第19章電力電子器件

第19章電力電子器件第一頁(yè)，共50頁(yè)。19.1電力電子器件19.1.1電力電子器件的分類(1)不控器件：導(dǎo)通和關(guān)斷無(wú)可控的功能KAD(二極管)KGA普通晶閘管(2)半控器件：通過(guò)控制信號(hào)只能控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷(3)全控器件：通過(guò)控制信號(hào)既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷KGAGTOBCEGTRGDSVDMOSGCEIGBT第二頁(yè)，共50頁(yè)。19.1.2晶閘管晶閘管，又稱可控硅整流器（Silicon

ControlledRectifier），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。主要用于可控整流、逆變、調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。常用晶閘管的外形圖螺栓型晶閘管塑料封裝型晶閘管平板型晶閘管第三頁(yè)，共50頁(yè)。一、基本結(jié)構(gòu)K陰極晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)。PPNN陽(yáng)極

A控制極G結(jié)構(gòu)圖KGA符號(hào)外形第四頁(yè)，共50頁(yè)。二、工作原理KGA+-+-SKGA+-+-SKGA+-+-S開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，燈不亮開(kāi)關(guān)S合上，燈亮這時(shí)再斷開(kāi)S，燈仍亮無(wú)論開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)還是合上，燈都不亮第五頁(yè)，共50頁(yè)。1、晶閘管的等效電路KP1P2N1N2

AGKP1P2N1N2

AGP2N1AT1P1N1P2T2N2N1P2GKIAIGIK晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合第六頁(yè)，共50頁(yè)。2、晶閘管導(dǎo)通原理12IGIGIC2AT1T2GK+-UAR+-UGIB2IB1形成正反饋過(guò)程在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)晶體管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱觸發(fā)導(dǎo)通。第七頁(yè)，共50頁(yè)。2、晶閘管導(dǎo)通原理+-UGIB212IGIGIC2AT1T2GK+-UARIB1形成正反饋過(guò)程晶閘管導(dǎo)通后，去掉UG，依靠管子本身的正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。第八頁(yè)，共50頁(yè)。3、晶閘管導(dǎo)通條件：(1)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓；(2)控制極電路加適當(dāng)?shù)恼螂妷?一般為正觸發(fā)脈沖信號(hào))。晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去了控制作用。4、晶閘管關(guān)斷條件：必須使陽(yáng)極電流減小到不能維持正反饋過(guò)程?；蛘邔㈥?yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。第九頁(yè)，共50頁(yè)。三、伏安特性——在不同的IG值的條件下，IA=f(UA)OUAIA+_正向特性IG0=0UBO正向轉(zhuǎn)折電壓導(dǎo)通(導(dǎo)通壓降約1V左右)IG1IG2IG2>IG1>IG0反向特性URRMUBR+_反向轉(zhuǎn)折電壓IH維持電流第十頁(yè)，共50頁(yè)。四、主要參數(shù)UDRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開(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。反向重復(fù)峰值電壓控制極開(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。URRM：正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。

IF：IH:

維持電流在規(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。第十一頁(yè)，共50頁(yè)。五、晶閘管的型號(hào)和含義導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級(jí),用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位數(shù)或千位數(shù)表示，取UDRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P--普通晶閘管K--快速晶閘管S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A，額定電壓為700V的晶閘管。第十二頁(yè)，共50頁(yè)。練習(xí)：(3)晶閘管導(dǎo)通后，其正向壓降約等于（）。(a)0(b)0.3V(c)1V左右c(1)晶閘管導(dǎo)通后，若僅使控制極電流消失，則晶閘管處于（）。(a)導(dǎo)通狀態(tài)(b)關(guān)斷狀態(tài)(c)放大狀態(tài)a(2)晶閘管導(dǎo)通后，其陽(yáng)極電流的大小（）。(a)受控制電流控制(b)受控制電壓控制(c)不受控制極控制，即控制極失去控制作用c(4)一般晶閘管導(dǎo)通后，要使其阻斷，則必須（）。(a)去掉控制極的正向電壓(b)使陽(yáng)極與陰極之間的正向電壓降到零或加反向電壓(c)控制極加反向電壓b第十三頁(yè)，共50頁(yè)。19.2可控整流電路整流電路：將交流電能變換成直流電能的電路?？煽卣麟娐罚簩⒔涣麟娔茏儞Q成可調(diào)的直流電能。常見(jiàn)的可控整流電路單相可控半波整流單相可控橋式整流三相可控橋式整流第十四頁(yè)，共50頁(yè)。19.2.1可控整流電路(1)電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)u

