电力电子技术

这是一篇关于电力电子技术的思维导图，主要内容包括：6 交流交流变流电路，2 电力电子器件，3 整流电路，5 直流-直流变流电路，4 逆变电路，1 绪论。

电力电子技术

• 1 绪论
  • 电力电子技术概念
    • 什么是电力电子技术
      • 电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。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。
      • 电力电子器件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。
    • 电力变换的种类
      • 交流变直流(AC-DC):整流电路
      • 直流变交流(DC-AC)：逆变电路
      • 直流变直流(DC-DC)：一般通过直流斩波电路实现
      • 交流变交流(AC-AC)：一般称作交流电力拉制
  • 电力电子技术的发展
    • 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。
    • 1946年第一支晶体管诞生到1957年晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
    • 晶闸管(半控型器件)时代
    • 全控型器件和电力电子集成电路(PIC)
  • 电力系统中电力电子技术的应用
    • 用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。
    • 直流输电：其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。
    • 电能质量提高：晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。
    • 在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。
    • 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。
    • 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。
    • 新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电子技术。
    • 核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。
• 2 电力电子器件
  • 电力电子器件概述
    • 电力电子器件的概念
      • 电力电子器件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。
    • 电力电子器件特征
      • 处理电功率的大小(承受电压和电流的能力)一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级。
      • 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。
      • 在实际应用当中，往往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。
      • • 通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。
        • 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
    • 应用电力电子器件的系统组成
      • • 一般由主电路、控制电路、检测电略、驱动电路、保护电路等组成。
        • 电力电子器件是主电路实现电能变换的核心，电力电子装置的输入可以是交流电或直流电，波形取自于电力电子装置的电路结构及采用的控制方式，电力电子装置的输出应能够满足负载的需要。
        • 控制电路为电力电子器件提供控制信号，使装置实现电能变换。
        • 驱动电路为电力装置提供驱动信号。控制电路产生的一般逻辑信号不能直接控制电力电子器件导通和关断，还需要根据器件的性质和参数，对控制信号进行整形、放大来驱动电力电子器件，这种电路称为驱动电路。
        • 有些驱动电路具有过电流，过电压，过温等检测功能，传感器检测到电流和电压等物理量后，通过检测电路送到控制电路进行信号处理。
        • 按照工作要求，有些装置还应在主电路和控制电路中附加一些保护电路和电气隔离装置，以保证系统正常可靠运行。
  • 电力电子器件的分类
    • 按照能够被控制电路信号所控制的程度
      • 半控型器件
        • 器件的导通由控制信号控制，但关断由其在主电路中承受的电压和电流决定
        • 主要是指晶闸管及其大部分派生器件。
      • 全控型器件
        • 通过控制信母即可以使器件导通，也可以使器件关断。
        • 全控型器件主要包括：IGBT、Power-MOSFET、CTO、GTR。
      • 不可控器件
        • 不能用控制信号来控制其通断，只能通过其在主电路中的电压和电流控制器件的导通和关断。
        • 电力二极管是典型的不可控电力电子器件
    • 按照驱动信号的性质
      • 电流驱动型:从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。
      • 电压驱动型：在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器件导通或者关断的控制。
    • 按照驱动信号的波形（电力二极管除外）
      • 脉冲触发型：在控制端施加一个电压或电流的脉冲借号来实现器件的开通或者关断的控制。
      • 电平控制型：通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。
    • 按照载流子参与导电的情况
      • 单极型器件：由一种载流子(自由电子或空穴)参与导电。
      • 双极型器件：由自由电子和空穴两种载流子参与导电。
      • 复合型器件；由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。
  • 不可控器件—-电力二极管
    • 电力二极管自1950年代初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管。
    • 电力二极管的基本结构
      • 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。
      • 电力二极管从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。
    • 电力二极管的基本原理
      • (1)PN结的单向导电性
        • 正向导通：PN结外加正向电压(正向偏置)时，形成自P区流入从N区流出的电流，称为正向电流
        • 反向截止：当PN结外加反向电压时(反向偏置)时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。
        • 反向击穿：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。
          • PN反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。
          • 反向击穿发生时，首先发生电击穿，采取了指施将反向电流限制在一定范围内，PN 结仍可恢复原来的状态。否则 PN 结因过热而烧毁就是热击穿。
      • (2)PN结的电容效应
        • PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为微分电容,又称为结电容
        • 结电容按其产生机制和作用的差别分为
          • 势垒电容
          • 扩散电容
        • 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。
        • 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。
        • 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
    • 电力二极管的静态特性
      • 静态特性：主要是指其伏安特性
      • 静态特性曲线特点
        • 电力二极管的静态特性与信息二极管伏安特性一致。
        • 静态特性分为四个区：死区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区
        • 静态特性曲线特点
          • (门槛电压)正向电压大到一定值,正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。
          • 对应的电力二极管两端的电压
            • 即为其正向电压降
          • 承受反向电压时，只有少漂移引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
    • 电力二极管的动态特性
      • 动态特性：
        • 因为结电容的存在，电力二极管在零偏置(外加电压为零)、正向偏置、反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN 结的一些区域需要一定的时间来调整其带电状态，其伏安特性不能用静态特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性。
        • 动态特性包括开通特性和关断特性。
      • 电力二极管的关断特性：由正向偏置转换为反向偏置
        • 关断特点
          • 电力二极管外加电压由正偏变为反偏时，二极管并不能立即关断，须经过一段短暂的时间方能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流过冲，并伴随有明显的反向电压过冲。
        • 关断过程
          • tF:外加电压突然由正向变为反向，正向电流开始下降,di/dt 表示正向电流下降速率,该速率的大小由反向电压大小和电路中的电感决定;管压降UF 由于电导调制效应基本变化不大,直至t0时刻
          • 延迟时间
            • 正向电流降为零的时刻t0
            • 反向电流开始下降，也是反向电流最大时刻为t1
          • 电流下降时间
            • • t2 时刻电流变化率接近于0
          • 反向恢复时间
        • 恢复特性软度：
          • 下降时间与延迟时间之比称为恢复特性软度，又称恢复系数，用
          • 恢复系数越大则恢复特性越软，反向电流下降时间相对较长，在同样的外电路条件下，造成的反向电压过充越小。
      • 电力二极管的开通特性：由零偏置转换为正向偏置
        • • 电力二极管在开通过冲中，先出现一个电压过冲UFp,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值(如2V).
          • 出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFp越高。
          • :正向恢复时间
    • 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，电力二极管的额定电流为正向平均电流。
        • 二极管的实际工作电流不一定是正弦半波电流，因此使用时需按照电流的发热效应相等来选择器件，即根据两个电流(实际电流和半波正弦电流)有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
      • 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，即通常所说的导通管压降。
      • 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，通常为雪崩击穿电压的三分之二。使用时，按照二极管实际可能承受的反向电压最大值再留有两倍的裕量。
      • 最高工作结温TJM
        • 结温是指管芯PN结的平均温度，用Tj表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承变的最高平均温度，用TJM表示，TJM通常在 125～175°C范围之内。
      • 浪涌电流IFsM
        • 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
    • 电力二极管的主要类型
      • 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5s以上。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。
      • 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5s以下)。
        • 快恢复外延二极管,采用外延型 P-i-N结构，其反向恢复时间更短(可低于50ns),正向压降也很低(0.9V左右)。
        • 从性能上可分为快速恢复和两个等级。快速恢复二极管的反向恢复时间为数百纳秒或更长，超快速恢复二极管的反向恢复时间则在100ns以下，甚至达到 20~30ns。
      • 肖特基二极管
        • 肖特基二极管是由金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，属于多子器性(没有少子)
        • 肖特基管的优点：反向恢复时间很短(10~40ns),正向恢复过程中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还要小，效率高。
        • 肖特基管的弱点：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；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，而且必须更严格地限制其工作温度。
  • 半控型器件---晶闸管
    • 晶闸管概述
      • 晶体闸流管简称晶闸管,又称作可控硅整流器,以前被简称为可控硅。
      • 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，1957 年美国通用电气公词开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。
      • 晶闸管承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。
    • 晶闸管的结构
      • 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。
      • 引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个联接端。
      • 内部是PNPN四层半导体结构。
    • 晶闸管的工作原理
      • 晶闸管的内部结构相当于两个三极管的复合结构，如图2-6(a)所示
      • 晶闸管的开通过程就是内部两个晶体管建立正反馈的过程，导通后内部的两个晶体管工作在饱和状态。
      • 晶闸管的门极电流IG和阳极电流IA,满足:
        • • 式中：α1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和lCBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。
      • 晶体管的特性
        • 在低发射极电流下a很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。
        • 在晶体管阻断状态下，IG=0,而a1+a2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。
        • 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流lA(阳极电流)将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。但由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。
      • 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。
    • 晶闸管的静态特性
      • 正常工作时的特性
        • 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。
        • 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。
        • 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。
        • 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要的某一数值以下。
        • 晶闸管静态特性的数学描述为晶闸管的伏安特性曲线，如图 2-7 所示，分为正向特性曲线和反向特性曲线
      • 正向特性
        • 当IG=0时，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，晶闸管本身的正向导通管压降很小，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。
      • 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Ubr后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。
    • 晶闸管的动态特性
      • 开通过程
        • 由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间以及外电路电感的限刺，晶闸管开通时，阳极电流的增长不可能是瞬时的。
        • 延迟时间td(0.5~1.5s):门极电流阶跃开始到阳极电流上升至稳态值的10%，这段时间为延迟时间，延迟时间随门极电流的增大而减小
        • 上升时间tr(0.5~3s):阳极电流从10%上升至稳态值的90%所用时间，上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。
        • 晶闸管的开通时间tgt=td+tr
        • 提高阳极电压，延迟时间和上升时间都可显著缩短。
      • 关断过程
        • 关断过程的原因：由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也有过渡过程。
        • 反向阻断恢复时间trr:正向阳极电流降为0开始到反向恢复电流表减到接近于0的时间。
        • 正向阻断恢复时间tgr:由反向阻断恢复过程结束至正向阻断能量恢复过程结束的时间
        • 关断时间tq=trr+tgr,晶闸管的关断时间约几百微秒。
        • 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。
    • 晶闸管的主要参数
      • 电压定额
        • 晶闸管正常工作时三种两种状态：正向阻断、正向导通、反向阻断，与各状态对应的参数较多。
        • 断态重复峰值电压UDRM
          • 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UDSM电压应低于正向转折电压Ubo。
        • 反向重复峰值电压URRM
          • 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Ubr
        • 通态(峰值)电压Ur:晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
        • 额定电压
          • 通常取UDRM和URRM中较小的标值为晶闸管的额定电压。
          • 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。
      • 电流定额
        • 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40°C 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。
          • 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。
        • 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(阳极)电流，一般为几十到几百毫安。
          • 结温越高，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(阳极)电流。
          • 擎住电流IL约为维持电流IH的2~4倍
        • 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。
      • 动态参数
        • 开通时期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，不导致晶间管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
          • 考虑到 pn结的电容效应，当电压上升率过大，使结电容充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。
        • 通态电流临界上升率 di/dt
          • 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害彤响的最大通态电流上升率。
          • 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
    • 晶闸管的派生器件
      • 快速晶闸管
        • 有快速晶闸管和高频晶闸管。
        • 快速晶闸管的开关时间以及 du/dt 和 di/dt 的耐量都有了明显改善。
        • 从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为教十微秒，而高频晶闸管则为10微秒左右。
        • 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
        • 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
      • 双向晶闸管
        • 可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
        • 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第1和第III象限有对称的伏安特性。
        • 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。
      • 逆导晶闸管
        • 是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一且承受反向电压即开通。
        • 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。
      • 光控晶闸管
        • 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。
        • 采用光触发保证了主电路与控制电路间的绝缘，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。
  • 门极可关断晶闸管GTO
    • 门极可关断晶闸管的基本结构
      • GTO 是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。
      • GTO是PNPN四层半导体结构。
      • GTO 是一种多元的功率集成器件，外部引出3个电极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。
      • GTO 与普通晶闸管的不同
        • a2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO 关断。
        • 导通时a1+a2更接近1,导通时接近临界饱和(浅饱和),有利门极挖制关断，但导通时管压降增大。
        • 多元集成结构，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。
        • 给白极加负脉冲，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α1+α2<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 的动态特性
      • 开通过程：
        • 与普通晶闸管类似。
      • 关断过程
        • 储存时间ts:
          • 抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间，从而使等效晶体管退出饱和状态，
        • 下降时间tf:
          • 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小的时间；
        • 尾部时间tt:
          • 残存载流子复合所需要的时间，关断时间一般不包括尾部时间。
        • 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。
        • 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。
    • GTO 的主要参数
      • CTO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βoff
        • 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比
        • βoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点
      • 开通时间ton
        • GT0的开通时间为延迟时间与上升时间之和
        • 延迟时间一般约1~2s,上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。
      • 关断时间toff
        • 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。
        • 储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。
  • 电力晶体管(GTR）
    • 电力晶体管是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管,基本结构和工作原理与普通的双极结型晶体管相同，最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。
    • GTR的结构
      • 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(多元集成)。
      • 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。
      • 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β=
      • β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ic=βih+iceo
      • 单管GTR的β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。
      • 开关过程中，在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。
    • GTR 的动态特性
      • 开通过程
        • 需要经过延迟时间td和上升时间tr,二者之和为开通时间ton。
        • 增大基极驱动电流ib的幅值，并增大
          • 可以绪短延迟时间，同时也可以缩短上升时间，从而加快开通过程。
      • 关断过程
        • 需要经过储存时间ts和下降时间tf,二者之和为关断时间Toff
        • 减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，从而加快关断速度
        • GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。
