《电力电子技术》复习 (1)

-1-《电力电子技术》期末复习题第1章绪论1电力电子技术定义：是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，是应用于电力领域的电子技术，主要用于电力变换。(应用于电力领域的电子技术，电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支)2电力变换的种类（1）交流变直流AC-DC：整流（2）直流变交流DC-AC：逆变（3）直流变直流DC-DC：一般通过直流斩波电路实现（4）交流变交流AC-AC：一般称作交流电力控制3电力电子技术分类：分为电力电子器件制造技术和变流技术。4电力电子学由电力学、电子学和控制理论三个学科交叉而形成。5电气工程是一个一级学科，包含了五个二级学科，即电力系统及其自动化、电机与电气、高电压与绝缘技术、电力电子与电力传动、电工理论与新技术。6电力电子器件的发展对电力电子技术的发展起着决定性的作用。一般认为，电力电子技术的诞生是从1975年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志。7晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属半控型器件。其电路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式。8全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制（PWM）方式，简称斩控方式。9工业中大量应用各种交直流电动机，电气机车中的直流机车采用整流装置，交流机车采用变频装置。10电力电子技术在电力系统中的应用：FACTS、TCR、TSC、SVG、APF；电子装置用电源UPS（详见7页）第2章电力电子器件1电力电子器件与主电路的关系（1）主电路：在电气设备或电力系统中，指能够直接承担电能变换或控制任务的电路。（2）电力电子器件：指可直接用于主电路中，能够实现电能变换或控制的电子器件。特征：1）电力电子器件所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能力，是最重要的参数2）一般都工作在开关状态3）往往需要由信息电子电路来控制4）电力电子器件自身的功率损耗通常远大于信息电子器件2电力电子器件一般都工作于开关状态，以减小本身损耗。各种损耗:开关损耗(包括开通损耗和关断损耗)、通态损耗和断态损耗。通态损耗是电力电子器件功率损耗的主要成因。3电力电子系统基本组成与工作原理（1）一般由主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、保护电路等组成。（图2-1）（2）检测主电路中的信号并送入控制电路，根据这些信号并按照系统工作要求形成电力电子器件的工作信号。（3）控制信号通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或关断。（4）同时，在主电路和控制电路中附加一些保护电路，以保证系统正常可靠运行。4电力电子器件的分类（接下来2.2节之后学习的具体器件都应当能知道属于哪种分类方式的哪种类别）根据控制信号所控制的程度分类（1）半控型器件：通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件。如SCR晶闸管。（2）全控型器件：通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断的电力电子器件。如GTO、GTR、MOSFET和IGBT。（3）不可控器件：不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件。如电力二极管。根据驱动信号的性质分类（1）电流型器件：通过从控制端注入或抽出电流的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如SCR、GTO、GTR。（2）电压型器件：通过在控制端和公共端之间施加一定电压信号的方式来实现导通或关断的电力电子器件。如MOSFET、-2-IGBT。根据器件内部载流子参与导电的情况分类（1）单极型器件：内部由一种载流子参与导电的器件。如MOSFET。（2）双极型器件：由电子和空穴两种载流子参数导电的器件。如SCR、GTO、GTR。（3）复合型器件：有单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。如IGBT。5电力二极管的主要类型：普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管图2-3中空间电荷区，也被称为耗尽层、阻挡层或势垒层电力二极管的半导体物理结构和工作原理与信息电子电路二极管的不同之处：（详见15页）（1）电力二极管——垂直导体结构，信息电子电路——横向导电结构（2）电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区——接近于本征半导体（P-i-N结构）6电导调制效应（详见15页）7（18页）正弦半波波形的平均值与有效值的关系1：1.57，（后面计算50页例3-1有用到），对于42页习题4给出波形则按原始公式计算有效值，不用平均值推出有效值。晶闸管的导通工作原理（图2-8）（1）当AK间加正向电压AE，晶闸管不能导通，主要是中间存在反向PN结。（2）当GK间加正向电压GE，NPN晶体管基极存在驱动电流GI，NPN晶体管导通，产生集电极电流2cI。（3）集电极电流2cI构成PNP的基极驱动电流，PNP导通，进一步放大产生PNP集电极电流1cI。（4）1cI与GI构成NPN的驱动电流，继续上述过程，形成强烈的负反馈，这样NPN和PNP两个晶体管完全饱和，晶闸管导通。晶闸管在以下情况下也可能被触发导通：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应；阳极电压上升率过高；结温较高；光直接照射硅片，即光触发。晶体管导通关断条件（注意维持电流）（习题3）（了解一下动态特性关断过程22页）擎住电流（24页）晶闸管的派生器件（24页）（了解）2.3.1.4.3晶闸管是半控型器件的原因（1）晶闸管导通后撤掉外部门极电流GI，但是NPN基极仍然存在电流，由PNP集电极电流1cI供给，电流已经形成强烈正反馈，因此晶闸管继续维持导通。（2）因此，晶闸管的门极电流只能触发控制其导通而不能控制其关断。2.3.1.4.4晶闸管的关断工作原理满足下面条件，晶闸管才能关断：（1）去掉AK间正向电压；（2）AK间加反向电压；（3）设法使流过晶闸管的电流降低到接近于零的某一数值以下。2.3.2.1.1晶闸管正常工作时的静态特性（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。