第3章电力电子交-直流变换电路

第3章电力电子交-直流变换电路

鼠笼异步电动机的变频变压调速技术发展到今天已很成熟，应用面很广。在煤矿上的应用，如国产的电牵引采煤机，采用交流变频调速装置，来实现牵引调速；引进美国久益7LS 采煤机、德国艾柯夫SL500型采煤机均采用交流变频调速来完成牵引调速的。本章先介绍电力电子器件，后介绍交流鼠笼式异步电动机的变频调速系统，为维护交流电牵引采煤机打基础。

3.1 电力电子器件

3.1.1 电力二极管

1. 电力二极管的结构

电力二极管的基本结构与信息电子电路中的二极管是一样的，都是以半导体PN结为基础。电力二极管是由1个面积较大的PN结和两端引线及封装组成，图3.1为电力二极管外形、结构和电气符号图。电力二极管主要有螺栓型和平板型两种封装。

（a）（b）（c）

图3.1 电力二极管外形、结构和电气符号

a-外形b-结构c-符号

2. 电力二极管的工作原理

N型半导体和P型半导体结合后构成PN结，如图3.2所示。由于N区和P区交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区多数载流子（多子）向另一区移动的扩散运动，到对方区内成为少数载流子（少子），从而在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能移动的正、负电荷称为空间电荷。空间电荷建立的电场被称为内电场，其方向是阻止扩散运动的；另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，这就是所谓的漂移运动。扩散运动和漂移运动既相互联系又是一对矛盾，最终达到动态平衡，正负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，被称为空间电荷区，或称为耗尽层、阻挡层、势垒区。

图3.2 PN结的形成

当PN结加正向电压（正向偏置），即外加电压的“+”端接P区，“-”端接N区时，外加电场与PN结内电场方向相反，使得多子的扩散运动大于少子的漂移运动，形成了扩散电流，在内部造成空间电荷区变窄，而在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称之为正向电流I F。当外加电压升高时，内部电场将进一步被削弱，扩散电流进一步增加，这就是PN结的正向导通状态。当PN结上流过的正向电流较小时，二极管的电阻主要是作为基片的低掺杂N区的欧姆电阻，其阻值较高且为常量，因而管压降随正向电流的上升而增加；

当PN结上流过的电流较大时，注入并积累在低掺杂N区的少子空穴浓度将很大，为了维持半导体电中性条件，其多子浓度也相应大幅度增加，使得其电阻率明显下降，也就是电导率大大增加，这就是电导调制效应。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1V左右。所以正向偏置的PN结表现为低电阻。

当PN结加反向电压时，即P区接“-”，N区接“+”，外加电场与PN结内电场方向相同，使得少子的漂移运动大于多子的扩散运动，形成漂移电流，在内部造成空间电荷区变宽，而在外电路上则形成自N区流入而从P区流出的电流，称之为反向电流I R。但是少子浓度很小，在温度一定时漂移电流的数值趋于恒定，被称为反向饱和电流I S，一般仅为微安数量级。因此，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态，这就是PN结的单向导电性。

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，这就叫反向击穿。反向击穿按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。反向击穿发生时，只要外电路中采取了措施，将反向电流限制在一定范围内，则当反向电压降低后，PN结仍可恢复原来的状态。如果反向电流未被限制住，使反向电流和反向电压的乘积超过了PN结容许的耗散功率，就会因为热量散发不出去而导致PN结温度上升，直至过热而烧坏，这就是热击穿。

PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为结电容C J，又称为微分电容。结电容按其产生机制和作用的差别分为势垒电容C B和扩散电容C D。势垒电容C B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。势垒电容的大小与PN结截面积成正比，与阻挡层的厚度成反比。而扩散电容C D仅在正向偏置时才起作用。在正向偏且正向电压较低时，势垒电容为主；正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。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，应用时应加以注意。

电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略，而且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。再加上承受的电流变化率di/dt较大，因而其引线和器件自身的电感效应也会有较大的影响。此外，为了提高反向耐压，其掺杂浓度低也造成正向压降较大。这些都是电力二极管与信息电子电路中的普通二极管有所区别。

3. 电力二极管的特性和动态特性

（1）电力二极管的伏安特性

电力二极管的伏安特性如图3.3所示。当电力二极管的正向电压大到一定值，即门槛电压U TO时，正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与正向电流I F对应的电力二极管两端的电压U F，即为其正向压降。当电力二极管承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。

图3.3 电力二极管的伏安特性

（2）电力二极管的动态特性

因为电力二极管结电容的存在，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时间来调整其带电状态，因此其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性。这个动态特性也可以推广至其他各种电力电子器件。

图3.4给出了电力二极管由正向偏置转换为反向偏置时的动态过程的波形。

(a) (b)

图3.4 电力二极管的动态过程波形

a-正向偏置转换为反向偏置b-零偏置转换为正向偏置

当原处于导通状态的电力二极管的外加电压突然从正向变为反向时，该电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才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出现，并伴随有明显的反向电压过冲。这是因为正向导通时在PN 结两侧储存的大量少子需要被清除掉以达到反向偏置稳态的缘故。

设t F时刻外加电压突然由正向变为反向，正向电流在此反向电压作用下开始下降，下降速率由反向电压大小和电路中的电感决定，而管压降由于电导调致效应基本变化不大，直至正向电流降为零的时刻t0。此时电力二极管由于在PN结两侧储存有大量少子而并没有恢复反向阻断能力，这些少子在外加反向电压的作用下被抽取出电力二极管，因而形成较大的反向电流。当空间电荷区附近的储存少子即将被抽尽时，管压降变为负极性，由于开始抽取离空间电荷区较远的浓度较低的少子。因而在管压降极性改变后不久的t1时刻，反向电流从其最大值I RP开始下降，空间电荷区开始迅速展宽，电力二极管开始重新恢复对反向电压的阻断能力。在t1刻以后，由于反向电流迅速下降，在外电路电感的作用下，会在电力二极管两端产生比外加反向电压大得多的反向电压过冲U RP。在电流变化率接近零的t2时刻（有的标准定为电流降至25%I RP的时刻），电力二极管两端承受的反向电压才降至外加电压的大小，电力二极管完全恢复对反向电压的阻断能力。时间t d=t1-t0被称为延迟时间，t f=t2-t1被称为电流的下降时间，而时间t rr=t d+t f则被称为电力二极管的反向恢复时间。其下降时间与延迟时间的比值t f/t d被称为恢复特性的软度，或者恢复系数，用S r表示。S r越大则称恢复特性越软，实际上就是反向电流下降时间相对较长，因而在同样的外电路条件下造成的反向电压过冲U RP较小。

图3.4（b）给出了电力二极管由零偏置转换为正向偏置时其动态过程的波形，可以看出，在这一动态过程中，电力二极管的正向压降也会出现1个过冲，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V），这一动态过程时间被称为正向恢复时间t fr。出现电压过冲的原因：一是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；二是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，U RP越高，当电力二极管由反向偏置转换为正向偏置时，除上述时间外，势垒电容电荷的调整也需要较多的时间来完成。

4. 电力二极管的主要参数

（1）正向平均电流I F

正向平均电流是指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，在此电流下，因管子的正向压降引起的损耗造成结温升高不会超过所允许的最高工作结温。这也是标称其额定电流参数。正向平均电流是按照发热效应来定义的，因此在使用时应按照工作中实际波形的电流与正向平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取电力二极管的电流定额，并应留有一定的裕量。通过对正弦半波电流的换算可知，正向平均电流I F对应的有效值为1.57I F。应注意的是，当用在频率较高的场合时，电力二极管发热的原因除了正向电流造成的通态损耗外，其开关损耗也往往不能忽略。

（2）正向压降U F

电力二极管在指定的温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。有时候，其参数表中也给出在指定温度下流过某一瞬态正向大电流时，电力二极管的最大瞬时正向压降。

（3）反向重复峰值电压U RRM

指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压U B的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的2倍来选定此项参数。

（4）最高工作结温T JM

结温是指管芯PN结的平均温度，用T J表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前题下所能承受的最高平均温度，用T JM表示。T JM通常在125℃~175℃范围之内。

（5）浪涌电流I FSM

指电力二极管所能承受最大的连续1个或几个工频周期的过电流。

5. 电力二极管的主要类型

（1）普通电力二极管

普通电力二极管又称为整流二极管，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5μs以上。

（2）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5μs以下，简称快速二极管。高频化的电力电子电路要求快速恢复整流二极管的正向恢复特性良好，即正向瞬态压降小，恢复时间短。反向恢复特性也良好，即反向恢复时间短，反向恢复电荷少，并具有软恢复特性。

（3）肖特基二极管

以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管。

其优点：反向恢复时间很短（10~40ns），正向恢复过程中也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小，效率高。

弱点：当所能承受的反向电压提高时，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。

3.1.2 晶闸管（SCR）

1. 晶闸管的结构

晶闸管是一种大功率器件，是一种可控制的硅整流元件，其外形如图3.5所示。分为螺栓型和平板型两种。螺栓型带有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固定，另一端是阴极K，细线是控制极G（又称门极），这种结构更换元件时很方便，用于100A以下的元件。平板型，中间的金属环是控制极G，离控制极远的一面是阳极A，近的一面是阴极K，这种结构散热效果较好，用于200A以上的元件。

图3.5 晶闸管外形图

晶闸管是具有3个PN结的4层3端元件，它的3个PN结可以通过合金-扩散法或全扩散法形成，阳极电极板一般采用钼或钨片，欧姆接触焊料是高纯铝或铝-硅合金，阴极和控制极靠真空镀膜引出电极，镀层有铝、金或银，这样制成了管芯，经一定的表面处理，然后将管芯密封在陶瓷壳内。

图3.6所示晶闸管内部结构，它是由单晶硅薄片P1，N1，P2，N2四层半导体材料叠成，形成3个PN结，图3.6（a）是内部结构，图3.6（b）为示意图，图3.6（c）是表示符号。

（a）（b）（c）

图3.6 晶闸管

a-内部结构b-示意图c-表示符号

1-铜底座2-钼片3-铝片4-金锑片5-金硼钯片6-硅片

2. 晶闸管的工作原理

在晶闸管阳极A与阴极K之间加正向电压时（A接“+”，K接“-”），中间那个PN结处于反向偏置，不导通；在晶闸管阳极A与阴极K之间加反向电压时（A接“-”，K接“+”），有两个PN结处于反向偏置，也不导通，称之为阻断。那么，晶闸管在什么条件导通，通过一个实验来说明。

图3.7中，主回路加上交流电压，控制极电路接入E g，在t1瞬时合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则电阻上R L上的电压u d的波形如图所示。

①由图可见，当t = t1时刻，晶闸管阳极对阴极的电压为正，即阳极A为“+”，阴极K为“-”；由于开关S合上，使得控制极G（也称门极）对阴极K电压为正，即控制极G为“+”，阴极K为“-”。这时，晶闸管导通，且管压降很小，电源电压加于负载电阻R L上。

②当t = t2时刻，由于u2 = 0，流过晶闸管的电流小于维持电流，晶闸管关断。之后晶闸管承受反向电压，即阳极A接“-”，阴极K接“+”，晶闸管不会导通。

③当t = t3时刻，u2从零变正，晶闸管的阳极对阴极又开始承受正向电压，这时，控制极对阴极有正向电压，u g = E g，晶闸管又导通，电源电压u2又加于负载电阻R L上。

④当t = t4时刻，u g = 0，这时由于晶闸管处于导通状态，则维持导通。

⑤当t = t5时刻，由于u2 = 0，晶闸管又关断，晶闸管处于阻断状态。

图3.7 晶闸管工作情况实验图

上述工作过程，可根据晶闸管内部结构来理解。把晶闸管内部结构等效地看成是两只晶体管的组合，如图3.8所示。

(a) (b)

