压ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路。

ⅲ整流电路的基本概念

☞：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称为触发延迟角，也称触发角或控制角。 

 ☞：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。

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，简称相控方式。

ⅳ有关物理量的计算

直流输出电压平均值

 ☞随着增大，Ud减小，该电路中VT的移相范围为180。

ⅴ总结电力电子电路分析的基本方法

把器件理想化，将电路简化为分段线性电路。

 ☞器件的每种状态组合对应一种线性电路拓扑，器件通断状态变化时，电路拓扑发生改变。 

 ☞以前述单相半波电路为例

 当VT处于断态时，相当

 于电路在VT处断开，    

 id=0。

当VT处于通时，

 相当于VT短路。两种情

 况的等效电路如右图所

 示。

②带阻感性负载时的工作情况

ⅰ不接续流二极管时的工作情况

阻感负载的特点是电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。

 ◆电路分析

 ☞晶闸管VT处于断态,id=0,ud=0,uVT=u2。

 ☞在t1时刻，即触发角处，ud=u2。L的存在使id不能突变，id从0开始增加。

 ☞u2由正变负的过零点处，id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于通态。 

 ☞t2时刻，电感能量释放完毕，id降至零，VT关断并立即承受反压。

 ☞由于电感的存在延迟了VT的关断时刻，使ud波形出现负的部分，与带电阻负载时相比其平均值Ud下降。 

图2-2 半波电路带阻感性负载电路及工作情况

ⅱ接续流二极管时的工作情况

电路分析

 u2正半周时，与没有续流二极管时的情况是一样的。 

 当u2过零变负时，VDR导通，ud 为零，此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通， 此过程通常称为续流。

 若L足够大，id连续，且id波形接近一条水平线 。

图2-3 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形

单相半波可控整流电路的特点是简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。为使变压器铁芯不饱和，需增大铁芯截面积，增大了设备的容量。

二、课堂小结（讲解法）

单相半波可控整流电路应用不多，以此来建立整流电路的基本概念。

教师结合学生的听课情况，进行总结。强调必须掌握整流电路的工作原理。

三、作业

单相半波整流电路带电阻负载时的工作情况

注意听讲，做好笔记。

一、单相可控整流电路    

三、单相全波可控整流电路

了解单相全波可控整流电路的工作原理；

复习上节课单相半波整流电路的工作情况，引出新课。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

二、单相桥式全控整流电路

单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Controlled Rectifier)

单相半波可控整流电路缺点：

    电源电压仅工作在半周，整流输出的直流电压脉动大，设备利用率不高等特点，一般仅适用于对整流对整流指标要求低、容量小的可控整流装置。

为了使交流电源电压的负半周期也能向负载输出同方向的直流电压，常采用单相桥式电路。

1.带电阻负载时的工作情况

1）电路工作原理     

电路由VT1和VT3组成一对桥臂， VT2和VT4组成另一对桥臂、电源变压器TR及负载电阻组成。变压器二次电压接在桥臂的中点a、b端。

VT2和VT4组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。

2）基本数量关系

（1）输出直流电压平均值Ud及有效值U。

Ud 是控制角a的函数， 是单相半波时的2倍。a角的移相范围为180 。

（2）输出直流电流平均值为：

图2-4 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形

基本数量关系

    ☞晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为       和        。

☞整流电压平均值为：

    α=0时，Ud= Ud0=0.9U2。α=180时，Ud=0。可见，α角的移相范围为180。 

    ☞向负载输出的直流电流平均值为：

☞流过晶闸管的电流平均值 ：

☞流过晶闸管的电流有效值为： 

☞变压器二次侧电流有效值I2与输出直流电流有效值I相等，为

可见

☞不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量为S=U2I2。

②带阻感性负载时的工作情况；

图2-5 单相桥式全控整流电路带阻感负载时的电路及波形

电路分析

    ☞在u2正半周期 

      √触发角处给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。

      √负载电感很大，id不能突变且波形近似为一条水平线。

    ☞u2过零变负时，由于电感的作用晶闸管VT1和VT4中仍流过电流id，并不关断。 

    ☞t=+时刻，触发VT2和VT3，VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VT1和VT4关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称为换相，亦称换流。    