    • GTR 的主要参数
      • 基极开路时集电极和发射极间的出穿电压 BUCEO
        • 使用GTR时，为了确保安全，实际最高工作电压比BUCEO低。
      • 集电极最大允许电流ICN:
        • 结温和耗散功率不超过额定值所对应的集电极电流为集电极最大允许电流，实际使用时要留有1.5～2 倍的裕量。
      • 集电极最大耗散功率PCM
        • GTR 在最高允许结温时对应的耗散功率，受结温的限制，其大小主要由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。由子这部分能量将转化为热能并使GTR发热，因此GTR散热条件是十分重要的。
  • 电力场效应晶体管
    • 概述
      • 场效应管简称 FET,分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。
      • 电力场效应管是应用于电力系统的场效应管，也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型,简称电力MOSFET。
      • 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NDSFET的种类
      • 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
      • 栅极电压为零时漏源极之间才存在导电沟道的称为耗尽型。
      • 栅极电压不等于零时漏源极之间才存在导电沟道的称为增强型。其中，N沟道器件栅极电压大于零：P沟道器件栅极电压小于零。
      • 在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型
    • 电力NOSFET 的结构
      • 单极型晶体管，多元集成结构。
      • 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VMOSFET,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型槽实现要直导电的VMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET。
    • 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正电压UGS,会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子一电子吸引到栅极下面的P区表面。
        • 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(或阙值电压)。UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流Ip越大。
    • 电力MOSFET 的静态特性
      • 转移特性
        • 转移特性是指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系，
        • ID较大时，lD与UGS的关系近似线性。曲线的斜率被定义为MOSFET的隆导Gfs,即
        • 电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。
      • 输出特性
        • • 输出特性是 MOSFET 的漏极伏安特性。
          • 3个工作区：截止区(对应于GTR的截止区)、饱和区(对应于GTR的放大区)、非饱和区(对应于GTR的饱和区)
          • 饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。
          • P-NOSFET 工作在开关状态，即在载止区和非饱和区之间来回转换。
          • 漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。(优点)
          • 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
    • 电力NOSFET 的动态辨性
      • 开通时间
        • ton=td(on)+tr+tfv,其中，td(on)为开通延迟时间；tr为电流上升时间；tfv为电压下降时间。
      • 关断时间
        • toff=td(off)+trv+tfi,其中，td(off)为关断延迟时间，trv为电压上升时间：tfi为电流下降时间
      • M0SFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻Rs,从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。
      • 由于MOSFET 导电不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。
      • 开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。
      • 在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
    • 电力MOSFET 的主要参数
      • 漏极电压UDS:标称电力MOSFET 的电压定额的参数
      • 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM:标称电力MOSFET的电流定额的参数
      • 栅源电压UGS:栅源之间的绝缘层很薄，VGS>20V将导致绝缘层击穿。
      • 极间电容：CGS、CGD、CDS:非线性电容，CGS、CGD是由于栅极绝缘等效的电容，CDS是由漏源极之间的PN结电容效应产生的。
      • 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。
  • 绝缘栅双极晶体管（IGBT)
    • IGBT的特点
      • 绝缘栅双极晶体管综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
      • GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
      • 电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
    • IGBT的结构
      • 三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E.
      • IGBT是用 GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区 PNP 晶体管。
    • 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的静态特性
      • 转移特性
        • 描述的是集电极电流Ic与栅射电压UGE之间的关系。
        • 开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。
      • 输出特性（伏安特性）
        • 描述的是以桶射电压为参考变量时，集电极电流Ic与集射极间电压UcE之间的关系。
        • 分为三个区域：正向阻断区、有源区和德和区。
        • 当Ucg<0时，IGBT 为反向阻断工作状态。
        • 在电力电子电路中，ICBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。
    • IGBT的动态特性
      • 开通时间ton=td(on)+tr+tfv,开通延迟时间为td(on);电流上升时间为tr,;电压下降时间为tfv
      • 关断时间toff=td(off)+trv+tfi,电压上升时间为trv:电流下降时间为tfi:关断延迟时间为td(off)
      • 引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于MOSFET
    • IGBT的主要参数
      • 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: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
      • 开关速度高，并关损耗小。
      • 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。
    • IGBT的擎住效应
      • 擎住效应(自锁效应)
        • 在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN 晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，一旦 J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，造成电流失控的现象。
      • 引发擎住效应的原因
        • 集电极电流过大(静态擎住效应)
        • duCE/dt过大(动态擎住效应),温度升高。
        • 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流是根据动态擎住效应而确定的。
    • IGBT的安全工作区
      • 正向偏置安全工作区：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
      • 反向偏置安全工作：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt
  • 其他新型电力电子器件
    • MOS 控制晶闸管(MCT)
      • MCT是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。
      • 结合了MOFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶间管的高电压大电流、低导通压降的特点。
      • 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。
      • 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。
    • 静电感应晶体管 SIT
      • 是一种结型场效应晶体管。
      • 是一种多子导电的器件，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。
      • 栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便
      • SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
    • 静电感应晶闸管 SITH
      • 可以看作是 SIT与 GTO复合而成。
      • 又被称为场控晶闸管,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。
      • 其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。
      • 一般也是正常导通型，但也有正常关断型，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
    • 集成门极换流晶闸管IGCT
      • 是将一个平板型的 GTO与由很多个并联的电力MOSFET器性和其它辅助元件组成的GTO门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。
      • 容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的GTO快10倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。
      • 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。
    • 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
      • 硅的禁带宽度为1.12 电子伏特(eV),而宽禁带半导体材料是指禁带密度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料。典型的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等材料。
      • 基于宽禁带半导体材料(如碳化硅)的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。
      • 宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。
• 3 整流电路
  • 整流电路的分类
    • 整流电路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。
    • 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
    • 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。
    • 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。
    • 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。
  • 单相半波可控整流电路
    • 带电阻负载的工作情况
      • 电路结构与输入输出波形
        • 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的大小根据需要的真流输出电压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。
      • 电路工作原理
        • 改变触发时刻，Ud和id波形随之改变，直流输出电压Ud为极性不变但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。
        • 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。
      • 基本数量关系
        • a:从晶闸管开始承受正向阳极电压开始到施加触发脉冲为止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。
        • θ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。θ=π-α
        • 直流输出电压平均值
        • • 触发角α越大，输出电压平均值Ud越小
          • 该电路中晶闸管VT的α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，简称相控方式。
    • 带阻感负载的工作情况
      • 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。
      • 电路工作原理
        • 晶闸管VT处于断态时 id=0,Ud=0,UVT=u2
        • 在wt1时刻，即触发角α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。
    • 电力电子电路基本分析方法
      • 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。
    • 单相半波可控整流电路的特点
      • 电路结构简单，但输出脉动大
      • 变压器二次电流中含有直流分量，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，增大设备的容量。
  • 单相桥式全控整流电路
    • 带电阻负载的工作情况
      • 电路结构与输入输出波形
        • 晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。
        • 两个晶闸管的阴极为输出电压的正极，两个晶闸管的阳极为输出电压的负极。
      • 电路工作原理
        • u2正半周(即a点电位高于b点电位)
          • 若4个晶闸管均不导通id=0,Ud=0.VT1、VT4 串联承受电压u2。
          • 在触发角a处给VTI和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。
        • U2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
        • u2负半周
          • 仍在触发角处触发VT2和VT3,VT2 和 VT3 导通。
          • 电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。
        • u2再次过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。
      • 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空
        • 整流电压平均值为：输出电压的面积除以周期π
          • 当α=0时，输出电压最高
          • 当α=180°时，输出电压最低，因此其移相范围是0^180°。
        • 向负载输出的直流电流平均值为：直流输出电压平均值除以负载电阻
        • 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
      • 电路特点
        • 尽管整流电路输入电压U2是交变的，但负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，输出电压一个周期内脉动两次。
        • 桥式整流电路在正、负半周均能工作，变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的有效利用率。
    • 带阻感负载的工作情况
      • 电路工作原理
        • u2正半周期：
          • 触发角α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。
        • wt=Π+α时刻
          • 触发VT2和YT3,VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VTI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
        • 输出电压平均值：输出电压面积除以π
        • 输出电流平均值Id:直流输出电反平均值除以负载电阻。大电感时，输出电流波形是一条水平直线。
        • 晶体管的平均电流IdT:
          • • 由于晶闸管轮流交替导电，流过每个晶闸管的平均电流是负载平均电流的一半。
        • 晶闸管的电流有效值IT
        • 通态平均电流IT(AV)
        • 变压器二次侧电流I2
          • 对称的正负矩形波，其有效值与输出电流平均值相同，即I2=ld
        • 晶闸管承受的最大反向电压UTM
      • 电路特点
        • 由于电感的作用，输出电压出现负波形；
        • 当电感无限大时，控制角a在0~90”变化时，晶闸管导通角θ=π,导通角与控制角无关；
        • 输出电流平直，流过晶闸管和变压器二次侧的电流波形为矩形波
    • 带反电动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。
      • 电路工作原理
        • 只有|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，这使得晶闸管的导通角减小；
        • 晶闸管导通之后，Ud=U2,id=Ud-E/R,直至|U2l=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δ=停止导电，称为停止导电角。
          • 当α<δ时，触发脉冲到来时，晶间管承受负电压，不可能导通。
          • 触发脉冲有足够的宽度，保证当ot=6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
        • 在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。
      • 电流断续
        • ia波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断线。
        • 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以减小电流脉动，延长晶闸管的导通时间，如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感负载相同。
        • 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出
    • 单相全波整流电路与单相全控桥式整流的区别
      • 单相全波整流电路中变压器结构较复杂，材料的消耗多。
      • 单相全波整流电路只用2个晶闸管，比单相全控桥式整流少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，
      • 单相全波整流的导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。
      • 单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。
  • 单相桥式半控整流电路
    • 电路结构
      • 单相桥式半控整流电路由两个晶闸管和两个大功率二极管构成
      • 在每个导电回路中，一个晶闸管控制导通角，另一个大功率整流二极管只流过导道电流，没有控制作用。
    • 工作原理
      • 电阻负载
        • 在电阻负载下，单相桥式半控整理电路和单相桥式全控整流电路的Ud、id、i2等波形完全相同，因而一些计算公式也相同。
      • 强感性负载
        • U2正半周时：在wt=α时刻触发晶闸管VT1使其导通，电流路径为：a-VT1-L-R-VD4-b,向负载供电；
        • u2过零变负时；因电感L的作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从 VD4 转至 VD2,VD4关断。电流路径为：a-VT1-L-R-VD2-a，此阶段Ud=0
        • U2负半周时；wt=π+a时刻，触发 VT3使其导通，则 VTl承受反压而关断，电流路径为：b-VT3-L-R-VD2-a 向负载供电；
        • u2过零变正时，VD4导通，VD2关断，电流路径为：b-VT3-L-R-VD4-b,此阶段Ud =0
    • 电路特点
      • 晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源电压过零时刻换流。流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180°的方波，与控制角无关；
      • 变压器二次侧电流为正负对称的方波。
      • 尽管电路具有自续流能力，但在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°或突然切断触发电路时，会发生导通的晶闸管一直导通而两个二极管轮流导通的失控现象。
  • 三相半波可控整流电路(三相零式电路)
    • 电阻负载
      • 电路结构
        • 三相变压器供电，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。
        • 三个晶闸管阳极分别接在变压器次级线圈的相线上，阴极连在一起经负载与中性线相连，称为共阴极接法连接。
        • 触发电路有公共端，连线方便。
      • 自然换相点
        • 整流变压器次级线圈输出为三相正弦交流电压，如图3-8(b)所示，三相电压的交点wt1、wt2、wt3称为自然换相点
        • 如果将三相半波可控整流电路中的晶闸管换为整流二极管，称为三相半波不可控整流电路，该电路中，三个二极管在自然换相点处发生换相。
        • 在三相半波可控整流电路中，自然换相点为a的起点，即α=0的点。
      • 工作原理
        • α=0°,各电压电流波形如图3-8所示
          • 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α增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。
        • α=30°,各电压电流波形如图3-9所示。
          • 负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120°。
        • α>30°,以a =60°为例，电路中各电压和电流波形如图 3-10所示
          • 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°。
      • 基本数量关系
        • 电阻负载时α角的移相范围为0~150°。
        • 整流电压平均值
          • a≤30°时，负载电流连续，有
          • 当α = 0°时，Ud最大，数值为1.17U2:
          • a >30°时，负载电流断续，晶间管导通角减小，此时有
          • 当α=150°时，Ud=0
        • 输出电流平均值Id
        • 晶闸管承受的最大反向电压：等于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
      • 电路特点
        • 任一时刻，只有承受最高电压的晶闸管元件才能被触发导通
        • 负载：输出电压波形是三相电源相电压正半波完整的包络线，输出电流与输出电压波形成比例、且相位相同
          • 当α=0°时，输出整流电压最大，增大a时，波形面积减小，即整流电压减小；
          • 当α=150°时，整流电压为0,所以，电阻性负载的移相范围为0°~150°。
          • 当α≤30°时，负载电流连续，每个晶闸管在一个周期中持续导通120°
          • a>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角为θ=150°-α。
          • 输出整流电压Ud的脉动频率为3倍的电源频率。
        • 晶闸管
          • 流过晶闸管的电流等于变压器的二次侧电流；
          • 晶闸管承受的最大电压是变压器二次侧线电压的峰值，为√6U2
    • 阻感负载
      • 电路工作原理
        • 由于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。
        • a≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同。
        • a>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。
      • 基本数量关系
        • α的移相范围为90°。
        • 整流电压平均值：Ud=1.17U2cosa,
        • 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为
        • 晶闸管的额定电流为
        • 晶闸管最大正反向电压峰值：等于变压器二次线电压峰值，即
      • 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。
  • 三相桥式全控整流电路
    • 电路构成
      • 阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5)称为共阴极组，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。
      • 阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2)称为共阳极组。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。
    • 带电阻负载时的工作情况
      • 工作原理
        • 各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点，也是α=0的点。
        • 当α≤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。
          • a=0时，ud为线电压在正半周的包络线。
          • u=30°时，晶闸管起始导通时刻推迟了30°,组成ud的每一段线电压因此推迟30°,Ud平均值降低。
