第11章電力電子器件及基本電力變換電路第11章電力電子器件及基本電力變換電路11.1常用電力電子器件11.2可控整流電路11.3基本斬波電路11.4基本逆變電路11.1常用電力電子器件按照器件被控制信號所控制的程度，可做如下分類半控型器件（Thyristor）通過控制信號可控制通,不能控制關全控型器件（IGBT,MOSFET)通過控制信號既可控制通又可控制關又稱自關斷器件不可控器件(PowerDiode)不能用控制信號來控制其通斷,不需要驅動電路按照驅動電路信號的性質分電流驅動型從控制端注入或抽出電流來實現(xiàn)通、斷電壓驅動型在控制端和公共端間施加電壓就可實現(xiàn)通、斷11.1.1

晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器

（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術迅速發(fā)展和廣泛應用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。耐高電壓大電流，工作可靠,在大容量場合具有重要地位。螺栓型平板型有三個聯(lián)接端晶體管的結構

EGEAR晶體管的工作原理

S形成強烈正反饋晶閘管導通IG（EG）失去作用，IA大小由外電路決定晶閘管承受正向電壓UGK>0IA>IH晶閘管導通條件使晶閘管的電流小于維持電流晶閘管關斷？增大R或減小EA晶閘管的結構與工作原理晶閘管的基本特性晶閘管特性曲線正向導通雪崩擊穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（1）正向特性IG=0時，器件兩端加正向電壓，有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值↑，正向轉折電壓↓晶閘管本身的壓降很小，1V左右。轉折電壓IG2>IG1>IG阻斷狀態(tài)時，有極小反相漏電流。反向擊穿后，可能導致發(fā)熱損壞（2）反向特性晶閘管的主要參數(shù)通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。選用時，取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2~3倍。使用注意：1）電壓定額斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

——門極斷路而結溫額定時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。反向重復峰值電壓URRM

——門極斷路而結溫額定時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT——某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。2）電流定額通態(tài)平均電流IT(AV）允許長期流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時應按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導通所必需的最小電流。擎住電流IL——剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——使超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。3）動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關斷時間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

額定結溫、門極開路，從斷態(tài)到通態(tài)轉換的外加電壓最大上升率。

—電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率?！绻娏魃仙?，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。11.1.2絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO的特點——雙極型，電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。MOSFET的優(yōu)點——單極型，電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。兩類器件取長補短結合而成的復合器件—Bi-MOS器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor—IGBT）GTR和MOSFET復合，結合二者的優(yōu)點。1986年投入市場，是中小功率電力電子設備的主導器件。繼續(xù)提高電壓和電流容量，以期再取代GTO的地位。IGBT的結構IGBT比VDMOSFET多一層P+注入?yún)^(qū),有很強的通流能力是GTR與MOSFET組成的達林頓結構RN為基區(qū)內調制電阻N溝道IGBTVDMOSFETGTR組合場控器件，原理與電力MOSFET基本相同，通斷由柵射極電壓uGE決定。導通：uGE大于UGE(th)時，MOSFET內形成溝道，提供基極電流，IGBT導通。通態(tài)壓降：電導調制效應使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，IGBT關斷。IGBT的原理1）IGBT的結構和工作原理三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極EO有源區(qū)正向阻斷區(qū)飽和區(qū)反向阻斷區(qū)ICUGE(th)UGEOICURMUFMUCEUGE(th)UGE增加轉移特性輸出特性分為三個區(qū)(2)

IGBT的動態(tài)特性ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUGEMICMUCEMtfv1tfv2tofftontfi1tfi2td(off)tftd(on)trUCE(on)UGEMUGEMICMICMIGBT的開關過程2)IGBT的基本特性

(1)

IGBT的靜態(tài)特性T副邊電流有效值I2與輸出電流有效值I相等：周而復始一、帶電阻負載的工作情況電路結構1.帶電阻負載的工作情況工作原理及波形分析VT1,4承受正向電壓但無觸發(fā)信號關斷,VT2,3承受反向電壓關斷VT1,4承受正向電壓有觸發(fā)信號導通，VT2,3承受反向電壓關斷VT2,3承受正向電壓無觸發(fā)信號關斷VT1,4承受反向電壓關斷，VT2,3承受正向電壓有觸發(fā)信號導通VT1,4承受反向電壓關斷，wtwtwtwtp2p數(shù)量關系α角的移相范圍為180

