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单元十三电力电子技术基础

内容提要

本单元是在电子技术应用基础上，从工程需要的观点出发，以电力电

子器件应用为分析对象，着重讨论电力电子元器件的结构工作原理、电力

电子器件组成的整流电路及变频电路原理；并引入变频器的电路组成及运

行原理加深电路的原理理解。

学习目标

了解电力电子电路的组成、各元件导电特性等基本知识；

理解整流电路、逆变电路、变频电路的工作过程；

掌握电力电子在变频器中的应用；

掌握分析各整流、变频电路的原理分析方法。

应用提示

电力电子技术是利用电子器件及技术实现电能变换与控制的技术，被

广泛应用于工农业生产、国防、交通、能源等各个领域。随着高电压、大

功率、高频自关断功率半导体器件的不断涌现和发展，功率变换技术的日

臻完善，极大地推动了电力电子技术在电气工程中的应用，构成了现代电

气工程及其自动化的专业技术基础。目前所使用的电力电子器件采用半导

体制成，故称为电力半导体器件，包括半导体整流器、大功率晶体管、晶

闸管及其派生器件、以及其它大功率半导体器件。本章介绍晶闸管的工作

原理、主要参数以及某些特殊晶闸管，然后讨论这些器件在可控整流、逆

变、变频、调压等方面的应用。

13.1电力电子器件

电力电子器件（powerelectronicdevice），是直接用于处理电能的

主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。

广义上电力电子器件可分为电真空器件和晶体管器件两类。

自20世纪50年代以来，真空管仅在频率很高（如微波）的大功率高

频电源中还在使用，而电力电子器件已取代了汞弧整流器

（MercuryArcRectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝

对主力。因此，电力电子器件目前采用的主要材料是硅晶体。

1．同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：

（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的

参数；其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多都远大于处理

信息的电子器件。

（2）电力电子器件一般都工作在开关状态；导通时（通态）阻抗很

小，接近于短路，管压降接近于零，而电流由外电路决定；阻断时（断态）

阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定。

电力电子器件的动态特性（也就是开关特性）和参数，也是电力电子

器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题，在作电

路分析时，为简单起见往往采用理想开关来代替。

（3）使用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主

电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，

这就是电力电子器件的驱动电路。

（4）为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不

仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。导通时

器件上有一定的通态压降，形成通态损耗；阻断时器件上有微小的断态漏

电流流过，形成断态损耗；在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗

和关断损耗，总称开关损耗。对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率

也是造成器件发热的原因之一，通常电力电子器件的断态漏电流极小，因

而通态损耗是器件功率损耗的主要成因，器件开关频率较高时，开关损耗

会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素。

2．电力电子器件根据不同的开关特性可分为如下三种类型：

（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

晶闸管（Thyritor）及其大部分派生器件

（2）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，

又称自关断器件

绝缘栅双极晶体管（Inulated-GateBipolarTranitor--IGBT）

电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）

门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyritor--GTO）

（3）不可控器件--不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要

驱动电路电力二极管（PowerDiode）

只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决

定的按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两