《電工電子技術及應用》課件-第12章

第12章電力電子器件及應用12.1常見電力電子器件12.2電力電子四種典型應用電路12.3實用電路舉例12.4仿真實驗習題12

12.1常見電力電子器件

按照電力電子器件能夠被控制電路信號所控制的度分為以下三類。(1)不可控器件:就是不能控制器件通斷的電力電子器件。例如:電力二極管。(2)半控器件:就是通過控制信號可以控制器件導通,但是不可控制器件關斷的電力電子器件。例如,普通晶閘管。(3)全控器件:就是通過控制信號既可以控制器件導通又可以控制器件關斷的電力電子器件。例如,IGBT、MOSFET。

按照驅動電路加在電力電子器件控制端和公共端之間信號的性質分為以下兩類。

(1)電流控制型:該器件采用電流信號來實現(xiàn)導通或關斷的控制。

(2)電壓控制型:該器件采用電壓控制來實現(xiàn)通、斷,輸入控制端基本上不流過電流信號,用小功率信號就可以驅動其工作。

12.1.1普通晶閘管

1.基本結構

常見的普通晶閘管及模塊實物圖如圖12.1.1所示。從外觀上看,晶閘管主要有螺栓型和平板型兩種封裝結構。由圖12.1.2(a)可知,晶閘管的一端是一個螺栓,引出陽極,同時可以利用它固定散熱片;另一端有兩根引線,粗的一根是陽極引線,細的一根是陰極引線。晶閘管是具有三個PN結的四層結構,如圖12.1.3所示。最外層的P1和N2分別引出陽極A、陰極K,中間的P2層引出門極G。圖12.1.1晶閘管及其模塊實物圖圖12.1.2晶閘管外形圖12.1.3晶閘管結構與符號

2.工作原理

晶閘管相當于一個半控型無觸點單向開關,由門極控制開關導通,但不能由門極控制開關關斷,其工作原理可由圖12.

1.4來說明。圖12.1.4晶體管工作原理

晶閘管是采用擴散工藝制作而成,它的三結四層結構可以等效成如圖12.1.4(a)所示的由兩個晶體管VT1

(N1-P2-N2)和晶體管VT2(N1-P2-N2)組成的等效電路。當晶閘管上外加如圖12.1.4(b)所示的電壓后,VT1

和VT2同時滿足導通條件。晶體管VT2的基極流過足夠的電流IG,經過VT2管的電流放大作用,VT2

管的集電極電流IC2=β2IG,而IC2又是VT1

的基極電流,經過VT1

管的電流放大作用,VT1

管集電極電流IC1=β1

IC2=β2β2

IG,該電流又流入VT2管的基極再次進行放大,這樣循環(huán)下去,就形成了強烈的電流正反饋,使得兩個晶體管VT1

和VT2快速進入飽和導通狀態(tài),晶閘管導通。

另外,在反饋的過程中,IC1遠遠大于IG,因而,此時即使撤去IG電流,也不影響晶閘管的電流正反饋,晶閘管仍然導通。由此可見,晶閘管導通的條件是:晶閘管的陽極和陰極之間加正向電壓,同時門極和陰極間加正向脈沖電壓。

若想關斷晶閘管,不可通過對VT1的基極通入反向電流來實現(xiàn)關斷,因為晶閘管的導通為深度飽和導通,該VT1的基極通入反向電流直到反向擊穿時,晶閘管還不能退飽和,因此若想關斷晶閘管,常用兩種方法:一是將陽極電流減少到使之不能維持正反饋;二是在晶閘管的陽極和陰極間加一個反向電壓

3.伏安特性

晶閘管的伏安特性如圖12.1.5所示。

正向特性:IG=0時,晶閘管陽極與陰極間施加正向電壓,當正向電壓小時,晶閘管呈正向阻斷狀態(tài),只有很小的正向漏電流流過。當正向電壓超過臨界極限,即正向轉折電壓Ubo

時,漏電流急劇增大,晶閘管導通。該導通方式不受門極電流控制,容易造成晶閘管的損壞,使用中需要避免此方法。圖12.1.5晶閘管伏安特性曲線

導通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。晶閘管的正向壓降為1V左右。

晶閘管陽極與陰極間施加反向電壓時,伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時,只有極小的反相漏電流流過。當反向電壓超過一定限度,達到反向擊穿電壓Ubo

