電工電子第十二章

1、第十二章 現(xiàn)代電力電子技術(shù) 電力電子技術(shù)是電力、電子、控制三大領(lǐng)域的交叉學(xué)科，是目前最活躍、發(fā)展最快的一門新興學(xué)科。電力電子技術(shù)包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個(gè)部分。本章首先介紹電力電子器件的結(jié)構(gòu)、工作原理和主要參數(shù)。接著以電力電子器件為核心，通過(guò)對(duì)各種不同電路的控制，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，具體介紹整流電路、斬波電路、交流調(diào)壓電路，以及各種電路的應(yīng)用。最后以典型器件變頻器為例，分析無(wú)源逆變器的工作原理和變頻器應(yīng)用等內(nèi)容。第一節(jié) 常用電力電子器件電力電子器件適用于高壓、大電流場(chǎng)合，主要以開關(guān)方式工作。電力電子器件是電力電子技術(shù)的核心。目前，常用的電力電子器件有：普通晶閘管（SCR）、雙向

2、晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。這些器件各有自己的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。一、晶閘管晶閘管原稱為可控整流器（SCR），它是目前半導(dǎo)體從弱電進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域，制造技術(shù)最成熟，應(yīng)用廣泛的器件之一。它既具有二極管的單向?qū)щ娦?，又具有正向?qū)ǖ目煽靥匦浴Ｒ蚨谡{(diào)速系統(tǒng)、變頻電源，無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的三個(gè)電極分別為陽(yáng)極A、陰極K和控制極（門極）G，其圖形符號(hào)如圖12-1a所示。晶閘管的封裝形式與晶閘管容量有關(guān)，對(duì)于額定電流小于10A的小功率管常用壓膜塑封式，如圖12-1b所示；對(duì)于大功率晶閘管，有螺栓式和平板式兩種：額定電流在200A以下的晶

3、閘管采用螺栓式，如圖12-1c所示。大于200A的采用平板式，如圖12-1d所示。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看晶閘管有P1N1P2N2四層半導(dǎo)體，形成J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)，如圖18-1e所示。從P1層引出陽(yáng)極A，從N2層引出陰極K，從P2層引出控制極G。加在晶閘管陽(yáng)極與陰極之間的電壓稱為陽(yáng)極電壓，加在晶閘管控制極與陰極之間稱為控制極電壓。2晶閘管的工作原理晶閘管工作原理可用圖12-2所示實(shí)驗(yàn)電路加以說(shuō)明。圖12-1 晶閘管的結(jié)構(gòu)a）圖形符號(hào) b）塑封式 c）螺栓式 d）平板式 e）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖12-2 晶閘管的工作原理圖a）反向阻斷 b）正向阻斷 c）觸發(fā)導(dǎo)通 d）除去控制極信號(hào)仍導(dǎo)通（1）反向阻斷如圖

4、12-2a所示，晶閘管陽(yáng)極與陰極之間加反向電壓即晶閘管陽(yáng)極電壓小于零，此時(shí)無(wú)論是否給控制極加電壓，燈泡不發(fā)光，晶閘管不導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為反向阻斷狀態(tài)。（2）正向阻斷如圖12-2b所示，晶閘管陽(yáng)極電壓大于零，但由于控制極無(wú)電壓信號(hào)，燈泡不發(fā)光，晶閘管不導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為正向阻斷。（3）觸發(fā)導(dǎo)通如圖12-2c所示在晶閘管陽(yáng)極和陰極加正向電壓的基礎(chǔ)上，給控制極和陰極間加足夠的正向電壓即控制極電壓大于零，此時(shí)燈發(fā)光，晶閘管導(dǎo)通，這種狀態(tài)稱為觸發(fā)導(dǎo)通。在晶閘管導(dǎo)通后若除去控制極上的電壓，燈仍發(fā)光，如圖12-2d所示，表示晶閘管仍導(dǎo)通?？梢娋чl管一旦導(dǎo)通后，控制極就失去控制作用。要使已導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷

5、，可降低或增大負(fù)載電阻使流過(guò)晶閘管電流小于維持電流IH，元件就關(guān)斷了。從上述實(shí)驗(yàn)可以看出：1）晶閘管導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件：晶閘管的陽(yáng)極與陰極間加正向電壓，即UAK0?？刂茦O與陰極之間加足夠正向電壓，即UGK0。2）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3）要使晶閘管關(guān)斷，必須使晶閘管的陽(yáng)極電流降到維持電流IH以下。此時(shí)晶閘管只有重新觸發(fā)才能再次導(dǎo)通。3晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性是指晶閘管陽(yáng)極電壓UAK與陽(yáng)極電流IA之間的函數(shù)關(guān)系。如圖12-3所示。圖12-3 晶閘管的伏安特性當(dāng)晶閘管外加反向電壓UAK0時(shí)，它的反向特性與二極管的反向特性相似。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，當(dāng)

6、反向電壓增加到電壓URO時(shí)，晶閘管被反向擊穿，導(dǎo)致晶閘管永久性損壞。晶閘管加正向電壓且控制極開路時(shí)，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)UAK升至UBO時(shí)，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。UBO稱元件的正向轉(zhuǎn)折電壓，此時(shí)管子處于硬開通，多次“硬開通”會(huì)損壞管子，通常就在門極加上電壓，使Ig足夠大，此時(shí)晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓很小，即只要很小的陽(yáng)極電壓晶閘管就能由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通，晶閘管可以看成是個(gè)可控的二極管。4主要參數(shù)（1）額定電壓UTn選用晶閘管時(shí)，其額定電壓為電路中可能出現(xiàn)的最大瞬時(shí)電壓的23倍。（2）額定電流IT（AV）選晶閘管時(shí)，按式IT（AV）=（1.52）I/1.57取相應(yīng)的電流等級(jí)即可。式中I

7、為電路中可能出現(xiàn)的最大電流有效值。（3）維持電流IH控制極開路和室溫條件下，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，維持通態(tài)所必須的最小電流，一般為幾十微安。（4）控制極觸發(fā)電壓UG和觸發(fā)電流IG在規(guī)定正向陽(yáng)極電壓下，使晶閘管等由阻斷到導(dǎo)通所得的最小控制極電壓和電流，一般門極觸發(fā)電壓UG大于3.5V，不超過(guò)10V，IG為幾十到幾百毫安。為確保觸發(fā)，加到控極的觸發(fā)電壓和電流要比額定值大。（5）通態(tài)平均電壓UT（AV）在規(guī)定條件下，通過(guò)正弦半波的額定電流時(shí)，晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間電壓的平均值，該值約為1V左右。5晶閘管判別（1）晶閘管電極的判別塑封式普通晶閘管等可用萬(wàn)用表R×100或R×1K檔來(lái)測(cè)任

