电力电子技术第二章整流器
毕业论文-单相三电平SPWM整流器的研究与设计(shrimplm)
毕业论文-单相三电平SPWM整流器的研究与设计(shrimplm)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊摘要随着电力电子器件、高精度高速运算芯片、实时仿真及控制等技术的飞速发展，各类电力电子装置正广泛地应用于交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等领域，然而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连，总存在网侧功率因数低以及输入电流谐波成分高的问题。
为了减小谐波干扰对电网质量的危害，以及可能因此而引发的事故，1994年3月国家技术监督局颁布了国标GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》。
抑制电力谐波提高功率因数的方法主要有两种，一种是装设专用的谐波补偿装置，该方法相应地带来了成本增加的问题；另一种是采用新型的高功率因数变流器。
PWM整流器作为高功率因数变流器的一个重要方向，在各种工业生产领域扮演着重要角色。
它不仅要求中间直流环节的电压保持恒定，交流侧功率因数为1，还要求尽量减少电流谐波。
然而相对于两电平PWM整流电路，三电平PWM整流器的功率开关管所承受的关断电压为直流侧电压的一半，减少了功率开关管的电压强度，同时电平数的增加使入端电流更接近正弦波，在同样的的开关频率及控制方式下，其电流谐波总畸变率（THD）要远小于两电平PWM整流器。
因此，本毕业设计以单相三电平PWM整流器为研究对象, 首先介绍了课题的产生背景、研究概况及意义，阐述了PWM整流器的工作原理，并对其开关工作模态以及拓扑结构进行了分析；其次，在此基础上，建立了三电平整流器的系统数学模型，并对PWM控制技术进行总结，采用电压电流双闭环控制，利用MATLAB/Simulink进行了仿真实验。
仿真结果表明，系统的工作情况与理论分析相符合，该系统不仅能使直流电压在一定范围内可调，而且使整流器交流侧电流谐波降低，实现了单位功率因数运行。
关键词：三电平整流功率因数校正MATLAB仿真┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊电流1u直流侧电容C1两端电压2u直流侧电容C2两端电压aS1-a S4/ b1S-b S4三电平整流器左/右半桥臂四个开关管aVD1-aVD4/bVD1-bVD4三电平整流器8个反并联二极管1C/2C直流侧上下两个支撑电容R入端电阻L入端电感LR直流侧输出负载电阻AS三电平整┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊流电路简化模型的A相开关BS三电平整流电路简化模型的B相开关目录摘要 ...................................................................................................................................... I I ABSTRACT........................................................................................... 错误!未定义书签。
电力电子技术第二章整流1 共91页
2.4 电容滤波的不可控整流电路（不作要求） 2.4.1 电容滤波的单相不可控整流电路 2.4.2 电容滤波的三相不可控整流电路
2.5 整流电路的谐波和功率因数 2.5.1 谐波和无功功率分析基础 2.5.2 带电感性负载时可控整流电路交流侧谐波和功 率因数分析 2.5.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和功 率因数分析 2.5.4 整流输出电压和电流的谐波分析
第二章 第 8 页
2.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波）
〔基本数量关系〕
直流输出电压平均值Ud
U d 2 1 2 U 2 sitn (d t)2 2 U 2(1 co ) 0 s .4 U 2 5 1 c 2o （2s -1）
说明：使用万用表直流档测量Ud即为该数值；
（2） ωt1 ～ π : U2为正， VT1和VT4 由于触发脉冲UG的 作用而导通， VT2和VT3承受 U2 的反向电压， id =U2/R ；
（3） π ～ ωt2(π + ωt1) ：
U2为负，VT2和VT3无触发脉 冲截止，VT2和VT3分担U2/2的 正向电压，VT1和VT4分担U2/2 的反向电压, Ud=0;
u2
重点注意：工作原理（波形分析）、定 b ) 0 t1
2
t
量计算、不同负载的影响。
ug
c)
0
t
ud
2.1.1 单相半波可控整流电路（单相半波） d ) 0
t
Single Phase Half Wave Controlled Rectifier
uVT
1. 带电阻负载的工作情况
t 关断；
第二章 第 13 页
图2-2 带电感性负载的 单相半波电路及其波形
电力电子技术第二章整流电路(1)
14
3）晶闸管的电流平均值IdT
I dT π -a I 2π d
4）晶闸管的电流有效值IT
1 p 2 p a IT I a I d d (wt ) 2p 2p d
15
5）续流二极管的电流平均值IdD
I dD π a Id 2π
d
ud E 部分时间为 0 的情况 id ud=u2 ， 电流连续 id 波形在一周期内不 R 0 的情况 直至 |u2| = E出现为 ，id 即降至 0 使得晶闸 当管关断，此后 a ﹤δ 时，触发脉冲到来时，晶 ud = E 闸管承受负电压，不能导通。 与电阻负载时相比，晶闸管提前了
ud E O id O b)
wt
ug
c) 0
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。