后,外電路如無限制措施,則反向漏電流急劇增加,發(fā)生熱擊穿,導致晶閘管損壞。

4.主要參數(shù)

晶閘管的主要參數(shù)有以下幾項。

(1)通態(tài)平均電流IT(AV):是指晶閘管在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下,穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。此電流為晶閘管的額定電流。額定電流要留有一定裕量,一般取此電流為正常工作時晶閘管所流過實際電流的1.5~2倍。

(2)維持電流IH:是指室溫下門極斷開時,晶閘管從較大的通態(tài)電流降至剛好能維持晶閘管導通所必需的最小陽極電流。

(3)浪涌電流ITSM:是指由電路異常引起并使結溫超過額定結溫的不重復性最大正向過載電流。

(4)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM及反向重復峰值電壓URRM:斷態(tài)重復峰值電壓是指晶閘管在門極斷路而結溫為額定值時,允許重復加在晶閘管上的正向峰值電壓。而反向重復峰值電壓是指晶閘管在門極斷路而結溫為額定值時,允許重復加在器件上的反向峰值電壓。

一般取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標值作為該器件的額定電壓。額定電壓要留有一定裕量,一般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。

(5)通態(tài)平均電壓UT

(AV):是指在規(guī)定環(huán)境溫度、標準散熱條件下,晶閘管通過額定電流時,晶閘管陽極與陰極間電壓降的平均值。通常又稱此電壓為管壓降。

5.晶閘管的檢測

極性判別:用數(shù)字萬用表判別時,選擇一個電極用紅表筆接觸,黑表筆分別接觸其余兩個電極,如果接觸一個極時顯示0.2~0.8V,接觸另一個極時顯示溢出,則紅表筆所接的為門極G,顯示溢出的黑表筆所接的為陽極A,另一個極為陰極K。若測不出上述結果,將紅表筆接觸另外的電極,繼續(xù)上述步驟,直到測出正確的結果。

6.普通晶閘管的型號命名

目前我國生產的普通晶閘管的型號命名含義表示為KP□□□,其中:

K代表晶閘管;

P代表普通型;

第一個□代表額定電流等級;

第二個□代表額定電壓等級;

第三個□代表通態(tài)平均電壓等級,不要求時,可不標。

例如,KP68型晶閘管表示額定電流為6A,額定電壓為800V。

12.1.2雙向晶閘管

雙向晶閘管是普通晶閘管的派生系列之一。目前該器件廣泛應用于各種電器調速、調光、調壓、調溫以及各種電器過載自動保護等電子電路中。

1.基本結構

圖12.1.6給出了常用雙向晶閘管實物圖,從圖中可知雙向晶閘管的外觀和普通晶閘管相似。不同點在于雙向晶閘管的三個極命名不同、符號不同、內部結構也不同。圖12.1.6雙向晶閘管實物圖

如圖12.1.7(a)所示,從內部結構來看,雙向晶閘管是一種N—P—N—P—N型五層結構的半導體器件,這個五層半導體可以等效成由左右兩部分組合而成的如圖12.1.7(b)所示結構。這樣一來,原來的雙向晶閘管就被分解成兩個P—N—P—N型結構的普通晶閘管。如果把左邊從下往上看的P—N—P—N部分叫做正向的話,那么右邊從下往上看的N—P—N—P部分就成為反向,它們之間正好是一正一反地并聯(lián)在一起。因此,從電路功能上可以把它等效成圖12.1.7(c),也就是說,一個雙向晶閘管在電路中的作用是和兩只普通晶閘管反向并聯(lián)起來等效的。因此,雙向晶閘管可以進行雙向控制導通。圖12.1.7(d)為雙向晶閘管符號,G為控制極、T1和T2為主極。圖12.1.7雙向晶閘管結構、等效圖及符號

2.伏安特性

既然一個雙向晶閘管是由兩只普通晶閘管反向并聯(lián)而成,那么它的特性曲線也是由這兩只普通晶閘管的特性曲線組合而成。圖12.1.8給出了雙向晶閘管的特性曲線。