基本数量关系

 ☞整流电压平均值为：

    当=0时，Ud0=0.9U2。=90时，Ud=0。晶闸管移相范围为90。 

 ☞晶闸管承受的最大正反向电压均为 。 

   ☞晶闸管导通角与无关，均为180，其电流平均值和有效值分别为：  

 ☞变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由角决定，有效值I2=Id。

③带反电势负载时的工作情况；

当负载为蓄电池、直流电动机的电枢（忽略其中的电感）等时，负载可看成一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载。 

   ◆电路分析

       ☞|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。 

       ☞晶闸管导通之后，ud=u2，                ，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。 

       ☞与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电，称为停止导电角。

       ☞当<时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。

图2-6单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形

☞触发脉冲有足够的宽度，保证当t=时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为。

   ☞在角相同时，整流输出电压比电阻负载时大

电流断续

 ☞id波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断续。 

 ☞负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。

☞为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。

☞电感量足够大使电流连续，晶闸管每次导通180，这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样。 

☞为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

例：单相桥式全控整流电路，U2=100V，负载中R=2Ω，L值极大，反电势E=60V，当=30时，要求：

 ①作出ud、id和i2的波形；

 ②求整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2；

 ③考虑安全裕量，确定晶闸管的额定电压和额定电流。

解：①ud、id和i2的波形如下图

②整流输出平均电压Ud、电流Id，变压器二次侧电流有效值I2分别为

 Ud＝0.9 U2 cos＝0.9×100×cos30°＝77.97(A)

 Id ＝(Ud－E)/R＝(77.97－60)/2＝9(A)

 I2＝Id＝9(A)

  ③晶闸管承受的最大反向电压为：1＝141.4（V）

 流过每个晶闸管的电流的有效值为：

 IVT＝Id∕＝6.36（A）

  故晶闸管的额定电压为：

 UN＝(2~3)×141.4＝283~424（V）

 晶闸管的额定电流为：

  IN＝(1.5~2)×6.36∕1.57＝6~8（A）

2、单相全波可控整流电路的工作原理；

图2-7单相全波可控整流电路及波形

单相全波与单相全控桥的区别

 ☞单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。

 ☞单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。

 ☞单相全波导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。

从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。

三、课堂小结（讲解法）

本节课知识点多，利用电力电子电路分析的一般方法，来对可控整流电路的工作原理分析。第一、把握晶闸管的导通、关断条件；第二、把握不同整流电路的结构特点。课后，认真总结。

四、作业

分析单相桥式全控整流电路阻性、阻感性负载时的工作情况

学生回顾上节课所学内容

注意听讲，做好笔记

2.1单相可控整流电路

2.2三相可控整流电路   

三相半波可控整流电路

掌握单相桥式半控整流电路阻感性负载时的失控。

掌握三相半波可控整流电路带阻性负载时的工作情况； 

单相桥式半控整流电路阻感性负载时的失控。

三相半波可控整流电路带阻性负载时的工作情况；

复习上节课单相桥式全控整流电路的工作情况，引出单相桥式半控整流电路。

一、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

1、单相桥式半控整流电路

①阻性负载时的工作情况；

与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。

②带阻感性负载时的工作情况；

图2-8 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形

电路分析（先不考虑VDR ）

       ☞每一个导电回路由1个晶闸管和1个二极管构成。

       ☞在u2正半周，处触发VT1，u2经VT1和VD4向负载供电。

       ☞u2过零变负时，因电感作用使电流连续，VT1继续导通，但因a点电位低于b点电位，电流是由VT1和VD2续流 ，ud=0。

       ☞在u2负半周，处触发触发VT3，向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。

       ☞u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。 

③单相桥式半控整流电路的失控；

续流二极管VDR 

    ☞若无续流二极管，则当突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，相当于单相半波不可控整流电路时的波形，称为失控。 

