《简单电力电子装置设计与调试》复习大纲.doc.pdf

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1、简单电力电子装置设计与调试复习大纲 I.晶闸管及单相相控整流电路 1、掌握晶闸管的工作原理、导通及关断条件、理解晶闸管主要参数 的含义、怎样选用晶闸管的额定电压和额定电流； 1）晶闸管导通条件：阳极加正向电压、门极加适当正向电压。 注意：阳极加正向电压是指阳极电位高于阴极电位，阳极电位可以是正也可 以是负。门极正向电压是指门极电位高于阴极电位。 2）关断条件：流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。可以通过降低晶闸管阳 极- 阴极间电压或增大主电路中的电阻。 在室温且控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IHO 当元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压，此时元件维持导通所 需要

2、的最小阳极电流称为掣住电流IL对同一晶闸管来说，掣住电流II要比维持电 流IH大2?4倍。 2、晶闸管主要参数 1）额定电压：用等级表示，选用管子时额定电压常常是实际工作时可能承受 的最大电压的2?3倍。 若考虑安全裕量： n （2 ?3）t/TM UTn= （UDRM5llRRM）min 2）额定电流 注意：不同于通常电气元件以有效值来定义额定电流，而是以平 均值来定义的。 选择管子时要用有效值相等原则即流过晶闸管实际电流的有效值等 于（小于）管子的额定电流有效值。 3?单相半波可控整流电路工作原理及参数计算 几个名词术语和概念 控制角控制角。也叫触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压

3、开始 到触发脉冲出现之间的电角度。 导通角e：是指晶闸管在一周期内处于导通的电角度。 移相：移相是指改变触发脉冲出现的时刻，即改变控制角仅的大小。 移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电 压的变化范围。 分析工作原理、绘制输出电压Ud波形时要抓住晶闸管什么时候导通、什么时 候关断这个关键。 电感性负载时，理解输出负电压的原因。关键是理解电感储存、释放能量的 性质。 4、掌握晶闸管对触发电路的要求（见p42）； 5、理解相控电路半波、全波、半控、全控的概念，知道单相半波、单相桥 式全控整流电路电阻性负载、电感性负载的移相范围、输出电压的计算 公式以及输出基波脉动频率（

4、可以参见发给同学们的可控整流电路的参 数表）。 6、双向品闸管的触发方式（掌握双向品闸管工作状态1+、III-的 定义) 双向晶闸管正反两个方向都能导通，门极加正负电压都能触发。 主电压与触发电压相互配合，可以得到四种触发方式: 双向晶闸铮的参数 1)双向晶闸管额定通态电流不同于普通晶闸管的额定通态电流。 前者用交流有效值标定，后者用正弦半波平均值标定，选择晶闸管时不能混淆。例 如双向品闸管额定通态电流为100A,若用两个反并联 157/ - 型 的普通晶闸管代替，按有效相等的原则，得八心厲,所以， 了 100 乂人 tr(AV = - r= - 454 L57血。因此一个100A的双向晶闸管

5、与两个45A反并联 的普通晶闸管等效。 7、掌握单结品体管的工作原理和导通、关断条件，单结品体 管具有以下特点： 1)I +触发方式 2)I - 触发方式 3) III+触发方式 主极T1为正，T2为负; 主极T1为正，T2为负; 主极T1为负，T2为正; 门极电压G为正，T2为负。 门极电压G为负，T2为正。 门极电压G为正，T2为负。 4) III-触发方式主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为正。 融发右式in 十 WJ管的融发方式 (1)当发射极电压等于峰点电压e 吋，单结晶体管导通。导通之后，当发射 极电压小于谷点电压蚀时，单结晶体管就恢复截止。 (2)单结晶体管的峰点电压U

6、p与外加固定电压及其分压比有关。单结晶 体管的分压比n般为0.5?0.9。 (3)不同单结晶体管的谷点电压蚀和谷点电流Tv都不一样。谷点电压大约 在2?5 V之间。在触发电路中，常选用刀稍大一些，加低一些和Tv大一些的单 结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。 8、讲课所涉及的电力电子器件的英文名称(SCR、MOS、GT0、TGBT、 GTR是什么的缩写 ) 。 9、会分析下图所示的工作原理。 3SOO (8 角虫发电足各 R3 VD5 I 单结晶体簣 BT33 ZCW2 510 U1 50X0 木出 幺、 C- 调光电位器 晶闸管 壬电路 R2 10、单相交流调压电路电阻性负载输出电压有效