8、意兩腳的正向電阻，當(dāng)某次測(cè)量得的數(shù)值最小時(shí)（約為幾十歐），此時(shí)黑表筆對(duì)應(yīng)的是控制極，紅表筆對(duì)應(yīng)的是陰極，余下的為陽(yáng)極。（2）晶閘管好壞的判別用萬(wàn)用表粗測(cè)其好壞的方法是：測(cè)量各極之間的正反向電阻的大小。好的管子，用表的R×1K檔測(cè)量陽(yáng)極與陰極間的正反電阻都很大，約幾百千歐。用表的R×10或R×100檔測(cè)量控制極與陽(yáng)極間的正反向電阻，二者應(yīng)有明顯差別。二、雙向晶閘管1雙向晶閘管結(jié)構(gòu)a） b） c）圖12-4 雙向晶閘管a）結(jié)構(gòu) b）等效圖 c）符號(hào)雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、螺栓式和平板式。其內(nèi)部是五層半導(dǎo)體（NPN PN），引出三個(gè)電極，分別為第一陽(yáng)

9、極（T1）、第二陽(yáng)極（T2）和門極（G），如圖12-4所示。無(wú)論從結(jié)構(gòu)還是特性上來(lái)看，雙向晶閘管都可看成兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管（P1N1P2N2和 P2N1P1N4），因此雙向晶閘管常用于交流調(diào)壓的場(chǎng)合。2雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個(gè)方向都能導(dǎo)通，G相對(duì)于T2無(wú)論是正還是負(fù)都能觸發(fā)，因此有四種觸發(fā)方式，見表12-1。表12-1 四種觸發(fā)方式四種觸發(fā)方式中的靈敏度各不相同，其中+方式靈敏度最低，因此在實(shí)際應(yīng)用中只采用（-，-）和（+，-）兩種觸發(fā)方式。3參數(shù)選擇（1）額定電壓UTn額定電壓為電路中可能出現(xiàn)的最大瞬時(shí)電壓的23倍。380V電路中的交流開關(guān)，一般選用1000V1200V的雙向晶

10、閘管。（2）額定電流IT（RMS）雙向晶閘管多用于頻繁起動(dòng)和制動(dòng)的場(chǎng)合，對(duì)于可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，IT（RMS）應(yīng)為電機(jī)最大額定電流的710倍。（3）換向能力的選擇一般選用為220V/µ s的雙向晶閘管4雙向晶閘管的判別（1）T2極的判別用萬(wàn)用表R×1K測(cè)G與T1、T2中任意兩個(gè)電極的正反向電阻，若測(cè)得的兩個(gè)電極間的正反向電阻都很?。s100歐）時(shí)，則這兩個(gè)電極為G和T1，剩下的為T2。大功率雙向晶閘管的T2與散熱器相連，由此確定T2。（2）T1和G極的判別用黑表筆接假設(shè)的T1極，紅表筆接T2極，此時(shí)用導(dǎo)線將T2和G短接，電阻應(yīng)為10歐左右，雙向晶閘管導(dǎo)通，除去短接線，電阻不變，

11、雙向晶閘管維持導(dǎo)通。三、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管，簡(jiǎn)稱功率MOSFET，它是一種單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力，且輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)到1MHZ，不存在二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬等主等優(yōu)點(diǎn)。MOSFET屬現(xiàn)代電力電子器件，因其電壓和電流容量較小，故在高頻中小功率的電力電子裝置如開關(guān)電源、機(jī)床伺服、汽車電子化等方面得到廣泛應(yīng)用。1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)功率MOSFET根據(jù)載流子的性質(zhì)可分為P溝道和N溝道兩種類型，符號(hào)如圖12-5a所示，它有三個(gè)電極：柵極G、源極S和漏極D，圖中箭頭表示載流子移動(dòng)方向。功率MOSFET無(wú)反向阻斷能力，因?yàn)楫?dāng)漏源極電壓UDS0

12、時(shí)，漏區(qū)PN結(jié)為正偏，漏源間流過(guò)反向電流。因此在應(yīng)用時(shí)若必須承受反向電壓，則MOSFET電路中應(yīng)串入快速二極管。如圖12-5b所示。 a） b） c）圖12-5 MOSFET管符號(hào)和結(jié)構(gòu)a）圖形符號(hào) b）實(shí)用圖形符號(hào) c）內(nèi)部結(jié)構(gòu)目前常用的是N溝道增強(qiáng)型垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的VDMOSFET，典型結(jié)構(gòu)如圖12-5c所示。這種溝道是由同一擴(kuò)散窗口利用雙擴(kuò)散工藝產(chǎn)生P型體區(qū)和重?fù)诫sN+型區(qū)擴(kuò)散濃度差形成的，電流在溝道內(nèi)沿著表面流動(dòng)，然后垂直地被漏極吸收。提高功率MOSFET管的功率是通過(guò)：（1）將若干個(gè)單元MOSFET并聯(lián)而成為功率MOSFET，實(shí)現(xiàn)了大電流。現(xiàn)代功率半導(dǎo)體器件的精細(xì)工藝已和微電子電路相當(dāng)

13、，新一代功率器件的制造技術(shù)已進(jìn)入亞微米時(shí)代，每平方厘米含有千萬(wàn)個(gè)單位MOSFET。（2）它的高摻雜N+硅片襯底，提高了器件的耐壓能力。這種結(jié)構(gòu)可使導(dǎo)電溝道縮短、截面積加大，因而具有較高的通流能力和功率處理能力。2工作原理功率MOSFET的工作原理與傳統(tǒng)的MOS器件基本相同，柵源極加正向電壓（UGS0）使MOSFET內(nèi)溝道出現(xiàn)，電子從源極移動(dòng)到漏極形成漏極電流ID，器件導(dǎo)通；反之，當(dāng)柵源極加反向電壓（UGS0）溝道消失，器件關(guān)斷。3功率MOSFET的主要特性功率MOSFET的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，靜態(tài)特性主要指MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，動(dòng)態(tài)特性主要指MOSFET的開關(guān)特性。（1）

14、輸出特性輸出特性也稱漏極特性曲線，是以柵源極電壓UGS為參變量，反映漏極電流ID與漏極電壓UDS間關(guān)系的曲線族，如圖12-6所示。功率MOSFET管的輸出特性與場(chǎng)效應(yīng)管的輸出特性相似，它也分為三個(gè)區(qū)：可調(diào)電阻區(qū)：UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源極電壓UDS幾乎呈線性關(guān)系。當(dāng)MOSFET作為開關(guān)器件應(yīng)用時(shí)，工作在此區(qū)內(nèi)。線性放大區(qū)：在該區(qū)中，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID幾乎不隨UDS的增加而加大，ID近似為一常數(shù)。當(dāng)MOSFET用于線性放大時(shí)，則工作此區(qū)內(nèi)。擊穿區(qū)：當(dāng)漏源電壓UDS過(guò)高時(shí)，使漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流ID會(huì)急劇增加。在使用器件時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況，否則會(huì)使器件損壞。（2）轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)

