電力電子器件及其應(yīng).ppt

第 8 章 電力電子器件及其應(yīng)用,太原理工大學(xué)電工基礎(chǔ)教學(xué)部,第8章 電力電子器件及其應(yīng)用,8.1 晶閘管,8.2 可控硅整流電路,8.3 單結(jié)晶閘管觸發(fā)電路,8.4 晶閘管的保護(hù),本章要求:,1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特 性和主要參數(shù)。 2. 理解可控整流電路的工作原理、掌握電 壓平均值與控制角的關(guān)系。 3. 了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。,第8章 電力電子器件及其應(yīng)用,晶閘管（Thyristor） 可控硅（SCR ) （Silicon Controlled Rectifier） 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大功 率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域 擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。 晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、 調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。,體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。,8.1 晶閘管,8.1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理,G,1.基本結(jié)構(gòu)和符號(hào),外形,結(jié)構(gòu),常用晶閘管的圖片,螺栓型晶閘管,晶閘管模塊,平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu),2.晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn),(c)去掉控制極正向電壓，燈泡亮。,(d)陽(yáng)極加反向電壓，燈泡熄滅。,(a)控制極不加電壓，燈泡不亮。,(b)控制極加正向電壓，燈泡亮。,晶閘管導(dǎo)通的條件：,晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。,晶閘管關(guān)斷的條件：,晶閘管陽(yáng)極電流小于維持電流（IAIH） ，或?qū)㈥?yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反相電壓（UAK0） 。,3.晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件,晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合,4.工作原理,工作原理,A,在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱(chēng)觸發(fā)導(dǎo)通。,形成正反饋過(guò)程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。,工作原理,G,EA 0、EG 0,K,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向轉(zhuǎn)折電壓,反向轉(zhuǎn)折電壓,正向平均電流,維持電流,8.1.2 伏安特性及主要參數(shù),1. 伏安特性,2 .主要參數(shù),(1) 正向平均電流 IF： 環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。,如果正弦半波電流的最大值為Im, 則,普通晶閘管IF為1A 1000A。,(3) 通態(tài)平均電壓（管壓降） UF: 在規(guī)定的條件下，通過(guò)正弦半波平均電流時(shí)， 晶閘管陽(yáng)、陰極間的電壓平均值。 一般為1V左右。,(2) 維持電流 IH: 在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo) 通狀態(tài)所必須的最小電流。 一般IH為幾十 一百多毫安。,(4) 正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）UFRM: 控制極開(kāi)路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶閘管 UFRM 為100V 3000V,(5)反向重復(fù)峰值電壓URRM： 控制極開(kāi)路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元 件上的反向峰值電壓。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶閘管 URRM為100V3000V,(6)控制極觸發(fā)電壓和電流UG、IG： 室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完 全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。 一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。,(7)浪涌電流IFSM： 在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，晶閘管中允許通過(guò)的最大過(guò)載電流。,晶閘管型號(hào)及其含義,導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別 共九級(jí), 用字母AI表示0.41.2V,額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者,額定正向平均電流(IF),如KP200-18F 表示額定正向平均電流為200A，額定電壓為1800V，管壓降為0.9V的普通晶閘管。,8.2 可控整流電路,8.2.1 單相半波可控整流 1. 電阻性負(fù)載,(1) 電路分析,u 0 時(shí)： 若ug = 0，晶閘管不導(dǎo)通，,u 0 時(shí): 晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通, uo = 0, uT = u ，故稱(chēng)可控整流。,控制極加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo) 通，,(2) 工作原理,t1,u 0 時(shí): 可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通,即：晶閘管反向阻斷,加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通,u 0時(shí):,O,接電阻負(fù)載時(shí) 單相半波可控整流電路電壓、電流波形,控制角,t1,O,t2,2,導(dǎo)通角,(3)工作波形,(4)整流輸出電壓及電流的平均值,由公式可知：,改變控制角，可改變輸出電壓Uo。,2. 電感性負(fù)載與續(xù)流二極管,(1)電路,當(dāng)電壓u過(guò)零后，由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍 維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?在電感性負(fù)載中 ,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(shì)(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見(jiàn)波形)。,O,t1,t2,2,（2）工作波形（未加續(xù)流二極管）,u 0時(shí)： D反向截止，不影響整流電路工作。,（3）電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管),+,工作波形(加續(xù)流二極管),iL,2,8.2.2 單相半控橋式整流電路,1. 