流過晶閘管的電流有效值不考慮T的損耗時，要求T的容量S=U2I211.2可控整流電路2.帶阻感負載的工作情況

單相全控橋阻感負載wtwtwtwtp2pwtwtwt假設電路已達穩(wěn)態(tài)，id平均值不變。電感很大，電流id連續(xù)且波形近似為水平線電路結構工作原理及波形分析周而復始VT1,4正壓導通,VT2,3反壓關斷VT1,4正壓導通,VT2,3正壓關斷VT1,4反壓關斷,VT2,3正壓導通流過VT1,4的電流迅速轉移到VT2,3上，此過程稱換相，亦稱換流。數(shù)量關系晶閘管移相范圍為90

。晶閘管導通角θ與a無關，均為180

T二次電流i2為正負各180

的矩形波,相位由a角決定,有效值I2=Id承受最大正反向電壓均為電流的平均值和有效值：

電路結構全控型器件續(xù)流二極管負載上的反電動勢典型用途拖動直流電動機蓄電池負載（BuckChopper)11.3.1

降壓斬波電路電流連續(xù)電流斷續(xù)工作原理t=t1時，V斷，VD續(xù)流，uo=0。電流↓t=0時，V通，uo=E，io指數(shù)規(guī)律上升通常串接大電感L使負載電流連續(xù)。數(shù)量關系不希望電流斷續(xù)動態(tài)演示（BoostChopper）

電路結構1)升壓斬波電路的基本原理11.3.2

升壓斬波電路工作原理假設L和C值很大0iGE0ioI1數(shù)量關系V通時，L上能量V斷時，L釋放能量一個周期T中:化簡得：T/toff>1，故為升壓斬波V通態(tài),E向L充電,I1恒定,C向R供電,Uo恒定。因此:也可看作直流變壓器忽略損耗:V斷態(tài),E和L同時向C充電,并向負載提供能量動態(tài)演示(buck-boostChopper)

電路結構11.3.3升降壓斬波電路基本工作原理V通E向L供電貯能。C向R供電V斷L的能量向負載釋放也稱反極性斬波電路otb)oti1i2tontoffILIL

數(shù)量關系V通態(tài)uL=EV斷態(tài)uL=-uo穩(wěn)態(tài)時，一個T內電感L兩端電壓uL對時間的積分為零0<a<0.5時為降壓，0.5<a<1時為升壓，故稱作升降壓斬波電路。也稱buck-boost變換器。動態(tài)演示直流電交流電11.4.1

逆變電路的基本工作原理S1,4閉合，S2,3斷開時S1~S4是橋式電路的4個臂，由器件及輔助電路組成。改變開關切換頻率，可改變輸出交流電頻率S1,4斷開，S2,3閉合時uo=-Uduo=UdUduoUd-Udtt開通：適當?shù)拈T極驅動信號就可使器件開通。關斷：全控型器件可通過門極關斷。半控型器件晶閘管，必須利用外部條件才能關斷。一般在晶閘管電流過零后施加一定時間反壓，才能關斷研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。11.4.2換流方式分類換流——電流從一個支路向另一個支路轉移的過程，也稱為換相。11.4.2換流方式分類1)器件換流（DeviceCommutation）利用全控型器件的自關斷能力進行換流。在采用IGBT

、電力MOSFET

、GTO

、GTR等全控型器件的電路中的換流方式是器件換流。2)

電網(wǎng)換流（LineCommutation）電網(wǎng)提供換流電壓的換流方式。將負的電網(wǎng)電壓施加在欲關斷的晶閘管上即可使其關斷。不需要器件具有門極可關斷能力，但不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。3)