          • α=60°时，Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，Ud平均值继续降低。α=60°时Ud出现了为零的点。
        • 当α>60°时
          • 因为id与Ud一致，一旦Ud降为至零，id也降互零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零，Ud波形不能出现负值。
      • 电路特点
        • 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成负载供电回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。
        • 对触发脉冲的要求
          • 6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。
          • 共阴极组 VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°,共阳极组 VT4、VT6、VT2也依次差120°。
          • 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4,VT3与VT6,VT6与VT2,脉冲相差180°。
        • 整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
        • 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲
        • 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。
    • 阻感负载时的工作情况
      • 工作原理
        • 当α≤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。
          • 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。
        • 当α>60°时
          • 与电阻性负载时不同，电阻性负载时Ud波形不会出现负的部分，波形断续，而电感性负载时，由于电感的作用，Ud波形会出现负的部分。
          • α=90°时，Ud波形上下对称，平均值为0
          • 带感性负载三相桥式全控整流电路的α角移相范围为0°~90°。
      • 基本数量关系
        • 整流输出电压平均值
          • 带阻感负载时，或带电阻负载a≤60°时
          • 带电阻负载且a>60°时
        • 输出电流平均值Id
        • 晶闸管电流平均值ldT
          • 由于每个周期360°中，6个晶闸管分成3对轮流导通120°,流过每个晶闸管的平均电流是负载电流的1/3,即
        • 晶闸管电流有效值IT
          • 根据流过晶闸管电流有效值的定义计算。电流波形连续时，每个晶闸管在2π周期中导通2π/3区间，即
        • 晶闸管额定电流
        • 变压器二次侧电流有效值
          • 当整流变压器采用星形接法带阻惑负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽 120°、前沿相差 180°的矩形波，有效值为
        • 接反电势阻感负载时的Id为：
          • 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。
  • 三相桥式半控整流电路
    • 电路结构和波形：
    • 三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路比较
      • 三相桥式全控整流电路能工作于有源逆变状态，而三相桥式半控整流电路只能做可控整流，不能工作于逆变状态
      • 三相桥式全控整流电路输出电压脉动小，基波频率为300Hz,比三相桥式半控整流电路高一倍，在同样脉动要求下，三相桥式全控整流电路要求平波电抗的电感量可以小一些。
      • 三相桥式半控整流电路只用3个晶闸管，只需3套触发电路，不需要宽脉冲或者双脉冲触发，线路简单经济，调整方便。
      • 相桥式全控整流电路控制增益大、灵敏度高，其控制滞后时间为3.3ms,而三相桥式半控整流电路为6.6ms,因此，三相桥式全控整流电路的动态响应比三相桥式半控整流电路好。
• 4 逆变电路
  • 逆变
    • 什么是逆变
      • 直流-交流变换是将直流电变成交流电的过程，是整流的逆向过程，也称为逆变变换。
      • 逆变是与整流相对应的，实现逆变的电路称为逆变电路，实现逆变的装置称为逆变器
    • 逆变的分类
      • 按照负载的性质不同：有源逆变、无源逆变
        • 有源逆变；如果把逆变电路的输出接到交流电源上，把经过逆变得到的与交流电源同频率的交流电能返送到该电源中，这样的逆变称作有源逆变，相应的装置称作有源逆变器。
        • 无源逆变：把直流电能变换成交流电能，直接向非电源负载供电的电路，称之为无源逆变电路。
      • 按输入直流电源的性质分类
        • 电压型逆变电路；输入直流电源为恒压源，直流侧一般接有并联大电容，使直流电源的输出电压稳定；
        • 电流型逆变电路：输入直流电源为恒流源，直流侧一般接有串联大电感，使直流电源的输出电流稳定。
      • 按电路结构特点分类：半桥式逆变电路、全桥式逆变电路、推挽式逆变电路等
      • 按逆变电路输出端的相数分类；单相逆变电路、三相逆变电路和多相逆变电路。
      • 按开关器件的工作状态分类：软开关逆变电路、硬开关逆变电路
    • 逆变与变频
      • 变频电路：将一种频率的电源变为另一种频率的电源，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(逆变)两部分组成，后一部分就是逆变电路。
      • 只有无源逆变能应用于变频
    • 逆变电路的主要应用
      • 各种直流电源的逆变变换，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。
      • 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。
  • 逆变电路的换流方式
    • 换流
      • 变流电路在工作过程中，不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，称为换流，也称为换相。
      • 晶闸管换流是指电流按要求的时刻和次序从一个晶闸管转移到另一个晶闸管器件的过程
      • 换流的成败，关键在于应该关断的晶闸管能否可靠关断。
    • 常用换流方式
      • 电网换流
        • 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。
        • 主要适用于半控型元件，不需要为换流添加任何元件，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。
      • 器件换流
        • 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。
        • 最简单的一种换流方式。
      • 强迫换流
        • 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
        • 遇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。
        • 分为直接耦合式、电感耦合式
        • 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。如图4-1,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。直接耦合式强迫换流也叫电压换流。
        • 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挽流电压或换流电流，也称为电流换流。如图4-2a中，晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断；图4-2b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。
      • 负载换流
        • 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 4-3a 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 μ0,接近正弦波。
        • 注意触发VT2、VT0的时刻t1必须在u0过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。
    • 换流方式总结
      • 器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。
      • 器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负戟换流属于外部换流。
      • 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭
  • 单相电压型逆变电路
    • 电压型逆变电路的特点
      • 直流侧为电压源，或并联大电容，真流侧电压基本无脉动。
      • 由于真流电压源的钳位作用，交流侧输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关。交流侧输出电流因负载阻抗不同而不同。
      • 交流侧为阻感负载时需提供无功功率，直流侧电容可缓冲无功能量。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。
    • 半桥逆变电路
      • 电路结构
        • 两个导电壁构成，每个导电臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。
        • 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容。且CI=C2,两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。
      • 工作原理
        • 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u0为矩形波，其幅值为Um=Ud/2
        • 电路带阻感负载时电流波形如图 4-4b 所示
          • 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i0不能立即改变方向，于是 VD2导通续流
          • t3时刻，i0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，i0和u0同方向，直流侧向负载提供能量：
        • VD1或VD2通时，i0和u0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。
      • 电路特点
        • 优点是简单，使用器件少；
        • 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；
        • 半桥电路常用于几kw以下的小功率逆变电源。
    • 全桥逆变电路
      • 电路结构
        • 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°
      • 工作原理
        • 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。
        • 幅值为Ud的矩形波u0展开成傅里叶级数得
          • 其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
        • V3基极信号比V1落后θ(0<0<180°)。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-θ。输出电压是正负各为θ的脉冲。
          • t1时刻前，V3和V4导通，U0=ld
          • t1,时刻，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，U0=0。
          • t2时刻，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，U0=-Ud。
          • 负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，U0仍为-Ud。
          • t3时刻，V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，U0再次为零。
          • 改变θ可调节输出电压。
    • 带中心抽头变压器的逆变电路
      • 电路结构
        • 变压器原边两个绕组顺向绕制，中间抽头接电源一端，另外两端分别为两个开关管
        • 副边绕组与原边绕组电气隔离，设变压器三个绕组的匝数比为1:1:1
      • 工作原理
        • 变压器交替驱动两个IGBT,经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。
        • 两个二极管的作用是提供无功能量的反馈通道。
        • Ud和负载参数相同，U0和i0波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。
      • 与全桥电路相比较
        • 比全桥电路少用一半开关器件。
        • 器件承受的电压为 2Ud,比全桥电路高一倍。
    • 三相电压型逆变电路
      • 电路特点
        • 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，三相桥式逆变电路由3个单相半桥逆变电路组成。
        • 基本工作方式是180°导电方式。
          • ①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。
      • 工作波形
        • 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 波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。
        • 负载线电压UuV、UVw、UWU可由下式求出
        • 负载各相的相电压分别为
          • 把上面各式相加并整理可求得
          • 设负载为三相对称负载，则有 μ+Lw+Uw=0,故可得
      • 基本的数量关系
        • 把输出线电压 UOV展开成傅里叶级数得
        • 式中n=6k±1,k为自然数
        • 输出线电压有效值UUV为
          • 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为
        • 负载相电压UUN展开成傅里叶级数得
          • 式中n=6k±1,k为自然数
        • 负载相电压有效值UUN为
          • 其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为
        • 为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。
  • 单相电流型逆变电路
    • 电流型逆变电路的特点
      • 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路
      • 通过在直流侧串大电感，利用大电感中电流脉动小的特点，实现直流输出电流基本不变，近似为理想电流源。
      • 电路中开关器件只改变直流电的流通路径，因此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。
      • 交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，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。
    • 单相电流型逆变电路结构；图 4-10 所示
      • 电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。
      • 电路采用负载换相方式，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。
    • 单相电流型逆变电路工作波形分析：如图 4-11 所示
      • 在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和再个换流阶段。
        • 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。
          • 在t2时刻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。
        • 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tβ，tβ=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq
    • 基本的数量关系
      • 输出电流i0展开成傅里叶级数可得
        • 其基波电流有效值I01为
      • 2)负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系
        • 一般情况下y值较小，可近似认为cos(γ/2)≈1,φ=y/2+β可得
    • 自励与他励
      • 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：①先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。②附加预充电起动电路。
• 5 直流-直流变流电路
  • 直流-直流变流电略基本概念
    • 直流-直流变流电路(DC-DC)是将一种直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电的装置。包括直接直流-直流变流电路和间接直流-直流变流电路。
      • 直流-直流变流电路也称为直流斩波电路：它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比来改变输出电压的平均值。它是一种开关型的DC/DC变换电路，俗称直流斩波器。
      • 6种基本直流斩波电路为：降压斩波电路、升压斩波电路、升压-降压复合型斩波电路、H桥式直流斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta 斩波电路
      • 间接直流-直流变流电路由逆变电路、整流电路和中间变压器组成。
    • 斩波电路的主要应用：可控直流开关稳压电源、直流电动机的调速控制，它以体积小、重量轻、效率高等优点在电气、通信等领域得到广泛应用。
  • 降压斩波电路的基本原理
    • 基本工作原理：如图6-1所示
      • 图a中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压Us为固定的直流电压：
      • 当开关S闭合时，直流电源经S给负载RL供电;
      • 当开关S断开时，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。
      • 设开关S的通断周期T不变，只改变开关的接通时间ton,则输出的脉冲电压宽度相应改变，从而改变了输出平均电压。
        • 式中：T为输出脉冲电压周期；ton为开关的导通时间；
      • D=ton/T为占空比，O≤D≤1
    • 脉冲宽度调制PWM
      • PWM又称为定频调宽控制方式，是指保持斩波开关器件的开关周期T不变，调节开关导通时间ton,从而调节占空比的控制方式。如图 5-2 所示。
      • 改变控制电压Ur的幅值就可以改变UG的脉冲宽度，即可以改变占空比。
    • 电容、电感的基本特性
      • 直流斩波电路数量关系分析的基础是：电感电压的伏秒平衡特性和电容电流的安秒平衡特性；
      • 电感电压的伏秒平衡特性
        • 稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持不变，因此，每个开关周期中电感电压UL的积分恒为零，即
      • 电容电流的安秒平衡特性
        • 稳态条件下，变换器中的电容电流必然周期性重复，由于每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持不变，因此，每个开关周期中电容电流ic的积分恒为零，即
  • 降压斩波电路
    • 电路结构
      • 包含全控型器件V,由IGBT组成
      • 包含续流二极管VD,作用是保证IGBT关断时给负载中电感电流提供通道。
      • 负载：直流电动机，两端呈现反电动势Em
      • 分析前提：假设负载中电感值很大，即保证电流连续。
    • 工作原理分析
      • 给出 IGBT的栅射极电压UGE波形，即iG波形，周期为T。
      • 0-t1(ton)期间：IGBT 导通，电源E向负载供电，负载电压U=E,由于电感存在，因此负载电流不能突变，所以按指数曲线上升。
      • 0-T(toff)期间：控制IGBT关断，负载电流经过续流二极管VD续流，负载电压基本为0,负载电流呈现指数曲线下降。
      • 当负载电感值较大时，负载电流连续而且脉动小。
    • 基本关系
      • 负载电压平均值：
        • U0=(ton/T ) *E=DE,其中D为占空比。
      • 电感L极大时，负载电流平均值：
  • 升压斩波电路
    • 电路结构
      • 包含全控型器件V,由IGBT 组成。
      • 含极大值的电感L和电容C。
      • 负载为电阻 R。
    • 工作原理
      • 当IGBT导通阶段：
        • 电源E向电感L充电，充电电流为恒定电流I1:
        • 电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，因此输出电压为恒值U0。
        • 通态时间为ton,此阶段电感L上积蓄能量为EI1/ton。
      • 当IGBT关断阶段:
        • 电源E和电感L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
        • 此期间，电感L释放的能量为(U。-E)l1toff
    • 数量关系
      • 当电路处于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等。
      • 输出电压平均值
      • 输出电流平均值
      • 升压斩波电路能够保证输出电压高于电源电压的原因
        • 电感L放电时，其储存的能量具有使电压泵升的作用。
        • 电感L充电时，电容C可将输出电压保持住。
• 6 交流交流变流电路
  • 交流-交流变流电路
    • 概念
      • 交流-交流(AC-AC)变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。
      • 在进行交流-交流变流时，可以改变相关电压和电流的大小、频率和相位
      • 把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以控制交流输出。
    • 分类
      • 根据变换的参数不同，AC-AC变换主要包括变幅值的交流调压技术和变频率的交流变频技术。交流调功电路则是工作在过零触发方式下的交流调压电路。
      • 根据电路结构不同，交流-交流变换电路可以分为直接方式(即无中间直流环节)和间接方式(有中间直流环节)两种。
      • 直接方式交流-交流变换又分为交流电力控制电路、交流变频电路
        • 交流电力控制电路
          • 只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。包括：
          • 交流调压电路；在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。
          • 交流调功电路；以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。
          • 交流电力电子开关：串入电略中根据需要接通或断开电路的晶闸管。
        • 变频电路
          • 改变频率的电路。
    • 应用
      • 灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)。
      • 异步电动机软起动。
      • 异步电动机调速。
      • 供用电系统对无功功率的连续调节。
      • 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。
  • 单相交流调压电路
    • 电阻负载
      • 电路结构：VT1和VT2可以用双向晶闸管代替
      • 工作原理：在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压。
      • 基本的数量关系
        • 负载电压有效值U0
        • 负载电流有效值I0
        • 晶闸管电流有效值IT
        • 功率因数
        • a的移相范围为 O≤a≤m,随着α的增大，以逐渐降低，逐渐降低。
    • 阻感负载
      • 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Ul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a的移相范围应为
        • 在wt=α时刻开通晶闸管VT1,可求得导通角
      • 基本的数量关系
        • 负载电压有效值U0,
        • 晶闸管电流有效值IVT
        • 负载电流有效值I0
        • 晶闸管电流IVT的标么值
      • 移相范围
        • 电压电压过零时刻α=0
        • 阻感性负载稳态时的移相范围为O≤a≤π
        • 工作情况
          • VT1的导通时间超过Π
          • 触发VT2时，i0尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通，i0过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于π。
          • i0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。
  • 交流调功电路
    • 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。
    • 谐波分析
      • 在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染
      • 如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。
  • 交流电力电子开关
    • 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。
  • 单相交流-交流变频电路
    • 电路结构
      • 交流-交流变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。
      • 由P组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。
    • 工作原理
      • P组工作时，负载电流i0为正，N组工作时，i0为负。
      • 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。
        • 改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率wo
        • 改变变流电路工作时的控制角a,就可以改变交流输出电压的幅值。
      • 为使u0波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。
        • 在半个周期内让P组α角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°,每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律
        • 从零增至最高，再减到零；另外半个周期可对N组进行同样的控制。
        • u0由若干段电源电压拼接而成，在u0的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。
• 浮动主题