电力电子电路中存在非线性的 电力电子器件，决定了电力电子 电路是非线性电路。 若将器件看作理想开关，则可 将电力电子电路简化为分段线性 电路，分段进行分析计算。
wt
ud
d)
+
+
0
a
wt
id
e)
0
q
wt
uVT
f)
0
wt
图2-2 带阻感负载单相半波可控整 流电路及波形 10
图2-7 单相桥式全控整流电路接反 电动势—电阻负载时的电路及波形
25
u
a
d
q=p
E
负载为直流电动机时，如果 出现电流断续则电动机 的机械 特性将很软 。
wt
0
p
i
d
为了克服此缺点，一般在主 电路中直流输出侧串联一个平波 电抗器，用来减少电流的脉动和 延长晶闸管导通的时间。 这时整流电压ud的波形和负载电 流id的波形与电感负载电流连续 时的波形相同，ud的计算公式亦 一样。
电力电子技术第二章整流电路答案
21. 单相半波可控整流电路对电感负载供电， L ＝20mH ， U 2＝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 u 2 的正半周期晶闸管导通时，负载电感 导通时刻，负载电流为零。
在电源电压u 2 的负半周期，负载电感导通。
因此，在电源电压 u 2 的一个周期里，以下方程均成立：L di d 2U 2 sin tdt2考虑到初始条件：当 t ＝0时 i d ＝0可解方程得：2U 2 i d(1 cos t)L1 2 2U 22(1 cos t)d( t) L2U 2=2u d 与 i d 的波形如下图：量在 u 2负半周期180 ~300 期间释放，因此在 u 2 一个周期中 60 ~300 期间以下微分方程成 立： L d d itd2U 2 sin t其平均值为此时 u d 与 i d 的波形如下图：α ＝ 60 °时， L 储能， 电感 L 储藏的能L 储能，在晶闸管开始 L 释放能量，晶闸管继续I d考虑初始条件：当t ＝ 60 时 i d ＝ 0 可解方程得：i d2U 2 L 1( cos t)I d52U 2 1 33 2U L 2 (12 cos t)d( t) =2U 22L =11.25(A)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化问题吗？试说明：①晶闸管承受的最大反向电压为2 2U2 ；②当负载是电阻或电感时，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VT 2为例。
电力电子技术2.1-2.2
5）保护电路：用于保证电力电子器件和整个电力电子系 统正常可靠工作。 因为主电路中有电压和电流的冲击，而电力电子器 件一般比主电路中的普通器件昂贵，但承受过电压和过 电流的能力却要差一些，所以保护电路的存在是非常必 要的。 6）电气隔离：将主电路和控制电路等进行安全隔离，而 通过光、磁等来传递信号。 因为主电路中电流和电压较大，而控制电路中的元 器件只能承受较小的电压和电流，因此在主电路和控制 电路连接的路径上需要进行电气隔离。例如：驱动电路 与主电路的连接处、与控制信号的连接处，主电路与检 测电路的连接处。
④PN结的电容效应 PN结的电荷量随外加电压的变化而变化，呈现电容效应，称 为结电容CJ，又称为微分电容。 结电容按其产生的机制和作用的差别分为以下两类： A—势垒电容CB： 它只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，其作 用越明显。 它的大小与PN结的截面积成正比，与阻挡层厚度成反比。 B—扩散电容CD： 它仅在正向偏置时起作用。 在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为结电容的主 要成份，正向电压较高时，扩散电容为结电容的主要成份。 注意：结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态 下，可使其单向导电性变差，甚至不能工作，应用时要注意。
4 电力电子器件的分类
（1）按照器件的开关控制特性分类：分为三类 ①不可控器件：器件本身没有导通、关断控制功能，而是需要根据 电路条件决定其导通、关断状态的器件称为不可控器件。 如：电力二极管。 ②半控型器件：通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的 电力电子器件称为半控型器件。 如：晶闸管及其大部分派生器件。 ③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的器 件，称为全控型器件。 如：门极可关断晶闸管（GTO）、功率晶体管GTR、功率场效应晶 体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
整流器简介介绍
随着电力电子技术的发展，对整流器的性能要求越来越高， 因此高性能、高效率的整流器研究显得尤为重要。
详细描述
为了提高整流器的性能，需要从以下几个方面进行研究：采 用更先进的半导体材料、优化电路拓扑结构、改进散热系统 设计、提高控制算法的精度和速度等。
智能化、模块化的整流器研究
总结词
随着工业自动化和智能化的发展，对整流器 的智能化和模块化需求越来越高。
整流器简介介绍
汇报人： 2023-12-07
contents
目录
• 整流器概述 • 整流器的工作原理 • 整流器的种类与特点 • 整流器的设计与优化 • 整流器的应用案例 • 整流器的发展趋势与展望
01
整流器概述
定义与作用
定义
整流器是一种将交流电转换为直 流电的电子设备。
作用
整流器的主要作用是将交流电进 行整流，将其转换为直流电，以 满足各种电子设备对直流电源的 需求。
随着汽车技术的不断发展，汽车内部的电 子设备越来越多，如发动机控制单元、安 全气囊等。整流器可以将汽车电源转换为 稳定的直流电，为这些电子设备提供可靠 的电源，保证其正常运行。同时，整流器 还可以用于汽车照明、音响等设备中，提 高设备的性能和稳定性。
06
整流器的发展趋势与展望
高性能、高效率的整流器研究
整流器的发展历程
早期阶段
早期的整流器主要采用机械式整 流器，其结构简单，但效率较低
