項(xiàng)目2 常用電力電子器件與電路

《常用電力電子器件與電路》

——PPT項(xiàng)目2項(xiàng)目2常用電力電子器件與電路【教學(xué)目標(biāo)】知識(shí)目標(biāo)：1.熟悉電力二極管、普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和特性2.了解晶閘管的派生器件3.熟悉電力MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)、特性4.熟悉絕緣柵雙極晶體管的結(jié)構(gòu)、特性5.熟悉常用變流與觸發(fā)電路技能目標(biāo)：1.能正確鑒別常用電力電子器件的好壞2.能正確測(cè)試SCR、MOSFET、GTR、IGBT的特性和參數(shù)3.能正確使用MOSFET、GTR、IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路4.能熟練應(yīng)用整流與逆變電路任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件2.1.1不可控器件——電力二極管電力二極管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣，以半導(dǎo)體PN結(jié)為基礎(chǔ)，由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的，從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。正向：門檻電壓約0.7伏反向：電阻無(wú)窮大注意：SCR的極限能力任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件2.1.2半控型器件——晶閘管晶閘管（Thyristor）又稱晶體閘流管或可控硅整流器（SCR）外形有螺栓型和平板型兩種封裝；引出陽(yáng)極A、陰極K和門極（控制端）G三個(gè)聯(lián)接端。對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件

（1）晶閘管的觸發(fā)電流從門極G流入，從陰極K流出，往往是通過(guò)觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的，所以晶閘管是一種電流控制型器件。（2）陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端，主電路的電流只能從陽(yáng)極A流向陰極K，只有當(dāng)UAK為正而且大于1伏左右時(shí)才能導(dǎo)通；2.1.2半控型器件——晶閘管任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件

（3）當(dāng)UAK

﹥1V時(shí)，若IG=0，晶閘管也是不導(dǎo)通的，只有很小的正向漏電流流過(guò)；而一旦在G、K兩端施加一定的觸發(fā)信號(hào)（UGK﹥0.7V）,晶閘管就能保持導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。（4）晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下，IG就失去了控制作用，所以晶閘管又是一種半控器件。（5）導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流，一般的晶閘管為10mA左右，在實(shí)際應(yīng)用中為了使晶閘管可靠關(guān)斷，一般要求UAK≦0V。2.1.2半控型器件——晶閘管

（5）導(dǎo)通期間，陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流，一般的晶閘管為10mA左右，在實(shí)際應(yīng)用中為了使晶閘管可靠關(guān)斷，一般要求UAK≦0V2.1.2半控型器件——晶閘管主要參數(shù)：任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件（1）額定電壓（2）額定電流1)通態(tài)平均電流IT(AV)

（額定電流）晶閘管在環(huán)境溫度為40oC和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定值所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。使用時(shí)應(yīng)按實(shí)際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管，應(yīng)留一定的裕量，一般取1.5-2倍。2)維持電流IH使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，IH一般為十幾毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH越小。3)擎住電流IL4)浪涌電流ITSM（3）動(dòng)態(tài)參數(shù)任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件（2）雙向晶閘管可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成，有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G，正反兩方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，在交流調(diào)壓電路、固態(tài)繼電器和交流電機(jī)調(diào)速等領(lǐng)域應(yīng)用較多，以雙向晶閘管調(diào)光電路為例。雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來(lái)表示其額定電流值。2.1.3晶閘管的派生器件（1）

快速晶閘管

其管芯結(jié)構(gòu)和制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)，開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善，普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，而快速晶閘管可達(dá)數(shù)十微秒，高頻晶閘管10μs左右。任務(wù)2.1熟悉電流控制型電力電子器件（3）逆導(dǎo)晶閘管（4）光控晶閘管（5）門極可關(guān)斷晶閘管（6）電力晶體管電力晶體管（GiantTransistor—GTR，直譯為巨型晶體管），是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（BipolarJunctionTransistor—BJT），英文有時(shí)候也稱為PowerBJT，在電力電子技術(shù)的范圍內(nèi)，GTR與BJT這兩個(gè)名稱等效。任務(wù)2.2熟悉電壓控制型電力電子器件