7、值及输入功率因数的 计算、控制角的移相范围和调压范围 11、单相交流调压电路带电感性负载时的控制角移相范围和调压范围 (控制角导通角。与阻抗角的关系)、对触发脉 冲的要求 什么是同步。触发脉冲信号与主电路电源电压在频率和相位上相互协调 （触发信号的频率与主电路的频率保持固定比例、触发信号的相位与主 电路的相位保持固定相差）的关系叫同步。 因而电感性负载时，晶闸管不能用窄脉冲触发，可采用宽脉冲或脉冲列 触发。 单相交流调压特点（几点结论）： 1）电阻负载时， 负载电流波形与单相桥式可控整流交流侧电流一致， 电阻负载时移相范围为0?180。O改变控制角可以连续改变负载电压 右效值，达到交流调压的目

8、的。 2）电感性负载吋，不能用窄脉冲触发。否则当a 。吋 , 会出现一个 品闸管无法导通，产生很大的直流分量电流，烧毁熔断器或晶闸管。 3）电感性负载时，最小控制角amin= 0（阻抗角） , 要求a 2 所以的移相范围为0?180。, 这几个结论常考试。 计算题时要注意：1）单相交流调压电感性负载时，控制角a的移相范围是 （p ?71 coL （p = arctan R 2）因a=（p吋，电流为连续状态，此吋负载电流最大。 Z JR2 3）最大功率 P = U2I cos? = U2I cosa II.全控型电力电子器件 1 MOS、GTR GTO IGBT等全控型电力电子开关器件根据内部载

9、流子参与 导电的情况是怎样进行分类的？根据驱动信号的不同又是如何分类的 ? (1)根据电力电子器件的可控性来区分 2、全控 型器件 根据内 区分形式 全控型器件 名称 特点 非全控型器件名 称 单极型MOS、SIT只有一种载流肖特基二极管 控制形式器件名称特点 半捽型 SCR 只能控制其导通，不 能控制其关断 全捽型 GTO 、 GTR 、 MOS . IGBT、 既可以控制其导通， 又可以控制其关断 也称自关断 器件 不可捽型D 不能用信号控制其 通断，无需驱动信号 1、根据电力 电子器件的 可控性来区 3、 全控 型 器件 根据 驱 动信号 的种类又 分为 区分形式 全控型器件 名称 特点

10、 电流型GTR、GTO 通过从控制端 注入或抽出电流 来控制其通断的 方式 电压型 MOS、IGBT、 SIT、SITH 通过在控制端施 加一定的电压信 号使其通断 2x根据开关频率的大小和器件功率的大小如何对全控型开关器件 MOSFET、GTR、GTO、IGBT 进行排序。 双极型 GTR 、 GTO SITH 复合型 IGBT 子参与导电 有两种载流子 （电子、空穴） 参与导电 电力二极管 由双极型与单 极型器件复合 而成 MCT 3、理解GTO的基本工作原理，为什么GTO可以采用门极信号使其关断而普通 晶闸管不能采用门极信号使其关断？ 掌握GTO的几个特定参数的含义：最大可关断阳极电流I

11、ATO； 电流关断增益。 4 GTO设置缓冲电路的目的（R、C. D电路的作用）； 5、GTR （工作在开关状态、大功率）与普通的小功率信号晶体管（工作在放大 状态、小功率）的区别，什么叫GTR的二次击穿； 6、GTR对基极驱动电路的要求是什么？GTR有哪些保护电路？ 7、MOSFET的主要特点是什么？对栅极驱动电路有何要求？ 8、IGBT与MOS管相比有何异同点？（驱动控制、导通压降. 开关 频率） 9、试分析比较MOSFET. GTRx GTO、IGBT的优缺点 器件优点缺点 IGBT 开关速度咼，开关损耗小，具冇耐脉冲电 流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗 高，为电压驱动，驱动功率小

12、开关速度低于电力MOSFET,电 压，电流容量不及GTO M GTR 耐压高 . 电流大，开关特性好， 通流 能力强， 饱和压降低 开关速度低，为电流驱动，所需驱动 功率大，驱动电路复杂，存在二次击 穿问题 GTO 电压、电流容量大，适用于大功率场合， 具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉 冲电流大，开关速度低，驱动功率大， 驱动电路复杂，开关频率低 电力 N4OSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好， 所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频 率高，不存在二次击穿问 电流容童小，耐压低，一般只适用于 功率不超过10kW的电力电子装置 IGBT、GTR、GTO和