由雙向晶閘管特性曲線可知,雙向晶閘管不像普通晶閘管那樣,必須在陽極和陰極之間加上正向電壓,管子才能導通。對雙向晶閘管來說,無所謂陽極和陰極。它的任何一個主極,

對圖12.1.7(c)中的兩個晶閘管來講,對一個管子是陽極,對另一個管子就是陰極,反過來也一樣。因此,雙向晶閘管無論主極加上的是正向還是反向電壓,它都能被觸發(fā)導通。圖12.1.8雙向晶閘管伏安特性曲線

3.四種觸發(fā)方式

雙向晶閘管有一個重要的區(qū)別于普通晶閘管的特點:不管觸發(fā)信號的極性如何,雙向晶閘管都能被觸發(fā)導通。也就是說,雙向晶閘管的主極上,無論加以正向電壓還是反向電壓,

也不管觸發(fā)信號是正向還是反向,它都能被觸發(fā)導通,因此它有以下四種觸發(fā)方式,如圖12.1.9所示。圖12.1.9雙向晶閘管的四種觸發(fā)方式

(1)如圖12.1.9(a)所示,當主極T2對T1所加的電壓為正向電壓,控制極G對第一電極T1所加的也是正向觸發(fā)信號時,雙向晶閘管觸發(fā)導通后,電流I21的方向從T2流向T1。由特性曲線可知,這時雙向晶閘管觸發(fā)導通規(guī)律是按第一象限的特性進行的,又因為觸發(fā)信號是正向的,所以把這種觸發(fā)叫做“第一象限的正向觸發(fā)”或稱為I+觸發(fā)方式。

(2)如圖12.1.9(b)所示,如果主極T2仍加正向電壓,而把觸發(fā)信號改為反向信號,這時雙向晶閘管觸發(fā)導通后,通態(tài)電流的方向仍然是從T2到T1

。我們把這種觸發(fā)叫做“第一象限的負觸發(fā)”或稱為I-觸發(fā)方式。

(3)如圖12.1.9(c)所示,兩個主極加上反向電壓U12

,輸入正向觸發(fā)信號,雙向晶閘管導通后,通態(tài)電流從T1

流向T2。雙向晶閘管按第三象限特性曲線工作,因此把這種觸發(fā)叫做III+觸發(fā)方式。

(4)如圖12.1.9(d)所示,兩個主極仍然加反向電壓U12,輸入的是反向觸發(fā)信號,雙向晶閘管導通后,通態(tài)電流仍從T1流向T2

。這種觸發(fā)叫做III-觸發(fā)方式。

雙向晶閘管這四種觸發(fā)方式由于觸發(fā)途徑不同,導致靈敏度也不同,一般來說靈敏度排序為I+>III->I->III+。通常使用I+和III-兩種觸發(fā)方式。

4.雙向晶閘管的檢測

極性的判別:將萬用表量程開關置于“R×1”(或R×10”)擋,用黑表筆接一電極,用紅表筆分別去測另兩個電極,當測得的兩個阻值都是無窮大時,那么黑表筆所接電極就是T2。若測得的阻值不全為無窮大,則應將黑表筆換接另一個電極再測。判別了電極T2后,用兩只表筆測T1和G兩極,再調換表筆測一次,比較兩次測得的結果,測得阻值較小時,黑表筆所接電極就是T1,紅表筆所接電極就是控制極G。

好壞的判別:在已知各電極極性的條件下,將萬用表置“R×1”擋,黑表筆接G,紅表筆接T1,測得阻值為幾十歐姆(因功率不同,其阻值略有偏差),紅表筆改接T2,阻值應無窮大;然后再將黑表筆接T1,紅表筆接G,測得結果應為幾十歐姆,再將黑表筆改接T2,阻值也應無窮大。用兩只表筆測T1、T2兩極之間的電阻,再調換表筆測一次,兩次測得的阻值均應無窮大。測量結果若滿足上述要求,一般可以判定該器件是好的。如果G與T1之間的電阻等于零,或G與T2、T1與T2之間的電阻都很小,就表明器件內部已擊穿或短路;如果G與T1之間的電阻為無窮大,則表明器件內部斷路。