6 交流交流变流电路

• 交流-交流变流电路
  • 概念
    • 交流-交流(AC-AC)变流电路：把一种形式的交流变成另一种形式交流的电路。
    • 在进行交流-交流变流时，可以改变相关电压和电流的大小、频率和相位
    • 把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以控制交流输出。
  • 分类
    • 根据变换的参数不同，AC-AC变换主要包括变幅值的交流调压技术和变频率的交流变频技术。交流调功电路则是工作在过零触发方式下的交流调压电路。
    • 根据电路结构不同，交流-交流变换电路可以分为直接方式(即无中间直流环节)和间接方式(有中间直流环节)两种。
    • 直接方式交流-交流变换又分为交流电力控制电路、交流变频电路
      • 交流电力控制电路
        • 只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。包括：
        • 交流调压电路；在每半个周波内通过对晶闸管开通相位的控制，调节输出电压有效值的电路。
        • 交流调功电路；以交流电周期为单位控制晶闸管的通断，改变通态周期数和断态周期数的比，调节输出功率平均值的电路。
        • 交流电力电子开关：串入电略中根据需要接通或断开电路的晶闸管。
      • 变频电路
        • 改变频率的电路。
  • 应用
    • 灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)。
    • 异步电动机软起动。
    • 异步电动机调速。
    • 供用电系统对无功功率的连续调节。
    • 在高压小电流或低压大电流直流电源中，用于调节变压器一次电压。
• 单相交流调压电路
  • 电阻负载
    • 电路结构：VT1和VT2可以用双向晶闸管代替
    • 工作原理：在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的开通角a进行控制就可以调节输出电压。
    • 基本的数量关系
      • 负载电压有效值U0
      • 负载电流有效值I0
      • 晶闸管电流有效值IT
      • 功率因数
      • a的移相范围为 O≤a≤m,随着α的增大，以逐渐降低，逐渐降低。
  • 阻感负载
    • 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Ul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a的移相范围应为
      • 在wt=α时刻开通晶闸管VT1,可求得导通角
    • 基本的数量关系
      • 负载电压有效值U0,
      • 晶闸管电流有效值IVT
      • 负载电流有效值I0
      • 晶闸管电流IVT的标么值
    • 移相范围
      • 电压电压过零时刻α=0
      • 阻感性负载稳态时的移相范围为O≤a≤π
      • 工作情况
        • VT1的导通时间超过Π
        • 触发VT2时，i0尚未过零，VT1仍导通，VT2不会导通，i0过零后，VT2才可开通，VT2导通角小于π。
        • i0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。
• 交流调功电路
  • 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。
  • 谐波分析
    • 在交流电源接通期间，负载电压电流都是正弦波，不对电网电压电流造成通常意义的谐波污染
    • 如果以电源周期为基准，电流中不含整数倍频率的谐波，但含有非整数倍频率的谐波，而且在电源频率附近，非整数倍频率谐波的含量较大。
• 交流电力电子开关
  • 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。
• 单相交流-交流变频电路
  • 电路结构
    • 交流-交流变频电路是把电网频率的交流电直接变换成可调频率的交流电的变流电路，因为没有中间直流环节，因此属于直接变频电路。
    • 由P组和N组反并联的晶闸管相控整流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。
  • 工作原理
    • P组工作时，负载电流i0为正，N组工作时，i0为负。
    • 两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。
      • 改变两组变流器的切换频率，就可以改变输出频率wo
      • 改变变流电路工作时的控制角a,就可以改变交流输出电压的幅值。
    • 为使u0波形接近正弦波，可按正弦规律对a角进行调制。
      • 在半个周期内让P组α角按正弦规律从90°减到0°或某个值，再增加到90°,每个控制间隔内的平均输出电压就按正弦规律
      • 从零增至最高，再减到零；另外半个周期可对N组进行同样的控制。
      • u0由若干段电源电压拼接而成，在u0的一个周期内，包含的电源电压段数越多，其波形就越接近正弦波。