，可靠性也较差。
半导体时代
随着半导体技术的发展，半导体整 流器逐渐取代了机械式整流器，其 具有效率高、体积小、可靠性高等 优点。
现代发展
随着电力电子技术的不断发展，整 流器在性能和可靠性方面得到了进 一步提升，同时也在新能源、电力 等领域得到了广泛应用。
电力电子技术(王云亮第二版)第2章答案
第2章 可控整流器与有源逆变器习题解答2-1 具有续流二极管的单相半波可控整流电路，电感性负载，电阻为5Ω,电感为0.2H ，电源电压2U 为220V ，直流平均电流为10A ，试计算晶闸管和续流二极管的电流有效值，并指出其电压定额。
解：由直流输出电压平均值d U 的关系式：2cos 145.02α+=U U d 已知直流平均电流d I 为10A ，故得：A R I U d d 50510=⨯==可以求得控制角α为：0122045.0502145.02cos 2≈-⨯⨯=-=U U d α 则α=90°。
所以，晶闸管的电流有效值求得， ()A I I I t d I I d d d d VT 521222212==-=-==⎰ππππαπωππα 续流二极管的电流有效值为：A I I d VD R 66.82=+=παπ 晶闸管承受的最大正、反向电压均为电源电压的峰值22U U M =，考虑2~3倍安全裕量，晶闸管的额定电压为()()V U U M TN 933~6223113~23~2=⨯==续流二极管承受的最大反向电压为电源电压的峰值22U U M =，考虑2~3倍安全裕量，续流二极管的额定电压为()()V U U M TN 933~6223113~23~2=⨯==2-2 具有变压器中心抽头的单相双半波可控整流电路如图2-44所示，问该变压器是否存在直流磁化问题。
试说明晶闸管承受的最大反向电压是多少？当负载是电阻或者电感时，其输出电压和电流的波形与单相全控桥时是否相同。
解：因为单相双半波可控整流电路变压器二次测绕组中，正负半周上下绕组电流的方向相反，波形对称，其一个周期的平均电流为零，故不会有直流磁化的问题。
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 2VT 为例。
当1VT 导通时，晶闸管2VT 通过1VT 与2个变压器二次绕组并联，所以2VT 承受的最大电压为222U 。
第2章电力电子技术(第3版)[王云亮][电子教案(版本)]
![第2章电力电子技术(第3版)[王云亮][电子教案(版本)]](https://img.taocdn.com/s3/m/16007ef558fb770bf68a5525.png)
单相半波整流电路阻性负载演示
带电阻负载的工作情况
➢ 变压器T起变换电压和隔离的作用 ➢ 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同 ➢ 几个概念的解释：
✓ ud为脉动直流，波形只在u2正半周内出现，故称“半波”整流 ✓ 采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半
波可控整流电路 ✓ ud波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波整流电路
cos P UI2 1 sin 2 π
S U2I2 4π
2π
式中 P—变压器二次侧有功功率
S—变压器二次侧视在功率
〖例2-1〗 如图所示单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为 220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A 试计算：
(1) 晶闸管的控制角。 (2) 电路功率因数。 (3) 晶闸管的额定电压和额定电流。
解 (1) 则α=90º
cos 2Ud 1 2 50 1 0
0.45U d
0.45 220
(2)
R Ud 50 2.5
Id 20
当 α=90º时，输出电流有效值
I U U2 1 sin 2 π 44.4 A
R R 4π
2π
cos P UI2
U
44.4 50
20 0.505
UTN (2 ~ 3)Um (2 ~ 3)311 622 ~ 933 V
根据计算结果可以选取满足要求的晶闸管。
2. 电感性负载
（1）工作原理 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。 当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电
流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸 收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放 出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。
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•额定电流有效值为:
➢ 正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按
有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.5~2倍的裕量。
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电力电子技术第二章整流器
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电力电子技术第二章整流器
•（2）反向重复峰值电压ＵRRM：
• 指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压） 此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。
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电力电子技术第二章整流器