    ☞有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。

☞续流期间导电回路中只有一个管压降，少了一个管压降，有利于降低损耗。

第二节 三相可控整流电路

一、三相半波可控整流电路

其交流侧由三相电源供电。 

■当整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时，应采用三相整流电路。

■最基本的是三相半波可控整流电路。

■应用最为广泛的三相桥式全控整流电路、以及双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等。

①带阻性负载时的工作情况

图2-12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形

电路分析

   ☞为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流入电网。 

   ☞三个晶闸管按共阴极接法连接,这种接法触发电路有公共端，连线方便。 

   ☞假设将晶闸管换作二极管，三个二极管对应的相电压中哪一个的值最大，则该相所对应的二极管导通，并使另两相的二极管承受反压关断，输出整流电压即为该相的相电压。

   ☞自然换相点

      √在相电压的交点t1、t2、t3处，均出现了二极管换相，称这些交点为自然换相点。

      √将其作为的起点，即=0。

☞=0 

   √三个晶闸管轮流导通120 ，ud波形为三个相电压在正半周期的包络线。

   √变压器二次绕组电流有直流分量。

   √晶闸管电压由一段管压降和两段线电压组成，随着增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。

☞=30 

√负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120。 

图2-10  三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形

☞>30 

    √当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断，但下一相晶闸管因未触发而不导通，此时输出电压电流为零。

√负载电流断续，各晶闸管导通角小于120。  

图2-11 三相半波可控整流电路，电阻负载，=60时的波形

基本数量关系

☞电阻负载时角的移相范围为150。  

☞整流电压平均值 

       √≤30时，负载电流连续，有 

当=0时，Ud最大，为Ud=Ud0=1.17U2。 

       √>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有

负载电流平均值为

晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值,即 

晶闸管阳极与阴极间的最大电压等于变压器二次相电压的峰值，即

三、课堂小结（讲解法）

本节课知识点多，利用电力电子电路分析的一般方法，来对可控整流电路的工作原理分析。第一、把握晶闸管的导通、关断条件；第二、把握不同整流电路的结构特点。

四、作业

1.失控现象的原因及解决措施

2.三相半波整流电路的特点

跟着教师的节奏，

注意听讲，做好笔记

第二节 三相可控整流电路    

三相桥式全控整流电路

掌握三相桥式全控整流电路带阻性负载时的工作情况；

2、三相桥式全控整流电路带阻性负载时的工作情况。

复习上节课三相半波可控整流电路带电阻负载时的工作情况，加深对三相半波可控整流电路工作原理的理解。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

1、三相半波可控整流电路

①带阻感性负载时的工作情况；

图2-12 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及=60时的波形

电路分析

    ☞L值很大，整流电流id的波形基本是平直的，流过晶闸管的电流接近矩形波。

    ☞≤30时，整流电压波形与电阻负载时相同。

☞＞30时，当u2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VT1继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断。 

的移相范围为90。 

   整流电压平均值

  三相半波可控整流电路的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。

2、三相桥式全控整流电路

■原理图 

 ◆阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。 

 ◆共阴极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT1，VT3，VT5，共阳极组中与a，b，c三相电源相接的3个晶闸管分别为VT4，VT6，VT2。 

 ◆晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 

图2-13  三相桥式全控整流电路原理图

①带阻性负载时的工作情况

 ◆电路分析

    ☞各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。

    ☞当≤60时

      √ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形的形状是一样的，也连续。 

      √=0时，ud为线电压在正半周的包络线。波形见图2-14。

时段

跟着教师的节奏，注意听讲，做好笔记

2.2三相可控整流电路    

2.3相控电路的驱动控制

1、三相桥式全控整流电路

2、相控电路的驱动控制

了解相控电路的驱动控制。

复习上节课三相桥式全控整流电路带电阻负载时的工作情况，加深对三相桥式全控整流电路工作原理的理解。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

1、三相桥式全控整流电路

带阻感性负载时的工作情况

电路分析

 ☞当≤60时

     √ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压ud波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。 