5 直流-直流变流电路

• 直流-直流变流电略基本概念
  • 直流-直流变流电路(DC-DC)是将一种直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电的装置。包括直接直流-直流变流电路和间接直流-直流变流电路。
    • 直流-直流变流电路也称为直流斩波电路：它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比来改变输出电压的平均值。它是一种开关型的DC/DC变换电路，俗称直流斩波器。
    • 6种基本直流斩波电路为：降压斩波电路、升压斩波电路、升压-降压复合型斩波电路、H桥式直流斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta 斩波电路
    • 间接直流-直流变流电路由逆变电路、整流电路和中间变压器组成。
  • 斩波电路的主要应用：可控直流开关稳压电源、直流电动机的调速控制，它以体积小、重量轻、效率高等优点在电气、通信等领域得到广泛应用。
• 降压斩波电路的基本原理
  • 基本工作原理：如图6-1所示
    • 图a中开关S可以是各种全控型电力电子开关器件，输入电源电压Us为固定的直流电压：
    • 当开关S闭合时，直流电源经S给负载RL供电;
    • 当开关S断开时，L的储能经二极管VD续流，负载RL两端的电压接近于零。
    • 设开关S的通断周期T不变，只改变开关的接通时间ton,则输出的脉冲电压宽度相应改变，从而改变了输出平均电压。
      • 式中：T为输出脉冲电压周期；ton为开关的导通时间；
    • D=ton/T为占空比，O≤D≤1
  • 脉冲宽度调制PWM
    • PWM又称为定频调宽控制方式，是指保持斩波开关器件的开关周期T不变，调节开关导通时间ton,从而调节占空比的控制方式。如图 5-2 所示。
    • 改变控制电压Ur的幅值就可以改变UG的脉冲宽度，即可以改变占空比。
  • 电容、电感的基本特性
    • 直流斩波电路数量关系分析的基础是：电感电压的伏秒平衡特性和电容电流的安秒平衡特性；
    • 电感电压的伏秒平衡特性
      • 稳态条件下，变换器中的电感电压必然周期性重复，由于每个开关周期中电感的储能为零，并且电感电流保持不变，因此，每个开关周期中电感电压UL的积分恒为零，即
    • 电容电流的安秒平衡特性
      • 稳态条件下，变换器中的电容电流必然周期性重复，由于每个开关周期中电容的储能为零，并且电容电压保持不变，因此，每个开关周期中电容电流ic的积分恒为零，即
• 降压斩波电路
  • 电路结构
    • 包含全控型器件V,由IGBT组成
    • 包含续流二极管VD,作用是保证IGBT关断时给负载中电感电流提供通道。
    • 负载：直流电动机，两端呈现反电动势Em
    • 分析前提：假设负载中电感值很大，即保证电流连续。
  • 工作原理分析
    • 给出 IGBT的栅射极电压UGE波形，即iG波形，周期为T。
    • 0-t1(ton)期间：IGBT 导通，电源E向负载供电，负载电压U=E,由于电感存在，因此负载电流不能突变，所以按指数曲线上升。
    • 0-T(toff)期间：控制IGBT关断，负载电流经过续流二极管VD续流，负载电压基本为0,负载电流呈现指数曲线下降。
    • 当负载电感值较大时，负载电流连续而且脉动小。
  • 基本关系
    • 负载电压平均值：
      • U0=(ton/T ) *E=DE,其中D为占空比。
    • 电感L极大时，负载电流平均值：
• 升压斩波电路
  • 电路结构
    • 包含全控型器件V,由IGBT 组成。
    • 含极大值的电感L和电容C。
    • 负载为电阻 R。
  • 工作原理
    • 当IGBT导通阶段：
      • 电源E向电感L充电，充电电流为恒定电流I1:
      • 电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，因此输出电压为恒值U0。
      • 通态时间为ton,此阶段电感L上积蓄能量为EI1/ton。
    • 当IGBT关断阶段:
      • 电源E和电感L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。
      • 此期间，电感L释放的能量为(U。-E)l1toff
  • 数量关系
    • 当电路处于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等。
    • 输出电压平均值
    • 输出电流平均值
    • 升压斩波电路能够保证输出电压高于电源电压的原因
      • 电感L放电时，其储存的能量具有使电压泵升的作用。
      • 电感L充电时，电容C可将输出电压保持住。

4 逆变电路

• 逆变
• 逆变电路的换流方式
• 单相电压型逆变电路
  • 电压型逆变电路的特点
  • 半桥逆变电路
  • 全桥逆变电路
  • 带中心抽头变压器的逆变电路
  • 三相电压型逆变电路
    • 电路特点
    • 工作波形
    • 基本的数量关系
      • 把输出线电压 UOV展开成傅里叶级数得
      • 式中n=6k±1,k为自然数
      • 输出线电压有效值UUV为
        • 其中基波幅值UUV1m和基波有效值UUV1分别为
      • 负载相电压UUN展开成傅里叶级数得
        • 式中n=6k±1,k为自然数
      • 负载相电压有效值UUN为
        • 其中基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为
      • 为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源的短路，要采取“先断后通”的方法。
• 单相电流型逆变电路
  • 电流型逆变电路的特点
    • 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路
    • 通过在直流侧串大电感，利用大电感中电流脉动小的特点，实现直流输出电流基本不变，近似为理想电流源。
    • 电路中开关器件只改变直流电的流通路径，因此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。
    • 交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，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。
  • 单相电流型逆变电路结构；图 4-10 所示
    • 电路由四个桥臂构成，每个桥臂的晶闸管各串联一个电抗器，用来限制晶闸管开通时的di/dt。
    • 电路采用负载换相方式，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。
  • 单相电流型逆变电路工作波形分析：如图 4-11 所示
    • 在交流电流的一个周期内，有两个稳定导通阶段和再个换流阶段。
      • 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。
        • 在t2时刻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。
      • 晶闸管需一段时间才能恢复正向阻断能力，t4时刻换流结束后还要使VT1、VT4承受一段反压时间tβ，tβ=t5-t4应大于晶闸管的关断时间tq
  • 基本的数量关系
    • 输出电流i0展开成傅里叶级数可得
      • 其基波电流有效值I01为
    • 2)负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系
      • 一般情况下y值较小，可近似认为cos(γ/2)≈1,φ=y/2+β可得
  • 自励与他励
    • 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：①先用他励方式，系统开始工作后再转入自励方式。②附加预充电起动电路。

4 逆变电路

• 逆变
• 逆变电路的换流方式
• 单相电压型逆变电路
  • 电压型逆变电路的特点
  • 半桥逆变电路
  • 全桥逆变电路
    • 电路结构
      • 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°
    • 工作原理
      • 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。
      • 幅值为Ud的矩形波u0展开成傅里叶级数得
        • 其中基波的幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为
      • V3基极信号比V1落后θ(0<0<180°)。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-θ。输出电压是正负各为θ的脉冲。
        • t1时刻前，V3和V4导通，U0=ld
        • t1,时刻，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流，U0=0。
        • t2时刻，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，U0=-Ud。
        • 负载电流过零并开始反向时，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，U0仍为-Ud。
        • t3时刻，V3截止，而V4不能立刻导通，VD4导通续流，U0再次为零。
        • 改变θ可调节输出电压。
  • 带中心抽头变压器的逆变电路
    • 电路结构
      • 变压器原边两个绕组顺向绕制，中间抽头接电源一端，另外两端分别为两个开关管
      • 副边绕组与原边绕组电气隔离，设变压器三个绕组的匝数比为1:1:1
    • 工作原理
      • 变压器交替驱动两个IGBT,经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。
      • 两个二极管的作用是提供无功能量的反馈通道。
      • Ud和负载参数相同，U0和i0波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。
    • 与全桥电路相比较
      • 比全桥电路少用一半开关器件。
      • 器件承受的电压为 2Ud,比全桥电路高一倍。
  • 三相电压型逆变电路
    • 电路特点
      • 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，三相桥式逆变电路由3个单相半桥逆变电路组成。
      • 基本工作方式是180°导电方式。
        • ①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。
    • 工作波形
      • 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 波形是幅值为Ud/2的矩形波，V、W两相的情况和U相类似。
      • 负载线电压UuV、UVw、UWU可由下式求出
      • 负载各相的相电压分别为
        • 把上面各式相加并整理可求得
        • 设负载为三相对称负载，则有 μ+Lw+Uw=0,故可得
    • 基本的数量关系
• 单相电流型逆变电路

4 逆变电路

• 逆变
  • 什么是逆变
    • 直流-交流变换是将直流电变成交流电的过程，是整流的逆向过程，也称为逆变变换。
    • 逆变是与整流相对应的，实现逆变的电路称为逆变电路，实现逆变的装置称为逆变器
  • 逆变的分类
    • 按照负载的性质不同：有源逆变、无源逆变
      • 有源逆变；如果把逆变电路的输出接到交流电源上，把经过逆变得到的与交流电源同频率的交流电能返送到该电源中，这样的逆变称作有源逆变，相应的装置称作有源逆变器。
      • 无源逆变：把直流电能变换成交流电能，直接向非电源负载供电的电路，称之为无源逆变电路。
    • 按输入直流电源的性质分类
      • 电压型逆变电路；输入直流电源为恒压源，直流侧一般接有并联大电容，使直流电源的输出电压稳定；
      • 电流型逆变电路：输入直流电源为恒流源，直流侧一般接有串联大电感，使直流电源的输出电流稳定。
    • 按电路结构特点分类：半桥式逆变电路、全桥式逆变电路、推挽式逆变电路等
    • 按逆变电路输出端的相数分类；单相逆变电路、三相逆变电路和多相逆变电路。
    • 按开关器件的工作状态分类：软开关逆变电路、硬开关逆变电路
  • 逆变与变频
    • 变频电路：将一种频率的电源变为另一种频率的电源，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(逆变)两部分组成，后一部分就是逆变电路。
    • 只有无源逆变能应用于变频
  • 逆变电路的主要应用
    • 各种直流电源的逆变变换，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。
    • 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。
• 逆变电路的换流方式
  • 换流
    • 变流电路在工作过程中，不断发生电流从一个支路向另一个支路的转移，称为换流，也称为换相。
    • 晶闸管换流是指电流按要求的时刻和次序从一个晶闸管转移到另一个晶闸管器件的过程
    • 换流的成败，关键在于应该关断的晶闸管能否可靠关断。
  • 常用换流方式
    • 电网换流
      • 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。
      • 主要适用于半控型元件，不需要为换流添加任何元件，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。
    • 器件换流
      • 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。
      • 最简单的一种换流方式。
    • 强迫换流
      • 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
      • 遇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。
      • 分为直接耦合式、电感耦合式
      • 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。如图4-1,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。直接耦合式强迫换流也叫电压换流。
      • 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挽流电压或换流电流，也称为电流换流。如图4-2a中，晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断；图4-2b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。
    • 负载换流
      • 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 4-3a 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 μ0,接近正弦波。
      • 注意触发VT2、VT0的时刻t1必须在u0过零前并留有足够的裕量，才能使换流顺利完成。
  • 换流方式总结
    • 器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要是针对晶闸管而言的。
    • 器件换流和强迫换流属于自换流，电网换流和负戟换流属于外部换流。
    • 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭
• 单相电压型逆变电路
  • 电压型逆变电路的特点
    • 直流侧为电压源，或并联大电容，真流侧电压基本无脉动。
    • 由于真流电压源的钳位作用，交流侧输出电压为矩形波，与负载阻抗角无关。交流侧输出电流因负载阻抗不同而不同。
    • 交流侧为阻感负载时需提供无功功率，直流侧电容可缓冲无功能量。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。
  • 半桥逆变电路
    • 电路结构
      • 两个导电壁构成，每个导电臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。
      • 在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容。且CI=C2,两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。
    • 工作原理
      • 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u0为矩形波，其幅值为Um=Ud/2
      • 电路带阻感负载时电流波形如图 4-4b 所示
        • 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i0不能立即改变方向，于是 VD2导通续流
        • t3时刻，i0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，i0和u0同方向，直流侧向负载提供能量：
      • VD1或VD2通时，i0和u0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。
    • 电路特点
      • 优点是简单，使用器件少；
      • 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；
      • 半桥电路常用于几kw以下的小功率逆变电源。
  • 全桥逆变电路
  • 带中心抽头变压器的逆变电路
  • 三相电压型逆变电路
• 单相电流型逆变电路