1.1.2 功率二极管的特性和主要参数
1. 功率二极管的特性
(1) 功率二极管的伏安特性
• 二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必 须克服一定的门槛电压Uth(又称死区电压)，当外 加电压小于门槛电压时，正向电流几乎为零。硅 二极管的门槛电压约为0.5V，当外加电压大于Uth 后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极 管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压 超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿， 反向电流迅速增加。
接V成D三3导角通形，避u免d=3u次c 谐波
第流1入段电，网V。T1导通期间，为一管
压降，
►a、可三b近、个似c晶三为闸相u管T电1=分源0别，接其入阴 第极连2段接，在在一V起T为1关共断阴后极，VT2导 通期接间法，。
uT1=ua-ub=uab，为一段线电 压。
第3段，在VT3导通期间，
• 作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替
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电力电子技术第二章整流器
0.1.1 电力电子器件的概念和特征
3) 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 (Driving Circuit）
（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触 形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～ 0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐 压在200Ｖ以下。
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电力电子技术第二章整流器
三、电力二极管的主要参数
（1）额定正向平均电流IF(AV)
➢ 额定正向平均电流——在指定的管 壳温（简称壳温，用TC表示）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。设该正弦 半波电流的峰值为Im, 则
• 输出直流电压和电流的平均值 减小；
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•图2-4 单相半波带阻感负载 •有续流二极管的电路及波形
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在 整 流 电 路 的 负 载 两 端 并 联 续 流 二 极 管
当u2过零变负时，VDR导通，ud 为零。 此时为负的u2通过VDR 向 SR施加反压使其关断，L储存的能 量保证了电流id在L-R-VDR回路中 流通，此过程通常称为续流。续 流 期 间 ud 为 零 ， ud 中 不 再 出 现 负 的部分。
• 通常电力电子器件的断态漏电流（Leakage Current）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（Switching Frequency）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
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电力电子技术第二章整流器
0.1.2 应用电力电子器件的系统组成
电力电子技术第二章整流器
(3)有续效流值二ID极R 管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流
(4) 整流二极管和续流二极管承受的最大正反向电压
整流和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电 压的峰值。
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1.2.3 单相全波整流器
• 电路拓扑 • 工作原理
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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（On-state Voltagedrop） ，形成通态损耗（ On-state Losses)
• 阻断时器件上有微小的断态漏电流（Leakage Current）流 过，形成断态损耗 ( Off-state Losses）
（3） 正向压降ＵF：
• 指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的 正向平均电压(又称管压降)。
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1.2 单相整流器（不控整流 ）
1.2.1 单相半波整流器带电阻性负载
1.工作原理
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• 2 数量关系 • (1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值
• 电力二极管（Power Diode） • 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；
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电力电子技术第二章整流器
1.1 功率二极管
•1.1SR的结构和工作原理
•电力二极管（Power Diode）也称为半导体整流器， •简称SR,属不可控电力电子器件。