图3.8 晶闸管的双晶体管模型及工作原理

a-双晶体管模型b-工作原理

如果在器件上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看成由P1N1P2和N1P2N2两个晶体管V1和V2的组合。如果外电路向控制极上加一个对阴极为正的电压，就有控制电流I G流过，它就是V2的基极电流I b2，经过V2的放大，在V2的集电极就产生电流I c2，I c2=β2I b2=β2I G（β2为V2的电流放大系数），而这个I c2又恰恰是V1的基极电流I b1，这个电流再经过V1的放大作用，便得到V1的集电极电流I c1，I c1=β1I b1=β1β2I G（β1为V1的电流放大系数），由于V1的集电极和V2的基极接在一起，所以这个电流又流入V2的基极，再次放大，如此循环下去，形成了强烈的正反馈，即I G=I b2→I c2=β2I b2=I b1→I c1=β1β2I G，最后V1和V2进入完全饱和导通状态，即晶闸管导通。这个导通过程在极短的时间内完成，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。在晶闸管导通后，V2的基极始终有比控制电流I G大得多的电流流过，所以当晶闸管一经导通，去掉外电路，使控制电流I G=0，晶闸管仍可维持导通。若要使晶闸管关断，去掉给阳极所加的正向电压，或给阳极施加反向电压，或设法使流过晶闸管的电流降低至接近零的某一数值以下，晶闸管才关断。所以，对晶闸管的驱动过程称为触发，产生控制极的触发电流的电路称为触发电路。正是因为通过控制极只能控制其开通，不能控制其关断，所以，晶闸管被称为半控型器件。

晶闸管的PN结可以通过几十安至几千安的电流，它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时相当于两只三极管饱和导通，所以，阳极与阴极间的管压降约为1V左右，而电源电压全部落在负载电阻上。

为了便于记忆，特编一顺口溜，来说明晶闸管的特点：

晶闸管阳极A接“+”，阴极K接“-”，控制极G与阴极K接触发信号（控制极G接“+”，阴极K接“-”）。不触不通，一触即通，触通后控制极失控，要想关断：电压倒送或电流过零。

3. 晶闸管的伏安特性和动态特性

（1）晶闸管的伏安特性。晶闸管阳极电压与阳极电流之间的关系，称为晶闸管的伏妆特性，如图3.9所示。

图39 晶闸管的伏安特性

第一象限是正向特性，即在晶闸管阳极与阴极之间加正向电压，在晶闸管控制极开路的情况下，即I G=0，开始晶闸管中有很小的电流流过，该电流称为正向漏电流，晶闸管阳极与阴极之间出现很大的电阻，处于截止状态，称为正向阻断状态，简称断态。如果阳极电压超过临界极限，即正向转折电压U BO时，漏电流急剧增大，晶闸管突然由阻断状态转为导通状态，即由高阻区经虚线负阻区到低阻区。U DSM称为断态不重复峰值电压。晶闸管导通后，元件中流过的电流大小由负载决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳极电流随之减小，当阳极电流小于维持电流I H时，晶闸管便从导通状态转为阻断状态。

当晶闸管控制极流过正向电流I G时，晶闸管的正向转折电压U BO降低，I G越大，转折电压U BO越小，当I G足够大时，晶闸管正向转折电压很小，一加上正向电压，晶闸就导通。通常规定，当晶闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时，能使元件导通的控制极最小电流（电压），称为触发电流（电压）。

第三象限是晶闸管的反相特性，即在晶闸管阳极与阴极之间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到临界极限，即反向转折（击穿）电压U BR时，反向漏电流急剧增大，如果外电路无限制措施，导致晶闸管发热损坏。U RSM称为反向不重复峰值电压。

（2）动态特性。晶闸管动态特性波形如图3.10所示，其特性曲线的测试条件为：①开通过程，是指控制极在坐标原点时刻开始，受到理想阶跃电流触发的情况；②关断过程，是对已导通的晶闸管，外电路所加电压在某一时刻，突然由正向变为反向的情况。

图3.10 晶闸管开通和关断过程波形

开通过程。晶闸管在导通过程中，其内部正反馈过程需要时间，再由外电路电感的限制，

晶闸管受到触发后，阳极电流的增加不可能是瞬时的，从控制极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳定值的10%，这段时间称为延迟时间t d ，与此同时晶闸管的正向压降也在开始减小。阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间，称为上升时间t r ，开通时间t gt 定义为两者之和，即t gt =t d +t r 。

普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5μs ，上升时间为0.5~3μs 。其延迟时间随控制极电流的增大而减小。上升时间除反映晶闸管本身特性外，还受外电路电感的影响。延迟时间和上升时间还与阳极电压的大小有关。

关断过程。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，由于外电路电感的存在，其阳极电流在衰减时必然也有过渡过程。阳极电流将逐步衰减到零，在反方向会流过反向恢复电流，经过最大值I RM 后，再反方向衰减。同样，在恢复电流快速衰减时，由于外电路电感的作用，会在晶闸管两端引起反向尖峰电压U RRM ，最终反向恢复电流衰减至接近零，晶闸管恢复其反向阻断能力。从正向电流降为零，到反向恢复电流衰减至接近零的时间，便为晶闸管的反向阻断恢复时间t rr 。反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需一段时间，这个时间称为正向阻断恢复时间t gr 。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，而不受控制极电流的控制。在实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使其充分对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。晶闸管换向关断时间t q 定义为反向阻断恢复时间t rr 与正向阻断恢复时间t gr 之和，即t q =t rr +t gr 。

普通晶闸管的关断时间约为几百微秒。

4. 晶闸管的主要参数

一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。

（1）断态重复峰值电压U DRM 。在控制极开路和晶闸管正向阻断的条件下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。国标规定重复频为50Hz ，每次持续时间不超过10ms 。规定断态重复峰值电压U DRM 为断态不重复峰值电压（即断态最大瞬时电压）U DSM 的90%。断态不重复峰值电压U DSM 应低于正向转折电压U BO ，所留裕量大小由生产厂家自行规定。

（2）反向重复峰值电压U RRM 。在控制极开路时，允许重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压。规定反向重复峰值电压U RRM 为反向不重复峰值电压（即反向最大瞬态电压）U RSM 的90%，反向不重复峰值电压应低于反向击穿电压，所留裕量大小由生产厂家自行规定。

通常取晶闸管的U DRM 和U RRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。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的2~3倍，作为安全系数。

（3）额定通态平均电流（额定正向平均电流）I T 。规定通态平均电流为，晶闸管在环境温度为40℃和规定标准冷却状态及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过工频正弦半波电流的平均值，称为额定通态平均电流I T ，简称为额定电流。通常所说多少安的晶闸管，就是指这个电流。需要说明的是，晶闸管的发热主要是通过它的电流有效值决定的，对于正弦半波电流，如果正弦电流的峰值为I m ，其有效值I e 和平均值I T 的关系，可用下面的计算来说明。

正弦半波电流的平均值

()()01

1

sin 2T m m I I t d t I π

ωωππ==? （3.1）

正弦半波电流的有效值（均方根值）为

12

e m I I == (3.2)

所以 / 1.5722

e m m T I I I I ππ????=== ? ????? 晶闸管允许正向通过电流有效值I e 和它额定通态平均电流I T 之间的数量关系为

1.57e T I I =

例如产品手册中额定电流I T =100A 的晶闸管，允许通过电流的有效值157A ，其发热温升正好是允许值。为了确保安全可靠地工作，一般按下式来选取晶闸管。

()1.5~21.57

e T I I '= （3.3） 式中 e I '-实际通过晶闸管的电流有效值，A ；

1.5~2-电流安全裕量。

（4）维持电流I H 。在规定的环境温度、控制极开路时，晶闸管维持导通所必须的最小电流，一般为几十毫安~几百毫安。其数值与元件的温度成反比，在120℃时的维持电流约为25℃时的一半。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管自动关断。

（5）擎住电流I L 。擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态，并移去触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，I L 约为I H 的2~4倍。

（6）断态电压临界上升率du/dt 。在额定结温和控制极开路的条件下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

（7）通态电流临界上升率di/dt 。在规定条件下，晶闸管由控制极触发导通时，晶闸管能够承受而不致损坏的通态电流的最大上升率。

3.1.3 门极可关断晶闸管（GTO ）

门极可关断型晶闸管GTO 、电力晶体管GTR 、电力场效应晶体管FET 、绝缘栅双极晶体管IGBT 是全控型电力电子器件的典型代表。门极可关断晶闸管GTO ，可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，属于一种全控型器件。

1. GTO 的结构

GTO 也是PNPN 四层半导体结构，外部引出阳极A 、阴极K 和门极G ，其结构如图3.11所示。

（a ） （b ） （c ）

图3.11 GTO 内部结构和电气图形符号

a-各单元阴极、门极间隔排列的图形 b-并联单元结构断面示意图面 c-电气符号图

GTO 与普通晶闸管不同的是，GTO 是一种多元的功率集成器件，虽然外部引出3个电极，但是，内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO 单元，这些小GTO 单元的阴极和门极在器件内部并联在一起，这一结构是为了实现门极控制关断而设计的。图 3.11（a ）

（b）分别给出了典型的GTO各单元阴极、门极间隔排列的图形和并联结构的断面示意图，图（c）是电气图形符号。

2. GTO的工作原理

处于断态时，如果阳极A与阴极K之间加正向电压（A接“+”，K接“-”），门极G与阴极之间加正向触发电压（G接“+”，K接“-”），GTO导通，即由断态转为通态；如果处于通态时，门极上加足够大的反向脉冲电流时（G接“-”，K接“+”），GTO关断，即通态转换为断态。图3.12给出了等效电路及关断过程。

图3.12 GTO关断原理图

图中等效晶体管V2的共基极电流分配系数α2较大，I B2+I C2=I C，I C2=α2?I C，所以有I C=I B2/（1-α2）。当GTO处于通态时，I G=0，I B2=I C1。如果突然加一个负触发电流-I G，则I B2=I C1-I G 突然减小→I C2减小→使α2减小→1-α2变大→I C将急剧减小→阳极电流I A急剧减小→电流分配系数α2和α1减小→使I C1急剧减小→I C，I A减小→这种正反馈作用下，最终导致GTO阳极电流I A减小到维持电流I H以下而关断。

通态时，GTO阳极电流I A越大，也就是I B2越大，则关断时所需的门极反向脉冲电流-I G 也越大。

阳极电流I A与使GTO关断所需的最小门极负脉冲电流I Gmin之比称为电流关断增益β，即β=I A/I Gmin，一般的GTO，β≈5~10。也就是说，要可靠关断GTO，所需门极负脉冲电流应大于（1/5~1/10）I A，这是GTO的一个主要缺点。同时，负脉冲宽度超过5倍GTO关断时间即可顺利关断GTO。

3.1.4 电力晶体管（GTR）

电力晶体管GTR是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管，也称为BJT，在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称是等效的。目前，电力晶体管逐渐被绝缘栅双极晶体管和电力场效应晶体管所取代。

1. GTR的结构和工作原理

GTR与普通的双极结型（工作时电子空穴都参与导电）晶体管基本原理是一样的。图3.13示出了NPN和PNP两种晶体管的结构和符号。

（a ） （b ） （c ） （d ）

图3.13 晶体管的结构、符号和电流分配

a-NPN 管 b-PNP 管 c-载流子运动 d-电流分配关系

工作原理。晶体管是具有2个PN 结J 1，J 2的元件，中间层称为基区B ，E 称为发射区，C 为集电区。基区B 与发射区E 之间PN 结称为发射结J 1，基区B 与集电区C 之间的PN 结称为集电结J 2。由3个区引出的电极分别称为基极B 、发射极E 和集电极C 。