15、移特性是在以漏源極電壓UDS為參變量，輸入柵源電壓UGS與輸出漏極電流ID之間的關(guān)系如圖12-6，功率MOSFET的漏極電流ID和柵極電壓UGS的關(guān)系曲線，如圖所示。該特性反映了功率MOSFET的柵源電壓UGS對(duì)漏極電流ID的控制能力。圖12-6 靜態(tài)特性a）輸出特性 b）轉(zhuǎn)移特性由圖可見，只有當(dāng)UGSUT時(shí)，器件才導(dǎo)通，UT稱開啟電壓。它是指溝道形成區(qū)最低柵源電壓，直接由摻雜濃度所決定。開啟電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度每升高45，開啟電壓將下降約10%。由于功率MOSFET管開啟電壓具有負(fù)溫度系數(shù)，此特性使該管具有較好的二次擊穿現(xiàn)象。（3）開關(guān)特性功率MOSFET是單極型電壓控制器件，依靠多數(shù)載

16、流子導(dǎo)電，沒有少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，與關(guān)斷時(shí)間相聯(lián)系的存儲(chǔ)時(shí)間大大減小，因而具有開關(guān)速度快的特點(diǎn)。4功率MOSFET的主要參數(shù)（1）通態(tài)電阻RonRon是功率MOSFET管的主要參數(shù)。通常規(guī)定：在確定柵源電壓UGS下，功率MOSFET由可調(diào)電阻區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)時(shí)的漏、源極間直流電阻為通態(tài)電阻。它是影響最大輸出功率的重要參數(shù)。在開關(guān)電路中它不僅決定了輸出電壓幅度和自身?yè)p耗的大小，還直接影響器件的通態(tài)壓降。在同樣的溫度條件下，耐壓等級(jí)愈高的器件通態(tài)電阻越大，且器件的通態(tài)壓降越大?？梢妼?duì)耐壓和Ron的要求是互相矛盾的，這是功率MOSFET耐壓難以提高的原因之一。由于功率MOSFET的通態(tài)電阻具有正電

17、阻溫度系數(shù)（約為0.4%0.8%），而漏極電流具有負(fù)的溫度系數(shù)，因此當(dāng)器件并聯(lián)時(shí)，電流分布趨向平衡。（2）開啟電壓（UT）開啟電壓又稱閾值電壓，是轉(zhuǎn)移特性曲線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)處的電壓值。在應(yīng)用中，常將漏、柵短接條件下ID等于1mA時(shí)的柵極電壓定義為開啟電壓。UT具有負(fù)溫度系數(shù)。（3）跨導(dǎo)gm跨導(dǎo)gm和晶體管的相似，表示功率MOSFET管的柵、源電壓對(duì)漏極電流的控制能力。定義為：gm=ID/UGS單位為西門子，簡(jiǎn)稱西（S）。（4）漏、源擊穿電壓UBDS漏源擊穿電壓UBDS是功率MOSFET的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)入擊穿區(qū)而設(shè)的極限參數(shù)。在選定工作電壓時(shí)要依據(jù)器件的UBDS留有充分的裕量。當(dāng)

18、結(jié)溫升高，UBDS隨之增大，耐壓提高。（5）柵、源擊穿電壓UBDS柵、源擊穿電壓UBDS是為了防止靜電使柵、源電壓過(guò)高而發(fā)生絕緣柵層介質(zhì)擊穿而設(shè)定的參數(shù)，其極限值一般規(guī)定為±20V。（6）漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM漏極連續(xù)電流ID和漏極峰值電流IDM表征功率MOSFET的電流容量，它們主要受器件溝道寬度限制。當(dāng)MOSFET管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，IDM約為ID的24倍。在選擇器件時(shí)必須根據(jù)實(shí)際工作情況考慮裕量，防止器件在溫度升高時(shí)，導(dǎo)致管子損壞。四、絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管，簡(jiǎn)稱為IGBT，是單極和雙極技術(shù)的混合物，是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的新型復(fù)合器件，它既有單極型器件

19、的輸入阻高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又有雙極型器件電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。因此發(fā)展很快，在電機(jī)控制、汽車點(diǎn)火、功率轉(zhuǎn)換以及其它工業(yè)電子及汽車控制領(lǐng)域廣泛采用。IGBT1982年試制成功，1986年成功生產(chǎn)。目前，IGBT的生產(chǎn)水平為2500V、1000A，而研制水平已走向第三代。IGBT未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)是高電壓、高開關(guān)頻率、低通態(tài)壓降，產(chǎn)品基本實(shí)現(xiàn)模塊化。1IGBT的結(jié)構(gòu)N溝道IGBT的圖形符號(hào)如圖12-7a所示。它有三個(gè)電極即門極G、集電極C、發(fā)射極E。IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖12-7b，它是在功率MOSFET的基本上增加一個(gè)高濃度P+層發(fā)射極形成PN結(jié)J1并以此引

20、出集電極C。柵極和發(fā)射極與MOSFET相似。由結(jié)構(gòu)圖可以看出NIGBT相當(dāng)于一個(gè)由N溝道MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)PNP型晶體管，其簡(jiǎn)化等效電路如圖12-7所示。圖中電阻RN是厚基區(qū)晶體管基區(qū)的擴(kuò)展電阻。由此可見IGBT是以晶體管為主導(dǎo)元件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)器件。 a） b） c）圖12-7 IGBT的結(jié)構(gòu)與符號(hào)a）圖形符號(hào) b）內(nèi)部結(jié)構(gòu) c）簡(jiǎn)化電路2工作原理IGBT是全控型器件它的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來(lái)控制的。柵極施以正電壓時(shí)， MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P+區(qū)注入道N-區(qū)的空穴（少子）對(duì)N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減小N-

21、區(qū)的電阻RN，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被切斷，IGBT即為關(guān)斷。3IGBT主要特性IGBT的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，靜態(tài)特性主要指IGBT的伏安特性、轉(zhuǎn)移特性，動(dòng)態(tài)特性主要指IGBT的開關(guān)特性。（1）伏安特性當(dāng)以柵源電壓UGs為參變量時(shí)，IGBT的集電極電流IC和集、射極電壓UCE的關(guān)系曲線，叫做IGBT的伏安特性，如圖12-8a所示，它和晶體管伏安特性相似?？煞譃轱柡蛥^(qū)，放大區(qū)和擊穿區(qū)。在UCE不變的條件下，輸出電流由柵極電壓控制，柵極電壓越大，電流IC越大。（2）轉(zhuǎn)移特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性是描述集電極電

22、流IC與柵極、發(fā)射極之間的電壓UGE的關(guān)系曲線，如圖12-8b所示。此特性與功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相似。只有當(dāng)門源電壓接近開啟電壓UGE（th）時(shí)，才有集電極電流，并且IC和UGE呈線性關(guān)系，此時(shí)IC很大；當(dāng)UGS小于開啟電壓，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。 a） b）圖12-8 靜態(tài)特性a）伏安特性 b）轉(zhuǎn)移特性（3）動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性也稱開關(guān)特性，如圖12-9所示。它包括開通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程，IGBT的開通時(shí)間為（0.51.2）s。IGBT在開通過(guò)程中大部分時(shí)間是作為MOSFET工作的。IGBT的關(guān)斷時(shí)間通常為（0.551.5）s。4IGBT的主要參數(shù)（1）集電極發(fā)射極擊穿電壓UCEM這

