电力电子技术学习指导

第一章电力电子器件重点和难点：一、电力二极管特性静态特性主要是指其伏安特性，而动态特性是由于结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置者三种状态之间转换的时候，必然要要经历一个过渡过程，在这些过渡过程中，PN结的一些区域是需要一定的时间来调整其带电的状态，因而其电压－电流特性不能用通常所说的伏安特性来描述，而是随时间变化的；电力二极管的正向平均电流是指其长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下其允许流过的最大公频正旋半波电流的平均值；电力二极管的正向压降是指在指定的温度下，流过某一指定的稳定正向电流时对应的正向压降。二、晶闸管的工作原理参见教材P16，当对晶闸管施以正向电压且门极有电流注入则导通，当对其施以反相电压时晶闸管截止，而把正向电压改为反向电压或使的流过晶闸管的电流降低到接近与零的某一个数值时晶闸管关断。三、MOSFET、IGBT的工作原理1、电力MOSFET的工作原理（1）截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。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。（2）导电：在栅源极间加正电压UGS,当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。2、IGBT的结构和工作原理（1）三端器件：栅极G、集电极C和发射极E（2）驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。导通：uGE大于开启电压U＝GE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。四、电力二极管工作原理电力二极管工作原理与信息电子电路中的二极管的工作原理时一样的，都是以半导体PN结为基础的，电力二极管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。例题一、如何用万用表判别普通晶闸管的极性？如何用万用表判别双向晶闸管的极性？答：1、选用R×100档，当黑笔接某一电极，红笔依次碰触另外两个电极，若有一次阻值很小，另一次阻值很大，则黑笔接的是门极，在阻值小时红笔接的是阴极，在阻值大时红笔接的是阳极。2a、根据T2与G相距较近，正反向电阻仅为几十，而T1-T2、T1-G为∞，选用R×10档判断T1；2b、假设T2、G，用Ⅰ+、Ⅲ-方式判别、验证。例题二、如图1.1所示，阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为Im，试计算各波形的电流平均值Id1、Id2、Id3与电流有效值I1、I2、I3。图1.1解：a)Id1=Im2717.0)122(2Im)(sinIm214tI1=Im4767.021432Im)()sin(Im2142wtdtb)Id2=Im5434.0)122(2Im)(sinIm14wtdtI2=Im6741.021432Im2)()sin(Im142wtdtc)Id3=20Im41)(Im21tdI3=Im21)(Im21202td第二章整流电路重点和难点：一、单相桥式全控整流电路波形分析及参数定量计算1、带电阻负载的工作情况（1）电路结构如图2.1所示图2.1（2）工作原理及波形分析如图2.2所示VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。图2.2（3）数量关系2、带阻感负载的工作情况（1）电路结构如图2.3所示2cos19.02cos122)(dsin21222dUUttUU图2.3（2）工作原理及波形分析如图2.4所示u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。图2.4（3）数量关系例题一、已知全波整流电路由一只晶闸管和一只二极管组成，U2=220伏，=60，求：⑴Ud表达式⑵ud、id波形⑶uVT、uVD波形cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU解：波形如图2.5所示。000uduVDuVT222U222U22U图2.5ttdUttdUUdsin221sin2212022cos345.02U例题二、具有中点二极管的单相半控桥式整流电路如图所示。求：⑴=90时的ud⑵Ud表达式⑶Udmax、Udmin⑷uVT1、uVD3波形解：①设在的期间，1VT、2VT未触发导通，电路正半周时，下面一组变压器二次电压2U工作，3VD和2VD导通；负半周时，上面一组变压器电压2U工作，3VD和1VD导通。当在某时刻触发1VD、2VD使之导通时，电路恢复为单桥相式半控整流电路，Ud的波形如图所示。⑴、=90时的ud如图2.6所示。⑵、ttdUttdUUdsin221sin21220)cos3(22U⑶、=0时2max24UUd=π时2min22UUd000uduVD3uVT122U22U222U22U222U图2.6例题三、单相桥式全控整流电路，大电感负载，VU2202，4dR，试计算当60时，输出电流电压的平均值。如负载端并接续流管，其中Ud、Id又为多少？并求流过晶闸管和续流管的电流平均值、有效值。