3 整流电路

• 三相桥式全控整流电路
  • 电路构成
    • 阴极连接在一起的3个晶闸管(VT1,VT3,VT5)称为共阴极组，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。
    • 阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4,VT6,VT2)称为共阳极组。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。
  • 带电阻负载时的工作情况
    • 工作原理
      • 各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点，也是α=0的点。
      • 当α≤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。
        • a=0时，ud为线电压在正半周的包络线。
        • u=30°时，晶闸管起始导通时刻推迟了30°,组成ud的每一段线电压因此推迟30°,Ud平均值降低。
        • α=60°时，Ud波形中每段线电压的波形继续向后移，Ud平均值继续降低。α=60°时Ud出现了为零的点。
      • 当α>60°时
        • 因为id与Ud一致，一旦Ud降为至零，id也降互零，晶闸管关断，输出整流电压Ud为零，Ud波形不能出现负值。
    • 电路特点
      • 每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成负载供电回路，共阴极组的和共阳极组的各1个，且不能为同一相的晶闸管。
      • 对触发脉冲的要求
        • 6个晶闸管的脉冲按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60°。
        • 共阴极组 VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°,共阳极组 VT4、VT6、VT2也依次差120°。
        • 同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4,VT3与VT6,VT6与VT2,脉冲相差180°。
      • 整流输出电压Ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。
      • 在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲
      • 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也一样。
  • 阻感负载时的工作情况
    • 工作原理
      • 当α≤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。
        • 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。
      • 当α>60°时
        • 与电阻性负载时不同，电阻性负载时Ud波形不会出现负的部分，波形断续，而电感性负载时，由于电感的作用，Ud波形会出现负的部分。
        • α=90°时，Ud波形上下对称，平均值为0
        • 带感性负载三相桥式全控整流电路的α角移相范围为0°~90°。
    • 基本数量关系
      • 整流输出电压平均值
        • 带阻感负载时，或带电阻负载a≤60°时
        • 带电阻负载且a>60°时
      • 输出电流平均值Id
      • 晶闸管电流平均值ldT
        • 由于每个周期360°中，6个晶闸管分成3对轮流导通120°,流过每个晶闸管的平均电流是负载电流的1/3,即
      • 晶闸管电流有效值IT
        • 根据流过晶闸管电流有效值的定义计算。电流波形连续时，每个晶闸管在2π周期中导通2π/3区间，即
      • 晶闸管额定电流
      • 变压器二次侧电流有效值
        • 当整流变压器采用星形接法带阻惑负载时，变压器二次侧电流波形为正负半周各宽 120°、前沿相差 180°的矩形波，有效值为
      • 接反电势阻感负载时的Id为：
        • 式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。
• 三相桥式半控整流电路
  • 电路结构和波形：
  • 三相桥式半控整流电路与三相桥式全控整流电路比较
    • 三相桥式全控整流电路能工作于有源逆变状态，而三相桥式半控整流电路只能做可控整流，不能工作于逆变状态
    • 三相桥式全控整流电路输出电压脉动小，基波频率为300Hz,比三相桥式半控整流电路高一倍，在同样脉动要求下，三相桥式全控整流电路要求平波电抗的电感量可以小一些。
    • 三相桥式半控整流电路只用3个晶闸管，只需3套触发电路，不需要宽脉冲或者双脉冲触发，线路简单经济，调整方便。
    • 相桥式全控整流电路控制增益大、灵敏度高，其控制滞后时间为3.3ms,而三相桥式半控整流电路为6.6ms,因此，三相桥式全控整流电路的动态响应比三相桥式半控整流电路好。

3 整流电路

• 整流电路的分类
  • 整流电路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。
  • 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。
  • 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。
  • 按交流输入相数分为单相电路和多相电路。
  • 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，分为单拍电路和双拍电路。
• 单相半波可控整流电路
• 单相桥式全控整流电路
• 单相桥式半控整流电路
• 三相半波可控整流电路(三相零式电路)
  • 电阻负载
    • 电路结构
      • 三相变压器供电，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。
      • 三个晶闸管阳极分别接在变压器次级线圈的相线上，阴极连在一起经负载与中性线相连，称为共阴极接法连接。
      • 触发电路有公共端，连线方便。
    • 自然换相点
      • 整流变压器次级线圈输出为三相正弦交流电压，如图3-8(b)所示，三相电压的交点wt1、wt2、wt3称为自然换相点
      • 如果将三相半波可控整流电路中的晶闸管换为整流二极管，称为三相半波不可控整流电路，该电路中，三个二极管在自然换相点处发生换相。
      • 在三相半波可控整流电路中，自然换相点为a的起点，即α=0的点。
    • 工作原理
      • α=0°,各电压电流波形如图3-8所示
        • 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α增大，晶闸管承受的电压中正的部分逐渐增多。
      • α=30°,各电压电流波形如图3-9所示。
        • 负载电流处于连续和断续的临界状态，各相仍导电120°。
      • α>30°,以a =60°为例，电路中各电压和电流波形如图 3-10所示
        • 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°。
    • 基本数量关系
      • 电阻负载时α角的移相范围为0~150°。
      • 整流电压平均值
        • a≤30°时，负载电流连续，有
        • 当α = 0°时，Ud最大，数值为1.17U2:
        • a >30°时，负载电流断续，晶间管导通角减小，此时有
        • 当α=150°时，Ud=0
      • 输出电流平均值Id
      • 晶闸管承受的最大反向电压：等于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
    • 电路特点
      • 任一时刻，只有承受最高电压的晶闸管元件才能被触发导通
      • 负载：输出电压波形是三相电源相电压正半波完整的包络线，输出电流与输出电压波形成比例、且相位相同
        • 当α=0°时，输出整流电压最大，增大a时，波形面积减小，即整流电压减小；
        • 当α=150°时，整流电压为0,所以，电阻性负载的移相范围为0°~150°。
        • 当α≤30°时，负载电流连续，每个晶闸管在一个周期中持续导通120°
        • a>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角为θ=150°-α。
        • 输出整流电压Ud的脉动频率为3倍的电源频率。
      • 晶闸管
        • 流过晶闸管的电流等于变压器的二次侧电流；
        • 晶闸管承受的最大电压是变压器二次侧线电压的峰值，为√6U2
  • 阻感负载
    • 电路工作原理
      • 由于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。
      • a≤30°时，整流电压波形与电阻负载时相同。
      • a>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。
    • 基本数量关系
      • α的移相范围为90°。
      • 整流电压平均值：Ud=1.17U2cosa,
      • 变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为
      • 晶闸管的额定电流为
      • 晶闸管最大正反向电压峰值：等于变压器二次线电压峰值，即
    • 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。

3 整流电路

• 整流电路的分类
• 单相半波可控整流电路
  • 带电阻负载的工作情况
    • 电路结构与输入输出波形
      • 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的大小根据需要的真流输出电压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。
    • 电路工作原理
      • 改变触发时刻，Ud和id波形随之改变，直流输出电压Ud为极性不变但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。
      • 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。
    • 基本数量关系
      • a:从晶闸管开始承受正向阳极电压开始到施加触发脉冲为止的电角度称为触发延迟角，也称触发角或控制角。
      • θ：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角。θ=π-α
      • 直流输出电压平均值
      • • 触发角α越大，输出电压平均值Ud越小
        • 该电路中晶闸管VT的α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，简称相控方式。
  • 带阻感负载的工作情况
    • 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。
    • 电路工作原理
      • 晶闸管VT处于断态时 id=0,Ud=0,UVT=u2
      • 在wt1时刻，即触发角α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。
  • 电力电子电路基本分析方法
    • 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。
  • 单相半波可控整流电路的特点
    • 电路结构简单，但输出脉动大
    • 变压器二次电流中含有直流分量，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，增大设备的容量。
• 单相桥式全控整流电路
• 单相桥式半控整流电路
  • 电路结构
    • 单相桥式半控整流电路由两个晶闸管和两个大功率二极管构成
    • 在每个导电回路中，一个晶闸管控制导通角，另一个大功率整流二极管只流过导道电流，没有控制作用。
  • 工作原理
    • 电阻负载
      • 在电阻负载下，单相桥式半控整理电路和单相桥式全控整流电路的Ud、id、i2等波形完全相同，因而一些计算公式也相同。
    • 强感性负载
      • U2正半周时：在wt=α时刻触发晶闸管VT1使其导通，电流路径为：a-VT1-L-R-VD4-b,向负载供电；
      • u2过零变负时；因电感L的作用使电流连续，VT1继续导通。但因a点电位低于b点电位，使得电流从 VD4 转至 VD2,VD4关断。电流路径为：a-VT1-L-R-VD2-a，此阶段Ud=0
      • U2负半周时；wt=π+a时刻，触发 VT3使其导通，则 VTl承受反压而关断，电流路径为：b-VT3-L-R-VD2-a 向负载供电；
      • u2过零变正时，VD4导通，VD2关断，电流路径为：b-VT3-L-R-VD4-b,此阶段Ud =0
  • 电路特点
    • 晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源电压过零时刻换流。流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180°的方波，与控制角无关；
    • 变压器二次侧电流为正负对称的方波。
    • 尽管电路具有自续流能力，但在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°或突然切断触发电路时，会发生导通的晶闸管一直导通而两个二极管轮流导通的失控现象。
• 三相半波可控整流电路(三相零式电路)

3 整流电路

• 整流电路的分类
• 单相半波可控整流电路
• 单相桥式全控整流电路
  • 带电阻负载的工作情况
    • 电路结构与输入输出波形
      • 晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。
      • 两个晶闸管的阴极为输出电压的正极，两个晶闸管的阳极为输出电压的负极。
    • 电路工作原理
      • u2正半周(即a点电位高于b点电位)
        • 若4个晶闸管均不导通id=0,Ud=0.VT1、VT4 串联承受电压u2。
        • 在触发角a处给VTI和VT4加触发脉冲，VT1和VT4即导通，电流从电源a端经VT1、R、VT4流回电源b端。
      • U2过零时，流经晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
      • u2负半周
        • 仍在触发角处触发VT2和VT3,VT2 和 VT3 导通。
        • 电流从电源b端流出，经VT3、R、VT2流回电源a端。
      • u2再次过零时，电流又降为零，VT2和VT3关断。
    • 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空
      • 整流电压平均值为：输出电压的面积除以周期π
        • 当α=0时，输出电压最高
        • 当α=180°时，输出电压最低，因此其移相范围是0^180°。
      • 向负载输出的直流电流平均值为：直流输出电压平均值除以负载电阻
      • 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
    • 电路特点
      • 尽管整流电路输入电压U2是交变的，但负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，输出电压一个周期内脉动两次。
      • 桥式整流电路在正、负半周均能工作，变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，消除了变压器的直流磁化，提高了变压器的有效利用率。
  • 带阻感负载的工作情况
    • 电路工作原理
      • u2正半周期：
        • 触发角α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。
      • wt=Π+α时刻
        • 触发VT2和YT3,VT2和VT3导通，u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反压使VTI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
      • 输出电压平均值：输出电压面积除以π
      • 输出电流平均值Id:直流输出电反平均值除以负载电阻。大电感时，输出电流波形是一条水平直线。
      • 晶体管的平均电流IdT:
        • • 由于晶闸管轮流交替导电，流过每个晶闸管的平均电流是负载平均电流的一半。
      • 晶闸管的电流有效值IT
      • 通态平均电流IT(AV)
      • 变压器二次侧电流I2
        • 对称的正负矩形波，其有效值与输出电流平均值相同，即I2=ld
      • 晶闸管承受的最大反向电压UTM
    • 电路特点
      • 由于电感的作用，输出电压出现负波形；
      • 当电感无限大时，控制角a在0~90”变化时，晶闸管导通角θ=π,导通角与控制角无关；
      • 输出电流平直，流过晶闸管和变压器二次侧的电流波形为矩形波
  • 带反电动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。
    • 电路工作原理
      • 只有|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能，这使得晶闸管的导通角减小；
      • 晶闸管导通之后，Ud=U2,id=Ud-E/R,直至|U2l=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δ=停止导电，称为停止导电角。
        • 当α<δ时，触发脉冲到来时，晶间管承受负电压，不可能导通。
        • 触发脉冲有足够的宽度，保证当ot=6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
      • 在α角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。
    • 电流断续
      • ia波形在一周期内有部分时间为0的情况，称为电流断线。
      • 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以减小电流脉动，延长晶闸管的导通时间，如果电感足够大，电流就能连续，在这种条件下其工作情况与电感负载相同。
      • 为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出
  • 单相全波整流电路与单相全控桥式整流的区别
    • 单相全波整流电路中变压器结构较复杂，材料的消耗多。
    • 单相全波整流电路只用2个晶闸管，比单相全控桥式整流少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，
    • 单相全波整流的导电回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。
    • 单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。
• 单相桥式半控整流电路
• 三相半波可控整流电路(三相零式电路)

