《电力电子技术》课程知识速览

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2025-11-16

第1章绪论※

电力电子技术这门课程并不是一门像数学、物理那样具有十分严谨的理论推导和理想模型，而是一门基于工程实践的学科，因此存在一些并不是理论上得到的结论，而是工程实践下一些经验内容。

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。

总体上，可以把电力电子技术可以分为：电力技术、电子器件和控制技术。

电力变换通常可分为四大类，即交流变直流（ AC-DC ）、直流变交流（ DC-AC ）、直流变直流（ DC-DC ）和交流变交流（ AC-AC ）。

第2章电力电子器件※

电力电子器件（Power Electronic Device）是用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

2.1 概述※

2.1.1 特征※

电力电子器件处理电功率的能力远大于信息电子器件。
电力电子器件一般工作在开关状态。
电力电子器件自身的功率耗损远大于信息电子器件，因此发热量也很大，一般需要安装散热器。

2.1.2 耗损※

首先，电力电子器件的耗损分为三种：

通态损耗
断态损耗
开关损耗（还可以进一步细分为开通损耗和关断损耗）

其中，一般情况下通态损耗是器件损耗的主要因素，但是在开关频率较高时，开关损耗将成为器件损耗的主要因素，而断态损耗在各种情况下的占比都不高。

2.1.3 电路组成※

电力电子系统的组成一般包括控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路构成。额外的，进一步可以划分为控制电路、驱动电路、检测电路、保护电路和主电路。

2.1.4 分类※

（1）按照器件被控制程度划分

不可控器件（电力二极管SR）
半控型器件（晶闸管SCR）
全控型器件（门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、电力场效应晶体管Power MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等）

（2）按照驱动器件信号的性质划分（不包括不可控器件）

电流驱动型器件（晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR）
电压驱动型器件（电力场效应晶体管Power MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT）

（3）按驱动信号的波形划分

电平控制型：驱动信号需要长期保持为某一个电平的电压或电流，从而实现控制（GTR、Power MOSFET、IGBT）
脉冲触发型：只需要施加一个电压或电流的脉冲信号，一旦进入导通或关断的状态后，就能自行维持该状态，无需持续维持控制信号（SCR、GTO）

（4）按照载流子参与导电情况划分（PN结）

单极型器件（电力场效应晶体管Power MOSFET）
双极型器件（电力二极管SR、晶闸管SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR）
复合型器件（绝缘栅双极型晶体管IGBT）

2.2 电力二极管（SR）※

电力二极管（Power Diode），也称为半导体整流器（Semiconductor Rectifier，SR），主要有快恢复二极管和肖特基二极管两种类型，具有相当广泛的应用。

2.2.1 工作原理※

【例题】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它具有耐受高电压和大电流的能力？
答：电力二极管为了建立承受高电压和大电流的能力，首先采用垂直导电结构，大大增加了通过电流的有效面积,提高器件的通流能力。其次为承受高电压，在P区和N区之间增加了低掺杂N区，由于掺杂浓度低，其中的电场强度近似不变，在同样电压条件下，降低了PN结中的电场强度峰值；保证器件不发生击穿现象。低掺杂N区高电阻率对正向导通压降的影响由电导调制效应来解决，即当器件正向导通电流较大时，由P区注入并累积在低掺杂N区的载流子使该区域的导通电阻显著下降。

功能说明：单向导电性

2.2.2 基本特性※

1.静态特性

电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性。

2.动态特性

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这三种状态之间转换的时候，必然经历一个过渡过程，这一过程就是其动态特性。

2.2.3 主要参数※

1）正向平均电流 \(I_{F(AV)}\)

\[I_{F(AV)}=\frac{I_D}{1.57}\]

其中 \(I_{F(AV)}\) 是器件允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值，即额定电流。
如果在实际电路当中需要通过有效值为 \(I_D\) 的某种波形电流，则至少应该选取额定电流为 \(I_D / 1.57\) 的电力二极管。

2）正向压降 \(U_F\)

在指定温度下，流过某一指定稳态正向电流时对应的正向压降。

3）反向重复峰值电压 \(U_{RRM}\)

\(U_{\text{RRM}}\) 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两倍来选定此项参数。

2.2.4 主要类型※

普通二极管
快恢复二极管
肖特基二极管

2.3 晶闸管（SCR）※

2.3.1 工作原理※

1）使晶闸管导通的条件

阳极承受正向电压
门极具有触发电流

2）晶闸管维持导通的条件

阳极电流大于维持电流 \(I_H\)

3）使晶闸管关断的条件

自然关断：当阳极电流自然下降到维持电流以下，晶闸管会自然关断；
强迫关断：通过外电路施加反向电压或减小电流来实现关断。

2.3.2 基本特性※

1.静态特性

2.动态特性

2.3.3 主要参数※

（1）通态平均电流 \(I_{T(AV)}\) ：通态平均电流是器件允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值，即额定电流。

\[I_{T(AV)}=\frac{I_D}{1.57}\times(1.5\thicksim 2)\]

（2）维持电流 \(I_H\) ：维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安。\(I_H\) 与结温有关，结温越高，则 \(I_H\) 越小。

（3）擎住电流 \(I_L\) ：擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常 \(I_L\) 约为 \(I_H\) 的 2~4 倍。

2.3.4 主要类型※

快速晶闸管
双向晶闸管
逆导晶闸管
光控晶闸管

2.4 门极可关断晶闸管（GTO）※

2.5 电力晶体管（GTR）※

2.6 电力场效应晶体管（Power MOSFET）※

2.7 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）※

第3章整流电路※

AC → DC

3.1 单相半波可控整流电路※

因为电力二极管是不可控器件，所以输出电压 \(U_d\) 的波形为固定值，不可人为控制其值发生变换。

如果使用晶闸管，由于晶闸管在承受正向电压时，仍然需要给门极一个脉冲电流才会导通，因此就可以实现选择性一个 \(\alpha\) 角进行导通，从而实现控制输出电压的值的变换。

计算公式如下：

\[U_d = \frac{1}{2\pi} \int_{\alpha}^{\pi} \sqrt{2} \, U_2 \sin\omega t \, d(\omega t) = \frac{\sqrt{2} \, U_2}{2\pi} (1 + \cos\alpha) = 0.45 U_2 \frac{1 + \cos\alpha}{2}\]\[I_d=\frac{U_d}{R}\]

为什么要添加续流二极管？
答：当电感很大的时候，阻抗角 \(\varphi\) 将接近 \(\frac{\pi}{2}\) ，从而是输出电压负半周期晶闸管导通时间无限接近正半周期导通时间，最后导致输出电压的平均值约为 \(0\) 。
问题：输出脉动大，变压器铁芯直流磁化（单周期中只有一个方向的电流）

3.2 单相桥式全控整流电路※

原理：正半周期，\(VT_1\)、\(VT_4\) 导通；负半周期，\(VT_2\)、\(VT_3\) 导通。

\[U_d = \frac{1}{\pi} \int_{\alpha}^{\pi} \sqrt{2} \, U_2 \sin\omega t \, d(\omega t) = \frac{2\sqrt{2} \, U_2}{\pi} \frac{1 + \cos\alpha}{2} = 0.9 U_2 \frac{1 + \cos\alpha}{2}\]