電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管分為結(jié)型和絕緣柵型（類似小功率FET），但通常主要指絕緣柵型中的MOS型，簡(jiǎn)稱電力MOSFET（PowerMOSFET）。結(jié)型電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管一般稱作為靜電感應(yīng)晶體管（SIT），其特點(diǎn)是：用柵極電壓來(lái)控制漏極電流；驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率??；開關(guān)速度快，工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR；電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置。2.2.1全控型器件——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管任務(wù)2.2熟悉電壓控制型電力電子器件（1）截止?fàn)顟B(tài)在漏極D與源極S之間加正向電壓，柵極G與源極S間的電壓若為零，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。（2）導(dǎo)電狀態(tài)當(dāng)UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時(shí)，漏極和源極導(dǎo)電。2.2.1全控型器件——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力MOSFET一般工作在開關(guān)狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證可靠地截止與導(dǎo)通，應(yīng)避開放大區(qū)，關(guān)斷狀態(tài)要求UGS小于或等于零；導(dǎo)通狀態(tài)一般要求UGS大于10V但不能超過(guò)20V。MOSFET漏源極之間有寄生二極管，漏源極間加反向電壓時(shí)寄生二極管導(dǎo)通。（2）動(dòng)態(tài)特性任務(wù)2.2熟悉電壓控制型電力電子器件2.2.1全控型器件——電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管開通過(guò)程：關(guān)斷過(guò)程：（3）電力MOSFET的主要參數(shù)：

漏極電壓UDS——電力MOSFET電壓定額；

漏極直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM——電力MOSFET電流定額；

柵源電壓UGS——柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導(dǎo)致絕緣層擊穿；極間電容CGS、CGD和CDS。開通時(shí)間ton—開通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和關(guān)斷時(shí)間toff—關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和任務(wù)2.2熟悉電壓控制型電力電子器件GTR和GTO的特點(diǎn)是：雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是：?jiǎn)螛O型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT或IGT）是由GTR和MOSFET復(fù)合而成，它結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，所以具有良好的特性2.2.2全控型器件——絕緣柵雙極晶體管IGBT是一種三端器件：柵極G、集電極C和發(fā)射極E任務(wù)2.2熟悉電壓控制型電力電子器件IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定，當(dāng)uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。2.2.2全控型器件——絕緣柵雙極晶體管IGBT具有很強(qiáng)的通流能力IGBT的開關(guān)速度低于電力MOSFETIGBT的主要參數(shù)：（1）

最大集射極間電壓UCES—-由內(nèi)部PNP晶體管的擊穿電壓確定；（2）

最大集電極電流—-包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP；（3）最大集電極功耗PCM—-正常工作溫度下允許的最大功耗。IGBT的主要特點(diǎn)：（1）

開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，在電壓1000V以上時(shí)，開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與電力MOSFET相當(dāng)；（2）

相同電壓和電流定額時(shí)，安全工作區(qū)比GTR大，且具有耐脈沖電流沖擊能力；（3）通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域；（4）

輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET類似；（5）與MOSFET和GTR相比，耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。任務(wù)2.2熟悉電壓控制型電力電子器件2.2.2全控型器件——絕緣柵雙極晶體管任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.1單相半波可控整流電路1.帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T起變換電壓和隔離的作用

電阻負(fù)載的特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽(yáng)極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度，用α表示，也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為導(dǎo)通角，用θ表示。任務(wù)2.3熟悉可控整流電路直流輸出電壓平均值為：直流回路的平均電流為：回路中的電流有效值為：流過(guò)晶閘管的電流波形系數(shù)：電流波形系數(shù)是電流有效值與平均值之間換算的系數(shù)，在單波整流電路中，

當(dāng)α=0時(shí)Kf為1.57,隨著α的增大，Kf也將增大盡管是電阻負(fù)載，電源的功率因素也不為1，這是單相半波電路的缺陷。任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.帶電感性負(fù)載的工作情況

電感性負(fù)載的特點(diǎn)：電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過(guò)電感的電流不能發(fā)生突變。

當(dāng)電壓從正過(guò)零到負(fù)這一段，由于SCR還是處于導(dǎo)通狀態(tài)，負(fù)載便出現(xiàn)了負(fù)電壓。任務(wù)2.3熟悉可控整流電路

為了避免負(fù)載出現(xiàn)負(fù)電壓而使平均電壓Ud太小，必須在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管2.帶電感性負(fù)載的工作情況

當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，續(xù)流二極管VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過(guò)VDR向VT施加反壓使其關(guān)斷，L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流。續(xù)流期間ud為0，ud中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.2單相橋式可控整流電路1.單相橋式半控整流電路

為了對(duì)每個(gè)導(dǎo)電回路進(jìn)行控制，單相橋式半控整流電路只需2個(gè)晶閘管就可以了，另2個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化了整個(gè)電路

將晶閘管全部換成電力二極管，即成為單相不可控整流電路，不可控整流電路的工作原理相當(dāng)于半控整流電路當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)的情況，半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.單相橋式全控整流電路由于晶閘管是交替工作的，所以流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流IdT為負(fù)載平均電流的二分之一，即變壓器輸出電流有效值：當(dāng)α為0o時(shí)，I=1.11Id流過(guò)每個(gè)晶閘管的電流有效值：將二極管都換成晶閘管負(fù)載平均電壓：負(fù)載平均電流：任務(wù)2.3熟悉可控整流電路