2 电力电子器件

• 电力晶体管(GTR）
• 电力场效应晶体管
• 绝缘栅双极晶体管（IGBT)
  • IGBT的特点
    • 绝缘栅双极晶体管综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。
    • GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。
    • 电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。
  • IGBT的结构
    • 三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E.
    • IGBT是用 GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区 PNP 晶体管。
  • 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的静态特性
    • 转移特性
      • 描述的是集电极电流Ic与栅射电压UGE之间的关系。
      • 开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。
    • 输出特性（伏安特性）
      • 描述的是以桶射电压为参考变量时，集电极电流Ic与集射极间电压UcE之间的关系。
      • 分为三个区域：正向阻断区、有源区和德和区。
      • 当Ucg<0时，IGBT 为反向阻断工作状态。
      • 在电力电子电路中，ICBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。
  • IGBT的动态特性
    • 开通时间ton=td(on)+tr+tfv,开通延迟时间为td(on);电流上升时间为tr,;电压下降时间为tfv
    • 关断时间toff=td(off)+trv+tfi,电压上升时间为trv:电流下降时间为tfi:关断延迟时间为td(off)
    • 引入了少子储存现象，因而IGBT的开关速度要低于MOSFET
  • IGBT的主要参数
    • 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: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
    • 开关速度高，并关损耗小。
    • 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。
  • IGBT的擎住效应
    • 擎住效应(自锁效应)
      • 在IGBT内部寄生着一个N-PN+晶体管和作为主开关器件的P+N-P晶体管组成的寄生晶闸管。其中NPN 晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，一旦 J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，造成电流失控的现象。
    • 引发擎住效应的原因
      • 集电极电流过大(静态擎住效应)
      • duCE/dt过大(动态擎住效应),温度升高。
      • 动态擎住效应比静态擎住效应所允许的集电极电流还要小，因此所允许的最大集电极电流是根据动态擎住效应而确定的。
  • IGBT的安全工作区
    • 正向偏置安全工作区：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大集电极功耗确定。
    • 反向偏置安全工作：根据最大集电极电流、最大集射极间电压和最大允许电压上升率duCE/dt
• 其他新型电力电子器件
  • MOS 控制晶闸管(MCT)
    • MCT是将MOSFET与晶闸管组合而成的复合型器件。
    • 结合了MOFET的高输入阻抗、低驱动功率、快速的开关过程和晶间管的高电压大电流、低导通压降的特点。
    • 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。
    • 其关键技术问题没有大的突破，电压和电流容量都远未达到预期的数值，未能投入实际应用。
  • 静电感应晶体管 SIT
    • 是一种结型场效应晶体管。
    • 是一种多子导电的器件，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。
    • 栅极不加任何信号时是导通的，栅极加负偏压时关断，这被称为正常导通型器件，使用不太方便
    • SIT通态电阻较大，使得通态损耗也大，因而SIT还未在大多数电力电子设备中得到广泛应用。
  • 静电感应晶闸管 SITH
    • 可以看作是 SIT与 GTO复合而成。
    • 又被称为场控晶闸管,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。
    • 其很多特性与GTO类似，但开关速度比GTO高得多，是大容量的快速器件。
    • 一般也是正常导通型，但也有正常关断型，电流关断增益较小，因而其应用范围还有待拓展。
  • 集成门极换流晶闸管IGCT
    • 是将一个平板型的 GTO与由很多个并联的电力MOSFET器性和其它辅助元件组成的GTO门极驱动电路采用精心设计的互联结构和封装工艺集成在一起。
    • 容量与普通GTO相当，但开关速度比普通的GTO快10倍，而且可以简化普通GTO应用时庞大而复杂的缓冲电路，只不过其所需的驱动功率仍然很大。
    • 目前正在与IGBT等新型器件激烈竞争。
  • 基于宽禁带半导体材料的电力电子器件
    • 硅的禁带宽度为1.12 电子伏特(eV),而宽禁带半导体材料是指禁带密度在3.0电子伏特左右及以上的半导体材料。典型的是碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石等材料。
    • 基于宽禁带半导体材料(如碳化硅)的电力电子器件将具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高温和射线辐射的能力，许多方面的性能都是成数量级的提高。
    • 宽禁带半导体器件的发展一直佑于材料的提炼和制造以及随后的半导体制造工艺的困难。

2 电力电子器件

• 电力晶体管(GTR）
  • 电力晶体管是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管,基本结构和工作原理与普通的双极结型晶体管相同，最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。
  • GTR的结构
    • 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(多元集成)。
    • 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。
    • 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β=
    • β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ic=βih+iceo
    • 单管GTR的β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。
    • 开关过程中，在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。
  • GTR 的动态特性
    • 开通过程
      • 需要经过延迟时间td和上升时间tr,二者之和为开通时间ton。
      • 增大基极驱动电流ib的幅值，并增大
        • 可以绪短延迟时间，同时也可以缩短上升时间，从而加快开通过程。
    • 关断过程
      • 需要经过储存时间ts和下降时间tf,二者之和为关断时间Toff
      • 减小导通时的饱和深度以减小储存的载流子，或者增大基极抽取负电流Ib2的幅值和负偏压，可以缩短储存时间，从而加快关断速度
      • GTR 的开关时间在几微秒以内，比晶闸管和GTO都短很多。
  • GTR 的主要参数
    • 基极开路时集电极和发射极间的出穿电压 BUCEO
      • 使用GTR时，为了确保安全，实际最高工作电压比BUCEO低。
    • 集电极最大允许电流ICN:
      • 结温和耗散功率不超过额定值所对应的集电极电流为集电极最大允许电流，实际使用时要留有1.5～2 倍的裕量。
    • 集电极最大耗散功率PCM
      • GTR 在最高允许结温时对应的耗散功率，受结温的限制，其大小主要由集电结工作电压和集电极电流的乘积决定。由子这部分能量将转化为热能并使GTR发热，因此GTR散热条件是十分重要的。
• 电力场效应晶体管
  • 概述
    • 场效应管简称 FET,分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管。
    • 电力场效应管是应用于电力系统的场效应管，也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的 MOS 型,简称电力MOSFET。
    • 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NDSFET的种类
    • 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
    • 栅极电压为零时漏源极之间才存在导电沟道的称为耗尽型。
    • 栅极电压不等于零时漏源极之间才存在导电沟道的称为增强型。其中，N沟道器件栅极电压大于零：P沟道器件栅极电压小于零。
    • 在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型
  • 电力NOSFET 的结构
    • 单极型晶体管，多元集成结构。
    • 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VMOSFET,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型槽实现要直导电的VMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的DMOSFET。
  • 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正电压UGS,会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子一电子吸引到栅极下面的P区表面。
      • 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(或阙值电压)。UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流Ip越大。
  • 电力MOSFET 的静态特性
    • 转移特性
      • 转移特性是指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系，反映了输入电压和输出电流的关系，
      • ID较大时，lD与UGS的关系近似线性。曲线的斜率被定义为MOSFET的隆导Gfs,即
      • 电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。
    • 输出特性
      • • 输出特性是 MOSFET 的漏极伏安特性。
        • 3个工作区：截止区(对应于GTR的截止区)、饱和区(对应于GTR的放大区)、非饱和区(对应于GTR的饱和区)
        • 饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。
        • P-NOSFET 工作在开关状态，即在载止区和非饱和区之间来回转换。
        • 漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。(优点)
        • 通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利。
  • 电力NOSFET 的动态辨性
    • 开通时间
      • ton=td(on)+tr+tfv,其中，td(on)为开通延迟时间；tr为电流上升时间；tfv为电压下降时间。
    • 关断时间
      • toff=td(off)+trv+tfi,其中，td(off)为关断延迟时间，trv为电压上升时间：tfi为电流下降时间
    • M0SFET的开关速度和其输入电容的充放电有很大关系，可以降低栅极驱动电路的内阻Rs,从而减小栅极回路的充放电时间常数，加快开关速度。
    • 由于MOSFET 导电不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。
    • 开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。
    • 在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。
  • 电力MOSFET 的主要参数
    • 漏极电压UDS:标称电力MOSFET 的电压定额的参数
    • 漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM:标称电力MOSFET的电流定额的参数
    • 栅源电压UGS:栅源之间的绝缘层很薄，VGS>20V将导致绝缘层击穿。
    • 极间电容：CGS、CGD、CDS:非线性电容，CGS、CGD是由于栅极绝缘等效的电容，CDS是由漏源极之间的PN结电容效应产生的。
    • 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。
• 绝缘栅双极晶体管（IGBT)
• 其他新型电力电子器件

2 电力电子器件

• 电力电子器件概述
• 电力电子器件的分类
• 不可控器件—-电力二极管
• 半控型器件---晶闸管
  • 晶闸管概述
  • 晶闸管的结构
  • 晶闸管的工作原理
  • 晶闸管的静态特性
  • 晶闸管的动态特性
    • 开通过程
      • 由于晶闸管内部的正反馈过程需要时间以及外电路电感的限刺，晶闸管开通时，阳极电流的增长不可能是瞬时的。
      • 延迟时间td(0.5~1.5s):门极电流阶跃开始到阳极电流上升至稳态值的10%，这段时间为延迟时间，延迟时间随门极电流的增大而减小
      • 上升时间tr(0.5~3s):阳极电流从10%上升至稳态值的90%所用时间，上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。
      • 晶闸管的开通时间tgt=td+tr
      • 提高阳极电压，延迟时间和上升时间都可显著缩短。
    • 关断过程
      • 关断过程的原因：由于外电路电感的存在，原处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时，其阳极电流在衰减时必然也有过渡过程。
      • 反向阻断恢复时间trr:正向阳极电流降为0开始到反向恢复电流表减到接近于0的时间。
      • 正向阻断恢复时间tgr:由反向阻断恢复过程结束至正向阻断能量恢复过程结束的时间
      • 关断时间tq=trr+tgr,晶闸管的关断时间约几百微秒。
      • 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通，而不是受门极电流控制而导通。
  • 晶闸管的主要参数
    • 电压定额
      • 晶闸管正常工作时三种两种状态：正向阻断、正向导通、反向阻断，与各状态对应的参数较多。
      • 断态重复峰值电压UDRM
        • 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UDSM电压应低于正向转折电压Ubo。
      • 反向重复峰值电压URRM
        • 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Ubr
      • 通态(峰值)电压Ur:晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
      • 额定电压
        • 通常取UDRM和URRM中较小的标值为晶闸管的额定电压。
        • 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。
    • 电流定额
      • 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40°C 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。
        • 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。
      • 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(阳极)电流，一般为几十到几百毫安。
        • 结温越高，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(阳极)电流。
        • 擎住电流IL约为维持电流IH的2~4倍
      • 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。
    • 动态参数
      • 开通时期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，不导致晶间管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
        • 考虑到 pn结的电容效应，当电压上升率过大，使结电容充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。
      • 通态电流临界上升率 di/dt
        • 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害彤响的最大通态电流上升率。
        • 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
  • 晶闸管的派生器件
    • 快速晶闸管
      • 有快速晶闸管和高频晶闸管。
      • 快速晶闸管的开关时间以及 du/dt 和 di/dt 的耐量都有了明显改善。
      • 从关断时间来看，普通晶闸管一般为数百微秒，快速晶闸管为教十微秒，而高频晶闸管则为10微秒左右。
      • 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。
      • 由于工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。
    • 双向晶闸管
      • 可以认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。
      • 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通，在第1和第III象限有对称的伏安特性。
      • 双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。
    • 逆导晶闸管
      • 是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件，不具有承受反向电压的能力，一且承受反向电压即开通。
      • 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。
    • 光控晶闸管
      • 是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。
      • 采用光触发保证了主电路与控制电路间的绝缘，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。
  • 门极可关断晶闸管GTO
    • 门极可关断晶闸管的基本结构
      • GTO 是晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。
      • GTO是PNPN四层半导体结构。
      • GTO 是一种多元的功率集成器件，外部引出3个电极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。
      • GTO 与普通晶闸管的不同
        • a2较大，使晶体管V2控制灵敏，易于 GTO 关断。
        • 导通时a1+a2更接近1,导通时接近临界饱和(浅饱和),有利门极挖制关断，但导通时管压降增大。
        • 多元集成结构，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。
        • 给白极加负脉冲，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α1+α2<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 的动态特性
      • 开通过程：
        • 与普通晶闸管类似。
      • 关断过程
        • 储存时间ts:
          • 抽取饱和导通时储存的大量载流子的时间，从而使等效晶体管退出饱和状态，
        • 下降时间tf:
          • 等效晶体管从饱和区退至放大区，阳极电流逐渐减小的时间；
        • 尾部时间tt:
          • 残存载流子复合所需要的时间，关断时间一般不包括尾部时间。
        • 通常tf比ts小得多，而tt比ts要长。
        • 门极负脉冲电流幅值越大，前沿越陡，ts就越短。使门极负脉冲的后沿缓慢衰减，在tt阶段仍能保持适当的负电压，则可以缩短尾部时间。
    • GTO 的主要参数
      • CTO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βoff
        • 最大可关断阳极电流IATO与门极负脉冲电流最大值IGM之比
        • βoff一般很小，只有5左右，这是GTO的一个主要缺点
      • 开通时间ton
        • GT0的开通时间为延迟时间与上升时间之和
        • 延迟时间一般约1~2s,上升时间则随通态阳极电流值的增大而增大。
      • 关断时间toff
        • 一般指储存时间和下降时间之和，而不包括尾部时间。
        • 储存时间随阳极电流的增大而增大，下降时间一般小于2s。