共发射极接法如图3.13（c ）所示，外电路的电源E B ＜E C ，所以C 点电位高于B 点，B 点电位高于E 点，电压U BC =V B -V C ＜0，集电结J 2的PN 结处于反向偏置；U BE =V B -V E =V B -0＞0（E 点为参考点），发射结J 1的PN 结处于正向偏置。晶体管内部电流分布情况如图3.13（c ）（d ）所示。

（1）由于U BC ＜0，集电结J 2反向偏置，在内电场的作用下，集电区的少数载流子（空穴）和基区的少数载流子（电子）发生漂移运动，形成的反向饱和电流I CBO ，I CBO 从集电区N 流向基区P 。I CBO 很小，它构成集电极电流I C 和基极电流I B 的一小部分，与外加电压的大小关系不大，但受温度的影响很大。

（2）由于U BE ＞0，发射结J 1正向偏置，基区P 的多数载流子空穴（带正电）不断地向发射区N 扩散，形成空穴电流。发射区N 掺杂浓度很高，有大量多数载流子电子（带负电）经J 1结不断扩散到基区P ，并不断从电源补充进电子，形成发射极电流I E 。

由于晶体管的基区P 做得很薄，基区体积不大，空穴数不多，基区的空穴浓度比发射区的自由电子的浓度小很多，因而基区向发射区扩散形成的空穴电流很小，可以忽略不计。电流的正方向被定义为与电子运动的反方向。

（3）从发射区N 扩散到基区P 的自由电子起初都聚集在发射结附近，靠近集电结J2的电子很少，形成了浓度上的差别，因而自由电子将向集电结方向继续扩散，在扩散过程中自由电子不断与基区P 的多数载流子空穴相遇而复合。由于基区外接电源E B 的正极，基区受激发的价电子不断被电源拉走，相当于电源E B 不断补充基区中被复合的掉的空穴，形成电流I BE ，它基本上等于基极电流I B 。

（4）由于集电结反向偏置，集电结内电场增强，阻挡集电区N 的电子向基区扩散。但是，可将从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的自由电子拉入集电区，从而形成了电流I CE ，它基本上等于集电极电流I C 。

由以上分析可以看出，从发射区扩散到基区的自由电子中只有很小一部分在基区复合，大部分到达集电区。也就是说，构成发射极电流I E 的两部分中，I BE 部分很小的，而I CE 部分的百分比是很大的，这个比值用β表示，即

CE C CBO C BE B CBO B

I I I I I I I I β-==≈+ （3.4） β称为晶体管共发射极接法的电流放大系数。

2. GTR 的基本特性

GTR 的特性是指基极电流I B 对集电极电流I C 的控制作用，图3.14（a ）为GTR 的外接电路。外电路输入信号电压E B 经基极电阻R B 产生基极电流I B ，外电源电压E C 经负载电阻R C 接至集电极，集电极-发射极之间的电压U CE =E C -R C ?I C 。则集电极电流I C 为：

I C =（E C -U CE ）/R C =E C /R C -U CE /R C （3.5）

改变输入信号电压E B ，基极电流I B 随之改变，集电极电流I C =βI B 改变，负载电阻R C 上的电压改变。也就是说输入信号电压E B 的变化，被放大后从负载电阻R C 上输出。

（a）（b）（c）

图3.14 晶体管输入输出特性

a-电路图b-输入特性c-输出特性

（1）输入特性

输入特性是指U CE一定时，GTR的基极电流I B与基极-发射极电压U BE之间的函数关系。与二极管的正向伏安特性曲线相似，如图3.14（b）所示。U CE增大时，特性曲线右移，当U CE＞2V后，U CE数值的改变对输入特性影响很小。但是，对温度较为敏感，温度升高，达到同样的I B所需要的U BE减小，温度每升高1℃，所需电压大约下降2.4mV。实际工作中晶体管的正偏压大约1V左右。

（2）输出特性

输出特性是指I B电流一定时，集电极电流I C与集电极-发射极之间电压U CE的函数关系，如图3.14（c）所示。

例如，当I B=0.6A，U CE从零增大时，由于集电极电位升高，吸引基区自由电子的能力增强，I C迅速线性上升至X点，然后平缓升至P点，最后在直线段PF区域I C保持不变，在直线段I C与I B成正比。也就是说，在正常工作时，输出特性曲线可用三段线来表示，即直线OX—曲线XP—直线PF。当U CE超过某一数值U CEM以后，GTR将发生雪崩击穿，发生雪崩击穿时的集电极-发射极电压U CEM与I B的大小有关，I B=0时，U CEM最大，其值用U CEO 表示。I B越大，发生雪崩击穿的电压U CEM越小，图3.14（c）中的击穿点J，D，F，S，Q 的连线JY称为击穿线。

不同I B的外特性，从直线到曲线的转折点L，X，M，K等的连接线OT与纵坐标轴靠的非常近，即转折点处的电压U CE很低，仅为U CE≈1~2V，直线OT称为临界饱和线。外特性从曲线段转到直线段的转折点S，P，G，N等的连接线OW是线性工作区的边界线，该转折点的U CE≈2~3V。直线OW右侧与JY线左侧之间称为线性工作区。直线ABCEMH称为负载线。

电力晶体管工作情况可分为4个区域，即截止区、线性放大区、准饱和区和饱和区，如图3.14（c）所示。

①截止区。当基极零偏或反偏时，I B≤0，外特性为OJ，I C=I CEO=（1+β）I CBO，I CEO称为穿透电流，I CBO即为反向饱和电流，由于I CBO很小，则I C≈0。可以认为C-E之间的等效电阻为无穷大，晶体管截止，处于断态。OJ线下面的区域称为截止区。电力晶体管工作在截止区，相当于开关处于断开状态。

②线性放大区。特性曲线的线性部分，即截止线OJ与直线OW和击穿线JY之间的区域。I C=βI B，β为电流放大系数，也就是说I C由I B确定，与U CE无关。由于β＞＞1，又称为线性放大区。直线OW是线性放大区边界点的轨迹。在线性放大区晶体管功耗P T=U CE?I C 很大，发热严重。

③准饱和区。转折点连线OT与OW之间的区域。这时I C随U CE的增加而略有上升。

由式（3.5）可作出负载线，负载线与不同的I B的交点可以看出，I B增大时，I C沿着负载线随之增大，直至I B=0.8A时与负载线的交点为M，M点已处于直线OT上，这时I C≈E C/R C=I CM。如果I B再增大，如I B=1A的输出特性曲线是OKNQ，它与负载线的交点仍为M点，I C并不因I B从0.8A增大到1A而增大。也就是说，如果工作点在OT线上，那么I B增大，而I C并不增大。所以，OT线称为临界饱和线。直线OT与直线OW之间的区域称为准饱和区。

基极电流I B大到一定值I B1，就可使工作点落在临界饱和线OT上，I B1称为临界饱和基极电流，I B1取决于外电路所决定的集电极饱和电流I CM，I CM是指当U CE=0时的集电极电流，即I CM=E C/R C，（I B1＜I CM/β，但接近）图中的H点。当I B从I B1减小时，工作点将进入准饱和区，I B再减小，则进入线性放大区；当I B从I B1再增大时，进入饱和区。

④临界饱和线OT与纵坐标之间的区域，称为饱和区。在饱和区I B＞I B1，U CE很小，即U BE↑→I B↑→基极注入过量的电流，而I C并不增加，U CE=U CB+U BE=E C-I C R C不变。当U BE增大，使U BE=U CE时，U CB=0，再增大U BE，使U BE＞U CE，U CB变为负值，即电位V B＞V C，集电结从反向偏置变为正向偏置，当然发射结仍为正向偏置，这时，U CE=U CB+U BE很低，称为深度饱和，其U CE称为深度饱和压降，用U CES表示，此时，晶体管处于通态，相当开关闭合，成为一个接通电路的闭合开关。

电力晶体管基极-集电极电流增益β只有十几倍至几十倍，因此，为了保证器件处于导通状态，需要数安培的基极驱动电流，故基极电路中的功率损耗较大。而且单个GTR很少用于电力电子变换电路中。目前，已生产出功率晶体管集成组合器件，即用两个甚至三个晶体管组成单片达林顿晶体管，如图3.15所示。或由几个达林顿晶体管构成功率晶体管模块，功率晶体管组合器件使其基极驱动电流大大减小，它已在直流脉宽调速和交流矢量控制的PWM调速中得到广泛的应用。

图3.15 达林顿晶体管

3. GTR的主要参数

电力晶体管作为开关器件，其参数和特性曲线都可在手册中查到，下面对主要参数作一说明。

（1）集电极额定电压U CEO。指集电极-发射极之间的正向转折击穿电压值，简称集-射极击穿电压值BU。

图3.16表示在不同基极状态时，集-射极击穿电压大小的关系。

图3.16 不同基极状态时集-射极击穿电压

①基极加正偏电压，形成I B电流，在集-射极之间外加1~2V的U CE，晶体管由断态转为通态，正向转折电压很小。

②当基极反偏时，晶体管集-射极电压击穿值BU CEX最高。

③当基极短接时，基极电压为零，其集-射极电压击穿值BU CES小于BU CEX。

④当基极开路时，集-射极击穿电压BU CEO最低。

⑤当基极接有电阻短路时，集-射极击穿电压BU CER要比基极直接短路时的集-射极击穿电压BU CES要低一些。

电力晶体管在使用中应避免基极开路，要使晶体管处于截止状态时，最好在基极回路加反偏电压使其可靠截止。实际使用GTR时，为了确保安全，最高工作电压要比BU CEO低得多。

（2）集电极最大允许电流I CM。通常在规定的功耗和散热条件下，电流放大系数β下降到规定值的1/2~1/3时，所对应的I C为集电极最大允许电流，实际使用时要留有较大的裕量，只能用到I CM的一半或稍多一点。

（3）集电极最大耗散功率P CM。在一定的环境温度和散热条件下，允许耗散的功率。

（4）最高结温T jM。硅GTR最高允许结温一般在125℃~200℃之间，设法降低GTR 开关器件的结温，是保证其安全工作的重要手段。结温过高，击穿电压降低，老化加速，性能变差，工作寿命降低。结温每增加20℃，其工作寿命差不多下降10倍以上。因此，电力晶体管使用中必须采用合理的散热方式，提高散热能力，降低结温。

另外还有电流放大倍数β、集电极与发射极间漏电流I CEO、集电极和发射极间的饱和压降U CES、开通时间t on和关断时间t off等，这里不再介绍。

3.1.5 电力场效应晶体管（MOSFET）

1. 场效应晶体管的分类

场效应晶体管有两大类：结型场效应管和绝缘栅型场效应管。结型场效应管是利用PN 结反向电压对耗尽层厚度的控制来改变漏-源极之间导电沟道宽度，来控制漏-源极之间的等效电阻和电流的大小；绝缘栅型场效应管是利用栅-源极之间电压形成电场来改变半导体表面感生电荷的多少，来改变导电沟道的导电能力和等效电阻，进而控制漏-源极之间的电流。

电力场效应晶体管主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET），简称电力MOSFET（Power MOSFET），有时简称MOS管。结型电力场效应晶体管一般作静电感应晶体管SIT（Static Induction Transistor）。

电力场效应晶体管MOSFET按导电沟道分为N沟道和P沟道两种。N沟道中多数载流子是电子，P沟道中多数载流子是空穴。其中每一类又分为增强型和耗尽型两种。耗尽型是当栅极电压U GS=0时存在导电沟道，漏极有电流I D；而增强型是当U GS=0时没有导电沟道，I D=0，只有当U GS＞0（N沟道）或U GS＜0（P沟道）时才开始有漏极电流I D。