帶電感性負(fù)載的工作情況:2.單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況:帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

單結(jié)晶體管的外形圖，可以看出，它的外形與普通三極管相似，具有三個(gè)電極，但不是三極管，而是具有三個(gè)電極的二極管，管內(nèi)只有一個(gè)PN結(jié)，所以稱之為單結(jié)晶體管。三個(gè)電極中，一個(gè)是發(fā)射極，兩個(gè)是基極單結(jié)晶體管（簡(jiǎn)稱UJT）又稱基極二極管任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路（1）當(dāng)Ve＜ηUbb時(shí)(η為單結(jié)晶體管的分壓比、Ubb為電源電壓)，發(fā)射結(jié)處于反向偏置，管子截止。（2）當(dāng)Ve≥ηUbb+VD,VD為二極管正向壓降（約為0.7伏），PN結(jié)正向?qū)ǎ琁e顯著增加，Rb1阻值迅速減小，ue相應(yīng)下降，這種電壓隨電流增加反而下降的特性，稱為負(fù)阻特性。管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界P稱為峰點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，分別稱為峰點(diǎn)電壓Vp和峰點(diǎn)電流Ip。Ip是正向漏電流，它是使單結(jié)晶體管導(dǎo)通所需的最小電流，顯然Vp=ηUbb。（3）隨著發(fā)射極電流Ie不斷上升，Ve不斷下降，降到V點(diǎn)后，Ve不再繼續(xù)下降，這點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)，與其對(duì)應(yīng)的發(fā)射極電壓和電流，稱為谷點(diǎn)電壓，Vv和谷點(diǎn)電流Iv。（4）過(guò)了V點(diǎn)后，發(fā)射極與第一基極間半導(dǎo)體內(nèi)的載流子達(dá)到了飽和狀態(tài)，顯然Vv是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，如果ue＜Vv，管子重新截止。任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

單結(jié)晶體管張弛震蕩電路（蜂鳴器）典型應(yīng)用實(shí)例：任務(wù)2.3熟悉可控整流電路

單相橋式半控整流電路一般由單結(jié)晶體管電路來(lái)觸發(fā)，單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的特點(diǎn)是：觸發(fā)電路簡(jiǎn)單，但導(dǎo)通角θ的移相范圍較小。2.3.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.4三相可控整流電路1、三相半波可控整流電路變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)，三個(gè)晶閘管分別接a、b、c三相電源，其陰極連接在一起——共陰極接法。α=0°時(shí)，對(duì)應(yīng)相電壓300α≤30°時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，各晶閘管每周期導(dǎo)通1200，Ud=1.17U2cosa，其中U2為變壓器二次相電壓有效值，當(dāng)α=0時(shí)，Ud最大，其值為Ud=1.17U2

α>30°時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小。任務(wù)2.3熟悉可控整流電路

由于晶閘管是交替工作的，所以流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流IdT為負(fù)載平均電流的三分之一。

流過(guò)晶閘管的電流有效值，當(dāng)α=0°時(shí)為：IT=0.588Id晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次線電壓峰值，即：

2.3.4三相可控整流電路1.三相半波可控整流電路任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.4三相可控整流電路

三相橋式可控整流電路由陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）和陽(yáng)極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）組成。若將圖中的晶閘管換成電力二極管，即成為不可控整流電路，不可控整流電路的工作原理相當(dāng)于可控整流電路當(dāng)觸發(fā)角α=0°時(shí)的情況。2.三相橋式全控整流電路任務(wù)2.3熟悉可控整流電路時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的二極管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽(yáng)極組中導(dǎo)通的二極管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb

①每個(gè)時(shí)刻都有2個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通，形成供電回路，其中共陰極組和共陽(yáng)極組各有1個(gè)功率管導(dǎo)通，且不能為同相器。②按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序?qū)?，相位依次?0°。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120°，共陽(yáng)極組VT4、VT6、VT2也依次差120°同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180°。圖2.35三相橋式整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的波形2.3.4三相可控整流電路2.三相橋式全控整流電路

三相橋式整流電路的輸出電壓為三相半波時(shí)的兩倍：Ud=2.34U2cosa

其中U2為變壓器二次相電壓有效值變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值與三相半波阻感負(fù)載時(shí)相同為:

晶閘管的額定電流為：IT(AV)=IT/1.57=0.368Id任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.4三相可控整流電路2.三相橋式全控整流電路任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.5鋸齒波觸發(fā)電路任務(wù)2.3熟悉可控整流電路2.3.5鋸齒波集成觸發(fā)電路任務(wù)2.4熟悉斬波電路

直流斬波電路一般是指將固定的直流電變