12.1.3電力場效應晶體管

電力場效應晶體管又稱VDMOS管,它是一種單極型電壓控制器件,具有輸入阻抗高(可達40MΩ以上)、開關速度快、工作頻率高(開關頻率可達1000kHz)、驅動電路簡單、需要的驅動功率小、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)(SOA)寬等優(yōu)點,但是該器件電流容量小、耐壓低,一般只適用功率不超過10kW的電力電子裝置。

1.基本結構

圖12.1.10(a)給出了電力場效應晶體管的內部結構。在N+型高摻雜濃度襯底上,外延生長N-型高阻層,N+型區(qū)和N-型區(qū)共同組成漏區(qū),從下部漏金屬層引出漏極D。由同一擴散窗進行兩次擴散,在N-區(qū)內先擴散形成P型體區(qū),再在P型體區(qū)內有選擇地擴散形成兩個N+型區(qū),由兩次擴散的深度差形成溝道部分,因而溝道的長度可以精確控制。上部源金屬層引出源極S,同時源金屬層與兩次擴散形成的P型體區(qū)和N+型體區(qū)相連。另外在P型體區(qū)和N+形體區(qū)上層與柵金屬層之間覆蓋上SiO2絕緣薄層作為柵極G和導電溝道的隔離層

圖12.1.10(b)給出了電力場效應晶體管的符號。圖12.1.10電力場效應晶體管的內部結構和符號

2.工作原理

在VDMOSFET管的漏極和源極間加正向電壓UDS,此時由于漏極和源極間PN結反向偏置,因此,VDMOSFET管的漏源極間無電流,VDMOSFET管不導通。圖解見圖12.

1.11(a)。

由前述知識可知,N型半導體的多數(shù)載流子是電子,而P型半導體的多數(shù)載流子是空穴,少數(shù)載流子是電子。圖解見圖12.1.11(b)。圖12.1.11VDMOSFET管工作原理

在VDMOSFET管的漏極和源極間加正向電壓UDS的情況下,同時在柵極和源極間加正壓UGS

,并由零往上升,則相當于柵金屬層上積聚的正電荷增多,根據(jù)同性相斥、異性相吸原理,靠近柵極的P型半導體空穴下排,電子上移,當電子的濃度大于空穴的濃度時,P型半導體被反型成N型半導體,導電溝道產生。此時的柵極和源極間電壓UGS

為開啟電壓UT。由于導電溝道的形成,VDMOSFET管的漏極與源極間沒有了PN結,其間只有N型半導體,此時漏源極間形成電流ID

,VDMOSFET管導通。圖解見圖12.1.11(c)。

由此可知,柵極和源極間正向電壓UGS

越大,導電溝道就越深,VDMOSFET管中的漏源極電流ID

就越大。反之,柵極和源極間正向電壓UGS

越小,導電溝道就越小,VDMOSFET管中的漏源極電流ID

就越小。當柵極和源極間正向電壓UGS

小于開啟電壓UT時,導電溝道消失,VDMOSFET管關斷。因此,VDMOSFET管是由柵極和源極間正向電壓UGS

控制漏源極電流ID

的器件,即稱為電壓控制型器件。

3.VDMOS管的檢測

極性與管型的判別:用萬用表“R×100”擋,測量場效應晶體管任意兩引腳之間的正、反向電阻值。其中一次測量中兩引腳的電阻值為數(shù)百歐姆,這時兩表筆所接的引腳為源極S和漏極D,而另一引腳為柵極G。再用萬用表R×10k”擋測量兩引腳(漏極D與源極S)之間的正、反向電阻值。正常時,正向電阻值為2kΩ左右,反向電阻值大于500kΩ。在測量反向電阻值時,紅表筆所接引腳不動,黑表筆脫離所接引腳后,先與柵極G觸碰一下,然后再去接原引腳,觀察萬用表讀數(shù)的變化情況。