>0時(shí)：若uG=0，晶閘管不導(dǎo)通當(dāng)u

<0時(shí):晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通控制極加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通一、單相半波可控整流電路1、電阻性負(fù)載uuoRL+–+uT+––Tiouo=0，uT=uuo=u，uT=0uo=0，uT=u，故稱可控整流。第十五頁(yè)，共50頁(yè)。(2)工作原理t12當(dāng)u

<

0時(shí):晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通tO當(dāng)u

>0時(shí):tO在(0~t1)，uG=0，晶閘管不導(dǎo)通uo=0，uT=u在t1，uG加觸發(fā)脈沖，晶閘管導(dǎo)通uo=u，uT≈0uo=0，uT=uuuoRL+–+uT+––Tio第十六頁(yè)，共50頁(yè)。(3)工作波形ttOttOuGuOuTuO控制角t1t22導(dǎo)通角=180-第十七頁(yè)，共50頁(yè)。(4)整流輸出電壓及輸出電流的平均值改變控制角，可改變輸出電壓Uo當(dāng)=0時(shí)，Uo=0.45U，即為單相半波整流電壓。當(dāng)=180時(shí)，Uo=0，晶閘管全關(guān)斷。輸出電壓的范圍為：

0

<Uo<0.45U第十八頁(yè)，共50頁(yè)。例1：?jiǎn)蜗喟氩煽卣麟娐?，已知交流電壓有效值U=220V，輸出電壓平均值

UO=90V，輸出電流平均值IO=45A。計(jì)算：(1)晶閘管的導(dǎo)通角。(2)通過(guò)晶閘管的平均電流。(3)晶閘管承受的最高正向，反向電壓。解：(1)晶閘管的導(dǎo)通角由可得：第十九頁(yè)，共50頁(yè)。(3)晶閘管最高正向電壓UFM、最高反向電壓URM均為(2)通過(guò)晶閘管的平均電流第二十頁(yè)，共50頁(yè)。*2、電感性負(fù)載(未接續(xù)流二極管)(1)電路結(jié)構(gòu)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)，電流不能躍變，將由零逐漸上升。uuoR+–+uT+––TioLeL+–當(dāng)電流達(dá)到最大值時(shí)，eL=0，而后電流減小，電感電動(dòng)勢(shì)改變極性。當(dāng)電壓u過(guò)零后，由于eL的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通。+–第二十一頁(yè)，共50頁(yè)。(2)工作波形tOtOtOtO2uuGuOuTtOiO>180-第二十二頁(yè)，共50頁(yè)。3、電感性負(fù)載(接續(xù)流二極管)(1)電路結(jié)構(gòu)uuoR+–+uT+––TioLDiD當(dāng)u>0時(shí)：