13、电力MOSFET的驱动电路各有什么特点? IGBT驱动电删特点是 : 驱动电路賄较小的输出电阻,IGBT是电压驱动型器 件, IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器。 GTR驱动电路的特点是 : 删电臓供舰动电赭足懺的郦, 并有- 定的过 沖, 这舸加开脱私捌 开通概 , 关鮒輸电路能提臨4册大的反腿 鳗动电it并加诙截止电压，加递关 GTO驱动电路觸点是 :GTO要求其輸电路轍縫动电繃郦应有足训幅 t#K,且- 牆要锂个导通鵬fflffi张电務关端twn极电淡 ,W 皴要求躺 , 其執电JH常鯛开概动电跖关臓动电路和门甌18电路三部九电力 MOSFET勵电路的触 : 要求勵电路賄删啲输入电

14、陆動孵怔 电髓軋 III.中频感应加热电源 1、 微波炉与电磁炉在加热事物方面在工作原理上有何区别？ 电磁炉与中频感应加热都是利用涡流反应的原理进行加热的；微波炉微波炉加 热实质是电介质加热(dielectric heating) 电介质加热通常用来加热不导电材料。当高频电压加在两极板层上，就会在两 极之间产生交变的电场。需要加热的介质处于交变的电场中，介质中的极分子 或者离子就会随着电场做同频的旋转或振动，从而产生热量，达到加热效果。 不能用铝锅盛装食物在电磁炉上进行加热； 微波炉不能加热金属器皿。 2、 并联谐振式变频电路、串联谐振式变频电路的输出电压电流波形及其特点。 电流并联谐振电路在

15、谐振时输出电流为方波，输出电压为准止弦波； 为了实现负载换流，要求补偿以后的总负载呈容性，即负载电流 io超前负载电压uo的变化。 输出电流为方波； 负载电压接近正弦波； 谐振时导纳最小； 电容有谐振和补偿功率因数的作用 o 输出电压为方波砲含敝憎 癞基翅率軒负载电辭振麻负载电路 负载谐振变换电路 输入谐 振槽的 电源类 型 电流型（谐振电路输入端直凉|8憨电感） VD , 电压型（谐振电路输入端直赢眞吏大电容） 乂 输出信 号波形 U 如 0 b y 0 tl % t 細电 压和 输 出功 率 聊 液毓訓航WW裁电社 几乎不产生 琏 ?通过險逆無率嶽变輪出电压和 输出孵； ?将逆删率蹦在襯孵

16、慨可获得正 范电压的输出； 对基波电压呈现低航故基波电笳较 大; 负载 电路对犠电潮碱储滴在负载电 路上几乎不产生 琏 ?通过畛逆翅率来痂出电压髓出功 将逆删率调貓編I率施可踞証范 电砌紬 输出电压为方波 负载电流接近正弦波; 谐扼时阻抗最小。 勣 懺时基翅率等于负载电辭廠 ? ? IV 直流电压变换电路 1、掌握 Buck型降压斩波电路、Boost 型升压斩波电路的工作原理， 并能默画出其拓扑； 2、理解占空比的含义和掌握脉冲宽度调制（PWM）的原理 ; 4、掌握根据伏秒平衡原理分析电路拓扑输入输出关系的方法 DC/DC电路的工作原理 按输入、输出有无变压器可分有隔离型（有变压器）、非隔离型

17、 （无变压器）两类。 1.非隔离型电路（不隔离就是指输入和输出共地） 若定义斩波器的占空比（占空比也叫工作率，是指开关S闭合的持续 时间在一个周期内所占的时间比率，或指高电平在一个周期之内所占的时间 比率），占空比有的书上用D来表示。 DC/DC变换电路是将一种直流电源变换为另一种直流电源的电 力电子装置。常见的DC/DC变换电路有非隔离型电路、隔离型电路和软开 关电路。 （X）降压斩波电路（降压变换电路别名为“BUCK变换器”、“串 联开关稳压电源”、“三端开关型降压稳压器”）。 降压斩波电路是一种输出电压的平均值低于输入直流电压的电 Boost电路（升压变换器、并联开关电路、三端开关型升压

18、稳压 O升压斩波电路的输出电压总是高于输入电压。输出电压平均值 路。 输出电压平均值为 器） k= N)N + A)FF U TOFF OFF VD /（） （3）升降压斩波电路 升降压斩波电路可以得到高于或低于输入电压的输出电压。输 出电压为： =金口=心 U =U 心 FF T-T k 上式中，若改变占空比k,则输出电压既可高于电源电压，也可能低于电源电 压。由此可知，当Ovkvl/2时，斩波器输出电压低于直流电源输入，此时为 降压斩波器； 当l/2电感的伏秒平衡原则：在稳态工作的开关电源中电感两端 的正伏秒值等于负伏秒值( 绝对值相等 ) 。在稳定状态下 , 一 个开关周期中，电感伏秒积