     √区别在于电流，当电感足够大的时候，id、iVT、ia的波形在导通段都可近似为一条水平线。

     √=0时的波形见图2-18，=30时的波形见图2-19。

 ☞当>60时 

     √由于电感L的作用，ud波形会出现负的部分。

     √=90时的波形见图2-20。 

基本数量关系

   ◆带电阻负载时三相桥式全控整流电路角的移相范围是120，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的角移相范围为90。 

   ◆整流输出电压平均值 

      ☞带阻感负载时，或带电阻负载≤60时 

      ☞带电阻负载且>60时

图2-18三相桥式全控整流电路带阻感负载=0时的波形

图2-19三相桥式全控整流电路带阻感负载=30时的波形

图2-20三相桥式全控整流电路带阻感负载=90时的波形

3、相控电路的驱动控制

为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角a的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

单相整流电路多采用由单结晶体管组成的触发电路；

三相整流电路：KJ004（集成触发电路）

大、中功率的变流器广泛应用的是晶体管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。

三、课堂小结（讲解法）

本节课知识点多，利用电力电子电路分析的一般方法，来对可控整流电路的工作原理分析。第一、把握晶闸管的导通、关断条件；第二、把握不同整流电路的结构特点。本章由晶闸管组成的可控整流电路理论教学内容已结束。整流电路是《电力电子技术》中的重点内容。

跟着教师的节奏，注意听讲，做好笔记

实验二、单相整流电路

2、单相桥式半控整流电路的触发电路；

3、单相桥式半控整流电路大电感负载时的失控

2、培养学生的分析问题、解决问题的能力

3、培养学生的动手能力、工程实践能力

4、进一步巩固理论知识，加深对单相整流电路的理解

2、实验电路分析（讲解、提问）

3、实验步骤

认真做实验，解决实验中出现的问题，记录、分析实验结果。完成实验报告的撰写。

实验三、三相整流电路

2、三相桥式全控整流电路触发电路

2、培养学生的分析问题、解决问题的能力

3、培养学生的动手能力、工程实践能力

4、进一步巩固理论知识，加深对三相整流电路的理解

2、实验电路分析（讲解、提问）

3、实验步骤

认真做实验，解决实验中出现的问题，记录、分析实验结果。完成实验报告的撰写。

第三章 直流斩波电路   3.1  基本斩波电路

2、升压斩波电路

3、升降压斩波电路

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。

1、降压斩波电路

①主电路

图3-1  降压斩波电路的原理图及波形

a）电路图   b）电流连续时的波形  c）电流断续时的波形

②工作原理

使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。 

     ☞设置了续流二极管VD，在V关断时给负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反电动势，如图中Em所示。

    ☞ 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控制技术

☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton。

 ☞频率调制：ton不变，改变T。

 ☞混合型：ton和T都可调，改变占空比

④定量计算

电流连续时

     负载电压的平均值为 

式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，为导通占空比，简称占空比或导通比。 

负载电流平均值为

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况。

2、升压斩波电路

①主电路

②工作原理

☞假设L和C值很大。

☞ V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

 ☞ V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

③控制技术：PWM控制

④定量计算

当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

化简得：

将升压比的倒数记作β，即         ，则和导通占空比有如下关系  

上式可表示为 

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的作用，

二是电容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 

输出电流的平均值Io为  

电源电流I1为 

3、升降压斩波电路

①主电路

②工作原理

    ☞ V导通时，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关断时，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。

③控制技术：PWM控制

④定量计算

根据

所以输出电压为： 

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0<<1/2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电路。  