23、個(gè)參數(shù)決定了IGBT的最高工作電壓，它是由器件內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定，具有正溫度系數(shù)，其值大約為0.36V/，即25時(shí)，具有600V擊穿電壓的器件，在95，具有550V的擊穿電壓。目前IGBT的最高工作電壓為600V、1000V、1200V、1400V、1700V和3300V幾個(gè)檔次。（2）開啟電壓UGE（th）圖12-9 動(dòng)態(tài)特性開啟電壓是轉(zhuǎn)移特性與橫坐標(biāo)交點(diǎn)處的電壓值，是IGBT導(dǎo)通的最低控制電壓。UGE（th）隨溫度升高而下降，溫度每升高1，UGE（th）值下降5mv左右。在常溫時(shí)，IGBT的開啟電壓一般為26V。（3）通態(tài)壓降UCE（on）通態(tài)壓降UCE（on）決定了通

24、態(tài)損耗。通常IGBT的UCE（on）為25V。（4）最大柵射極電壓UGEM柵極電壓是柵氧化層的厚度和特性所限制的。柵氧化層介質(zhì)電擊穿的典型值大約為80V，使用時(shí)應(yīng)將柵極電壓限制在±20V之內(nèi)，一般取15V左右。（5）集電極連續(xù)電流IC和峰值電壓ICM集電極流過(guò)的最大連續(xù)電流IC即為IGBT的額定電流，其表征IGBT的電流容量，IC主要受結(jié)溫的限制。為了避免鎖定現(xiàn)象的發(fā)生，規(guī)定了IGBT的最大漏極電流峰值ICM。由于IGBT大多工作在開關(guān)狀態(tài)，因而ICM更具有實(shí)際意義，只要不超過(guò)額定結(jié)溫（150），IGBT可以工作在比連續(xù)電流值大的峰值電流ICM范圍內(nèi)，通常峰值電流為額定電流的2倍左右

25、。第二節(jié) 晶閘管可控整流電路整流是把大小和方向都隨時(shí)間變化的交流電變?yōu)閱畏较蛎}動(dòng)直流電的變流過(guò)程。如果采用功率二極管作為整流元件，則可獲得大小固定的直流電壓，這種整流方式稱為不可控整流。如果采用晶閘管作為整流器件，則可以通過(guò)控制門極觸發(fā)脈沖施加的時(shí)刻來(lái)控制輸出整流電壓的大小，這種整流稱為可控整流?？煽卣麟娐钒煽卣鞯闹麟娐泛陀|發(fā)電路兩部分。一、主電路可控整流電路主電路結(jié)構(gòu)形式視用電負(fù)載容量大小不同而定，通常小容量（4kW以下）的負(fù)載供電采用單相可控整流，它具有電路簡(jiǎn)單、投資省、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)于容量較大的負(fù)載，采用三相可控整流電路易于滿足負(fù)載對(duì)高電壓大電流的需求，同時(shí)也保證負(fù)載上的直流

26、電壓脈動(dòng)小，供電的交流電網(wǎng)三相平衡。其中單相整流電路是學(xué)習(xí)多相可控整流電路的基礎(chǔ)，同時(shí)單相可控整流電路本身在小功率變流裝置中也得到了廣泛的應(yīng)用。因此本節(jié)只介紹單相半波和單相半控橋式整流兩種電路。1單相半波可控整流電路（1）電阻性負(fù)載圖12-10表示一個(gè)帶電阻性負(fù)載的單相半波可控整流電路。圖中T為整流變壓器，起到變換電壓和隔離的作用。一般其原邊電壓u1，為電網(wǎng)的工頻交流電壓，副邊電壓u2則根據(jù)所需直流電壓ud的平均值Ud來(lái)決定。在生產(chǎn)中電爐、電焊機(jī)、電阻加熱爐及白熾燈均屬于電阻性負(fù)載。電阻性負(fù)載的最大特點(diǎn)是負(fù)載上的電壓、電流同相位，波形相同，且電壓都允許突變。變壓器副邊電壓u2為工頻正弦電壓，其

27、有效值為U2，通過(guò)負(fù)載電阻Rd加到晶閘管VT的陽(yáng)極與陰極之間。當(dāng)0t時(shí)，即u2的正半周內(nèi)，晶閘管陽(yáng)極電壓為正，陰極電壓為負(fù)，元件承受正向電壓，具備導(dǎo)通的必要條件。假設(shè)門極在t1時(shí)刻才有正向觸發(fā)脈沖電壓ug，則在0t1范圍內(nèi)，晶閘管由于無(wú)門極控制信號(hào)而關(guān)斷，處于正向阻斷狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載上電流為零，負(fù)載電壓ud=0，晶閘管承受電源電壓，晶閘管端電壓uT=u2。圖12-10 單相半波可控整流電路及波形a）電阻性負(fù)載電路 b）波形圖在t1時(shí)刻門極加觸發(fā)脈沖電壓，滿足晶閘管導(dǎo)通條件，晶閘管立即導(dǎo)通，負(fù)載上流過(guò)電流id。若不計(jì)管壓降影響，則uT=0，ud=u2。負(fù)載電阻Rd兩端的電壓波形ud就是變壓器二次電

28、壓u2的波形，流過(guò)負(fù)載的電流id波形與ud相似。由于二次繞組、晶閘管以及負(fù)載電阻是串聯(lián)的，故id波形也就是流過(guò)晶閘管的電流iT及流過(guò)整流變壓器二次電流i2的波形，如圖12-7所示。在以后的t1范圍內(nèi)，即使門極觸發(fā)電壓消失，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通；當(dāng)t1=時(shí)，電源電壓u2=0，負(fù)載電流下降到零小于維持電流IH，晶閘管關(guān)斷，負(fù)載上電壓、電流均為零。當(dāng)t在u2的負(fù)半周即2區(qū)間，晶閘管因受反向電壓而關(guān)斷，此時(shí)負(fù)載電壓、電流均為零。u2的下一個(gè)周期情況與上述相同，循環(huán)往復(fù)。在單相半波電路中，晶閘管從開始承受正向電壓起至開始導(dǎo)通時(shí)刻為止的電角度稱為控制角或移相角，以表示，即圖12-10中0t1的一段。晶閘管在一個(gè)

29、周期導(dǎo)通的電角度稱為導(dǎo)通角，用表示，即圖12-10中t 的一段。在上述電路中，=-，改變的大小，即可改變Ud的大小。為了滿足晶閘管的導(dǎo)通條件，必須使觸發(fā)脈沖出現(xiàn)在u2的正半周，即控制角的移相范圍為0。為了使整流輸出電壓波形穩(wěn)定，每個(gè)周期內(nèi)的控制角應(yīng)相同，這種觸發(fā)信號(hào)和電源電壓在頻率和相位的配合關(guān)系稱為同步。按圖示的波形進(jìn)行計(jì)算可得 （12-1） （12-2）例12-1 有一單相半波可控整流電路，變壓器副邊電壓U2=120V，負(fù)載電阻Rd=25，控制角=30°。試求輸出電壓和電流的平均值。（2）電感性負(fù)載工業(yè)中需要直流供電的電機(jī)勵(lì)磁、滑差電機(jī)的電磁離合器勵(lì)磁線圈以及輸出串接電抗器的負(fù)載