19、的代数和为0,即电感两端的平均 电压为0。 A伏秒平衡的物理意义：就是在一个开关周期中电感储存的 能量等于电感释放的能量。这种在稳态状况下一个周期内电 感电流平均增量 ( 磁链平均增量 ) 为零的现象称为电感伏秒平 衡: VL1 *Ton+V L2eToff=0 用伏秒平衡法来推导Boost型变换器的拓扑 : 在Ton 期间：UL1=E 在Toff 期间：UL2=E-UO 由伏秒平衡得： E KT+(E-Uo)(l-K)T=0 由上式得：E T-Uo (l-K)T=0 得:Uo=E/(l-K) 用伏秒平衡法来推导Buck型变换器的拓扑 : 在Ton 期间：UL1= E-Uo 在Toff 期间：

20、UL2=-Uo 由伏秒平衡得 : (E-Uo) KT+(-Uo)(l-K)T=0 由上式得 :E K -U o -K+(-Uo)+U0?K =0 得：E K +(-Uo) =0 得：Uo = E K V有源逆变电路 1、掌握有源逆变与无源逆变的概念； 变流装置如果工作在逆变状态，其交流侧接在交流电网上， 电网成为负载，在运行中将直流电能变换为交流电能并回送到电 网中去，这样的逆变称为“有源逆变”。 如果逆变状态下的变流装置，其交流侧接至交流负载，若只 将直流电变换成交流电而不回馈电网，这样的逆变则称为“无源 逆变”或变频电2、理解实现有源逆变的外部条件和内部条件; 1）外部条件 务必要有一个极

21、性与晶闸管导通方向一致的直流电势源。这种直 流电势源可以是直流电机的电枢电势，也可以是蓄电池电势。它 是使电能从变流器的直流侧回馈交流电网的源泉，其数值应稍大 于变流器直流侧输出的直流平均电 压。 2)内部条件 要求变流器中晶闸管的控制角?7T/2, 这样才能使变 流器直流侧输出一个负的平均电压，以实现直流电源的能量向交 流电网的流转。 上述两个条件必须同时具备才能实现有源逆变。 必须指出， 对于半控桥或者带有续流二极管的可控整流电路， 因为它们在任何情况下均不可能输出负电压，也不允许直流侧出 现反极性的直流电势，所以不能实现有源逆变。 3、掌握三相半波共阴极逆变电路的工作原理，会画其在不同控

22、制 角时的输出电压波形； 在整流状态中，变流器内的晶闸管在阻断时主要承受反向电 压，而在逆变状态工作中，晶闸管阻断时主要承受正向电压。 表示，令卩=7t ? (X, 称为逆变角。 规定7T/2, 而在逆变工作时 , ait/2而 /?Ed,逆变时 EdUd ； (2) 整流时 : 30? 90 度，逆变时 :90 ? 150 整流状态逆变状态 VI 三相相控整流电路 1、 共阴极接法和共阳极接法整流电路中晶闸管的换流规律; (1)共阴极接法 ( 晶闸管换流规律：在阴极电位相同的前提下，阳 极电位更高的那相导通)； (2)在自然换相点之前由于晶闸管承受反向电压，不能导通，因此把自然 换相点作为计

23、算触发延迟角a的起点，即该点时a =0。，对 应于cot=30 o 三相半波在一个周期内，ud有三次脉动，脉动的最高频率是150 Hzo 要会画出触发角为任意角度时的输出电压波形和晶闸管的电压波 形。 注意（强调人 对于单相整流电路，控制角=0时，ot=0; 对于三相整流电路，0=0。时 3 仁30 o （3）共阳极接法（晶闸管换流规律：在阳极电位相同的前提下，阴极电 位更低的那相导通） / 要会画任一时刻的等效电路， 在一个工频周期里可以分成6个 等效电路； 必须对两组中应导通的一对晶闸管同时加触发脉冲。采用宽脉 冲（必须大于60、小于120 , 一般取80?100。）或 (A) (B) (