若萬用表讀數(shù)由原來較大阻值變?yōu)?,則此紅表筆所

接的即是源極S,黑表筆所接為漏極D。用黑表筆觸發(fā)柵極G有效,說明該管為N溝道場效應管。若萬用表讀數(shù)仍為較大值,則黑表筆接回原引腳不變,改用紅表筆去觸碰柵極G后再接回原引腳,若此時萬用表讀數(shù)由原來較大阻值變?yōu)?,則此時黑表筆接的為源極S,紅表筆接的是漏極D。用紅表筆觸發(fā)柵極G有效,說明該管為P溝道場效應晶體管。

好壞的判別:用萬用表“R×1k”擋或“R×10k”擋,測量場效應管任意兩腳之間的正、反向電阻值。正常時,除漏極D與源極S的正向電阻值較小外,其余各引腳之間(G與D、G與S)的正、反向電阻值均應為無窮大。若測得某兩極之間的電阻值接近0Ω,則說明該管已擊穿損壞。另外,還可以用觸發(fā)柵極G(P溝道場效應晶體管用紅表筆觸發(fā),N溝道場效應管用黑表筆觸發(fā))的方法來判斷場效應管是否損壞。若觸發(fā)有效(觸發(fā)柵極G后,D、S極之間的正、反向電阻均變?yōu)?),則可確定該管性能良好。

12.1.4絕緣柵雙極型晶體管

1.基本結構

常見的IGBT管及模塊實物圖如圖12.1.12所示。IGBT管一般是三端結構,具有發(fā)射極E、集電極C和柵極G。圖12.1.13(a)給出了一種IGBT管的結構。從圖中可知,它是在VD-MOS管結構的基礎上增加了一個P+層,形成了一個大面積的P+N+結J1,從而提高了IGBT管的通流能力。另外,這個大面積P+N+結J1,和其他結J2、J3一起構成了一個相當于由VDMOS管驅動的厚基區(qū)PNP型晶體管。圖12.1.13(b)給出了IGBT管的等效電路,圖12.1.13(c)給出了IGBT管的符號。圖12.1.12IGBT管及其模塊實物圖圖12.1.13IGBT結構、等效電路和符號

2.工作原理

IGBT管是一種場控型器件,它的工作條件是,在集電極C與發(fā)射極E之間加正向電壓,同時在柵極G和發(fā)射極E之間所加正向電壓達到開啟電壓時,IGBT管導通;若柵極G和發(fā)射極E之間所加電壓小于開啟電壓時,IGBT管關斷。所以說,IGBT管是一種全控型器件。IGBT管的工作原理如下:

在集電極C與發(fā)射極E之間加正向電壓,由于PNP晶體管不導通,此時C、E間沒有電流通過,IGBT管不導通。IGBT管的導通與否,決定于柵極G和發(fā)射極E之間的電壓。在G、E之間加正向電壓,當UCE>UT時,等效的VDMOSFET導通,有電流IB流過MOSFET的漏源極。而這個電流是流出PNP管的基極,PNP管導通,此時C、E之間有電流IC流過,IGBT管導通。反之,當UCE<UT時,等效的VDMOSFET關斷,無電流IB,PNP管亦關斷,無IC電流,IGBT管關斷。

另外,IGBT管內存在一個寄生NPN型晶體管,這個寄生晶體管在正常情況下是不導通的,當C、E之間的IC電流過大時,寄生NPN型晶體管會導通,從而使得NPN管和PNP管中的電流產生電流增大的正反饋,導致IGBT管的柵極失去控制作用,此為IGBT管的擎住效應。發(fā)生擎住效應時,集電極電流的過大會造成較高的功耗,最后會導致器件的損壞。在使用IGBT管時,要盡量避免發(fā)生擎住效應。

3.絕緣柵雙極型晶體管的檢測

極性判別:將指針式萬用表撥到“R×1”擋,或數(shù)字式萬用表撥到二極管擋,用萬用表測量時,若某一極與其他兩極的阻值為無窮大,調換表筆后該極與其他兩極的阻值仍為無窮大,則判斷此極為柵極G。其余兩極再用萬用表測量,若測得阻值為無窮大,調換表筆后測量阻值較小,在測量阻值較小的一次中,則判斷紅表筆接的為集電極C,黑表筆接的為發(fā)射

