电力电子必备知识点

1/17电力电子必背知识点1.电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件称为电力电子器件（PowerElectronicDevice）。2.电力电子器件的基本特性注：很重要，一定记住（1）电力电子器件一般都工作在开关状态。（2）电力电子器件的开关状态由（驱动电路）外电路来控制。（3）在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。3.按器件的开关控制特性可以分为以下三类：①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而需要根据电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。如：电力二极管（PowerDiode）；②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。如：晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件等；③全控型器件：通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件。如：门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor）、功率场效应管（PowerMOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor）等。4.前面已经将电力电子器件分为不可控型、半控型和全控型。按控制信号的性质不同又可分为两种：①电流控制型器件：此类器件采用电流信号来实现导通或关断控制。如：晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等；②电压控制半导体器件：2/17这类器件采用电压控制（场控原理控制）它的通、断，输入控制端基本上不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动它工作。如：代表性器件为MOSFET管和IGBT管。5.几点结论（重要）1.晶闸管具有单向导电和可控开通的开关特性。2.晶闸管由阻断状态转为导通状态时，应具备两个条件：从主电路看，晶闸管应承受正向阳极电压；从控制回路看，应有符合要求的正向门极电流。3.晶闸管导通后，只要具备维持导通的主回路条件，晶闸管就维持导通状态，门极便失去控制作用，其阳极电流由外电路决定。4.欲使晶闸管关断，必须从主电路采取措施，使晶闸管阳极电流下降至维持电流之下，通常还要施加一定时间的反向阳极电压。6.晶闸管的正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，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。导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。导通期间，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。7.晶闸管的反向特性晶闸管上施加反向电压时，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，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。1）维持电流ＩＨ：在室温下门极断开时，元件从较3/17大的通态电流降至刚好能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH。2）掣住电流ＩL：给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称掣住电流ＩL。对同一晶闸管来说，掣住电流ＩL要比维持电流ＩH大2~4倍。8.通态平均电流─额定电流Ita的计算方法：57.1)2~5.1(VTTaII9.通态电流临界上升率di/dt定义：晶闸管能承受而没有损害影响的最大通态电流上升率称通态电流临界上升率di/dt。影响：门极流入触发电流后，晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通，随着时间的推移，导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快，则会导致门极附近的ＰＮ结因电流密度过大而烧毁，使晶闸管损坏。10.断态电压临界上升率du/dt定义：把在规定条件下，不导致晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率，称为断态电压临界上升率du/dt。影响：晶闸管的结面在阻断状态下相当于一个电容，若突然加一正向阳极电压，便会有一个充电电流流过结面，该充电电流流经靠近阴极的ＰＮ结时，产生相当于触发电流的作用，如果这个电流过大，将会使元件误触发导通。11.电力晶体管GTR的二次击穿一次击穿：集电极电压升高至击穿电压时，Ic迅速增大，出现雪崩击穿。只要Ic不超过限度，GTR一般不会损坏，工作特性也不变。二次击穿：一次击穿发生时Ic增大到某个临界点时会突然急剧上升，并伴随电压的陡然下4/17降。常常立即导致器件的永久损坏，或者工作特性明显衰变。12.MOSFET的特点1.开关速度快，一般为10ns~100ns。2.温度稳定性好，通态电阻具有正温度系数，可实现自动均流。3.输入阻抗大、驱动功率小，因此驱动电路也较简单。4.导通电阻大、通态压降大，因此在大电流时通态损耗较大。13.散热问题电力半导体器件在电能变换、开关动作中会产生功率损耗，使得器件发热，结面温度上升。但是，电力半导体器件均有其安全工作区所允许的工作温度（结面温度），无论任何情况下都不允许超过其规定值。为此，必须要对电力半导体器件进行散热。电力半导体器件的散热，一般有三种冷却方式：①自然冷却：只适用于小功率应用场；②风扇冷却：适用于中等功率应用场合，如IGBT应用电路；③水冷却：适用于大功率应用场合，如大功率GTO、IGCT及SCR等应用电路；14.IGBT：绝缘栅双极型晶体管，兼具功率MOSFET高速开关特性和GTR的低导通压降特性两者优点的一种复合器件。