24、0 三相半波整流电路的特点：变压器绕组中流过的是直流脉动 电流，在一个周期中，每相绕组只工作1/3周期，因此存在变压器铁芯 直流磁化和利用率不高的问题。 3、 三相全控桥式整流电路的工作原理（晶闸管导通顺序）及 *-60 D - . 1 卜 6 人 ?缺 1 1 脉冲间隔为60。）都可达到上述目的。 *lj)t 双窄脉冲（在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次, 2、三相半波可控整流电路的优缺点; 特点、输出电压数值及会画输出电压波形（给定控制角，画 输出电压波形）； 整流输出电压ud由线电压波头wab wac “be、wba /ca和web组 成，其波形是上述线电压的包络线。可以看出，三相全控

25、桥式整流电压Ud 在一个周期内脉动6次，脉动频率为300 Hz,比三 相半波大一倍（相当于6 相）。 注： 线电压超前相电压30度； 先在相电压波形上找到触发脉 冲的起始时刻，然后在输出的线电压波形（不要找错线电压波形）上 找到对应的相同时刻，沿着线电压的波形走向标出导通宽度的波形。 OS 三相全控桥式整流电路要求用双窄脉冲触发，即用两个间隔 60的窄脉冲去触发晶闸管。产生双脉冲的方法有两种，一种是每 个触发电路在每个周期内只产生一个脉冲，脉冲输出电路同时触发 两个桥臂的晶闸管，这叫外双脉冲触发；另一种是每个触发电路在 一个周期内连续发出两个相隔60。的窄脉冲，脉冲输出电路只触发 一个晶闸管，

26、这称为内双脉冲触发。内双脉冲触发是目前应用最多 的一种触发方式。 1.学习三相整流电路时应注意的几点 （1） a=0 的地方自然换相点为相邻相电压（或线电压）的交点。它距相电压波 形的原点 30 , 距对应线电压原点60 o （2） a=0 时，相当于二极铮电路不可控整流情况，单相整流电路输出电压波形为正 弦电压正半周波形，三相半波整流电路输出电压波形为三相相电压的正向包络线，而三相 桥 式整流电路输出电压波形是三相相电压的正负包络线，即六个线电压的正向包络线。 2.负载性质不同的三相半波可控整流电路的特点 （1）电阻性负载（移相范围a=0 ? 150。） 0WaW30。时，一个周期内，三个晶

27、闸管轮流导电，每个晶闸管导通角120, 电 流 连续。输出电压平均值t/d =1.17t/2COSCTo 30 WaW150。时，每个晶闸管的导通角为150 电流断续。输出电压平均值 7T Ud = 0.675 l + cos （+ a） 0此吋，在三个晶闸管全部都关断期间，晶闸管承受该相的相6 电压，每个周期内由六断组成。 品闸管承受的反向最大电压为线电压峰值，正向电压为相电压峰值。 / 、和斤二者的关系为厶 （2）电感性负载（移相范用u=0 ? 90 ） 电感足够大，使电流波形连续且近似为一水平线，每个品闸管轮流导通120 , 输出电 压 平均值 t/d =1.17t72 cos?。各电流

28、冇效值关系为匸厶、 当 30WaW90 时，输出电压波形出现负值，因而常加续流二 极管，以提高输出电压平均值。此时输出电压波形和电阻性负载一样，品闸管的导通角为 150 ?（，续流二极管每个周期内导通三次，导通角为3 a-90 o （3）共阳极接法的三相半波电路 该电路的口然换相点为相电压负半周相邻两相电压的交点。换相总是由一相换到阴极电 位更负的一相上去。电流连续时，输出电压平均值为S=? 1.17（/2cosa 3.学习三相桥式全控整流电路应注意的问题 （1）按三相 U、V、 W 的顺序，共阴极连接的三个晶闸管编号为VT1、VT3、VT5, 共 阳极连接的三个晶闸管编号为VT4、VT6、V

29、T2。如此编号目的是为了分析问题方便。 （2）在任何时刻都必须有两个晶闸管（分别属于共阴极组和共阳极组）同时导通， 构 成电流通路，才冇电压输出。因此为保证整流电路能卅动运行或在电流断续后能再次导 通, 触发脉冲的宽度应人于60 而小于 120 或用双窄脉冲，以使两个晶闸管同时得到触发而 导 通。 （3）每隔 60 冇一个晶闸管换流，共阴极组和共阳极组轮流进行，但只在本连接组 内 换流。每个周期内，六个晶闸管导通的顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6,触发 脉冲也必须按此顺序做响应安排，各脉冲依次相隔60 o电流连续时，每个晶闸管导通120 o （4）输出电压波形为六个线电压的组合。 （5）a =60。是电阻性负载电流连续与断续的分界点。电感性负载吋。a 60时，输 出电压波形中出现负值。 （6）I、厶和/T三者的关系为厶 = I = vr