电力场效应晶体管MOSFET导通时，只有一种载流子（多子）参与导电，是单极性晶体管。而且，绝大多数电力场效应晶体管做成N沟道增强型，这是因为电子导电的作用比空穴大得多，而P沟道器件在相同的硅片面积下，由于空穴迁移率低，其通态电阻R on是N 型器件的2~3倍。

小功率MOS管是一次扩散形成的器件，其导电沟道平行于芯片表面，是横向导电器件。大功率电力MOSFET器件大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（Vertical MOSFET），这样做大大提高了MOSFET器件耐压和耐电流的能力。按垂直导电结构的差异，电力MOSFET又分为利用V形槽实现垂直导电的VVMOSFET（Vertical V-groove mosfet）、具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。这里主要介绍VDMOSFET器件。

2. 场效应管原理

电力VDMOSFET都是由许多（104~105）个小MOSFET单元并联而成，图3.17是垂直沟道双扩散管的一个VDMOSFET单元的结构示意图，以下简称MOSFET。

表示半导体类型字母的右上角标“+”表示高掺杂浓度，“-”表示低掺杂浓度。

电力MOSFET有3个电极：栅极（控制极）G、漏极D和源极S，由栅极控制漏-源极之间的等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态。

图3.17 MOSFET基本结构、符号、外接电路及特性曲线

a-垂直沟道双扩散管1个MOSFET单元的结构示意图面b-MOSFET电路符号c-测试电路

d-转移特性e-输出特性

图3.17（a）中两个N+区分别作为该器件的源区和漏区，分别引出源极S和漏极D。夹在两个N+（N-）区之间的P区隔着一层SiO2的介质作为栅极，因栅极与两个N+和P区均为绝缘结构。由于这一特点，称MOSFET为绝缘栅场效应晶体管。

MOSFET采用N型硅片做衬底，原因是电子流要从衬底背面的漏极引出，为降低通态电阻，衬底硅片是重掺杂的N+型材料。在N+衬底上外延生长N-型高阻层，N+型区和N-型区共同组成电力MOSFET管的漏区。在N-型区有选择性地扩散P型沟道的体区，漏区与P 沟道体区的交界面形成PN结J。在P型体区内，再有选择性地扩散N+型源区，且沟道体区P与源区N+被源极S短路，所以源区的PN结处于零偏置状态。在P和N-上层与栅极G 之间有一层SiO2作为栅极金属与导电沟道的隔离层。电路符号如图（b）所示。

图3.17（c）中，漏-源极之间加正向电压U DS（漏极D接“+”，源极S接“-”），如果U GS=0时，P型体区和N型漏区构成的PN结反向偏置，漏D-源极S之间也不能导电，即没有电流通过；栅极G-源极S之间外加正向电压U GS＞0时（栅极G接“+”，源极S接“-”），由于栅极S是绝缘的，不会有栅极电流流过，但U GS在G-S之间形成电场，在电场力作用下，P区中的多子空穴被推开，而将少数载流子电子吸引到P区表面，移近栅极G，或者说，栅极G的正电压吸引P区的电子至邻近栅极的一侧，当U GS增大到超过某一值U GSth值时，栅极下P区表面的电子浓度将超过空穴浓度后，栅极下面原空穴多的P型半导体表面就变成电子数目多的N型半导体表面（称为反型层），这个反型层形成了源极S和漏极D之间的N型导电沟道，使PN结消失。也就是说，栅极下由栅极正电位所形成的这个N型半导体表层感生了大量的电子载流子，它是一个电子浓度很高的沟道，称为N沟道，这个沟道将N+和N-两个N区联接在一起，成为漏极D和源极S之间的导电沟道，一旦漏-源极之间有正向电压U DS，就会形成漏极电流I D。开始出现导电沟道的栅-源电压U GSth称为开启电压，

一般约为2~4V。U GS超过U GSth越多，导电能力越强，I D越大。

当D，S之间加负电压（漏极D接“-”,源极S接“+”）时，PN结为正向偏置，MOSFET 绝缘栅场效应晶体管内部相当于1个反向二极管，此时相当于给二极管加了正向电压（不具有快速恢复特性），即MOSFET无反向阻断能力，可视为1个逆导元器件。

在U GS=0时，U DS不能产生电流，即I D=0，仅在U GS增大到U GS=U GSth以后，才使G-P 之间的外电场增强，形成自由电子导电沟道，才能产生漏极电流I D，故称这种半导体器件为N沟道增强型绝缘栅金属氧化物电力场效应晶体管，简写为MOSFET，简称为电力场效应晶体管或场效应管。

场效应管依靠栅极电位形成电场，来改变漏-源极之间导电沟道的等效电阻，控制漏极电流I D，这种控制作用又称为电导调制效应。

3. MOSFET的特性

（1）转移特性。漏极电流I D与栅-源极电压U GS之间的关系，称为MOSFET的转移特性，如图3.17（d）所示。特性曲线的斜率被定义为跨导G fs，G fs=ΔI D/ΔU GS，表示栅极电压对漏极电流的控制能力。MOSFET管是电压型场控器件，绝缘栅的输入电阻很高而等效于一个电容，所以在突加U GS电压时需要输入很小的输入电流，而后，U GS≠0形成电场，但栅极电流基本上等于零，因此，MOSFET驱动功率很小。典型MOSFET的开启电压U GS≈2~4V，U GS越高，通态时场效应管的等效电阻越小，管压降U DS也越小。为了保证通态时漏-源极之间的等效电阻、管压降尽可能小，栅极电压U GS通常设计大于10V。

（2）输出特性。是指在一定的U GS时，漏极电流I D与漏-源电压U DS之间的关系曲线，如图3.17（e）所示。当U GS＜U GSth（开启电压）时，MOSFET管处于截止状态（断态），当外加电压U DS超过击穿转折电压U BR时，器件将击穿，使漏极电流I D急剧增大。当U GS ＞U GSth时，输出特性可以分为3个区域：线性导电区Ⅰ、饱和恒流区Ⅱ和雪崩击穿区Ⅲ。在线性区Ⅰ，由于U DS较小，它对导电沟道的影响可忽略不计，一定的U GS对应的一定导电沟道宽度和一定的漏-源电阻R DS，I D≈U DS/R DS随U DS而线性增大；U DS一定时，U GS增加时导电沟道变宽，等效调制电阻R DS线性变小，I D=U DS/R DS线性增大，这就形成了图中的线性导电区I，又称为可调电阻区。对于一定的U GS，当U DS较大时，尽管U DS增大但I D已达到饱和值，不能再增大多少，此即恒流饱和区Ⅱ，这相当于漏-源电阻R DS随U DS而加大，I D 保持不变。当U DS增大到U BR时，I D突增，进入雪崩击穿区Ⅲ。在应用中应避免出现这种情况，否则会使器件损坏。

由MOSFET结构可以看出，N+，N-及导电沟道N中均为多数载流子电子导电，故称它是单极型器件，不存在少数载流子的存储效应，因而开关时间短，一般为纳秒级，如几十纳秒。因而其工作频率在电力电子开关器件中是最高的，可达500kHz以上。此外，MOSFET 通态导电时的等效电阻具有正温度系数，电流具有负温度系数，即温度升高时等效电阻加大，电流减小。因此，结温上升后，其等效电阻变大，电流减小，不易产生内部局部热点，这一特点还使多个器件并联工作时，能自动调节均分负载电流。此外，由于结构上、导电机理上的原因，场效应管通态时管压降比电力晶闸管、电力晶体管大些。场效应管也不易制成高压器件，因为额定电压越高，通态压降越大。通常用于低电压、高频率电力电子变换和控制电路中。现在的MOSFET最高电压、电流值为500V~1000V，200A。

图3.17（a）、（b）所示的是N沟道增强型绝缘栅场效应管，图中当U GS≤U GSth时，场效应管截止；当U GS＞U GSth（开启电压）时，形成导电沟道而导电，所以称之为增强型场效应管。如果N沟道场效应管被设计制造成在U GS≥0有导电沟道，场效应管导通，电流方向为漏极D到源极S。当U GS＜-U GSP后，场效应管才截止，则称为耗尽型场效应管，-U GSP 被称为夹断电压。

4. 场效应管主要参数

除前面介绍的跨导G fs、开起电压U GSth等参数外，还有以下参数。

（1）漏极电压U DS。是标称电力场效应管电压定额的参数。

（2）漏极直流电流I D和漏极脉冲电流幅值I DM。是标称电力场效应管电流定额的参数。

（3）栅-源电压U GS。栅源之间的绝缘层很薄，|U GS|＞20V将导致绝缘击穿。

（4）极间电容。场效应管3个电极间分别存在极间的电容C GS，C GD，C DS。一般生产厂家提供的是漏-源极短路时的输入电容C iss、共源极输出电容C OSS和反向转移电容C rSS。它们之间的关系是

C iss=C GS+C GD，C rss=C GD，C OSS=C DS+C GD

3.1.6 绝缘栅双极晶体管（IGBT）

电力晶体管GTR是双极型（其中电子、空穴两种载流子都参与导电）电流驱动器件，其通断控制驱动功率大，驱动电路复杂，开关速度不够快，但通态压降低，可制成较高电压和较大电流的开关器件。而电力MOSFET器件是单极型（N沟道MOSFET管中仅电子导电）电压控制器件，其通断驱动控制功率很小，输入阻抗高，开关速度快，热稳定性好，但通态压降大，难于制成高电压大电流器件。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的复合器件，它们的输入控制部分为MOSFET，输出极为双极晶体管GTR，复合后成为绝缘栅双极晶体管IGBT。IGBT兼有场效应管和电力晶体管的优点：输入阻抗高，电压控制型，驱动功率小，开关速度快，开关频率可达10kHz~40kHz（比电力晶体管高），饱和压降低（比MOSFET管小的多，与电力晶体管相当），电压电流容量大，安全工作区宽。

目前已取代了原来GTR和一部分电力MOSFET的市场，成为中小功率电力电子设备的主导器件。如交流电牵引采煤机变频器的逆变器多数采用IGBT管作为输出级，驱动牵引电动机。2500V~3300V，800A~1800A的IGBT器件已有产品，可供几千kV?A以下的高频电力电子装置选用。

1. IGBT工作原理

图3.18给出了一种由N沟道MOSFET电力场效应管与双极型电力晶体管GTR组合而成的IGBT的基本结构示意图。它是在VDMOSFET的基出上增加了1个P+层漏极，因而形成了1个大面积的P+N结J1，这样使得IGBT导通时由P+注入区向N区发射少数载流子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力。IGBT相当于1个由N沟道MOSFET驱动的厚基区PNP型GTR，其简化等效电路如图3.18（b）所示，它是以GTR 为主导器件，MOSFET为驱动器件的复合管，其中R dr为GTR厚基区内的扩展电阻。习惯上将IGBT的漏极称为集电极C，源极称为发射极E，电路符号如图3.18（c）所示，（d）为简化等效电路图。

（a）（b）（c）（d）

图3.18 IGBT结构示意图、电路符号和等效电路

a-IGBT结构示意图b，c-电路符号d-简化等效电路

IGBT的开通与关断是由栅极G来控制的，当栅极-发射极施以正电压U GE（G接“+”，E 接“-”）时，且U GE大于开启电压U GEth时，在栅极G下的P体区内便形成N沟道，N沟道

连通了源区N+和漂移区N-，为PNP晶体管提供基极电流，从而使IGBT导通。此时从P+区注入到N-区的空穴对N-区进行电导调制，减小N-区的电阻R dr，使耐高压的IGBT也具有与GTR相当的低通态压降。引起电导调制效应所需要的最低栅极开启电压（也称阈值电压）U GEth一般为3V~6V。当栅极上电压U GE=0或施加负电压时，MOSFET的导电沟道消失，PNP晶体管的基极电流被切断，IGBT即关断。