1. 功率二极管的结构
电力电子技术第二章整 流器
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2020/11/27
电力电子技术第二章整流器
主要内容：
• 功率（电力）二极管 • 单相整流器 • 三相整流器
PPT文档演念和特征
➢ 主电路（Main Power Circuit）—电气设备或电 力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的 电路。
• 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。
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电力电子技术第二章整流器
0.1.1 电力电子器件的概念和特征
2) 电力电子器件一般都工作在开关状态
• 导通时【通态（On－State）】阻抗（Impedance）很小， 接近于短路，管压降（Voltage Across the Tube）接近于零 ，而电流由外电路决定
• 两类中，自20世纪50年代以来，真空管（Vacuum Valve）仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中 还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（ Mercury Arc Rectifier）、闸流管（Thyratron）等电真 空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往 往专指电力半导体器件。
uT1=ua-uc=uac
为另一段
线电压。 电力电子技术第二章整流器
1.3.2 三相桥式整流器
•共阴极组 阴极连接在一起 的3个二极管（SR1，SR3，SR5）
•共阳极组 阳极连接在一起 的3个二极管（SR4，SR6，SR2）
•导通顺序： • SR1－〉SR2－〉SR3－〉 SR4 －〉SR5－〉SR6
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电力二极管的伏安特性曲线
•反向 击穿
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•反向 截止状
态
•正向 导通
电力电子技术第二章整流器
•2、电力二极管的主要类型：
（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RD），其反向恢 复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额定电压达数千 伏以上。
（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５μs以下的称为快恢复 二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。
• 电力半导体器件（Power Semiconductor Device）所采 用的主要材料仍然是硅
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0.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 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
• 阻断时【断态（Off－State）】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（Dynamic Speciality）【也就是开 关特性（Switching Speciality）】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。
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2. 功率二极管的工作原理
• 由于PN结具有单向导电性，所以二极管是 一个正方向单向导电、反方向阻断的电力 电子器件。
✓ 基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。 ✓ 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。 ✓ 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。
决定；
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0.1.3 电力电子器件的分类
2) 全控型器件(Full-controlled Device)——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 （ Insulated-Gate Bipolar Transistor——IGBT）
➢ 电力电子器件（Power Electronic Device）— 可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。
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0.1.1 电力电子器件的概念和特征
➢ 广义上电力电子器件可分为电真空器件（Electron Device）和半导体器件（Semiconductor Device ）两类。
Id • 直流输出电压平均值Ud:
• 输出电流平均值Id:
(2) 二极管承受的最大正反向电压Um
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1.2.2 单相半波整流器带电感性负载
• 1. 工作原理
• 电源供给的能量一部分用于电 阻发热，一部分用于电感储能； 交流电压过零时，由于电感电势 存在，二极管仍要导通部分时间。