IGBT的特点(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。(3)通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。(5)与MOSFET和GTR相比，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5/17点。15.整流电路的整流原理：利用整流管和晶闸管的单相导电开关特性，构成输出单一的电力变换电路，从而将输入的交流电能转换为输出的直流电能。整流电路通常由整流变压器将电源电压变换为适宜的电压幅值，为负载提供需要的直流电压及合理的电压调整范围。16.整流电路的基本类型对于ｎ相半波整流电路而言，共有ｎ条整流工作回路，各回路中均含有一个开关元件。ｎ条整流工作回路的电源电压有一定的相序，相邻两条整流工作回路的电源电压相位差均为2π/n半波整流电路的电源变压器次级绕组只通过单方向电流，变压器利用率低，且有的电路存在直流磁势，造成铁芯直流磁化。对于ｎ相（单相时n取2）桥式整流电路而言，共有ｎ（n-1）条整流工作回路，各回路中均含有二个开关元件。各整流工作回路的电源电压有一定的相序，相邻两条整流工作回路的电源电压相位差均为2π/n(n-1)。17.在不可控整流电路中，整流管将按电源电压变化规律自然换相，自然换相的时刻称为自然换相点。对于共阴极组接法的半波不可控整流电路而言，为高通电路，即总是相电压最高的一相元件导通。所以，自然换相点在相邻两相工作回路电源电压波形正半周交点，输出电压波形为电源电压波形正半周包络线。18.基本概念１．从自然换相点计起，到晶闸管门极触发脉冲前沿为止的时间间隔，以电角度表示，称为控制角α。在自然换相点给予触发时控制角α=0，改变α便可以改变输出电压波形和平均值。2．控制角α的有效变化范围称6/17为移相范围，移相范围决定于整流电路的类型和负载性质。3.晶闸管在一个电源周期内的导通时间，以电角度表示，称为导通角θ，在可控整流电路的分析中，应注意其移相范围和导通角θ与控制角α的关系。4.通过改变控制角α来调整输出电压的称为相位控制。5.触发脉冲和主电路电压在频率和相位上要有相互协调的配合关系，称为同步。19.１．电阻负载特点：电压、电流的波形形状相同。2．电感性负载（主要指电感与电阻串联的电路）特点：负载电流不能突变，波形分为连续和不连续两种情况。3.反电势负载（整流输出供蓄电池充电或直流电动机，即负载有反电势）特点：只有当输出电压大于反电动势时才有电流流通，电流波形也呈较大的脉动。20.主要研究内容和步骤（重要）１．根据开关元件的理想开关特性和负载性质，分析电路的工作过程。2．根据电路工作过程得出波形分析，包括输出电压ud、各晶闸管端电压uVT、负载电流id、通过各晶闸管电流iVT、变压器次级i2和初级电流i1等。3.在波形分析的基础上，求得一系列电量间的基本数量关系，以便对电路进行定量分析。在设计整流电路时，数量关系可作为选择变压器和开关元件的依据。21.单相桥式与半波电路比较①、α的移相范围相等，均为0～180°；②、输出电压平均值Ud是半波整流电路的２倍；③、在相同的负载功率下，流过晶闸管的平均电流减小一半；④、功率因数提高了2倍。单相全控桥式整流电路具有输出电流脉动小，功率因数高，变7/17压器次级中电流为两个等大反向的半波，没有直流磁化问题，变压器的利用率高。在大电感负载情况下，α接近π/2时，输出电压的平均值接近于零，负载上的电压太小。且理想的大电感负载是不存在的，故实际电流波形不可能是一条直线，而且在α＝π之前，电流就出现断续。电感量越小，电流开始断续的α值就越小。22.失控现象与续流二极管当控制角突然增大至或触发脉冲丢失时，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，称为失控。为了防止失控的发生，必须消除自然续流现象：必须加续流二极管，以提供一条通路。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。应当指出，实现这一功能的条件是VDR的通态电压低于自然续流回路开关元件通态电压之和，否则不能消除自然续流现象，关断导通的晶闸管。23.实现有源逆变的条件为：一是负载侧有一个提供直流电能的直流电动势，电动势的极性对晶闸管而言为正向电压，在整流回路交流电源电压为负期间，提供晶闸管维持导通的条件；二是要求变流器控制角απ/2，使变流器输出电压极性为负且维持电流连续，提供改变能流方向的条件。逆变失败（逆变颠覆）变流器为逆变工作状态时，若发生换相失控，就会导致外接电动势通过晶闸管形成短路，或者发生输出平均电压和外接电动势8/17顺向串联形成短路，这种情况称为逆变失败或称为逆变颠覆。逆变失败的原因（1）触发电路工作不可靠，不能适时、准确地给各晶闸管分配脉冲，如脉冲丢失、脉冲延时等，致使晶闸管不能正常换相。（2）晶闸管发生故障，该断时不断，或该通时不通。（3）交流电源缺相或突然消失。（4）换相的裕量角不足，引起换相失败。24.晶闸管相控触发电路中，实现触发脉冲随控制信号变化作相位移动的控制为移相控制。延时移相控制方法由同步环节提供自然换相点，再由自然换相点开始计时，以控制角对应的延时时间确定触发脉冲产生的时刻。垂直移相控制方法：应用条件是具有一个与主电路同步、在移相范围内单调变化的周期性移相信号电压Usy。线性垂直移相控制方法：移相信号电压Usy在移相范围内线性变化。余弦交点移相控制方法:移相信号电压usy在移相范围内余弦变化。25.在各种相控变流电路中，晶闸管触发脉冲前沿对应的控制角α是以晶闸管的自然换相点为计量起点的角度。自然换相点则决定于加在晶闸管两端的交流电源电压。因此为保证正确的相位关系，实现同步触发控制，在触发电路中必须引入与电网电压严格同步的基准信号，称为同步信号。(1).独立同步:每个SCR都有相对独立的相控触发电路。为使各晶闸管具有相同的控制角，各相触发电路采用同一控制电压进行移相控制。(2).按相同步:利用全控桥式变流电路中同一相的两个SCR的自然换相点相差180O的特点，每9/17相设置一个触发电路。为实现三相主电路工作的对称性，要求三相移相控制的一致性，故三相触发电路