电力电子技术.

第19章电力电子技术19.1电力电子器件19.2可控整流电路19.3逆变电路19.4交流调压电路19.5直流斩波电路(略)19.1电力电子器件1.不控器件器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管(D)。2.半控器件器件的导通可控,但关断不可控。如普通晶闸管(T)。3.全控器件器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效晶体管(VDMOS)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。19.1.1电力电子器件的分类电力电子器件的符号KGATKADKGAGTOGSDVDMOSBECGTRGECIGBTKGATKGATKADKADKGAGTOGSDVDMOSBECGTRGECIGBT电力电子器件的主要性能指标：电压、电流、工作频率。19.1.2晶闸管晶闸管(SiliconControlledRectifier)是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性,但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大(正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏)。阳极AP1P2N1N2P1P2N1N2P1P2N1N2G控制极K阴极(a)结构(1)基本结构G四层半导体晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其结构及符号如图所示。晶闸管的结构及符号三个PN结1.普通晶闸管KKGGAAKKGGAA(b)符号晶闸管相当于PNP型和NPN型两个晶体管的组合。++KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG++KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKIKGP1P2N1N2KGAP1P2N1N2P1P2N1N2KGAPPNNNPAGKPPNNNPAGKPPNNNPAGKP1P2N1N2KGAP1P2N1N2P1P2N1N2KGAPPNNNPAGKPPNNNPAGKPPNNNPAGK(1)基本结构1.普通晶闸管晶闸管的结构和外形(2)工作原理在极短时间内使两个晶体管均饱和导通,此过程称触发导通。形成正反馈过程EA0、EG0EART1T2EGAA2BiG2iβGiG21iββKKEART1T2EGAA2Bi2BiG2iβG2iβGiGiG21iββG21iββKKEART1T2EGAA2BiG2iβGiG21iββKKEART1T2EGAA2Bi2BiG2iβG2iβGiGiG21iββG21iββKK晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈,仍可维持导通状态。EA0、EG0形成正反馈过程G(2)工作原理晶闸管导通的条件：①晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。②晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。晶闸管导通后,控制极便失去作用。依靠正反馈,晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：①必须使晶闸管阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。②将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。正向特性反向特性URRMUDRMIG2IG1IG0UBRIFUBO正向转折电压IHOUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U(3)伏安特性(4)主要参数①正向重复峰值电压UDRM晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般UDRM比正向转折电压UBO低100V。②反向重复峰值电压URRM晶闸管控制极开路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。一般URRM比反向转折电压|UBR|低100V。③正向平均电流IF在环境温度为40℃及标准散热条件下,晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。t2OIF如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1~1000A。④维持电流IH在规定的环境温度和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用其百位数或千位数表示，取UDRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)(晶闸管类型)P普通晶闸管K快速晶闸管S双向晶闸管晶闸管KP普通型如KP57表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。2.双向晶闸管特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。晶闸管双向触发导通。UA2UA1时控制极相对于A1加正脉冲，uGA10，晶闸管正向导通，电流从A2流向A1。UA2UA1时控制极相对于A1加负脉冲，uGA10，晶闸管反向导通，电流从A1流向A2。(2)工作原理(1)结构GA1PNPNA2NNNGA1PNPNA2NNNPNPNA2NNN符号符号控制极控制极第二电极第二电极TA2GA1第一电极第一电极符号符号控制极控制极第二电极第二电极TA2GA1第一电极第一电极iGiA3.可关断晶闸管符号KGAGTO特点：控制极加正触发信号，晶闸管导通；控制极加负触发信号，晶闸管关断。GTO全控示意图KKGGAAiiGGiiAARREEAAKKGGAAiiGGiiAARREEAA19.1.3功率晶体管、功率场效晶体管和绝缘栅双极型晶体管1.功率晶体管2.功率场效晶体管这种晶体管主要作为功率开关使用。这种场效晶体管的漏极电流较大，可达几百安；耐压较高，漏源极电压可达数千伏；效率较高、速度较快。3.绝缘栅双极型晶体管这种晶体管综合了功率晶体管和功率场效晶体管的优点，具有较高的电压与电流和工作频率，其关断时间可缩短到40ns。