二、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。本章直流斩波电路的理论教学结束。

三、作业

降压斩波电路的工作原理。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

实验四、斩波电路

2、升压斩波电路的工作原理；

2、培养学生的分析问题、解决问题的能力

3、培养学生的动手能力、工程实践能力

4、进一步巩固理论知识，加深对斩波电路的理解

2、实验电路分析（讲解、提问）

3、实验步骤

认真做实验，解决实验中出现的问题，记录、分析实验结果。完成实验报告的撰写。

第四章 交流开关与交流调压  4.1  交流调压电路

2、三相交流调压电路

2、了解三相交流调压电路 

本章主要讲述 交流-交流变流电路

  把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路

两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可控制交流电力。

1、单相交流调压电路

①阻性负载时的工作情况

图4-1  电阻负载单相交流调压电路及其波形

  ◆工作过程

     ☞在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角进行控制就可以调节输出电压。

的移相范围为0≤≤，随着的增大，Uo逐渐降低，逐渐降低。   

基本的数量关系

负载电压有效值Uo  

负载电流有效值Io 

晶闸管电流有效值IT 

功率因数 

②阻感性负载时的工作情况

图4-2  阻感负载单相交流调压电路及其波形

◆工作过程

    ☞若晶闸管短接，稳态时负载电流为正弦波，相位滞后于u1的角度为，当用晶闸管控制时，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后。 

☞设负载的阻抗角为                 ，稳态时的移相范围应为≤≤。

◆<时的工作情况

    ☞VT1的导通时间超过。

    ☞触发VT2时，io尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通，io过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于。

    ☞io有指数衰减分量，在指数分量衰减过程中，VT1导通时间渐短，VT2的导通时间渐长。

图4-3  <时阻感负载交流调压电路工作波形

3、三相交流调压电路

三相四线交流调压电路

☞相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开120°工作。

二、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

第四章 交流开关与交流调压  4.2  交流调功电路、晶闸管交流开关

2、晶闸管交流开关

2、了解晶闸管交流开关

1、交流调功电路

①交流调功电路与交流调压电路的异同点比较

②交流调功电路工作原理

工作原理

    ☞和交流调压电路的电路形式完全相同，只是控制方式不同。 

    ☞通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。 

图4-4  交流调功电路典型波形(M=3、N=2) 

3、晶闸管交流开关

交流电力电子开关：把晶闸管反并联后串入交流电路中，代替电路中的机械开关，起接通和断开电路的作用。

■优点：响应速度快，没有触点，寿命长，可以频繁控制通断。 

■与交流调功电路的区别

    ◆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和断开。

    ◆控制频度通常比交流调功电路低得多。 

二、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。

三、作业

单相交流调压电路的工作原理。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

实验五、晶闸管交流调压电路

2、培养学生的分析问题、解决问题的能力

3、培养学生的动手能力、工程实践能力

4、进一步巩固理论知识，加深对交流调压电路的理解

2、实验电路分析（讲解、提问）

3、实验步骤

认真做实验，解决实验中出现的问题，记录、分析实验结果。完成实验报告的撰写。

第五章 逆变电路与PWM控制技术  5.1 逆变的基本概念与原理5.2电压型逆变电路

2、四类换相方式

3、电压型逆变电路的基本特点

2、掌握四类换相方式

3、了解电压型逆变电路的基本特点

2、四类换相方式

电压型逆变电路的基本特点

本节开始学习逆变电路，我们已经学习过整流电路、直流斩波电路、交流调压电路，这些都是最基本的电力电子电路，他们实现不同的功能，对这四类基本变流电路的工作原理要掌握。由这四种基本变流电路组合，可实现新的功能，如开关电源、UPS、变频器等。所以必须对基本变流电路的工作原理要掌握。基本变流电路又以整流、逆变为重点。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

  逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。

交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。 

逆变与变频

变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。

交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。

主要应用

各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等，向交流负载供电。

交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。

1、逆变电路的基本工作原理

以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 

图5-1  逆变电路及其波形举例 

S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。

S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。

逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。

2、四类换相方式

换流

电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换相。

研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

换流方式分为以下几种

  ◆器件换流（Device Commutation）

       ☞利用全控型器件的自关断能力进行换流。

       ☞在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。

  ◆电网换流（Line Commutation）

       ☞电网提供换流电压的换流方式。

       ☞将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 

◆负载换流（Load Commutation）

    ☞由负载提供换流电压的换流方式。

    ☞负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可实现负载换流，如电容性负载和同步电动机。

    ☞图5-2a是基本的负载换流逆变电路，整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性，直流侧串大电感，工作过程可认为id基本没有脉动。