IGBT的4层结构，在其内部存在1个寄生晶体管V2，其等效电路如图3.18(d)所示。N-PN+晶体管基极与发射极的电阻R br为体区扩展电阻，P型体区横向空穴电流在其上产生的压降对J3结来说是1个正偏压，在规定的漏极电流范围内，这个正偏压不大，N-PN+晶体管V2不起作用，在图中用虚线表示。当I D增大到一定值后，该正偏压能使N-PN+管V2导通，与主开关器件P+N-P管V1形成正反馈，寄生晶体管V2导通，栅极失去控制作用，这时IGBT无自关断能力，即掣住或锁定效应。同时，漏极电流增大，造成过高的功耗，导致器件损坏。这种漏极电流的连续值超过临界值时产生的掣住效应称为静态掣住效应。另外，在IGBT关断过程中，如果du DS/dt过大，在J2结中引起的位移电流也可能形成关断掣住，称为动态掣住效应。结构上，在P+衬底与N-之间引入1个N+缓冲区就是为了控制掣住效应。

2. IGBT特性

（1）转移特性。图3.19（a）所示为IGBT的转移特性，它是指集电极电流I C与栅-射极电压U GE之间的关系，与电力MOSFET管的转移特性类似，开启电压U GEth是IGBT实现电导调制而导通的最低栅极电压。U GEth随温度升高而略有下降，温度每升高1℃，其值下降5mV左右，在+25℃时，U GEth的值一般为2V~6V。

（a）（b）

图3.19 IGBT的转移特性和输出特性

a-转移特性b-输出特性

（2）输出特性。图3.19（b）为IGBT的输出特性，也称伏-安特性，它是指当栅-射极电压U GE为一定值时，集电极电流I C与集-射极电压U CE之间的关系。此特性与GTR的输出特性相似，其输出特性分为3个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。当栅-射极之间的电压U GE=0时，MOSFET管内无导电沟道，其调制电阻R dr可视为无穷大，I C=0，MOSFET 处于正向阻断状态。在栅-射极之间外加控制电压U GE，可以改变MOSFET管导电沟道的宽度，从而改变调制电阻R dr，这就改变了输出晶体管V1的基极电流，控制了IGBT管的集电极电流I C。当U GE足够大时，则V1饱和导通，IGBT进入通态，即为饱和状态。一旦撤除U GE，即U GE=0，或U GE＜0，则MOSFET又从通态转入断态，V1截止，IGBT转为阻断状态。

在电力电子电路中，IGBT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。

（3）开关特性。图3.20给出了IGBT开关过程波形图。

图3.20 IGBT开关过程波形图

IGBT开通时，从U GE的前沿上升至其幅值的10%的时刻，到集电极电流I C上升至幅值的10%的时刻止，这段时间为开通延迟时间t d（on）。而集电极电流I C从10%I CM上升至90%I CM 所需时间t r，称为电流上升时间。则开通时间t on为开通延迟时间与电流上升时间之和，即t on=t d（on）+t r。开通时，集电极电压U CE的下降过程分为t fv1和t fv2两段，前者为IGBT中MOSFET单独工作的下降过程；后者为MOSFET和PNP晶体管同时工作的电压下降过程，由于U CE下降时IGBT中MOSFET的栅漏电容增加，而且IGBT中的PNP晶体管由放大状态转入饱和状态也需要一个过程，因此，t fv2段电压下降过程变缓，只有在t fv2段结束时，IGBT 才完全进入饱和状态。

IGBT关断时，从驱动电压U GE的脉冲后沿下降到其幅值的90%U GEM的时刻起，到集电极电流下降至90%I CM止，这段时间称为关断延迟时间t d（off）。集电极电流从90%I CM下降至10%I CM的这段时间，为电流下降时间t f，二者之和为关断时间t off，即t off=t d（off）+t f。电流下降时间也可分为t fi1和t fi2两段，其中t fi1对应IGBT内部的MOSFET的关断过程，这段时间集电极电流I C下降较快；t fi2对应IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，这段时间内MOSFET已经关断，IGBT又无反向电压，所以N基区内的少数载流子复合缓慢，造成I C 下降较慢，由于此时集-射极电压已经建立，因此较长的电流下降时间会产生较大的关断损耗，使结温升高，因而希望电流下降时间越短越好。为了解决这一问题，可以与GTR一样，通过减轻饱和程度来缩短电流下降时间，不过同样也需要与通态压降折衷。

IGBT中双极型PNP晶体管的存在，具有少子空穴的存储效应，使关断存在电流拖尾现象，关断损耗比MOSFET大，这限制了其开关频率的提高。

3. IGBT主要参数

除了前面提到的各参数之外，IGBT主要参数还包括：

（1）集电极-发射极额定电压U CES。这是由器件内部PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。是栅极-发射极短路时IGBT能承受的耐压值，即U CES值小于等于雪崩击穿电压。

（2）栅极-发射极额定电压U GES。IGBT是电压控制器件，靠加到栅-射极的电压信号控制IGBT的导通和关断，而U GES就是栅极控制信号的电压额定值。目前IGBT的U GES值大部分为+20V，在使用中不能超过这个值。

（3）额定集电极电流I C。IGBT在导通时能流过管子的持续最大电流。

（4）集电极-发射极饱和电压U CE（sat）。IGBT在正常饱和导通时集电极-发射极之间的

电压降。该值越小，管子的功率损耗越小。如富士公司IGBT模块的U CE（sat）值约为2.5V~3.5V。

（5）开关频率。在IGBT使用手册中，开关频率是以导通时间t on、下降时间t f和关断时间t off给出的，据此估计出IGBT的开关频率。通常在100kH Z以下。

（6）最大集电极功耗P CM。在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

3.2 电力电子开关模块

近年来电力电子器件的开发与研制的共同趋势是模块化，即把同类的开关器件或不同类的1个或多个开关器件，按一定的电路拓扑结构连接并封装在一起，形成开关器件的组合体。模块化可以缩小开关电路装置的体积，降低成本，提高可靠性。由于各开关器件之间连线紧凑，减小了线路电感，在高频工作时可以简化对缓冲电路和保护的要求。电力电子开关模块又称为功率模块。

1. 功率模块结构

最常见的拓扑结构有串联、并联、单相桥、三相桥以及他们的子电路。同类开关器件的串并联目的是要提高整体额定电压、额定电流，图3.21是二极管和晶闸管的4种器件组合。图3.21（a）、（b）、（c）用于整流，图（d）用于交流电压控制和交流静态开关。

图3.21 电力二极管和晶闸管模块

图3.22（a）的上下部分均为1个达林顿管与1个续流二极管反并联，组成双开关模块。驱动信号加至前级晶体管的基极，经前级晶体管放大后再驱动后级晶体管，这两个晶体管的复合联接称为达林顿晶体管或三极管。达林顿管与二极管构成1个正向可控通-断、反向导通的复合开关器件。达林顿管中接在基极和发射极上的二极管和电阻，有助于减小漏电流和加快关断。3.22（b）为单相桥4个开关模块，图3.22（c）为三相桥6个开关模块。4个开关构成的桥式电路可实现单相AC/DC、DC/AC、AC/AC变换和四象限DC/DC变换。6个开关器件组成的三相桥式电路可实现三相AC/DC、DC/AC变换。

（a）（b）（c）

图3.22 达林顿三极管功率模块

a-双开关模块b-单相桥模块c-三相桥模块

图3.23为电力MOSFET管模块，图（c）为4个MOSFET器件并联，以增加整体电流，组成1个单开关模块，由同1个栅极信号控制。图（b）为三相桥模块，图（a）为双开关模块。

电力电子技术课后习题全部答案解析

电力电子技术 2-1与信息电子电路中的二极管相比，电力二极管具有怎样的结构特点才使得其具有耐受高压和大电流的能力？ 答：1.电力二极管大都采用垂直导电结构，使得硅片中通过电流的有效面积增大，显著提高了二极管的通流能力。 2.电力二极管在P区和N区之间多了一层低掺杂N区，也称漂移区。低掺杂N区由于掺杂浓度低而接近于无掺杂的纯半导体材料即本征半导体，由于掺杂浓度低，低掺杂N区就可以承受很高的电压而不被击穿。 2-2. 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：uAK>0且uGK>0。 2-3. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸由导通变为关断，可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，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 2-4 图2-27中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I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。 解：a) I d1= Im 2717 .0 )1 2 2 ( 2 Im ) ( sin Im 2 1 4 ≈ + = ?π ω π π π t I1= Im 4767 .0 2 1 4 3 2 Im ) ( ) sin (Im 2 1 4 2≈ + = ?π ? π π π wt d t b) I d2= Im 5434 .0 )1 2 2 ( 2 Im ) ( sin Im 1 4 = + = ?wt d t π π ? π I2= Im 6741 .0 2 1 4 3 2 Im 2 ) ( ) sin (Im 1 4 2≈ + = ?π ? π π π wt d t

现代电力电子技术报告—SEPIC电路分析分析

现代电力电子技术报告

SEPIC 电路分析 一、 电路结构图： 图1为SEPIC 电路拓扑图 V R 图1 SEPIC 电路拓扑图 二、 电路分析 SEPIC 变换器原理电路如图1所示。1L i 、2L i 分别为电感1L 、2L 上的电流，D 表示占空比，T 表示开关周期，on T 、off T 分别表示开关导通和关断的时间。由于SEPIC 电路中存在两个电感，一般定义电路连续或不连续导电模式以整流二极管D 的导电模式为准。在一个开关周期中开关管1Q 的截止时间()1-D T 内，若二极管电流总是大于零，则为电流连续;若二极管电流在一段时间内为零，则为电流断续工作。若二极管电流在T 时刚好降为零，则为临界连续工作方式。假设1C 很大，变换器在稳态工作时，1C 的电压基本保持不变 （1）连续状态 连续导电模式时电路工作可以分为1Q 导通和1Q 关断两个模态： 工作模态1：（0，on T ）模态 V R 图2 1Q 导通时SEPIC 电路等效电路图（连续） 在这个模态中，开关管1Q 导通，二极管D 截止，如图2所示。变换器有三个回路： 第一个回路：电源、1L 和1Q 回路，在g V 的作用下，电感电流1L i 线性增长; 第二个回路：1C ，1Q 和2L 回路，1C 通过1Q 和进行放电，电感电流2L i 线性增长; 第三个回路是2C 向负载供电回路，2C 电压下降，因2C 较大，故2C 上电压下降很少，可以近似地认为2C O U U =,流过1Q 的电流112=+Q L L i i i

1 1=L g di L V dt (1) 2 2 =L o di L U dt (2) 当t=on T 时，1L i 和2L i 达到最大值1max L i 和2max L i 。 工作模态2：（on T ，T ）模态 V R 图3 1Q 关断时SEPIC 电路等效电路图（连续） 在t=on T 时刻，1Q 关断，此时形成两个回路，如图3所示： 第一个回路：电源、1L 、1C 经二极管D 至负载回路，电源和电感1L 储能同时向1C 和负载馈送，1C 储能增加，而1L i 减小; 第二个回路是2L 和D 至负载的续流回路，2L 储能释放到负载，故2L i 下降。因此二极管的电流D i 是1L i 、2L i 的电流之和，且 2 2=L o di L U dt (3) 1 1 1=-L g c o di L V U U dt - (4) 根据1L 上的伏秒原理： ()()1=+g on O C g on V T U U V T T ?-?- (5) 根据2L 上的伏秒原理： 10=C on off U T U T (6) 由上面两式可得: =1o i U D U D - (7) 1==c i g U U V (8) 由输入输出功率平衡有: 1=i L o o U I U I ?? (9) 即：

电力电子技术的实际应用(读书笔记)