負載換流（LoadCommutation）4)強迫換流（ForcedCommutation）11.4.3單相電壓型逆變電路ttuG1uG2t1t2t3tiouot4t5器件導通情況控制信號u0i0開V1,關V2開V2,關V1V1VD2V2VD1VD1+-+--工作原理1）半橋逆變電路V1和V2柵極信號在一周期內各半周正偏、半周反偏，兩者互補，開V1,關V2V1通，u0=Ud/2VD2通，u0=-Ud/2V2通，u0=-Ud/2VD1通，u0=Ud/2缺點：輸出電壓幅值為Ud/2，且直流側需兩電容串聯(lián)，要均壓。四個橋臂，可看成兩個半橋組合而成兩對橋臂交替導通180°輸出電壓和電流波形同半橋電路形狀改變U0只能通過改變Ud來實現(xiàn)2)全橋逆變電路ttuG1,4uG2,3t1t2t3tiouot4t5器件導通情況控制信號u0i0V1,4導通，u0=UdVD2,3導通，u0=-UdV2,3導通，u0=-UdVD1,4導通，u0=Ud開V1,4,關V2,3開V2,3,關V1,4開V1,4,關V2,3V1,4VD2,3V2,3VD1,4VD1,4-Ud-UdUdUdUd+-+--一周期內有兩個導通階段和兩個換流階段t1~t2：VT1,4穩(wěn)定導通,iｏ=Id，t2時刻前在C上建立左正右負電壓。t2~t4:換流階段電容經(jīng)兩個放電回路同時放電11.4.4

單相電流型逆變電路工作分析t=t4時,換流結束tg

--換流時間。Tb--承受反壓時間四個橋臂構成,電抗器用來限制開通時的di/dt。工作方式為負載換相。CLR構成并聯(lián)諧振電路輸出電流接近矩形波，ttuG1,4uG2,3iTioIdt3tfuotdtbiVT2,3iVT1,4Idt2t1t7t6t5t4trttt電流型逆變電路主要特點(1)

直流側串大電感，電流基本無脈動，相當于電流源(2)

交流輸出電流為矩形波，電壓波形和相位因負載不同而不同。(3)直流側電感起緩沖無功能量的作用，不必反并聯(lián)二極管。電路多采用半控型器件，換流方式有負載換流、強迫換流。第12章邏輯函數(shù)及其化簡

第12章邏輯函數(shù)及其化簡12.1邏輯函數(shù)及其公式化簡法12.2邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法1845年，英國數(shù)學家布爾創(chuàng)立了用符號來表達語言和思維的邏輯性數(shù)學。將這種邏輯用數(shù)（0和1）來表示，形成了邏輯代數(shù)，也稱布爾代數(shù)，它是以數(shù)學形式來分析研究邏輯問題的。在分析和設計電路時經(jīng)常要用到這種數(shù)學工具，故在本章將介紹邏輯代數(shù)的基本定理和邏輯函數(shù)式的化簡方法。模擬電子技術處理模擬變量的技術數(shù)字電子技術處理數(shù)字變量的技術連續(xù)變化的信號量

“0”和“1”處理數(shù)字變量的電路為數(shù)字電路處理模擬變量的電路為模擬電路12.1邏輯函數(shù)及其公式化簡法12.1.1基本邏輯關系或非與邏輯運算1AB日常事物中往往會有這種情況，要得到某種結果，必須同時滿足幾個條件。這種條件和結果的關系就是與邏輯關系Fus條件1條件2結果合上為“1”斷開為“0”開關A、B燈F亮為“1”不亮為“0”邏輯變量邏輯函數(shù)邏輯關系表達式：F=A?B與邏輯真值表ABF000010100111與12.1.1基本邏輯關系與或非或邏輯運算2AB日常事物中往往會有這種情況，只要滿足幾個條件中的一個。就能得到某種結果，這種條件和結果的關系就是或邏輯關系F條件1條件2結果合上為“1”斷開為“0”開關A、B燈F亮為“1”不亮為“0”邏輯變量邏輯函數(shù)邏輯關系表達式：F=A+B或

邏輯真值表

ABF000011101111us12.1邏輯函數(shù)及其公式化簡法12.1.1基本邏輯關系與或非非邏輯運算3A日常事物中往往會有這種情況，條件和結果是一種相反的關系，這種條件和結果的關系就是非邏輯關系F條件結果合上為“1”斷開為“0”開關A燈F亮為“1”不亮為“0”邏輯變量邏輯函數(shù)非

邏輯真值表usR邏輯關系表達式：F=A

AF011012.1邏輯函數(shù)及其公式化簡法一、基本邏輯關系與或非非邏輯運算非

邏輯真值表邏輯式：F=A

AF0110或邏輯運算邏輯式：F=A+B或

邏輯真值表

ABF000011101111與邏輯運算邏輯式：F=A?B與邏輯真值表ABF000010100111

12.1.2邏輯代數(shù)的公理和基本公式以外的邏輯關系與或非同或邏輯運算同或

邏輯真值表

ABF001010100111異或邏輯運算異或邏輯真值表ABF00011011異或同或邏輯式：F=AB邏輯式：F=ABF=AB+ABF=AB+AB011012.1.2邏輯代數(shù)的公理和基本公式二、邏輯代數(shù)的基本公式和定理7.1