30、等均可用電阻Rd和電感Ld的串聯(lián)電路來(lái)等效。整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)的工作情況與帶電阻性負(fù)載時(shí)有很大不同。由于電感Ld的存在，使輸出電壓ud的波形中出現(xiàn)負(fù)值，因而電壓平均值Ud下降，當(dāng)負(fù)載的Ld>>Rd大很多（Ld10R）時(shí)，稱為大電感負(fù)載。其輸出電壓ud波形的正、負(fù)半周面積相近，輸出電壓平均值Ud=0，平均電流也很小，負(fù)載上得不到所需的功率。所以單相半波可控整流電路如不采取措施是不可能直接帶大電感負(fù)載的，解決的方法是在負(fù)載的兩端并接續(xù)流二極管VD，如圖12-11所示。晶閘管VT觸發(fā)導(dǎo)通后，電流經(jīng)晶閘管，Ld、Rd變壓器形成回路，此時(shí)續(xù)流二極管VD因承受反壓而關(guān)斷。當(dāng)電源電壓u2降至

31、零進(jìn)入負(fù)半周時(shí)，電感感應(yīng)電勢(shì)使二極管VD承受正向電壓導(dǎo)通。此時(shí)電感Ld釋放能量，維持的負(fù)載電流經(jīng)二極管VD構(gòu)成回路，稱為續(xù)流。同時(shí)晶閘管因沒有電流流過(guò)而關(guān)斷。電感性負(fù)載時(shí)的輸出電壓波形及其平均值Ud分別與電阻負(fù)載時(shí)相同，對(duì)于大電感而言，流過(guò)負(fù)載的電流id連續(xù)且波動(dòng)小，可近似為一條水平線。其值為式中負(fù)載電流Id由晶閘管導(dǎo)通電流iT和續(xù)流管續(xù)流電流iD兩部分組成，均為近似方波。方波電流的平均值、有效值分別為S圖12-11 有續(xù)流管的單相半波可控整流電路及波形單相半波可控整流電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件少，調(diào)整容易，但輸出電壓脈動(dòng)很大，變壓器利用率低，故適用于整流指標(biāo)要求低，容量小的可控整流裝置。為了克服上述

32、缺點(diǎn)，可采用單相半控橋式整流電路。2單相半控橋式整流電路若將單相橋式整流中的四只二極管全部換成晶閘管，就組成單相全控橋式電路。但實(shí)用中多采用圖12-12所示電路，這里只用了兩只晶閘管，另兩只仍用二極管，故稱單相半控橋式整流電路。這樣，即節(jié)省了兩只晶閘管和觸發(fā)電路，還提高了運(yùn)行的可靠性，所以在中小容量中得到較廣泛的應(yīng)用。大電感負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流id為一水平線，波形如圖12-12所示。電源電壓u2正半周時(shí)VD1處于正偏導(dǎo)通，晶閘管VT1承受正向電壓，VT2承受反向電壓。在t=時(shí)觸發(fā)晶閘管，則只有VT1導(dǎo)通，電流路徑為：電源aVT1LdRdVD1電源b，負(fù)載兩端整流電壓ud=u2，當(dāng)u2過(guò)零進(jìn)入負(fù)半周

33、時(shí)，續(xù)流管VD導(dǎo)通，負(fù)載電流經(jīng)續(xù)流管VD而續(xù)流，忽略VD管壓降，此時(shí)負(fù)載上的整流電壓ud=0，VT1承受反壓而關(guān)斷。當(dāng)u2為負(fù)半周時(shí)，VD2導(dǎo)通，在相同控制角時(shí)，VT2承受正向電壓被觸發(fā)導(dǎo)通，續(xù)流管承受反向電壓而關(guān)斷。此時(shí)電流通路為：電源bVT2LdRdVD2電源a，負(fù)載兩端整流電壓ud=-u2。同理在u2負(fù)半周過(guò)零變正時(shí)，續(xù)流管承受正向電壓導(dǎo)通，負(fù)載電流id又經(jīng)續(xù)流管續(xù)流，VT2承受反向電壓而關(guān)斷，下一周期與上述分析相同，循環(huán)往復(fù)。按圖示的波形進(jìn)行計(jì)算可得晶閘管的電流平均值、有效值為圖12-12 單相半控橋帶電感性負(fù)載a）電路圖 b）波形圖續(xù)流管的電流平均值、有效值為例12-2 某電感性負(fù)載

34、采用帶續(xù)流管的單相半控橋電路供電，如圖12-12a所示。已知：電感線圈的內(nèi)阻Rd=5，輸入交流電壓U2=220V，控制角a=60°。試求晶閘管與續(xù)流管的電流平均值及有效值。解 首先求整流輸出電壓平均值求負(fù)載電流平均值流過(guò)晶閘管與整流二極管的電流平均值與有效值 流過(guò)續(xù)流二極管的電流平均值與有效值 二、觸發(fā)電路晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，除陽(yáng)極要承受正向電壓外，還需在門極和陰極間加適當(dāng)?shù)恼妷?，改變觸發(fā)脈沖的輸出時(shí)刻，即可改變控制角大小，從而達(dá)到改變輸出電壓平均值的目的。這種控制晶閘管導(dǎo)通的電路稱為觸發(fā)電路。為了保證晶閘管整流電路準(zhǔn)確無(wú)誤工作，對(duì)觸發(fā)電路有以下要求：（1）觸發(fā)電路輸出的脈沖必須

35、有足夠大的電壓和功率。（2）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的主電壓保持同步。（3）脈沖的前沿要陡，寬度應(yīng)滿足要求。（4）滿足主電路移相范圍的要求。觸發(fā)電路很多，在這里我們僅介紹結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出尖脈沖，抗干擾能力強(qiáng)、溫補(bǔ)性好的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，它廣泛用于中小容量的晶閘管觸發(fā)控制。1單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管又稱雙基極二極管，其結(jié)構(gòu)示意圖、電路模型、符號(hào)和外形見圖12-13。單結(jié)晶體管共有三個(gè)電極，第一基極b1，第二基極b2和發(fā)射極e。圖12-13 單結(jié)晶體管a）結(jié)構(gòu)示意圖 b）電路模型 c）圖形符號(hào) d）外形及管腳單結(jié)晶體管b1與b2極之間正反向電阻相等約為310K。而e和b1極或e和b2之間的正向電阻小于反向