电力电子技术的实际应用 摘要 随着科技的飞速进步，时代的高速发展，电力电子技术作为一个新兴的学科诞生并被迅速应用于电力电子领域中，已在国民经济中发挥着巨大作用，已对输变电系统性能将产生巨大影响。目前电力电子技术的应用已涉及电力系统的各个方面，包括发电环节、输配电系统、储能系统等等。电力电子技术是使用电力电子器件（如晶闸管，GTO，IGBT等）对电能进行变换和控制的技术，其发展在优化电能使用、改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业、扩大电网规模和功能等方面起到了重要作用。本文将重点介绍电力电子技术在电 理网络中的应用。 关键字：电力电子技术、输配电系统、晶闸管、电力网络。 在电气工程领域，电力电子技术作为一个新兴的学科，因其在电力领域中起到的巨大作用，越来越受到重视。随着晶闸管等电力器件的发明并被应用于电力领域，正式标志着电力电子技术被应用于电力系统，其在全球电力领域的发展中，有着里程碑的意义。 电力电子技术主要应用于电力领域中的电力系统中。电力系统由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。其功能就是产生电能，再经输电系统、变电系统和配电系统将电能供应到用户。为了实现此功能，电力电子技术的应用起到了举足轻重的作用。保证了用户能够获得安全、经济、优质的电能。 电力电子技术最初应用到电力领域的历史最早是在20世纪50年代利用不可控器件二极管构成的整流器来替代直流发电机对同步发电机进行励磁调节。随后出现的利用半控器件晶闸管构成的可控整流器更是为发电机的励磁提供里一个快捷有效的控制手段，从根本上改变了发电机的动态和静态性能，有效的改善了系统的稳定性。 在当前大范围使用的电力系统中，通常都是以固定的电压和频率来向用户提供交流电能的（例如我国使用220V、50Hz的交流电），但是最终的用户需要的电能可能形式会有着各式各样的差别，可能是不同频率的交流电、可能是同频率但电压不同的交流电也可能是直流电等等、如果这些要由普通的常规电力系统器件来完成，例如使用变频器，变压器和整流器等，这就需要大量的此类设备，且还要根据不同用户的要求而使用不同的器件，这是很不经济的，也不可能实现。而电力电气器件可以作为电力系统和用户之间的接口，通过受控的开关作用对系统输送到用户的电能进行不同的变换来满足用户不同的需求。故而自其问世以来，就被广泛的应用在电力领域的各个角落。 在电力领域中，实现常规电流变换的装置包括：整流器、逆变器、交流变换器和斩波器四种基本类型。整流器是利用电力电子器件的单向导电性和可控性将交流电能转换为可控的直流电能的变流装置；逆变器是将直流电能转换为交流电能的装置；交流变换器是把一种交流电能变换为另一种交流电能的装置；斩波器是把一种直流电脑变为另一种直流电能的装置。

电力电子技术作业解答

电力电子技术 作业解答 教材：《电力电子技术》，尹常永田卫华主编

第一章 电力电子器件 1-1晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由哪些因素决定？ 答：晶闸管的导通条件是：（1）要有适当的正向阳极电压；（2）还有有适当的正向门极电压。 导通后流过晶闸管的电流由阳极所接电源和负载决定。 1-2维持晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是：流过晶闸管的电流大于维持电流。 利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到维持电流以下，可使导通的晶闸管关断。 1-5某元件测得V U DRM 840=，V U RRM 980=，试确定此元件的额定电压是多少，属于哪个电压等级？ 答：根据将DRM U 和RRM U 中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，确定此元件的额定电压为800V ，属于8级。 1-11双向晶闸管有哪几种触发方式？常用的是哪几种？ 答：双向晶闸管有Ⅰ+、Ⅰ-、Ⅲ+和Ⅲ-四种触发方式。 常用的是：（Ⅰ+、Ⅲ-）或（Ⅰ-、Ⅲ-）。 1-13 GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构，为什么GTO 能够自关断，而普通晶闸管不能？ 答：因为 GTO 与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：（1）GTO 在设计时2α较大，这样晶体管 V2控制灵敏，易于 GTO 关断；（2）GTO 导通时的21αα+更接近于 1，普通晶闸管15.121≥+αα，而 GTO 则为05.121≈+αα，GTO 的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件；（3） 多元集成结构使每个GTO 元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。 第二章 电力电子器件的辅助电路 2-5说明电力电子器件缓冲电路的作用是什么？比较晶闸管与其它全控型器件缓冲电路的区别，说明原因。 答：缓冲电路的主要作用是： ⑴ 减少开关过程应力，即抑制d u /d t ，d i /d t ；

电力电子技术与电力系统分析matlab仿真

电气2013级卓班电力电子技术与电力系统分析 课程实训报告 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师：

兰州交通大学自动化与电气工程学院 2016 年 1 月日

电力电子技术与电力系统分析课程实训报告 1 电力电子技术实训报告 1.1 实训题目 1.1.1电力电子技术实训题目一 一．单相半波整流 参考电力电子技术指导书中实验三负载，建立MATLAB/Simulink环境下三相半波整流电路和三相半波有源逆变电路的仿真模型。仿真参数设置如下： (1)交流电压源的参数设置和以前实验相关的参数一样。 (2)晶闸管的参数设置如下： R=0.001Ω，L =0H，V f=0.8V，R s=500Ω，C s=250e-9F on (3)负载的参数设置 RLC串联环节中的R对应R d，L对应L d，其负载根据类型不同做不同的调整。 (4)完成以下任务： ①仿真绘出电阻性负载（RLC串联负载环节中的R d= Ω，电感L d=0，C=inf，反电动势为0）下α=30°，60°，90°，120°，150°时整流电压U d，负载电流L 和晶闸管两端电压U vt1的波形。 d ②仿真绘出阻感性负载下（负载R d=Ω，电感L d为，反电动势E=0）α=30°，60°，90°，120°，150°时整流电压U d，负载电流L d和晶闸管两端电压U vt1的波形。 ③仿真绘出阻感性反电动势负载下α=90°，120°，150°时整流电压U d，负载电流L d和晶闸管两端电压U vt1的波形，注意反电动势E的极性。 (5)结合仿真结果回答以下问题： ①该三项半波可控整流电路在β=60°，90°时输出的电压有何差异?

电力电子技术期末复习考卷综合

一、填空题： 1、电力电子技术的两个分支是电力电子器件制造技术和 变流技术 。 2、举例说明一个电力电子技术的应用实例 变频器、 调光台灯等 。 3、电力电子承担电能的变换或控制任务，主要为①交流变直流（AC —DC ）、②直流变交流（DC —AC ）、③直流变直流（DC —DC ）、④交流变交流（AC —AC ）四种。 4、为了减小电力电子器件本身的损耗提高效率，电力电子器件一般都工作在 开关状态，但是其自身的功率损耗（开通损耗、关断损耗）通常任远大于信息电子器件，在其工作是一般都需要安装 散热器 。 5、电力电子技术的一个重要特征是为避免功率损耗过大，电力电子器件总是工作在开关状态，其损耗包括 三个方面：通态损耗、断态损耗和 开关损耗 。 6、通常取晶闸管的断态重复峰值电压UDRM 和反向重复峰值电压URRM 中较 小 标值作为该器件的额电电压。选用时，额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2~3倍。 7、只有当阳极电流小于 维持 电流时，晶闸管才会由导通转为截止。导通：正向电压、触发电流 （移相触发方式） 8、半控桥整流带大电感负载不加续流二极管电路中，电路可能会出现 失控 现象，为了避免单相桥式 半控整流电路的失控，可以在加入 续流二极管 来防止失控。 9、整流电路中，变压器的漏抗会产生换相重叠角，使整流输出的直流电压平均值 降低 。 10、从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度称为 触发角 。 ☆从晶闸管导通到关断称为导通角。 ☆单相全控带电阻性负载触发角为180度 ☆三相全控带阻感性负载触发角为90度 11、单相全波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为 2√2U1 。（电源相电压为U1） 三相半波可控整流电路中，晶闸管承受的最大反向电压为 。（电源相电压为U 2） 12、四种换流方式分别为 器件换流 、电网换流 、 负载换流 、 强迫换流 。 13、强迫换流需要设置附加的换流电路，给与欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流而关断。 14、直流—直流变流电路，包括 直接直流变流电路 电路和 间接直流变流电路 。（是否有交流环节） 15、直流斩波电路只能实现直流 电压大小 或者极性反转的作用。 ☆6种斩波电路：电压大小变换：降压斩波电路（buck 变换器)、升压斩波电路、 Cuk 斩波电路、Sepic 斩波电路、Zeta 斩波电路 升压斩波电路输出电压的计算公式 U= 1E β=1- ɑ 。 降压斩波电路输出电压计算公式： U=ɑE ɑ=占空比，E=电源电压 ☆直流斩波电路的三种控制方式是PWM 、 频率调制型 、 混合型 。 16、交流电力控制电路包括 交流调压电路 ，即在没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， 调功电路 即以交流电的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， 交流电力电子开关即控制串入电路中晶闸管根据需要接通或断开的电路。

电力电子电路I(A)

东 北 大 学 继 续 教 育 学 院 电力电子电路I 试 卷（作业考核 线上2） A 卷（共 4 页） 一、单选题（每小题2分，共10分） 1. 晶闸管的额定电压是（ D ）。 A. 断态重复峰值电压 B.反向重复峰值电压 C. A 和B 中较大者 D. A 和B 中较小者 2. 三相半波可控整流电路一共有（ C ）只晶闸管。 A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 3. 三相桥式全控整流电路，晶闸管的电流平均值是（ C ）。 A. d I B. d 2 I C. d 3I D. d 6I 4. 两组晶闸管反并联电路，一共有（ C ）。 A. 两种工作状态 B. 三种工作状态 C. 四种工作状态 D. 以上各种状态 5. 120°导电型交-直-交电流变频器，任意时刻有（ B ）导通。 A. 一只开关管 B. 两只开关管 C. 三只开关管 D. 四只开关管 二、多选题（每小题4分，共20分） 1. 三相桥式逆变电路触发脉冲需要满足的条件是（ ABD ）。 A. 宽脉冲或双窄脉冲 B.必须严格按相序给出 C.控制角b 一定小于b min D.控制角b 一定大于b min 2. （ CD ）是电压控制型电力电子器件。 A. P-MOSFET 、GTO B.TRIAC 、GTR C.P-MOSFET 、IGBT D.IGBT 、SITH 3. 自然换流点在相电压波形正半周的电路是（ AC ）。 A. 三相半波共阴极组整流电路 B. 三相半波共阳极组整流电路 C. 三相半波共阴极组逆变电路 D. 三相半波共阳极组逆变电路

4. 晶闸管导通的条件是（ABD ）。 A.阳极电位高于阴极电位 B.在控制极施加对阴极为正的且满足要求的触发脉冲 C.阴极电位高于阳极电位 D.在控制极施加对阳极为正的且满足要求的触发脉冲 5. 下列描述中正确的有（BCD ）。 A. 共阴极组变流电路，整流电压负半波大于正半波。 B. 共阳极组变流电路，整流电压负半波大于正半波。 C. 共阴极组变流电路，逆变电压负半波大于正半波。 D. 共阳极组变流电路，逆变电压正半波大于负半波。 三．（每小题5分，共20分） 1. 晶闸管的维持电流I H是怎样定义的？ 答：控制极开路时，能维持晶闸管继续导通的最小阳极电流。 2. 晶闸管元件导通时，流过晶闸管的电流大小取决于什么？晶闸管阻断时，承受的电压 大小取决于什么？ 答：负载。 电源电压和电路形式。 3. 双向晶闸管有哪四种触发方式？ 答：（ I ＋、I － 、III ＋ 、III － ） 4. 为什么半控桥式电路或带续流二极管的电路不能实现有源逆变？答：不能输出负电压。