解：接续流管VCOSUUd5.148219.02dddRUIA125.3745.148AIIddT375.122AIIdT4.212AIIddD375.1222AIIdD4.2122未接续流管：VCOSUUd99212209.09.02ARUIddd8.24499例题四、某电阻负载要求0~24V直流电压，最大负载电流AId30max，如用220V交流直接供电与用变压器降压到60V供电，都采用单相半波相控整流电路，能否满足要求？试比较两种供电方案的晶闸管的导通角、额定电压、电流值、变压器二次侧的功率因数以及对电源要求的容量。解：220V直供：2cos145.02UU5.0122045.0242cos120则导通角60778.2)cos1(2)(22sinfKVVUUTe933~6222202)3~2(2)3~2(2AIAVT5357.1778.230)(KVAIUS35.183078.22202313.0242sincos60V直供：78.016045.0242cos39则141VVUUTe6.254~7.1692)3~2(2713.1)cos1(2)(22sinfKKVAKIUSf08.360302AIAVT7.3257.130713.1)(685.0cos例题五、某电阻负载，Rd=50Ω，要求Ud在0~600V可调，试用单相半波与单相全波二种整流电路，分别计算：⑴晶闸管额定电压、电流值；⑵连接负载的导线截面（导线允许电流密度j=6A/mm2）；⑶负载电阻上消耗的最大的功率。解：单相半波2cos145.02UUd当=0时Udmax最大VU1333245.026002①考虑安全系数VUUTe7.3769222负载电流ARUIddd1250600负载电流有效值AIKIdf84.181257.1AIAVT2457.11257.12)(取30A②S≥I/j=18.84/6=3.14mm2③P=I2Rd=18.842×50=17.75KW单相全波2cos19.02UUd当α=0时VU6679.06002晶闸管承受的最大反压222UURM则UTe=2URM负载电流ARUIddd1250600负载电流有效值AIKIdf32.131211.1流过晶闸管的平均值AIIddT62由于流过晶闸管的电流波形系数为1.57则AIIdTAVT122)(取20②S≥I/j=13.32/6=2.22mm2③P=I2Rd=13.322×50=8.87KW例题六、阻感性负载，电感极大，电阻Rd=5，电路为具有续流二极管的单相半控桥电路，输入电压U2=220V，当控制角＝260°时，求流过晶闸管平均电流值IdT有效值IT，流过续流二极管电流平均值IDd有效值ID。解：整流平均电压Ud=0.9U2V149260cos12209.02cos1负载平均电流：Id=ARUdd305149流过晶闸管电流平均值IdT=AId1030360601802电流有效值IT=AId3.1722流过续流二极管电流平均值IDd=AId1030180602有效值IDd=AId3.1730180602例题七、单相半控桥式整流电路带电阻性负载，已知U1=220V，Rd=4，要求整流电路的直流输出电流Id在0～25A之间变化，求（1）变压器的电压比；（2）若导线允许电流密度J=5A，求连接负载导线的截面积；（3）若考虑晶闸管电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管额定值；（4）忽略变压器励磁功率，求变压器的容量；（5）计算负载电阻Rd的功率；（6）计算=0O电路的功率因素。解：VRIUddd100425maxmaxVUUd1119.02211122021UUKAIIKIddf75.272511.111.126.5575.27mmJISAIIIdTAVT252257.12)(（1分）VUUln314222KwRIPdd08.3475.2722AKVIUS08.375.2711122212sin21cos例题八、单相桥式半控整流电路接电阻性负载，要求输出整流电压0-100V连续可调，30V以上时要求负载电流达到20A。采用220V变压器降压供电，最小控制角min=30°，试求：（1）交流侧电流有效值及变压器容量；（2）选择晶闸管的型号。解：单相桥式半控整流电路接电阻性负载当控制角为最小时，对应的的整流输出电压为最大值VUUd11930cos19.01002cos19.02minmax2当Ud=30V时，所对应的控制角。44.011199.030219.02cos2UUd116当=116°时，要保证整流电路输出电流为20A，所需变压器一，二次侧电流有效值为最大，变压器二次侧电流有效为5.12030ddIURARUI38180116180232sin215.11192sin2122变压器一次侧AUIUI55.20220381191221KVAIUS5.455.20220111选择晶闸管时，也应以最大角考虑，即a=116°，流过晶闸管电流有效值AIRUIT87.262122sin4122AIITAVT1757.1)(晶闸管承受最大电压为Um=2*119=168.3V例题九、单相桥式半控整流电路。由220V经变压器供电，负载为大电感性并接有续流二极管。要求输出整流电压20~80V连续可调，最大负载电流为20A，最小控制角min=30°。试计算晶闸管、整流管、续流二极管的额定值以及变压器容量。解：（1）当输出电压Ud=80V时，对应的控制角为最小mi