公理、公式和定理是邏輯運算和邏輯式化簡的基本依據(jù)公理基本公式代數(shù)定理摩根定理交換律結合律分配律常用公式提煉二、邏輯代數(shù)的基本公式和定理7.1

公理基本公式代數(shù)定理摩根定理交換律結合律分配律常用公式提煉二、邏輯代數(shù)的基本公式和定理摩根定理公理公式代數(shù)定理常用公式證明7.1證明：右式=A+AC+AB+BC=A（1+C+B）+BC=A+BC=左式證明：=A=右式左式=A（1+B）=A=右式左式=A（B+B）右式=(A+B)(A+A)=A+AB+AA+AB=A+AB=左式左式=AB+AC+BC(A+A)=AB+AC=AB+AC+ABC+ABC=右式左式=ABAC=(A+B)(A+C)=AB+AC+BC(A+A)=AB+AC=右式見仿真分析一、邏輯函數(shù)的公式化簡法用公式法化簡邏輯函數(shù)時，沒有固定的步驟和方法可循，關鍵在于熟練地掌握基本公式和定理，因在化簡過程中，有很大的技巧性，而且結果有時難以肯定是最簡、最合理的，因此下面介紹一種既簡便又直觀的化簡方法 卡諾圖化簡法。12.1.3邏輯函數(shù)的公式化簡法摩根定理公理公式代數(shù)定理常用公式根據(jù)如下公式定理化簡邏輯函數(shù)

邏輯代數(shù)的基礎知識一、基本邏輯關系非邏輯：F=A或邏輯：F=A+B與邏輯：F=A?B要求會列寫邏輯真值表二、邏輯代數(shù)的基本公式和定理摩根定理公理公式代數(shù)定理常用公式簡單要求簡單要求三、邏輯函數(shù)的公式化簡法

小結簡單要求異或邏輯：F=AB同或邏輯：F=AB12.2邏輯函數(shù)的卡諾圖化簡法一、邏輯函數(shù)的最小項

在n個變量的邏輯函數(shù)中，如果一個乘積項包含了所有的變量，而且每個變量都以原變量或反變量的形式在該乘積項中出現(xiàn)一次，則稱乘積項為n個變量的最小項。n個變量的最小項數(shù)為例如，AB兩個變量，其最小項為22=4個ABABABAB每個最小項都對應了一組變量的取值ABABABAB00011011ABC三個變量，其最小項為23=8個ABCABCABCABCABCABCABCABC000001010011100101110111對應任何一個邏輯函數(shù)都可表示為若干最小項之和的形式一、邏輯函數(shù)的最小項任何一個邏輯函數(shù)都可表示為若干最小項之和的形式怎樣由真值表列寫邏輯表達式？將使得函數(shù)式等于“1”的最小項一一列出函數(shù)式就等于這些最小項相“或”ABF000010100111與邏輯真值表

ABF000011101111或

邏輯真值表例如F=ABF=AB+AB+AB化簡得：F=A+B12.2二、卡諾圖按一定規(guī)則排列起來的最小方格圖FABCD0001111000011110m1m2m3m0m4m5m6m7m8m7m10m11m12m13m14m15卡諾圖邏輯函數(shù)邏輯變量變量取值

若變量為n則方格數(shù)為2n方格的編號1.變量值排序有何規(guī)則？思考？2.方格中添什么值？答1.邏輯相鄰2.添入F值二、卡諾圖從真值表到卡諾圖ABF000010100111與邏輯真值表

ABF000011101111或

邏輯真值表ABF01010001BF01011A011從邏輯式到卡諾圖二、卡諾圖F=ABC+ABC+BCD+BCDFABCD0001111000011110ABC

對應最小項ABCDABCD0101010011同理ABC11001101BCD0011101100101010BCD111111余下的方格中添“0”00000000邏輯式卡諾圖三、用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)利用相鄰最小項可以合并的原理進行化簡

ABF000011101111或

邏輯真值表BF01011A011F=AB+A