極E。

好壞判別:IGBT管的好壞可用指針式萬用表的“R×1”擋或數(shù)字式萬用表的二極管擋來測量PN結正向壓降進行判斷。檢測前先將IGBT管三只引腳短路放電,避免影響檢測的準確度;然后用指針式萬用表的紅表筆接C極,黑表筆接E極,若所測值在3.5kΩ左右,則所測管為含阻尼二極管的IGBT管;若所測值在50kΩ左右,則所測的IGBT管不含阻尼二極

管。對于數(shù)字萬用表,正常情況下,IGBT管的C、E極間正向導通電壓為0.5V。若測得三個引腳間電阻均很小,則IGBT管擊穿;若測得三個引腳間電阻均很大,則IGBT管已開路損壞。

12.2電力電子四種典型應用電路

12.2.1相控整流電路相控整流電路是將交流電轉換成可調的直流電的電路。整流電路廣泛應用在工業(yè)生產中,如直流電動機的調壓調速、電解及電鍍用直流電源等。它的主電路結構形式很多,如單相半波、單相全波、單相橋式、三相半波、三相橋等。這里僅介紹單相半波相控整流電路。它的觸發(fā)電路目前采用集成化觸發(fā)器和數(shù)字式觸發(fā)器。

1.單相半波相控整流電路結構

單相半波相控整流電路的結構如圖12.2.1所示。將單相不可控半波整流電路中的二極管用晶閘管代替就得到單相半波相控整流電路。圖12.2.1單相半波相控整流電路結構圖

2.單相半波相控整流電路工作原理

單相半波相控整流電路帶電阻負載時的電壓波形如圖12.2.2所示。u2為交流電源電壓。在u2的正半周,晶閘管VT的陽極與陰極之間受正向電壓。

在此電路中,定義從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度為觸發(fā)角或控制角,用α表示;定義晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度為導通角,用θ表示;定義這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式為相位控制方式。圖12.2.2單相半波相控整流電路帶電阻負載時的電壓波形

3.單相半波相控整流電路計算公式

根據(jù)圖12.2.2所示的波形可知,輸出直流電壓的平均值為

則整流輸出電流的平均值為

4.單相半波相控整流電路晶閘管選型實例

例12.2.1單相半波相控整流電路,U2=220V,負載電阻R=10Ω,當α=60°時,試求整流輸出平均電壓Ud、輸出電流平均值Id和有效值I。并且考慮2倍安全裕量,選擇晶閘管型號。

解根據(jù)單相半波相控整流電路的計算公式,可得:

整流輸出平均電壓為

考慮到2倍的安全裕量,則晶閘管正反向重復峰值電壓UDRM≥2×311=622V,故選擇700V的晶閘管。

晶閘管額定電流為通態(tài)平均電流IT(AV),它對應的額定電流有效值為IT=1.57IT(AV)。選擇晶閘管電流的原則是:它的額定電流有效值必須大于等于實際流過晶閘管的最大電流有效值。在考慮2倍的裕量下,有

則晶閘管的額定電流取20A。故晶閘管的型號選為KP207

12.2.2相控逆變電路

整流的反過程就是逆變。所謂的逆變電路是指將直流電轉換成負載所需要的不同頻率和電壓的交流電路。

逆變電路可分為無源逆變和有源逆變。將逆變電路的交流側接到交流電網上進行的逆變,稱為有源逆變。它可用于直流電機的可逆調速、繞線型異步電動機的串級調速、高壓直流輸電、太陽能發(fā)電等。將逆變電路的交流側不接電網,而是直接接負載的逆變,稱為無源逆變。

逆變電路還可分為電壓型逆變和電流型逆變。逆變電路的直流側為電壓源的逆變,稱為電壓型逆變。逆變電路的直流側為電流源的逆變,稱為電流型逆變。

另外,按照逆變電路輸出的相數(shù)不同,可分為單相逆變電路和三相逆變電路。

這里介紹電壓型單相全橋逆變電路。其電路結構如圖12.2.3所示,V1~V4為IGBT管。每個IGBT管均反并聯(lián)一個二極管,此二極管為電感電流提供續(xù)流通道。負載為阻感負載。圖12.2.3電壓型單相全橋逆變電路