19.2可控整流电路19.2.1可控整流电路1.单相半波可控整流电路(1)电阻性负载u0时：若uG=0，晶闸管不导通，u0时:晶闸管承受反向电压不导通uO=0,uT=u控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通uuuuOORRLL+–+uuTT+––TiiOOuuuuOORRLL+–+uuTT+–uuTT+––TiiOO故称可控整流。工作原理t1u0时:晶闸管承受反向电压不导通即晶闸管反向阻断。加触发信号，晶闸管承受正向电压导通u0时:tGuO2tuOtGuOtGuO222tuOtutuOtuOtuOtuOtGuOtGuOtOutOuOt1t22tTuOtTuOtTuO接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形控制角导通角整流输出电压及电流的平均值由公式可知：改变控制角，可改变输出电压UO。(2)电感性负载与续流二极管当电压u过零后,由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电动势,电流不能跃变，将由零逐渐上升。uuORR+–LeLuu+–uuTT+–TiiOOuuORR+–LeLuu+–uuTT+–uuTT+–TiiOO工作波形tGuOtGuOtTuOtTuOtOuOtOuOtuOt1t22tuOt1t22OuOuOiOiu0时：D反向截止，不影响整流电路工作。电感性负载(加续流二极管)DiOu0时：D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uO波形与电阻性负载相同。uuORR+–Luu+–uuTT+–TiiOOuuORR+–Luu+–uuTT+–uuTT+–TiiOO工作波形(加续流二极管)tGuOtGuOtTuOtTuOtOuOtOuOtuOt1t22tuOt1t22OuOi2.单相半控桥式整流电路(1)电路(2)工作原理T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通,电流的通路为T1、T2晶闸管D1、D2二极管aRLD2T1b电压u为正半周时：此时，T2和D1均承受反向电压而截止。iiOO+–+–T1T2RLuOD1D2aauu+–bbiiOO+–+–+–+–+–T1T2RLuOD1D2aauu+–bbT2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为电压u为负半周时：bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。iiOO+–+–T1T2RLuOD1D2aauu+–bbiiOO+–+–+–+–+–T1T2RLuOD1D2aauu+–bb(3)工作波形tOutuOtT1uOtGuOtOutuOtT1uOtGuO2(4)输出电压及电流的平均值例1：有一纯电阻负载，需要可调的直流电源：电压UO=0~180V，电流IO=0~6A。现采用单相半控桥式整流电路，试求交流电压的有效值，并选择整流元件。解：设晶闸管导通角为180(控制角=0)时，UO=180V，IO=6A，交流电压有效值V200V9.01809.0OUU考虑到电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了180等因素，交流电压要比上述计算值适当加大10%左右，可取220V，因此可不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。V310V22041.12RMFMUUUA3A2621ODTIII为保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管的UDRM和URRM。因此，晶闸管可选用KP57型,二极管可选用2CZ5/300型。UDRM≥(2~3)UFM=(2~3)310V=(620~930)VURRM≥(2~3)URM=(2~3)310V=(620~930)V19.2.2晶闸管的保护晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部断炉或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏；晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。~~~~1.晶闸管的过电流保护(1)快速熔断器保护电路中加快速熔断器。当电路发生过电流故障时,它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。与晶闸管串联接在输入端接在输出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。(2)过电流继电器保护(3)过电流截止保护在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过电流故障时，继电器动作，使电路自动切断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过电流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。~~RRLL~~RRLLCCRRCCRRCCRRCCRRCRCRCRCRCRCRCRCRCR(2)硒碓保护2.晶闸管的过电压保护(1)阻容保护利用电容吸收过电压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中,然后释放到电阻中消耗掉。硒碓保护(硒整流片)晶闸管元件的阻容保护BB22第二基极第二基极BB11N欧姆接触欧姆接触电阻电阻P发射极发射极EE第一基极第一基极BB22第二基极第二基极BB11N欧姆接触欧姆接触电阻电阻P发射极发射极EE第一基极第一基极19.2.3单结晶体管触发电路1.单结晶体管PN结N型硅片(a)结构示意图单结晶体管结构示意图及其符号(b)符号(1)结构BB22EEBB11BB22EEBB11BB22BB11UBBEEUUEE+RPRB1+ADDRB2BB22BB11UBBEEUUEE+RPRB1+ADDRB2(2)工作原理UEUBB+UD=UP时，PN结反偏，IE很小；UE≥UP时，PN结正向导通，IE迅速增加。分压比(0.5~0.9)UP峰点电压UDPN结正向导通压降等效电路测量单结晶体管的实验电路由图可求得B2B1B1BBB1RRRUUBBBBBB1UURRREBB22BB11UBBEEUUEE+_RP+_BB