36、電阻，且rb1rb2。正常工作時(shí)rb1的阻值隨發(fā)射極電流Ie的變化而變化，故等效為一個(gè)可變電阻。圖12-14是單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路，由圖可得其特性。當(dāng)UeUA時(shí)，VD截止，Ie=0，單結(jié)晶體管關(guān)斷。 UA=Ubb=Ubb稱為單結(jié)晶體管的分壓比，其值約為0.30.85。圖12-14當(dāng)Ue上升到UeUbb+UD時(shí)，VD由截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，此時(shí)電壓Ue=Up，Up為峰值電壓。電流Ie流過(guò)rb1，rb1立即減小至十幾歐姆，此時(shí)UA對(duì)應(yīng)的電壓稱為谷點(diǎn)電壓UV，若減少Ue使UeUV管子將截止。2單結(jié)晶體管振蕩電路圖12-15為單結(jié)晶體管自激振蕩電路。電源未接通時(shí)電容C上電壓為零。一旦接通電源E，電源通過(guò)Re對(duì)

37、電容C充電，電容C兩端電壓按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uC上升至峰點(diǎn)電壓Up時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，于是C通過(guò)e、b1向電阻R1放電，uC按指數(shù)規(guī)律很快衰減至谷點(diǎn)電壓UV，使單結(jié)晶體管恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)。這樣在電容C上形成了一個(gè)鋸齒波電壓，而在R1上得到一個(gè)尖脈沖電壓。改變電阻Re的大小，就可改變電容充電的快慢，改變尖脈沖輸出的時(shí)間間隔。輸出脈沖寬度取決于R1的大小，一般取50200。3單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路圖12-15 單結(jié)晶體管自激振蕩電路圖12-16 單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路圖12-16是單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路，它與主電路同用一個(gè)交流電源u1。由梯形波同步電壓形成、阻容移相和觸發(fā)脈沖輸出三個(gè)環(huán)節(jié)組成。觸發(fā)電路

38、與主電路同用一個(gè)電源，每當(dāng)主電路交流電壓過(guò)零值時(shí)，觸發(fā)電路電源uS也經(jīng)過(guò)零值，二者同步，才能保證每半周產(chǎn)生第一個(gè)脈沖的時(shí)刻保持不變，即角相同。將uS整流輸出，經(jīng)由VS變換成梯形波UVS，UVS相當(dāng)于振蕩電路中電源Ubb。在每個(gè)梯形波中有一組觸發(fā)脈沖，但由于晶閘管是半控型器件，故只有每組中的第一個(gè)脈沖有效。削波的目的是使單結(jié)晶體管輸出的脈沖幅值不受交流電源電壓波動(dòng)的影響，同時(shí)還可增大移相范圍。上述觸發(fā)器電路每個(gè)周期只能產(chǎn)生一個(gè)有用的觸發(fā)脈沖，由Re直接改變控制信號(hào)，控制靈敏度低，且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此目前應(yīng)在較廣泛的觸發(fā)電路如圖12-17a所示。同步變壓器TS，整流橋及穩(wěn)壓管VS組成同步電路，

39、同步變壓器一次側(cè)與晶閘管整流主電路，接在同一交流電源上，同步變壓器二次側(cè)正弦電壓經(jīng)橋式整流與穩(wěn)壓管削波，得到的梯形波電壓uV如圖12-17b所示，削波的作用除能保證單結(jié)晶體管輸出脈沖的幅值和周期不變外，還能擴(kuò)大晶閘管控制角的范圍。 a）b）圖12-17 單結(jié)晶體管實(shí)用電路圖中晶體管V1起放大控制信號(hào)的作用，提高了控制靈敏度；晶體管V2用來(lái)代替圖12-16中的電位器Re。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，電路通過(guò)改變V1輸入電壓UC的大小來(lái)達(dá)到改變控制角的目的。例如UC增大，V1集電極電流增大，RC1上的電壓降增大，因而C1點(diǎn)電位降低，則V2的集電極電流增大，V2的E、C極之間的電阻減小，所以電容C充電速度加快

40、，使觸發(fā)脈沖前移。反之，減小UC可以使觸發(fā)脈沖后移，即控制角增大。圖12-17中的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP輸出。這樣可使觸發(fā)電路與主電路在電氣上隔離，而且脈沖變壓器二次繞組可以是數(shù)個(gè)，能同時(shí)觸發(fā)兩個(gè)以上晶閘管。在脈沖變壓器原邊并聯(lián)的二極管VD1起續(xù)流作用，以防止單結(jié)晶體管截止時(shí)，變壓器產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)對(duì)單結(jié)晶體管的危害。由于晶閘管的控制極和陰極間允許施加的反向電壓值很小，所以在變壓器副邊串聯(lián)一只二極管D2，它只將正脈沖電壓引至晶閘管控制極。如果變壓器副邊輸出負(fù)脈沖電壓時(shí)，VD2截止，而并聯(lián)的二極管VD3卻將控制極與陰極短路，防止晶閘管的控制極與陰極反向擊穿。第三節(jié) 直流斬波器和交流調(diào)壓器直流斬

41、波器是接在恒定直流電源與負(fù)載之間的直流調(diào)壓器，也稱為直流直流（DC-DC）變換器?，F(xiàn)被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無(wú)軌電車、電力機(jī)車、地鐵和電動(dòng)汽車等。交流調(diào)壓器是一種調(diào)節(jié)交流電壓的變換裝置，稱為交流交流（AC-AC）變換器?，F(xiàn)廣泛用于交、直流開關(guān)及交流調(diào)壓中，如調(diào)光、溫控、小容量電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及大容量異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)等。一、斬波器斬波器的原理如圖12-18所示，斬波器其實(shí)質(zhì)是由電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)，通過(guò)連續(xù)地接通和斷開開關(guān)，使直流電源斷續(xù)地接在負(fù)載上，使負(fù)載上獲得一串電壓脈沖，圖12-18所示為電阻上的電壓波形。負(fù)載電壓的平均值UO為U0=Ud=kUd式中

42、ton為斬波器導(dǎo)通時(shí)間；T為斬波器的工作周期；k為斬波器的占空比。由上式可知，要改變電源輸出的電壓值，可以通過(guò)對(duì)斬波器導(dǎo)通時(shí)間ton和工作周期T的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種控制方法稱為時(shí)間比控制。時(shí)間比控制有以下三種方式：第一種方法是改變ton，而保持T不變，稱為脈寬控制方式；第二種方法改變T，而保持ton不變，稱為頻率控制方式；第三種方法既改變ton又改變T，稱為綜合控制。目前普遍采用的仍是脈寬控制方式。實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載多為感性，下面以感性負(fù)載為例，介紹兩種典型的斬波器電路：降壓式斬波器和升壓式斬波器。1降壓式斬波器帶電感性負(fù)載的降壓式斬波電路如圖12-19所示。圖中Cd為輸入端的濾波電容；斬波開關(guān)V采