电力电子电路建模与分析考试题答案

1.推演单相全桥SPWM 逆变电路的动态模型 L E S 1S3 S 2S 4R L 非线性部分（开关网络）线性部分R 电感内阻 C 电路可看作两部分：线性部分→输出u 0，输入u i ；非线性部分(开关网络) →输出u i ，输入u r (调制波)。 分析：u i 有两种电平，当S 1、S 4导通时，u i =E ； 当S 2、S 3导通时，u i =-E ； ()12-=S E u i ???=导通时、 导通时、S S S S S 324101（1） 由于开关函数S 的存在，使得u i 的幅值变化不连续，故对上式取开关周期平均值； () ()t D S S E u i =-=，12（2） 假设采用如图所示规则采样，则D (t )可推导如下(设载波频率为f W ，对应周期为T W )： u r U tri T w /2Δt D (t ) 可得，()???? ??+=+=U u T t T t D tri r w w 12122?（3） 将（3）代入（2）有： ()()()U u E t D E S E u tri r i =-=-=1212（4） 即：U E u u tri r i = 可得调制器逆变桥输出u i 的开关周期平均值与输入u r 之间的传递函数为： ()()U E S U S U t r i r i = U i 与U o 之间是一个线性电路，不难得出其传递函数为：

()()()???? ??++???? ??++=++=R R s C R R L s LC Cs //R Ls R Cs //R s U s U L L L L i o 11211111 综上可得调制器输入u r 与逆变器输出u o 之间的传递函数为： ()()()()()()U E R R s C R R L s LC s U s U s U s U s U s U tri L L r i i o r o ???? ? ??++???? ??++=?=11211 2.以DC/DC 变换器输出稳定直流电压为例，画出控制系统的一般组成框图，说明对电力电子变换电路进行建模、并且线性化的主要目的何在？ + -Gc （s ） PWM 调制v v ref +-Vin (t ) 补偿网络 DC/DC 变换器反馈控制系统 Gc （s ）Gm （s ）Gvd （s ）H （s ）Vref （s ） 误差信号E(s)Vc （s ）d （s ）Vo （s ） B （s ） 参考信号 控制系统组成框图 答：要满足系统的技术性能指标要求，取决于对控制器的良好设计(含补偿或校正环节)以及设计合适的反馈网络及其参数等，因此需要确切掌握控制器的控制对象的行为特征，即被控对象的数学模型 。 作为电力电子转换的电力电子装置，应用越来越广泛，电力电子装置要满足一定的性能指标，这就要进行系统设计，设计满足性能要求的控制器，这就要借助被控对象的数学模型，设计成满足要求的闭环系统，是系统达到稳准快高性能要求。同时对电力电子电路进行建模，还可以分析不同的电路参数对电路有怎样的影响，为更好地分析，设计做基础。 而电力电子变换电路具有强烈的非线性(开关元件)，与线性系统不同，非线性系统性能与初始条件、工作状态、参量变化范围等等均有关联，难以有统一的数学分析方法，而经典控制理论中关于控制器的设计方法只适用于线性系统，所以，往往需进行线性化近似处理，得到线性化模型，然后按照线性设计方法进行设计。 3.根据开关元件的通、断对电力电子变换器进行分时分段数学描述，指出：按照这样的分段描述“数学模型”对变换器进行闭环系统PI 控制器设计可行吗？为什么？

电力电子实训心得体会

电力电子技术实验总结 随着大功率半导体开关器件的发明和变流电路的进步和发展，产生了利用这类器件和电路实现电能变换与控制的技术——电力电子技术。电力电子技术横跨电力、电子和控制三个领域，是现代电子技术的基础之一，是弱电子对强电力实现控制的桥梁和纽带，已被广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源和人民生活的各个领域，有着极其广阔的应用前景，成为电气工程中的基础电子技术。 本学期实验课程共进行了四个实验。包括单结晶体管触发电路实验，单相半波整流电路实验，三相半波有源逆变电路实验，单相交流调压电路实验. 单结晶体管触发电路实验 实验目的 (1)熟悉单结晶体管触发电路的工作原理及电路中各元件的作用。 (2)掌握单结晶体管触发电路的基本调试步骤。 实验线路及原理单结晶体管触发电路利用单结晶体管(又称双基极二极管)的负阻特性和rc充放电特性，可组成频率可调的自激振荡电路。v6为单结晶体管，其常用型号有 bt33和bt35两种，由等效电阻v5和c1组成rc充电回路，由c1-v6-脉冲变压器原边组成电容放电回路，调节rp1电位器即可改变c1充电回路中的等效电阻，即改变电路的充电时间。由同步变压器副边输出60v的交流同步电压，经vd1半波整流，再由稳压管v1、v2 进行削波，从而得到梯形波电压，其过零点与电源电压的过零点同步，梯形波通过r7及等效可变电阻v5向电容c1充电，当充电电压达到单结晶体管的峰值电压up时，v6导通，电容通过脉冲变压器原边迅速放电，同时脉冲变压器副边输出触发脉冲；同时由于放电时间常数很小，c1两端的电压很快下降到单结晶体管的谷点电压uv，使得v6重新关断，c1再次被充电，周而复始，就会在电容c1两端呈现锯齿波形，在每次v6导通的时刻，均在脉冲变压器副边输出触发脉冲；在一个梯形波周期内，v6可能导通、关断多次，但对晶闸管而言只有第一个输出脉冲起作用。电容c1的充电时间常数由等效电阻等决定，调节rp1电位器改变c1的充电时间，控制第一个有效触发脉冲的出现时刻，从而实现移相控制。 实验内容 (1)单结晶体管触发电路的调试。 (2)单结晶体管触发电路各点电压波形的观察。 单相半波整流电路实验 实验目的 1、熟悉强电实验的操作规程； 2、进一步了解晶闸管的工作原理； 3、掌握单相半波可控整流电路的工作原理。 4、了解不同负载下单相半波可控整流电路的工作情况。 实验原理 1、晶闸管的工作原理晶闸管的双晶体管模型和内部结构如下：晶闸管在正常工作时，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。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值一下。 2.单相半波可控整流电路（电阻性负载） 2.1电路结构若用晶闸管t替代单相半波整流电路中的二极管d，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路。变压器副边电压u2为50hz正弦波，负载 rl为电阻性负载。 三相半波有源逆变电路实验 实验目的 1、掌握三相半波有源逆变电路的工作原理，验证可控整流电路在有源逆变时的工作条件，并比较与整流工作时的区别。

电力电子技术习题与解答

《电力电子技术》习题及解答 思考题与习题 什么是整流它与逆变有何区别 答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程。 单相半波可控整流电路中，如果： (1)晶闸管门极不加触发脉冲； (2)晶闸管内部短路； (3)晶闸管内部断开； 试分析上述三种情况负载两端电压u d和晶闸管两端电压u T的波形。 答：（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相同； （2）负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0； （3）负载两端电压为0，晶闸管上的电压为U2。

某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些 答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。 某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。 解：设α=0，T 2被烧坏，如下图： 相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的U d 与I d 的乘积是否等于负载有功功率，为什么带大电感负载时，负载电阻R d 上的U d 与I d 的乘积是否等于负载有功功率，为什么 答：相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的平均功率d d d I U P =不等于负载有功功率UI P =。因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流U d 与I d 外还有谐波分量Λ ,,21U U 和Λ,,21I I ，负载上有功功率为Λ+++=22212P P P P d >d d d I U P =。

电力电子技术第章习题答案

3章 交流-直流变换电路 课后复习题 第1部分：填空题 1.电阻负载的特点是 电压与电流波形、相位相同；只消耗电能，不储存、释放电能 ，在单相半波可控整流电阻性负载电路中，晶闸管控制角α的最大移相范围是 0? ≤a ≤ 180? 。 2.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发生突变 ，在单相半波可控整流带阻感负载并联续流二极管的电路中，晶闸管控制角α的 最大移相范围是 0? ≤a ≤ 180? 2 ， 2 （设U 2为相电压有效值）。 3.单相桥式全控整流电路中，带纯电阻负载时，α角移相范围为 0? ≤a ≤ 180? ，单个晶闸管所承受的最大正向电压和反向电压分别为2 和 22U ；带阻感负载时，α角移相范围为 0? ≤a ≤ 90? ，单个晶闸管所承受 的最大正向电压和反向电压分别为 22U 2 ； 带反电动势负载时，欲使电阻上的电流不出现断续现象，可在主电路中直流输出侧串联一个 平波电抗器(大电感) 。 4.单相全控桥反电动势负载电路中，当控制角α大于不导电角δ时，晶闸管的导通角θ = 180?-2δ ; 当控制角α小于不导电角 δ 时，晶闸管的导通角 θ = 0? 。 5.从输入输出上看，单相桥式全控整流电路的波形与 单相全波可控整流电路 的波形基本相同，只是后者适用于 较低 输出电压的场合。 6.电容滤波单相不可控整流带电阻负载电路中，空载时，输出电压为 22U ，随负载加重U d 逐渐趋近于0.9 U 2，通常设计时，应取RC≥ 1.5~2.5T ，此时输出电压为U d ≈ 1.2 U 2(U 2为相电压有效值)。 7.电阻性负载三相半波可控整流电路中，晶闸管所承受的最大正向电压 U Fm 2 ，晶闸管控制角α的最大移相范围是 0?≤a ≤90? ，使负载电流 连续的条件为 a ≤30? (U 2为相电压有效值)。 8.三相半波可控整流电路中的三个晶闸管的触发脉冲相位按相序依次互差 120? ，当它带阻感负载时，α的移相范围为 0?≤a ≤90? 。 9.三相桥式全控整流电路带电阻负载工作中，共阴极组中处于通态的晶闸管对应的是 电压最高 的相电压，而共阳极组中处于导通的晶闸管对应的是电压最低 的相电压；这种电路 α 角的移相范围是 0?≤a ≤120? ，u d 波形连续的条件是 a ≤60? 。

《电力电子技术》习题解答

《电力电子技术》习题解答 第2章 思考题与习题 2.1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定? 答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。 导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压U A 决定。 2.2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定? 答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流I A 减小，I A 下降到维持电流I H 以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压U A 决定。 2.3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？ 答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流I H 会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。 2.4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？ 答：非正常导通方式有：(1) I g =0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt 过高；(3) 结温过高。 2.5请简述晶闸管的关断时间定义。 答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即gr rr q t t t +=。 2.6试说明晶闸管有哪些派生器件？ 答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。 2.7请简述光控晶闸管的有关特征。 答：光控晶闸管是在普通晶闸管的门极区集成了一个光电二极管，在光的照射下，光电二极管电流增加，此电流便可作为门极电触发电流使晶闸管开通。主要用于高压大功率场合。 2.8型号为KP100-3，维持电流I H =4mA 的晶闸管，使用在图题2.8所示电路中是否合理，为什

电力电子电路PCB布线的关键技术分析

电力电子电路PCB布线的关键技术分析 电力电子电路PCB的布线在很大程度上决定了最终产品的好坏。本文主要分析了常用电力电子电路的PCB布线的几个关键技术，主要包括开关节点问题，PCB 布线的宽度、厚度和电感的关系，关键走线如何处理，多层板的地以及散热等问题。 1 引言 一台性能优良的电力电子变换器，除选择高质量的元器件、合理的电路外，印刷线路板的组件布局和电气联机方向的正确结构设计是决定开关变换器能否可靠工作的一个关键问题。对同一种组件和参数的电路，由于组件布局设计和电气联机方向的不同会产生不同的结果，其结果可能存在很大的差异。因而，必须把如何正确设计印刷线路板组件布局的结构和正确选择布线方向及整体仪器的工艺结构三方面联合起来考虑。合理的工艺结构，既可消除因布线不当而产生的噪声干扰，同时便于生产中的安装、调试与检修等。 2 基本电力电子电路 最基本的电力电子电路有三种boost、buck、buck-boost。这三种拓扑取决于电感的链接方式，设置合适的参考地后，可以得到三个不同的端子：输入端、输出端和地端，如图1所示。若电感一端与地相连，则得到buck-boost电路；若电感与输入端相连，则得到boost电路；若电感与输出端相连，则得到buck电路。 图1 电力电子电路的三种拓扑结构：(a) buck-boost拓扑；(b) boost拓扑；(c) buck拓扑。 123456下一页 3 开关节点