      √负载对基波的阻抗大而对谐波的阻抗小，所以uo接近正弦波。

      √注意触发VT2、VT3的时刻t1必须在uo过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。 

图5-2  负载换流电路及其工作波形 

强迫换流（Forced Commutation）

    ☞设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流的换流方式称为强迫换流。

    ☞通常利用附加电容上所储存的能量来实现，因此也称为电容换流。

    ☞分类

       √直接耦合式强迫换流：由换流电路内电容直接提供换流电压。

       √电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。

    ☞直接耦合式强迫换流

       √如图5-3，当晶闸管VT处于通态时，预先给电容充电。当S合上，就可使VT被施加反压而关断。

       √也叫电压换流。 

图5-3  直接耦合式强迫换流原理图   图5-4  电感耦合式强迫换流原理图 

☞电感耦合式强迫换流

   √图5-4a中晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断，图5-4b中晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断，注意两图中电容所充的电压极性不同。

   √在这两种情况下，晶闸管都是在正向电流减至零且二极管开始流过电流时关断，二极管上的管压降就是加在晶闸管上的反向电压。 

   √也叫电流换流。

3、电压型逆变电路的基本特点

■根据直流侧电源性质的不同，可以分为两类

    ◆电压型逆变电路：直流侧是电压源。

    ◆电流型逆变电路：直流侧是电流源。

■电压型逆变电路的特点

    ◆直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

    ◆由于直流电压源的钳位作用，输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。

    ◆阻感负载时需提供无功功率，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

三、课堂小结（讲解法） 

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

5.2电压型逆变电路5.3电流型逆变电路

2、单相桥式电压型逆变电路

3、三相桥式电压型逆变电路

4、电流型逆变电路的特点

了解电流型逆变电路的特点

上节讲述了电压型逆变电路的特点，这节课学习具体的逆变电路，在具体电路中，来体会电压型逆变电路的特点，加深对电压型逆变电路的理解。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

1、单相半桥电压型逆变电路

在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的中点，负载联接在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。

1电路原理图

图5-5  单相半桥电压型逆变电路及其工作波形 

②工作原理分析

☞设开关器件V1和V2的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。 

 ☞输出电压uo为矩形波，其幅值为Um=Ud/2。 

 ☞电路带阻感负载，t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中的电流io不能立即改变方向，于是VD2导通续流，当t3时刻io降零时，VD2截止，V2开通，io开始反向，由此得出如图所示的电流波形。 

☞V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。

◆优点是简单，使用器件少；其缺点是输出交流电压的幅值Um仅为Ud/2，且直流侧需要两个电容器串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡；因此，半桥电路常用于几kW以下的小功率逆变电源。 

2、单相桥式电压型逆变电路

图5-6全桥逆变电路 

    ◆共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。

    ◆两对桥臂交替导通180°。 

    ◆输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，但幅值高出一倍。

    ◆在这种情况下，要改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。 

    ◆Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得

3、三相桥式电压型逆变电路

图5-7  三相电压型桥式逆变电路 

    ◆基本工作方式是180°导电方式。

    ◆同一相（即同一半桥）上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120 °，任一瞬间有三个桥臂同时导通。

    ◆每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。

◆对于U相输出来说，当桥臂1导通时，uUN’=Ud/2，当桥臂4导通时，uUN’=-Ud/2，uUN’的波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。

图5-8  电压型三相桥式逆变电路的工作波形 

4、电流型逆变电路的特点

◆直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。

◆交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关，输出电压波形和相位因负载不同而不同。

◆直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。

■电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多，换流方式有负载换流、强迫换流。 

三、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。

四、作业

电压型全桥逆变电路工作原理的分析。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

5.3电流型逆变电路

5.4 SPWM控制技术

2、三相电流型逆变电路

3、脉宽调制技术的理论基础

掌握脉宽调制技术的理论基础

上节讲述了电流型逆变电路的特点，这节课学习具体的逆变电路，在具体电路中，来体会电流型逆变电路的特点，加深对电流型逆变电路的理解。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