43、用具有自關(guān)斷能力的IGBT；VD為續(xù)流二極管，當(dāng)V關(guān)斷時(shí)，續(xù)流管為負(fù)載提供電流通路，電感L和電容C組成低通濾波器，從而減小輸出電壓的波動(dòng)；Z為感性負(fù)載。 圖12-18 基本的斬波電路及波形 圖12-19 帶電感負(fù)載的斬波電路穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C很大，則輸出電壓可近似為常數(shù)即u0（f）UO，由于此時(shí)電容C可看成是開路，所以有電感中的平均電流等于流過(guò)負(fù)載中的平均電流。動(dòng)態(tài)時(shí)，若開關(guān)V接通，在整個(gè)ton期間，二極管VD反向偏置截止，主電路如圖12-20a所示，負(fù)載電壓為u0=Ud。流過(guò)開關(guān)器件電感中的電流線性上升；當(dāng)開關(guān)V關(guān)斷，在整個(gè)ton期間，電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得VD導(dǎo)通，主電路如圖12-20b所示

44、，負(fù)載兩端電壓為u0=0，電感中的電流呈線性下降，在這種工作模式下，輸入電壓恒定，輸出電壓只隨占空比k線性變化，當(dāng)k在0到1的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，可輸出則在0到Ud間變化。因此這是個(gè)降壓式斬波器。c） a） b） d） 圖12-20 降壓式斬波器的電路工作狀態(tài)a）V開通等效電路 b）V關(guān)斷等效電路 c）負(fù)載端電壓 d）負(fù)載電流2升壓式斬波器帶電感性負(fù)載的升壓式斬波器電路如圖12-21所示。圖中L為儲(chǔ)能元件；斬波開關(guān)V采用IGBT；VD為升壓二極管，C為濾波電容；Z為感性負(fù)載。當(dāng)斬波開關(guān)管V接通時(shí)，二極管VD被反向偏置關(guān)斷，它將輸入電源與輸出負(fù)載隔離，此時(shí)電源向電感儲(chǔ)能，電容C向負(fù)載供電。當(dāng)V關(guān)斷時(shí)

45、電感釋放能量，與輸入電壓一起經(jīng)由正向?qū)ǖ亩O管向負(fù)載供電。電感中電壓與電流的穩(wěn)態(tài)波形如圖12-21d所示。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電感在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓值為零，即有Ud ton+（Ud-U0）toff=0整理得 UdT=U0toffU0=Ud顯然，U0Ud，這是個(gè)升壓式斬波電路。圖12-21 升壓式斬波電路及波形圖二、交流調(diào)壓器交流調(diào)壓器是由晶閘管等電力電子器件構(gòu)成的交流電壓控制裝置。常用的交流調(diào)壓器大多采用雙向晶閘管作為其主電路元件，這類調(diào)壓電路線路簡(jiǎn)單、成本低，在工業(yè)加熱、照明調(diào)光、風(fēng)扇調(diào)速、小容量交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速等場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。 a） b）圖12-22 單相交流調(diào)壓器a）主電路 b）波

46、形圖圖12-22是單相交流調(diào)壓電路，雙向晶閘管VT和R串聯(lián)后接至交流電源u2上。在電源電壓正半周，當(dāng)t=時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通VT，和單相半波整流相似，電阻中流過(guò)電流，uR=u2；t=時(shí)，電源電壓為零，電流為零，VT自行關(guān)斷。在電源的負(fù)半周，當(dāng)t=+時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通VT，負(fù)載電阻中流過(guò)電流，uR=u2；當(dāng)t=2時(shí)，VT自行關(guān)斷，uR=0。下一周期重復(fù)上述過(guò)程，不斷往復(fù)。在負(fù)載上可得如圖12-22所示的缺角正弦波，通過(guò)改變控制角的大小，即可改變其輸出交流電的有效值。若由兩只反并聯(lián)的晶閘管或GTR等其它全控器件代替雙向晶閘管，其輸出波形一樣，但需兩組觸發(fā)電路，且要保證正負(fù)半周角相同。輸出交流電壓有效值和電流有效值為

47、圖12-23 雙向晶閘管調(diào)壓電路圖12-23是一種雙向晶閘管調(diào)光電路。VD是雙向二極管（也稱觸發(fā)二極管）。當(dāng)接通交流電源時(shí)，無(wú)論正負(fù)半周，只要電容C1充電電壓達(dá)到雙向二極管的導(dǎo)通電壓，C1就通過(guò)VD給晶閘管提供一個(gè)觸發(fā)脈沖，使晶閘管導(dǎo)通。當(dāng)電源電壓過(guò)零時(shí)，晶閘管自行關(guān)斷。電路工作時(shí)雙向晶閘管正、負(fù)向輪流導(dǎo)通，輸出缺角正弦波。要改變輸出電壓的有效值，只需調(diào)節(jié)RP即可實(shí)現(xiàn)改變移相角。在實(shí)際應(yīng)用中，增設(shè)了R2C2阻容電路，保證當(dāng)較大時(shí)，C1兩端可獲得一個(gè)足夠使VD導(dǎo)通的電壓，從而保證晶閘管VT可靠觸發(fā)導(dǎo)通，增大調(diào)節(jié)范圍。 第四節(jié) 電力電子器件應(yīng)用實(shí)例電力電子器件應(yīng)用范圍很廣，這里介紹幾種典型的應(yīng)用實(shí)

48、例。一、鉛蓄電池充電電路圖12-24是晶閘管構(gòu)成的鉛蓄電池充電電路。主電路是由220V工頻交流電供電的單相半波可控整流電路。觸發(fā)電路采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，充電時(shí)Q合上，單結(jié)晶體管的兩個(gè)基極間所加的電壓Ubb是由220V交流電源經(jīng)半波整流后降壓獲得，如圖12-24所示。由于Ubb是正弦半波，所以單結(jié)晶體管的Up與UV的變化軌跡均為不等幅的正弦半波。單結(jié)晶體管的發(fā)射極電壓取自待充電電池的兩端電壓，所以該電路能工作的條件是待充電電池極性必須正確，當(dāng)極性接反或發(fā)生短路故障，則無(wú)脈沖輸出，主電路中晶閘管關(guān)斷，從而使充電器得到了保護(hù)。調(diào)整R1或R2，改變Ubb大小，從而改變Up的大小最終改變了第一個(gè)脈沖

49、的時(shí)刻，使電流平滑的變化。由于主電路和觸發(fā)電路采用同一電源，從而保證了同步。電路中各波形如圖12-24所示。 圖12-24 簡(jiǎn)易晶閘管充電電源a）電路 b）波形二、固態(tài)開關(guān)（SSS）固態(tài)開關(guān)SSS（包括固態(tài)繼電器SSR與固態(tài)接觸器SSC）是一種無(wú)觸點(diǎn)的電子開關(guān)。它是一種四端器件，其中兩個(gè)端子為輸入控制端，輸入控制電壓一般應(yīng)在3V以上，6V以下；另兩個(gè)端子為輸出受控端，無(wú)輸入控制信號(hào)時(shí)，輸出端是開路的，即為常開狀態(tài)，相當(dāng)于繼電器或接觸器的一對(duì)觸點(diǎn)，與負(fù)載串聯(lián)后接至交流電源上。由于固態(tài)開關(guān)是利用電力電子器件（如雙向晶閘管、大功率晶體管）的開關(guān)特性組成的無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，所以它較電磁繼電器具有無(wú)噪聲、工作