在开关器件与二极管之间设置的电感电流换流节点称之为开关节点。电流从电感流入此节点，根据开关状态不同而流入开关或者二极管。任何DC-DC变换器拓扑均有此节点，由二极管参与构成的节点可防止巨大的电压尖峰产生。 节点电流在开关和二极管之间进行转换，因此二极管需要周期性的转换状态，即二极管需在开关导通时加反向电压而在其关断期间加正向电压。因此，节点电压来回振荡，将一示波器探头连接于此节点，探头地接于此拓扑电路的地，所得电压波形为方波。此波形与电感电压波形极为相似，不同之处在于此电压在正电压范围改变，改变幅度由电路拓扑决定。 实际设计PCB时需要特别注意防止在开关节点处布过多铜丝。否则它可能成为一个电磁场天线，向四周辐射射频干扰，输出导线会吸收此干扰并直接传递到输出。 所有集成IC的开关均与其控制部分封装在一起，这样虽然应用方便且价格便宜，但是通常这样的IC对走线寄生电感所产生的噪声更敏感。这是因为其功率级开关节点仅是该IC本身的输出引脚，该引脚将开关节点产生的高频噪声直接传递到控制部分，导致控制失常。 4 PCB走线的宽度、厚度与电感 对于长度为l、直径为d的导线，其电感值可由式（1）表示。 （1） 式中：L和d的单位均为cm。 PCB走线电感的计算公式与导线电感公式区别不大，由式（2）表示。 （2） 式中：ω为走线宽度。 需要注意的是PCB走线电感基本与覆铜厚度无关。从以上对数关系可以看出，若PCB走线长度减少一半，则其电感值也减少一半。但走线宽度必须增加10倍才使其电感减少一半。即仅增加走线宽度用处不大，要减少电感应使走线尽量的短。 过孔电感由式（3）计算，

电力电子技术(第二版)第4章答案

第四章 直流直流变换器习题解答 4-1 降压型斩波电路，直流电压为80V ，负载电阻为10Ω，斩波频率为50kHz ，导通比为0.5。 (1) 画出各电流波形。 (2) 求输出电压和电流的平均值。 解： T t off t 1t 2 I 20 s kHz f T s μ205011=== 5.00==d U U D V U U d 40805.05.00=?== A R U I 410 4000=== 4-2 在降压变换器中，认为所有的元件都是理想的。通过控制占空比D 保持输出电压不变，U o =5V ，输入电压为10~40V ，P o ≥5W ，f s =50kHz ，为保证变换器工作在电流连续模式，计算要求的最小电感量。 解：s f T kHz f s s s μ201,50=== ∴在该变换器中，V U u 500==不变， 5000≥=I U P 即 A U P I 10 00=≥

要求在电流连续模式下的最小电感，电感电流在电流临界情况下。 当输入电压为10~40V 时，D=0.5～0.125 在输出电压不变时，由)1(2o s LB D L U T I -=得， H D D I U T L μ75.43~25)1(1 251020)1(26LB o s =-???=-=- 当D=0.125~0.5变化时，保持连续的电感的取值如上式，所以保持在整个工作范围内连续的最小电感是43.75μH 4-3 在降压变换器中，认为所有的元件都是理想的，假设输出电压U o =5V ，f s =20kHz ，L =1mH ，C =470μF ，当输入电压为12.6V ，I o =200mA ，计算输出电压的纹波。 解： 因为 ms f T s s 05.020/1/1=== 假设 电路工作在电路连续的模式下， 所以有：6.12/5/==d O U U D =0.397 电路在临界状态下时，有 L U U DT I o d S O B 2/)(-==mA 4.75102/)56.12(1005.0397.033=?-???-- 由于O OB I I <，所以电路工作在电流连续模式下， 电压纹波为 mV D LC U T U o s o 065.2)379.01(10 47085)1050()1(89262=-????=-=?-- 输出电压的纹波2.065mV 4.4 （略） 4-5 在升压型斩波器电路中，直流电压为100V ，R L =50Ω，t on =80 μs ，t off =20 μs ，设电感和电容的值足够大。 (1) 画出u o 、i C 的波形。 (2) 计算输出电压U o 。 解：(1):

电力电子电路A

电力电子电路A Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

东北大学继续教育学院 电力电子电路试卷（作业考核线下） A 卷 注：请您单面打印，使用黑色或蓝色笔，手写完成作业。杜绝打印，抄袭作业。 一、单选题（每题3分，共12分） 1. 单相半控桥整流电路的两只晶闸管的触发脉冲依次应相差（）度。 A、60° B、120° C、180° D、360° 2. 三相半波可控整流电路，负载两端分别接（）。 A. 整流变压器输出端和中性点 B. 整流电路输出端和中性点 C. 共阴极组整流电路输出端和共阳极组整流电路输出端 D. 平波电抗器两端 3. 三相输入-三相输出交-交变频电路主要有（）。 A. 三相三线制方式和三相四线制方式 B. 高阻方式和低阻方式 C. 串联方式和并联方式 D. 公共交流母线进线方式和输出Y形联结方式 4. 120°导电型交-直-交电流变频器，任意时刻有（）导通。

A. 一只开关管 B. 两只开关管 C. 三只开关管 D. 四只开关管 二、多选题（每题4分，共8分） 1. 全控型电力电子器件有（）。 A.Thyristor、GTR、P-MOSFET、IGBT B.GTR、P-MOSFET、IGBT、IGCT C.IGBT、MCT、GTR、GTO D.Power Diode、MCT、GTO、IGBT 2. 三相桥式全控整流电路，自然换相点是（）。 A. 三相电源线电压的过零点 B. 三相电源相电压正半周波形的交点 C. 三相电源相电压负半周波形的交点 D. 三相电源线电压正半周波形的交点 三．问答题（每题5分，共30分） 1．试说明晶闸管的动态参数断态电压临界上升率du/dt。 2. 并联谐振式逆变电路利用负载进行换流，为保证换流应满足什么条件

电力电子技术作业解答复习用

第一章作业 1. 使晶闸管导通的条件是什么？ 答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。或：u AK>0且u GK>0。 2. 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？ 答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。要使晶闸管由导通变为关断，可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，即降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管关断。 3. 图1-43 中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I m，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。 解：（a） (b) (c)

第二章作业 1. 单相半波可控整流电路对电感负载供电，L＝20mH，U2＝100V，求当α＝0?和60? 时的负载电流I d，并画出u d与i d波形。 解：α＝0?时，在电源电压u2的正半周期晶闸管导通时，负载电感L储能，在晶闸管开始导通时刻，负载电流为零。在电源电压u2的负半周期，负载电感L释放能量，晶闸管继续导通。因此，在电源电压u2的一个周期里，以下方程均成立： 考虑到初始条件：当ωt＝0 时i d＝0 可解方程得： u d与i d的波形如下图： 当α＝60°时，在u2正半周期60?~180?期间晶闸管导通使电感L储能，电感L储藏的能量在u2负半周期180?~300?期间释放，因此在u2一个周期中60?~300?期间以下微分方程成立：

考虑初始条件：当ωt＝60 时i d＝0 可解方程得： 其平均值为 此时u d与i d的波形如下图： 2．图2-9为具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，问该变压器还有直流磁 ；②当负载是电阻或电化问题吗？试说明：①晶闸管承受的最大反向电压为 2 感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时相同。 答：具有变压器中心抽头的单相全波可控整流电路，该变压器没有直流磁化的问题。因为单相全波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周内上下绕组内电流的方向相反，波形对称，其一个周期内的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。 以下分析晶闸管承受最大反向电压及输出电压和电流波形的情况。 ①以晶闸管VT2为例。当VT1导通时，晶闸管VT2通过VT1与2个变压器二次绕 。 组并联，所以VT2承受的最大电压为 2 ②当单相全波整流电路与单相全控桥式整流电路的触发角a 相同时，对于电阻

电力电子电路分析与仿真实验报告模板

电力电子电路分析与仿真 实验报告 学院：哈尔滨理工大学荣成学院 专业： 班级： 姓名： 学号： 年月日

实验1降压变换器 一、实验目的： 设计一个降压变换器，输入电压为220V，输出电压为50V，纹波电压为输出电压的0.2%，负载电阻为20欧，工作频率分别为220kHz。 二、实验内容： 1、设计参数。 2、建立仿真模型。 3、仿真结果与分析。 三、实验用设备仪器及材料： MATLAB仿真软件 四、实验原理图： 五、实验方法及步骤： 1．建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。 2．提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击Simulink调出模型库浏览器，在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。

3．仿真模型如图所示。 六、参数设置 七、仿真结果分析

实验2升压变换器 一、实验目的： 将一个输入电压在3~6V的不稳定电源升压到稳定的15V，纹波电压低于0.2%，负载电阻10欧，开关管选择MOSFET，开关频率为40kHz,要求电感电流连续。 二、实验内容： 1、设计参数。 2、建立仿真模型。 3、仿真结果与分析。 三、实验用设备仪器及材料： MATLAB仿真软件 五、实验原理图： 五、实验方法及步骤： 1．建立一个仿真模型的新文件。在MATLAB的菜单栏上点击File，选择New，再在弹出菜单中选择Model，这时出现一个空白的仿真平台，在这个平台上可以绘制电路的仿真模型。 2．提取电路元器件模块。在仿真模型窗口的菜单上点击Simulink调出模型库浏览器，在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口。

电力电子技术题解实例与习题复习资料

第一章绪论 1.1题解实例 一、填空题： 1、电力电子技术是一门交叉学科，其内容涉及、 和三大学科。 答：电气工程、电子科学与技术、控制理论 2、电力电子技术是依靠电力电子器件组成各种电力变换电路，实现电能的高效率转换与控制的一门学科，它包括、和三个组成部分。 答：电力电子器件、电力电子电路、控制技术 3、电力电子电路的根本任务是实现电能变换和控制。电能变换的基本形式有：变换、变换、变换、变换四种。 答：AC/DC、DC/AC、DC/DC、 AC/AC 4、硅晶闸管派生器件双向晶闸管常用于交流和电路中。 答：调压、调功 5、光控晶闸管是通过光信号控制晶闸管导通的器件，它具有很强的、良好的和较高的瞬时承受能力，因而被应用于高压直流输电、静止无功功率补偿等领域。 答：光信号、抗干扰能力、高压绝缘性能、过电压

6、第二代电力电子器件以具有自关断能力的全控型器件、和 为代表。 答：GTR、MOSFET、IGBT 7、IGBT器件是一种复合器件。它兼有和的开关速度快、安全工作区宽、驱动功率小、耐高压、载流能力大等优点。 答：功率MOSFET、双极型器件 8、直流电动机变速传动控制是利用或获得可变的直流电源，对直流电动机电枢或励磁绕组供电，实现直流电动机的变速传动控制。 答：整流器、斩波器 9、交流电动机变速传动控制则是利用或对交流电动机供电，通过改变的供电电源的频率和电压等来达到交流电动机的变速传动。 答：逆变器、交－交直接变频器 10、太阳能电池板获得的原始直流电压是与太阳光强度等因素有关的，它需要通过一个变换器来稳定直流电压，再通过变换器变为所要求的交流电供负载使用或将电能馈入市电。 答： DC－DC、DC－AC 二、问答题： 1、什么是电力电子技术？它有几个组成部分？