1、单相电流型逆变电路

①电路原理图

图5-9  单相桥式电流型（并联谐振式）逆变电路 

②工作原理

◆由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来晶闸管开通时的di/dt。

◆采用负载换相方式工作的，要求负载电流略超前于负载电压，即负载略呈容性。 

◆电容C和L 、R构成并联谐振电路。

 ◆输出电流波形接近矩形波，含基波和各奇次谐波，且谐波幅值远小于基波。

图5-10  并联谐振式逆变电路工作波形 

■工作波形分析

   ◆在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和两个换流阶段。 

   ◆t1~t2：VT1和VT4稳定导通阶段，io=Id，t2时刻前在C上建立了左正右负的电压。

   ◆在t2时刻触发VT2和VT3开通，开始进入换流阶段。

       ☞由于换流电抗器LT的作用， VT1 和VT4不能立刻关断，其电流有一个减小过程，VT2和VT3的电流也有一个增大过程。

☞4个晶闸管全部导通，负载电容电压经两个并联的放电回路同时放电。 

       √一个回路是经LT1、 VT1、VT3、LT3回到电容C。

       √另一个回路是经LT2、VT2、VT4、LT4回到电容C。

◆当t=t4时，VT1、VT4电流减至零而关断，直流侧电流Id全部从VT1、VT4转移到VT2、VT3，换流阶段结束。

■实际工作过程中，感应线圈参数随时间变化，必须使工作频率适应负载的变化而自动调整，这种控制方式称为自励方式。

    ◆固定工作频率的控制方式称为他励方式。

    ◆自励方式存在起动问题，解决方法：

        ☞先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。

        ☞附加预充电起动电路。 

2、三相电流型逆变电路

电路原理图

输出波形

   ◆基本工作方式是120°导电方式，每个臂一周期内导电120°，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通。

   ◆换流方式为横向换流。

■波形分析

   ◆输出电流波形和负载性质无关，正负脉冲各120°的矩形波。

   ◆输出电流和三相桥整流带大电感负载时的交流电流波形相同，谐波分析表达式也相同。

   ◆输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了一些脉冲。

3、脉宽调制技术的理论基础：面积等效法

PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。

直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术。 

PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。

■面积等效原理

    ◆是PWM控制技术的重要理论基础。 

    ◆原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

        ☞冲量即指窄脉冲的面积。 

        ☞效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 

        ☞如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 

    ◆实例

        ☞将图5-11a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图5-12a所示的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出，图5-12b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。

图5-11  形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 

图5-12  冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

三、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

5.4 SPWM控制技术

2、单相桥式电压型逆变电路的双极性调制方式

3、同步调制、异步调制

上节讲述了PWM控制技术的理论基础，那么如何得到与正弦波等效的矩形脉冲序列，调制法是广泛采用的一种方法。调制法在电压型逆变电路中的应用，即SPWM控制技术，是逆变电路部分中不可缺少的。

二、新课教学（讲解法、提问法、示范法）

1、单相桥式电压型逆变电路的单极性调制方式

调制波：正弦波；

载波：等腰三角波；

以调制信号和载波信号的交点时刻控制逆变器中开关器件的通断。

图5-13  单相桥式PWM逆变电路 

 ◆电路工作过程

    ☞工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补，比如在uo正半周，V1导通，V2关断，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。

         √在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo=Ud。

         √V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0。

         √在负载电流为负的区间，仍为V1和V4导通时，因io为负，故io实际上从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总可以得到Ud和零两种电平。

     ☞在uo的负半周，让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压uo可以得到-Ud和零两种电平。 

◆单极性PWM控制方式 

    ☞调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。 

    ☞在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。

       √当ur>uc时使V4导通，V3关断，

            uo=Ud。

       √当ur            uo=0。 

    ☞在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。

       √当ur            uo=-Ud。

       √当ur>uc时使V3关断，V4导通，

            uo=0。  

图5-14 单极性PWM控制方式波形 

2、单相桥式电压型逆变电路的双极性调制方式

◆双极性PWM控制方式 

  ☞在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。 

  ☞在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平。

 ☞在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。 

     √当ur>uc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io>0，则V1和V4通，如io<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是uo=Ud。

     √当ur0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。  

图5-15双极性PWM控制方式波形 

3、同步调制、异步调制

■载波频率fc与调制信号频率fr之比N= fc/fr称为载波比，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制和同步调制两种。  