電路,2. 工作原理,T1和D2承受正向 電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1和D2導(dǎo) 通，電流的通路為,a,(1)電壓u 為正半周時(shí),此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。,T2和D1承受正向 電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導(dǎo) 通，電流的通路為,(2)電壓u 為負(fù)半周時(shí),b,此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。,3. 工作波形,2,4. 輸出電壓及電流的平均值,兩種常用可控整流電路,電路 特點(diǎn),該電路只用一只晶閘管，且其上 無(wú)反向電壓。,2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。,(1),電路 特點(diǎn),1. 該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2 便起 續(xù)流二極管作用。,(2),2. 由于T1的陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控 制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。,8.3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,8.3.1 單結(jié)晶體管,PN結(jié),N型硅片,示意圖,1. 結(jié)構(gòu)與符號(hào),2. 工作原理, UE UBB+UD = UP 時(shí),PN結(jié)反偏，IE很??；,PN結(jié)正向?qū)? IE迅速增加。, 分壓比(0.5 0.9),測(cè)量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路,由圖可求得,3. 伏安特性,Ip,IV,負(fù)阻區(qū)：UEUP后， 大量空穴注入基區(qū)， 致使IE增加、UE 反 而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。,1. UE UP時(shí)單結(jié)管截止；,UE UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通， UE UV時(shí)恢復(fù)截止。,單結(jié)晶體管的特點(diǎn),2.單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP與 外加固定電壓UBB及分壓比 有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點(diǎn)電 壓UP不同。,3. 不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV都 不一樣。谷點(diǎn)電壓大約在2 5V之間。常選用 稍大一些， UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。,8.3.2 單結(jié)晶體管振蕩電路,1. 振蕩電路,單結(jié)晶體管弛張振蕩電路,單結(jié)晶體管弛張 振蕩電路利用單結(jié)管 的負(fù)阻特性及RC電路 的充放電特性組成頻 率可調(diào)的振蕩電路。,2. 振蕩過(guò)程分析,設(shè)通電前uC=0。,接通電源U, 電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。,當(dāng)uC UP時(shí),單結(jié)管導(dǎo)通,電 容C放電,R1上得到一脈沖電壓。,電容放電至 uC Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。,(a),(b),注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。,(c) 電壓波形,8.3.3 單結(jié)管同步觸發(fā)電路,1. 電路,2. 工作原理,(1)整流削波,削波,整流,(2) 觸發(fā)電路,t,(3) 輸出電壓uL,O,O,問(wèn) 題 討 論,1. 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā) 電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？,目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過(guò)零(即兩者同步)，使電容在每半個(gè)周期均從零開(kāi)始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。,2. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？,穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個(gè)周期產(chǎn)生 第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。,3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？ 如何改變控制角？,根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽(yáng)極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號(hào)，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個(gè)周期中只有第一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。,改變充電時(shí)間常數(shù)即可改變控制角。 控制角變化的范圍稱(chēng)為移相范圍。,4. 電壓的調(diào)節(jié),單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,輸出脈沖可以直接從電阻R1引出(如前圖)，也可 通過(guò)脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間 允許的反向電壓很小，為了防止反向擊穿，在脈沖 變壓器副邊串聯(lián)二極管D1, 可將反向電壓隔開(kāi)，而 并聯(lián)D2，可將反向電壓短路。,使用脈沖變壓器的觸發(fā)電器,8.4 晶閘管的保護(hù),晶閘管承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力很差，這是它的主要缺點(diǎn)。 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。例如一只100A的晶閘管過(guò)電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過(guò)熱而損壞； 晶閘管耐受過(guò)電壓的能力極差，電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。,8.4.1 晶閘管的過(guò)流保護(hù),1. 快速熔斷器保護(hù),電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，它能在晶閘管過(guò)熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。,與晶閘 管串聯(lián),接在輸入端,接在輸出端,快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。,2. 過(guò)流繼電器保護(hù),3. 過(guò)流截止保護(hù),在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過(guò)電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故