（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导通。（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。晶闸管的派生器件：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管典型全控型器件：GTO（结构，设计要点（与普通晶闸管不同的是1）2）3））26页）（1）GTO与普通晶闸管的相同点：是PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。（2）GTO与普通晶闸管的不同点：GTO是一种多元的功率集成器件，其内部包含数十个甚至数百个供阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极在器件内部并联在一起，正是这种特殊结构才能实现门极关断作用。GTR（基本原理，开关状态工作在哪几个区图2-17，一次击穿，二次击穿概念30页）/BJT特性：耐压高、电流大、开关特性好。GTR的开关时间在几微秒以内，比晶闸管短的多，略短于GTO。电力场效应晶体管MOSFET（与信息电子电路中场效应管区别）-3-电力MOSFET的通态电阻具有正的温度系数，这一点对器件并联时的均流有利开关状态工作在哪几个区图2-21（1）电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它是电压型器件。（2）当GSU大于某一电压值TU时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度，从而使P型半导体反型成N型半导体，形成反型层。绝缘栅双极晶体管IGBT（与MOSFET的区别，开关状态工作在哪几个区图2-24）擎住效应（与擎住电流（24页）比较）（36页）（1）GTR和GTO是双极型电流驱动器件，其优点是通流能力强，耐压及耐电流等级高，但不足是开关速度低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。（2）电力MOSFET是单极型电压驱动器件，其优点是开关速度快、所需驱动功率小，驱动电路简单。（3）复合型器件：将上述两者器件相互取长补短结合而成，综合两者优点。（4）绝缘栅双极晶体管IGBT是一种复合型器件，由GTR和MOSFET两个器件复合而成，具有GTR和MOSFET两者的优点，具有良好的特性。（5）IGBT是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。（6）IGBT由MOSFET和GTR组合而成。MCT（MCT元的组成：37页）、SIT、SITH、IGCT、基于宽禁带半导体材料的电力电子器件（典型的是碳化硅、氮化镓、金刚石等，比硅器件优越的性能：39页倒数第二段倒数第三句开始）功率集成电路：将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上。集成电力电子器件模块：将电力电子器件及其控制、驱动、保护等所有信息电子电路都封装起来。（功率集成电路与集成电力电子器件模块区别）电力电子集成技术带来的好处：装置体积减小、可靠性更高、使用更方便、安装维护成本较低、实现电能与信息的集成。以上各器件的比较Diode（不可控）、BJT（半控）、GTO，GTR，MOSFET，IGBT（全控）（1）开关速度——（电导调制效应）MOSFET＞IGBT（2）功率容量BJT，GTO，GTR功率容量大（3）控制难易程度（电压型较电流型开通容易）第3章整流电路（不考电容滤波，87页只需看3.8与3.8.1之间的段落）（1）整流电路定义：将交流电能变成直流电能供给直流用电设备的变流装置。3.1.1单相半波可控整流电路（4）触发角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起，到施加触发脉冲为止的电角度，称为触发角或控制角。（7）几个定义①“半波”整流：改变触发时刻，du和di波形随之改变，直流输出电压du为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，其波形只在2u正半周内出现，因此称“半波”整流。②单相半波可控整流电路：如上半波整流，同时电路中采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，因此为单相半波可控整流电路。3.1.1.3电力电子电路的基本特点及分析方法（1）电力电子器件为非线性特性，因此电力电子电路是非线性电路。（2）电力电子器件通常工作于通态或断态状态，当忽略器件的开通过程和关断过程时，可以将器件理想化，看作理想开关，即通态时认为开关闭合，其阻抗为零；断态时认为开关断开，其阻抗为无穷大。3.1.2单相桥式全控整流电路3.1.2.1带电阻负载的工作情况（1）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的原理图①由4个晶闸管（VT1~VT4）组成单相桥式全控整流电路。②VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成一对桥臂。-4-（2）单相桥式全控整流电路带电阻负载时的波形图①~0：VT1~VT4未触发导通，呈现断态，则0du、0di、02i。2VTVT41uuu，2VTVT2141uuu。②~：在角度时，给VT1和VT4加触发脉冲，此时a点电压高于b点，VT1和VT4承受正向电压，因此可靠导通，041VTVTuu。电流从a点经VT1、R、VT4流回b点。2duu，d2ii，形状与电压相同。③)(~：电源2u过零点，VT1和VT4承受反向电压而关断，2VTVT2141uuu（负半周）。同时，VT2和VT3未触发导通，因此0du、0di、02i。④2~)(：在)(角度时，给VT2和VT3加触发脉冲，此时b点电压高于a点，VT2和VT3承受正向电压，因此可靠导通，03VTVT2uu。VT1阳极为a点，阴极为b点；VT4阳极为a点，阴极为b点；因此2VTVT41uuu。电流从b点经VT3、R、VT2流回b点。2duu，d2ii。（3）全波整流在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，因此该电路为全波整流。（4）直流输出电压平均值2cos19.02cos122)(sin21222dUUttdUU（5）负载直流电流平均值2cos19.02cos122R22ddRURUUI（6）晶闸管参数计算①承受最大正向电压：)2(212U②承受最大反向电压：22U③触发角的移相范围：0时，2d9.0UU；o180时，0dU。因此移相范围为o180。-5-④晶闸管电流平均值：VT1、VT4与VT2、VT3轮流导电，因此晶闸