50、可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在逐步取代電磁繼電器的同時(shí)，還應(yīng)用在計(jì)算機(jī)外圍和終端設(shè)備、保護(hù)系統(tǒng)、燈光控制等場(chǎng)合。固態(tài)開關(guān)有直流和交流兩種，交流又分為單相和三相。圖12-25 固態(tài)開關(guān)電路圖a）原理圖 b）接線圖圖12-25a為交流型SSR。工作時(shí)，只要在輸入端1、2間加上一定的控制信號(hào)，發(fā)光二極管VD2發(fā)光，光敏管V1電阻減小，使原來(lái)導(dǎo)通的晶體管V2截止，VT1由電源經(jīng)R4得到觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通。輸出端交流電源經(jīng)過(guò)負(fù)載，二極管VD3VD6，VT1以及R5構(gòu)成回路，在電阻R5上產(chǎn)生電壓降使雙向晶閘管VT2導(dǎo)通，負(fù)載得電。由于VT2的導(dǎo)通區(qū)域處于電源電壓“0”點(diǎn)附近，因而具有“0”電壓開關(guān)功能。若要使SSR變

51、為斷開狀態(tài)，斷開控制信號(hào)，接著等待交流電的正負(fù)半周的交界點(diǎn)（零電位）出現(xiàn)，SSR才為斷態(tài)。圖12-25b是用兩個(gè)直流控制交流輸出的SSR，實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的起、?？刂?。三、用功率MOSFET管構(gòu)成高頻電源圖12-26 功率MOSFET構(gòu)成的高頻自激振蕩器圖12-26是由功率MOSFET等構(gòu)成的高頻自激振蕩器。工作原理如下：當(dāng)220V交流電源接通時(shí)，經(jīng)整流和電容器C1濾波產(chǎn)生的直流電壓在R1、R2分壓，R2兩端電壓同時(shí)加到兩只功率MOSFET的柵極，其值略大于器件的開啟電壓UT的值，由于VT1和VT2兩個(gè)器件導(dǎo)通時(shí)間不可能完全一致，其中導(dǎo)通時(shí)間短一點(diǎn)的管子（假如VT2）電流上升得快，則變壓器星

52、號(hào)端感應(yīng)高電位。于是通過(guò)磁通耦合，使VT2柵極電位也上升，VT2漏極電流增大，變壓器磁路趨向飽和，磁通變化率d/dt急劇減小，因而VT2柵極電壓隨之迅速降低，而VT1柵極電位上升，使VT2漏極電流減小，于是變壓器一次繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向。通過(guò)耦合，VT2柵極電壓也反向，迫使VT2截止，VT1柵極電壓上升而導(dǎo)通，完成一次換相，可以看出，利用變壓器磁路飽和，電路可以連續(xù)振蕩，振蕩頻率由變壓器二次負(fù)載電阻、高頻扼流圈L和變壓器漏感決定。四、大功率晶體管構(gòu)成的PWM-D伺服單元圖12-27為PWM-D伺服單元框圖。該電路是利用大功率晶管（GTR）V1V4作為開關(guān)器件，其開關(guān)頻率為常值（通常取2K）。其電

53、源是二極管模塊提供的直流固定電壓，根據(jù)控制信號(hào)的大小來(lái)改變每一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時(shí)間長(zhǎng)短，使直流伺服電動(dòng)機(jī)上電壓的“占空比”改變，從二而實(shí)現(xiàn)其平均電壓的改變，完成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。圖中AMP是速度控制單元，其作用是將轉(zhuǎn)速給定信號(hào)與轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)TSA相比較，獲得偏差信號(hào)處理后作為PWM電路的輸入。PWM電路是用來(lái)將速度調(diào)節(jié)器的輸出與三角波發(fā)生器送來(lái)的波形混合后，變成固定頻率的脈寬脈沖，脈沖的寬度隨控制信號(hào)Usr的變化而變化，即脈沖的占空比正比于控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路是為主電路開關(guān)器件而設(shè)置的，其目的保證保證關(guān)斷的開關(guān)完全關(guān)斷后，再導(dǎo)通應(yīng)打開的開關(guān)，從而防止電路引起電源直接短路故障。驅(qū)動(dòng)電路

54、把PWM電路輸出的信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)器件，在這里，主電路采用的是H型電路，V1和V4為一組，V2和V3為一組，共由兩組功率組件完成。工作時(shí)某一組導(dǎo)通另一組關(guān)斷，通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間的變化和組別的變化，可使電機(jī)獲得一個(gè)周期固定，正向電壓、反向電壓寬度可調(diào)的PWM電壓。PWM調(diào)速系統(tǒng)采用GTR及混合集成電路構(gòu)成，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于機(jī)電一體化，已廣泛用于數(shù)控機(jī)床上。典型產(chǎn)品有北京機(jī)床所開發(fā)的BS03-A、FANUC PWM-D等。圖12-27 PWM-D伺服單元框圖圖中AMP是速度控制單元，其作用是將轉(zhuǎn)速給定信號(hào)與轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)TSA相比較，獲得偏差信號(hào)處理后作為PWM電路的輸入。PWM電路是用來(lái)

55、將速度調(diào)節(jié)器的輸出與三角波發(fā)生器送來(lái)的波形混合后，變成固定頻率的脈寬脈沖，脈沖的寬度隨控制信號(hào)Usr的變化而變化，即脈沖的占空比正比于控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路是為主電路開關(guān)器件而設(shè)置的，其目的保證保證關(guān)斷的開關(guān)完全關(guān)斷后，再導(dǎo)通應(yīng)打開的開關(guān)，從而防止電路引起電源直接短路故障。驅(qū)動(dòng)電路把PWM電路輸出的信號(hào)放大，驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)器件，在這里，主電路采用的是H型電路，V1和V4為一組，V2和V3為一組，共由兩組功率組件完成。工作時(shí)某一組導(dǎo)通另一組關(guān)斷，通過(guò)導(dǎo)通時(shí)間的變化和組別的變化，可使電機(jī)獲得一個(gè)周期固定，正向電壓、反向電壓寬度可調(diào)的PWM電壓。PWM調(diào)速系統(tǒng)采用GTR及混合集成電路構(gòu)成，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于機(jī)電一體化，已廣泛用于數(shù)控機(jī)床上。典型產(chǎn)品有北京機(jī)床所開發(fā)的BS03-A、FANUC PWM-D等。第五節(jié) 變頻器及其應(yīng)用變頻器是交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它將工頻交流電變成頻率可調(diào)的交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，如圖12-28所示。隨著微機(jī)技術(shù)的日新月異，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代調(diào)速控制理論的長(zhǎng)足進(jìn)步，變頻器作為一種智能“元件”