D反向截止，不影響整流電路工作。當(dāng)u

<0時(shí)：

D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷，電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流)，負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見(jiàn)波形圖)。第二十三頁(yè)，共50頁(yè)。(2)工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO第二十四頁(yè)，共50頁(yè)。二、單相半控橋式整流電路1、電路結(jié)構(gòu)iO+–+–T1T2RLuOD1D2au+–b2、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。T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(1)在電壓u的正半周時(shí)此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。電流通路為：第二十五頁(yè)，共50頁(yè)。iO+–+–T1T2RLuOD1D2au+–b(2)在電壓u的負(fù)半周時(shí)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。電流通路為：bRLD1T2a此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。第二十六頁(yè)，共50頁(yè)。3、工作波形ttO2tOuuGuOT1、D2導(dǎo)通T2、D1導(dǎo)通第二十七頁(yè)，共50頁(yè)。4、整流輸出電壓及輸出電流的平均值第二十八頁(yè)，共50頁(yè)。例2有一純電阻負(fù)載，需要可調(diào)的直流電源：電壓Uo=0~180V，電流Io=0~6A。現(xiàn)采用單相半控橋式整流電路，試求變壓器二次側(cè)電壓的有效值，并選擇整流器件。解：二極管選用2CZ56F(3A，400V)。當(dāng)晶閘管的控制角=0時(shí)，Uo=180V考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)、管壓降以及導(dǎo)通角等原因，通常加大10%左右，即U=220V晶閘管、二極管的平均電流：第二十九頁(yè)，共50頁(yè)。晶閘管選用KP5-7型。晶閘管最高正向電壓UFM、最高反向電壓URM、二極管承受的最高反向電壓均為選取晶閘管的UDRM和URRM，通常取第三十頁(yè)，共50頁(yè)。*19.2.2晶閘管的保護(hù)主要缺點(diǎn)：晶閘管承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力很差一、晶閘管的過(guò)電流保護(hù)快速熔斷器保護(hù)過(guò)電流繼電器保護(hù)過(guò)電流截止保護(hù)1、快速熔斷器保護(hù)與晶閘管串聯(lián)接在輸入端~接在輸出端有三種接入方式第三十一頁(yè)，共50頁(yè)。2.過(guò)流繼電器保護(hù)3.過(guò)電流截止保護(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)流故障時(shí)，繼電器動(dòng)作，使電路自動(dòng)切斷。利用過(guò)電流信號(hào)控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，使晶閘管導(dǎo)通角減小或停止觸發(fā)。第三十二頁(yè)，共50頁(yè)。二、晶閘管的過(guò)壓保護(hù)阻容保護(hù)CR

利用電容吸收過(guò)壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過(guò)電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRCCR~RL晶閘管元件的阻容保護(hù)輸入端的阻容保護(hù)輸出端的阻容保護(hù)第三十三頁(yè)，共50頁(yè)。19.2.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管晶體管的觸發(fā)電路：產(chǎn)生觸發(fā)電壓的電路。1、外形(又稱雙基極二極管)單結(jié)晶體管的常用型號(hào)有BT31、BT33、BT35等。第三十四頁(yè)，共50頁(yè)。N型硅片B1B2第二基極第一基極PPN結(jié)發(fā)射極E歐姆接觸電阻B2EB12、結(jié)構(gòu)與符號(hào)3、等效電路B2B1ERB2RB1第三十五頁(yè)，共50頁(yè)。4、工作原理測(cè)量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_IEB2B1UBBEUE+_+_RP+_+_IERB2RB1–分壓比，約為0.5~0.9(1)當(dāng)UE<UBB+UD=UP時(shí)PN結(jié)反偏，E與B1之間的不能導(dǎo)通，IE很小(2)當(dāng)UE≥UBB+UD=UP時(shí)PN結(jié)導(dǎo)通，IE迅速增大UP：峰點(diǎn)電壓第三十六頁(yè)，共50頁(yè)。5、單結(jié)晶體管的伏安特性oIEUEPUP峰點(diǎn)電壓UP=UBB+UDIp峰點(diǎn)電流IV谷點(diǎn)電流UV谷點(diǎn)電壓V負(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)第三十七頁(yè)，共50頁(yè)。6、單結(jié)晶體管的特點(diǎn)(1)UE<UP時(shí)單結(jié)管截止；UE≥

UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通，導(dǎo)通后當(dāng)UE<UV時(shí)恢復(fù)截止。(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)。(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。第三十八頁(yè)，共50頁(yè)。二、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管組成的張弛振蕩電路利用單結(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。uGR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47FB2B1第三十九頁(yè)，共50頁(yè)。2、振蕩過(guò)程分析uGR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47FB2B1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按指數(shù)規(guī)律升高。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。當(dāng)放電至uC≤Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使uG0。電源再次向電容C充電……第四十頁(yè)，共50頁(yè)。3、振蕩電壓波形uGR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47FB2B1uCttuGOOuPuV第四十一頁(yè)，共50頁(yè)。三、單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2uC++–RuL+uG+1、電路結(jié)構(gòu)主電路觸發(fā)電路第四十二頁(yè)，共50頁(yè)。2、工作原理(1)整流削波RuZ+–u2+–uo+–tOu2削波UZ整流tOtO第四十三頁(yè)，共50頁(yè)。(2)觸發(fā)電路UZtOR1R2RPCuC+RuG+UZ+---tOuCUVUPtuGOtuLOUP-UDRLT1D1D2T2uL+(3)輸出電壓uL第四十四頁(yè)，共50頁(yè)。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？思考題：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)。2.