電壓型單相全橋逆變電路的工作波形如圖12.2.4所示。圖12.2.4電壓型單相全橋逆變電路工作波形

根據(jù)圖12.2.4所示的工作波形,輸出電壓有效值為

12.2.3相控調壓電路

圖12.2.5為單相交流調壓帶電阻負載的電路圖。其工作波形如圖12.2.6所示。其工作原理如下:

在交流電源電壓u1的正半周,雙向晶閘管T的上半部分管受正向電壓。圖12.2.5單相交流調壓電路圖12.2.6單相交流調壓電路工作波形

根據(jù)圖12.2.6所示波形,輸出交流電壓的有效值為

則輸出交流電流的有效值為

12.2.4相控斬波電路

將直流電轉換成另一可調直流電稱為直流變換電路。它是利用電力開關器件周期性的導通與關斷來改變輸出電壓的大小,因此也稱為直流斬波電路。

隨著生產實際的需要和技術的發(fā)展,出現(xiàn)了多種多樣的斬波器。按照穩(wěn)壓控制方式分類,斬波電路可分為脈沖寬度調制(PWM)型和脈沖頻率調制(PFM)型。按照斬波器的功能分類,斬波電路可分為降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、庫克斬波電路、Sepic斬波電路、Zeta斬波電路。

近年來,功率器件以及各種控制技術的涌現(xiàn)極大促進了斬波電路的發(fā)展,以實現(xiàn)軟開關技術為目的的各種新型變換電路不斷出現(xiàn),進一步提高了電路的性能。

本小節(jié)介紹一種傳統(tǒng)的升降壓斬波電路,其電路如圖12.

2.7所示。V管為IGBT管,VD管為電感L提高續(xù)流通道,輸入為直流電E,負載上得到的直流電為uo。圖12.2.7升降壓斬波電路

電路的工作原理如下:

當給V管導通信號,V管導通時,其電流的通路如圖12.

2.8(a)所示。電源E發(fā)出能量,流過V管后,電感L儲存能量。同時,電容C對負載R進行放電。此時續(xù)流二極管VD受反壓關斷。

當給V管關斷信號,V管關斷后,由于電感L中的電流不能突變,電流維持向下的放電,則此時的電流通路如圖12.

2.8(b)所示。電感L放電,向電容C充電,電容C上充出下正上負的電壓,同時電感L向負載R提供能量。此時續(xù)流二極管VD導通。圖12.2.8升降壓斬波電路工作原理

在穩(wěn)態(tài)時,一個周期T內,電感L兩端電壓對時間的積分為零,則

該積分式可拆分為

從式(12.2.14)可知,當ton>toff時,Uo>E,實現(xiàn)升壓;當ton<toff時,Uo<E,實現(xiàn)降壓。

12.3實用電路舉例

12.3.1可調速吸塵器電路可調速吸塵器電路如圖12.3.1所示。其中,電阻R1、電位器RP、電容C2、雙向二極管VD共同構成脈沖形成電路。雙向晶閘管VTH是主要的調速控制器件,通過控制其導通角,可實現(xiàn)電動機的無級調速。圖12.3.1可調速吸塵器電路

12.3.2一種簡明過電流保護電路

圖12.3.2是一種簡明過電流保護電路。在正常工作情況下,R2、VD1、R1形成通路,但VD1的陽極電壓,即加到晶閘管VTH上的電壓較低,不足以使VTH被觸發(fā)導通。當有過電流時,負載電流增大,使得R1上壓降增大,導致VD1陰極電位提高,因而VD1截止。此時電源通過R2向C1充電,極性上正下負,達到一定值時,VTH被觸發(fā)導通,過載指示燈HL點亮。由于VTH導通,A點電位近似于零,VD3陽極電位降低,使得VT截止,切斷負載電流。查出過電流原因,排除故障后,按一下復位按鈕SB,使得VTH電流為零而關斷,

電路恢復正常工作狀態(tài)。圖12.3.2一種簡明過電流保護電路

12.3.3一種灶具自動點火電路

圖12.3.3所示為灶具自動點火電路,該電路能產生強烈的放電火花,用來點燃煤氣、天然氣或其他可燃性氣體的爐灶。其中VD1~VD4組成單相整流橋,TP為脈沖變壓器。圖12.3.3一種灶具自動點火電路

12.3.