■异步调制 

   ◆载波信号和调制信号不保持同步的调制方式称为异步调制。 

   ◆通常保持载波频率fc固定不变，因而当信号波频率fr变化时，载波比N是变化的。 

   ◆在信号波的半个周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。 

   ◆当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。 

   ◆当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大，输出PWM波和正弦波的差异变大，对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。

   ◆在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。 

■同步调制 

  ◆载波比N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步的方式称为同步调制。 

  ◆fr变化时载波比N不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。

  ◆在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，为了使三相输出波形严格对称和一相的PWM波正负半周镜对称，取N为3的整数倍且为奇数。

  ◆当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的fc也很低，fc过低时由调制带来的谐波不易滤除，当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声；当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的fc会过高，使开关器件难以承受。 

■分段同步调制 

    ◆把fr范围划分成若干个频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，不同频段的载波比不同。 

    ◆在fr高的频段采用较低的载波比，以使fc不致过高，在功率开关器件允许的范围内。 

    ◆在fr低的频段采用较高的载波比，以使fc不致过低而对负载产生不利影响。

    ◆为了防止fc在切换点附近的来回跳动，在各频率切换点采用了滞后切换的方法。 

    ◆有的装置在低频输出时采用异步调制方式，而在高频输出时切换到同步调制方式，这样可以把两者的优点结合起来，和分段同步方式的效果接近。  

三、课堂小结（讲解法）

教师结合学生的情况，对本节课的教学过程进行小结。

本章内容结束。

四、作业

电压型全桥逆变电路的调制方法分析。

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动，思考、回答教师问题

第六章 电力电子技术的应用

开关电源

■在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要±12V、±15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的电流。 

■线性电源和开关电源

   ◆图6-1所示为线性电源，先用工频变压器降压，然后经过整流滤波后，由线性调压得到稳定的输出电压。

   ◆图6-2所示为开关电源，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波。

   ◆开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。  

图6-1线性电源的基本电路结构 

图6-2 半桥型开关电源电路结构 

图6-3开关电源的能量变换过程

不间断电源 

■不间断电源（Uninterruptible Power Supply — UPS）是当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。

■广义地说，UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出为交流的情况UPS是恒压恒频（CVCF）电源中的主要产品之一，广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。

■UPS的结构原理

◆图6-4给出了UPS最基本的结构原理

图6-4 UPS基本结构原理图

      ☞基本工作原理是，当市电正常时，由市电供电，当市电异常乃至停电时，由蓄电池向逆变器供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响；在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为稳压稳频电源。 

◆为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际的UPS产品中多数都设置了旁路开关，如图6-5所示，市电与逆变器提供的CVCF电源由转换开关S切换；还需注意的是，在市电旁路电源与CVCF电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用锁相同步的方法。

图6-5 具有旁路开关的UPS系统

◆在市电断电时由于由蓄电池提供电能，供电时间取决于蓄电池容量的大小，有很大的局限性，为了保证长时间不间断供电，可采用柴油发电机（简称油机）作为后备电源，如图6-6所示，蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，容量可以比较小。

图6-6 用柴油发电机作为后备电源的UPS

■UPS的主电路结构 

   ◆容量较小的UPS主电路 

       ☞整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（用作PFC），可获得较高的交流输入功率因数。

       ☞由于逆变器部分使用IGBT并采用PWM控制，可获得良好的控制性能。 

   ◆使用GTO的大容量UPS主电路

       ☞逆变器部分采用PWM控制，具有调节电压和改善波形的功能。

       ☞为减少GTO的开关损耗，采用较低的开关频率。

       ☞输出电压中所含的最低次谐波为11次，从而使交流滤波器小型化。 

图6-7 小容量UPS主电路

图6-8 大功率UPS主电路

复习

1、电力电子器件的结构、原理

2、整流电路的工作原理

3、直流斩波电路的工作原理

4、交流调压电路的工作原理

5、逆变电路的工作原理、SPWM控制技术

学生紧跟教师节奏，认真听讲，积极参与教学活动