2 电力电子器件

• 电力电子器件概述
  • 电力电子器件的概念
    • 电力电子器件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。
  • 电力电子器件特征
    • 处理电功率的大小(承受电压和电流的能力)一般都远大于处理信息的电子器件，是其最重要的参数。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级。
    • 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状态。
    • 在实际应用当中，往往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。
    • • 通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。
      • 当器件的开关频率较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。
  • 应用电力电子器件的系统组成
    • • 一般由主电路、控制电路、检测电略、驱动电路、保护电路等组成。
      • 电力电子器件是主电路实现电能变换的核心，电力电子装置的输入可以是交流电或直流电，波形取自于电力电子装置的电路结构及采用的控制方式，电力电子装置的输出应能够满足负载的需要。
      • 控制电路为电力电子器件提供控制信号，使装置实现电能变换。
      • 驱动电路为电力装置提供驱动信号。控制电路产生的一般逻辑信号不能直接控制电力电子器件导通和关断，还需要根据器件的性质和参数，对控制信号进行整形、放大来驱动电力电子器件，这种电路称为驱动电路。
      • 有些驱动电路具有过电流，过电压，过温等检测功能，传感器检测到电流和电压等物理量后，通过检测电路送到控制电路进行信号处理。
      • 按照工作要求，有些装置还应在主电路和控制电路中附加一些保护电路和电气隔离装置，以保证系统正常可靠运行。
• 电力电子器件的分类
  • 按照能够被控制电路信号所控制的程度
    • 半控型器件
      • 器件的导通由控制信号控制，但关断由其在主电路中承受的电压和电流决定
      • 主要是指晶闸管及其大部分派生器件。
    • 全控型器件
      • 通过控制信母即可以使器件导通，也可以使器件关断。
      • 全控型器件主要包括：IGBT、Power-MOSFET、CTO、GTR。
    • 不可控器件
      • 不能用控制信号来控制其通断，只能通过其在主电路中的电压和电流控制器件的导通和关断。
      • 电力二极管是典型的不可控电力电子器件
  • 按照驱动信号的性质
    • 电流驱动型:从控制端注入或者抽出电流来实现器件导通、关断。
    • 电压驱动型：在控制端和公共端之间施加一定的电压信号实现器件导通或者关断的控制。
  • 按照驱动信号的波形（电力二极管除外）
    • 脉冲触发型：在控制端施加一个电压或电流的脉冲借号来实现器件的开通或者关断的控制。
    • 电平控制型：通过持续在控制端施加一定电平的电压或电流信号使器件开通并维持导通状态或者关断并维持阻断状态。
  • 按照载流子参与导电的情况
    • 单极型器件：由一种载流子(自由电子或空穴)参与导电。
    • 双极型器件：由自由电子和空穴两种载流子参与导电。
    • 复合型器件；由单极型器件和双极型器件集成混合而成，也称混合型器件。
• 不可控器件—-电力二极管
• 半控型器件---晶闸管
  • 晶闸管概述
    • 晶体闸流管简称晶闸管,又称作可控硅整流器,以前被简称为可控硅。
    • 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管，1957 年美国通用电气公词开发出了世界上第一只晶闸管产品，并于1958年使其商业化。
    • 晶闸管承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高，而且工作可靠，因此在大容量的应用场合仍然具有比较重要的地位。
  • 晶闸管的结构
    • 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。
    • 引出阳极A、阴极K和门极(控制端)G三个联接端。
    • 内部是PNPN四层半导体结构。
  • 晶闸管的工作原理
    • 晶闸管的内部结构相当于两个三极管的复合结构，如图2-6(a)所示
    • 晶闸管的开通过程就是内部两个晶体管建立正反馈的过程，导通后内部的两个晶体管工作在饱和状态。
    • 晶闸管的门极电流IG和阳极电流IA,满足:
      • • 式中：α1和a2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和lCBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。
    • 晶体管的特性
      • 在低发射极电流下a很小的，而当发射极电流建立起来之后，α迅速增大。
      • 在晶体管阻断状态下，IG=0,而a1+a2是很小的。由上式可看出，此时流过晶闸管的漏电流只是稍大于两个晶体管漏电流之和。
      • 如果注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致a1+a2趋近于1的话，流过晶闸管的电流lA(阳极电流)将趋近于无穷大，从而实现器件饱和导通。但由于外电路负载的限制，IA实际上会维持有限值。
    • 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。
  • 晶闸管的静态特性
    • 正常工作时的特性
      • 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。
      • 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。
      • 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。
      • 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要的某一数值以下。
      • 晶闸管静态特性的数学描述为晶闸管的伏安特性曲线，如图 2-7 所示，分为正向特性曲线和反向特性曲线
    • 正向特性
      • 当IG=0时，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，晶闸管本身的正向导通管压降很小，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。
    • 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Ubr后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增大，导致晶闸管发热损坏。
  • 晶闸管的动态特性
  • 晶闸管的主要参数
  • 晶闸管的派生器件
  • 门极可关断晶闸管GTO

2 电力电子器件

• 电力电子器件概述
• 电力电子器件的分类
• 不可控器件—-电力二极管
  • 电力二极管自1950年代初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中。在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管。
  • 电力二极管的基本结构
    • 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。
    • 电力二极管从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。
  • 电力二极管的基本原理
    • (1)PN结的单向导电性
      • 正向导通：PN结外加正向电压(正向偏置)时，形成自P区流入从N区流出的电流，称为正向电流
      • 反向截止：当PN结外加反向电压时(反向偏置)时，PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过。
      • 反向击穿：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。
        • PN反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿又分为雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。
        • 反向击穿发生时，首先发生电击穿，采取了指施将反向电流限制在一定范围内，PN 结仍可恢复原来的状态。否则 PN 结因过热而烧毁就是热击穿。
    • (2)PN结的电容效应
      • PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为微分电容,又称为结电容
      • 结电容按其产生机制和作用的差别分为
        • 势垒电容
        • 扩散电容
      • 势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。
      • 扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。
      • 结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。
  • 电力二极管的静态特性
    • 静态特性：主要是指其伏安特性
    • 静态特性曲线特点
      • 电力二极管的静态特性与信息二极管伏安特性一致。
      • 静态特性分为四个区：死区、正向导通区、反向截止区、反向击穿区
      • 静态特性曲线特点
        • (门槛电压)正向电压大到一定值,正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。
        • 对应的电力二极管两端的电压
          • 即为其正向电压降
        • 承受反向电压时，只有少漂移引起的微小而数值恒定的反向漏电流。
  • 电力二极管的动态特性
    • 动态特性：
      • 因为结电容的存在，电力二极管在零偏置(外加电压为零)、正向偏置、反向偏置这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN 结的一些区域需要一定的时间来调整其带电状态，其伏安特性不能用静态特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性。
      • 动态特性包括开通特性和关断特性。
    • 电力二极管的关断特性：由正向偏置转换为反向偏置
      • 关断特点
        • 电力二极管外加电压由正偏变为反偏时，二极管并不能立即关断，须经过一段短暂的时间方能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流过冲，并伴随有明显的反向电压过冲。
      • 关断过程
        • tF:外加电压突然由正向变为反向，正向电流开始下降,di/dt 表示正向电流下降速率,该速率的大小由反向电压大小和电路中的电感决定;管压降UF 由于电导调制效应基本变化不大,直至t0时刻
        • 延迟时间
          • 正向电流降为零的时刻t0
          • 反向电流开始下降，也是反向电流最大时刻为t1
        • 电流下降时间
          • • t2 时刻电流变化率接近于0
        • 反向恢复时间
      • 恢复特性软度：
        • 下降时间与延迟时间之比称为恢复特性软度，又称恢复系数，用
        • 恢复系数越大则恢复特性越软，反向电流下降时间相对较长，在同样的外电路条件下，造成的反向电压过充越小。
    • 电力二极管的开通特性：由零偏置转换为正向偏置
      • • 电力二极管在开通过冲中，先出现一个电压过冲UFp,经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值(如2V).
        • 出现电压过冲的原因：电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFp越高。
        • :正向恢复时间
  • 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，电力二极管的额定电流为正向平均电流。
      • 二极管的实际工作电流不一定是正弦半波电流，因此使用时需按照电流的发热效应相等来选择器件，即根据两个电流(实际电流和半波正弦电流)有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。
    • 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，即通常所说的导通管压降。
    • 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，通常为雪崩击穿电压的三分之二。使用时，按照二极管实际可能承受的反向电压最大值再留有两倍的裕量。
    • 最高工作结温TJM
      • 结温是指管芯PN结的平均温度，用Tj表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承变的最高平均温度，用TJM表示，TJM通常在 125～175°C范围之内。
    • 浪涌电流IFsM
      • 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。
  • 电力二极管的主要类型
    • 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5s以上。其正向电流定额和反向电压定额可以达到很高。
    • 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5s以下)。
      • 快恢复外延二极管,采用外延型 P-i-N结构，其反向恢复时间更短(可低于50ns),正向压降也很低(0.9V左右)。
      • 从性能上可分为快速恢复和两个等级。快速恢复二极管的反向恢复时间为数百纳秒或更长，超快速恢复二极管的反向恢复时间则在100ns以下，甚至达到 20~30ns。
    • 肖特基二极管
      • 肖特基二极管是由金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，属于多子器性(没有少子)
      • 肖特基管的优点：反向恢复时间很短(10~40ns),正向恢复过程中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还要小，效率高。
      • 肖特基管的弱点：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；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，而且必须更严格地限制其工作温度。
• 半控型器件---晶闸管
• 1 绪论
  • 电力电子技术概念
    • 什么是电力电子技术
      • 电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。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。
      • 电力电子器件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。
    • 电力变换的种类
      • 交流变直流(AC-DC):整流电路
      • 直流变交流(DC-AC)：逆变电路
      • 直流变直流(DC-DC)：一般通过直流斩波电路实现
      • 交流变交流(AC-AC)：一般称作交流电力拉制
  • 电力电子技术的发展
    • 一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。
    • 1946年第一支晶体管诞生到1957年晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期。
    • 晶闸管(半控型器件)时代
    • 全控型器件和电力电子集成电路(PIC)
  • 电力系统中电力电子技术的应用
    • 用户终端：发达国家在用户使用的电能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。
    • 直流输电：其送电端的整流阀和受电端的逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的柔性交流输电(FACTS)也是依靠电力电子装置才得以实现的。
    • 电能质量提高：晶闸管控制电抗器(TCR)、晶闸管投切电容器(TSC)、静止无功发生器(SVG)、有源电力滤波器(APF)等电力电子装置大量用于电力系统的无功补偿或谐波抑制。
    • 在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等。
    • 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。
    • 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。
    • 新能源、可再生能源发电需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网时，更离不开电子技术。
    • 核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。