第3章_电力电子供电电路

1自动控制系统及应用2第3章电力电子供电电路•3.1电力电子供电电路概述•3.2晶闸管及其触发、保护电路3.1电力电子供电电路概述电力电子技术是以电力（供电）为对象的电子技术，它是利用电力电子器件对电能的电压、电流、频率、相位和波形等方面进行控制和变换的技术，它是横跨电力、电子和控制三大学科的交叉学科，是当前发展极为迅速的学科之一。当代许多高新技术，常与供电电路的电压、电流、频率和相位等基本参数的转换与控制有关，而现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制与高效率的变换，因此电力电子技术己成为现代科学技术、现代生产和现代生活中一门十分重要的学科和技术3电力电子供电电路常用的类型可控整流电路：把交流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用于电解、电镀、直流电动机的调压调速，以及高压输电等方面。（交→直）直流斩波电路：把固定的（或变化的）直流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用于电气机车、城市电车牵引和电瓶叉车等方面。（直→直）交流调压电路：把交流电压变换为大小可调的（或固定的）交流电压。如应用于灯光控制、温度控制等方面。（交→交）交流变频电路：把固定（或变化）频率的交流电变换为频率可调的（或恒定的）交流电。如应用于变频电源（如中频加热电源、高频加热电源）和变频调速等。（交→交）4逆变电路：把直流电压变换为频率固定（或可调）的交流电压。若将此交流电送往交流电网，这称为“有源逆变”，如高压直流输电、牵引机（或提升机）的电能回馈制动等。若此交流电不送往电网，供给负载，则称为“无源逆变”，如不间断电源（UPS）、高精度交流电源等。（直→交）无触点功率静态开关：接通或切断交流（或直流）电流通路，用于取代接触器、继电器（又称固态接触器、固态继电器）。5电力电子供电电路采用的电力电子器件有：晶闸管（Th）双极型晶体管（BJT）场效应晶体管（MOSFET）绝缘栅双极晶体管（IGBT）场效应晶闸管（MCT）现代的电力电子器件日益向全控化、高频化、复合化、集成化和多功能化发展，新型的器件不断涌现，使电力电子技术呈现日新月异，迅猛发展的状况。63.2晶闸管及其触发、保护电路•3.2.1晶闸管•3.2.1晶闸管的触发电路•3.2.3晶闸管电路的保护环节7PN结及其单向导电性PN结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层1.PN结加正向电压（正向偏置）P接正、N接负外电场IFPN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–多子在外电场作用下定向移动，形成较大的正向电流。PN结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。–+2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正少子在外电场作用下定向移动，形成很小的反向电流。PN结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－IR半导体二极管14.3.1基本结构（一个PN结）(a)点接触型(b)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型二极管的结构示意图阴极阳极(d)符号D3.2.1晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。121-13小电流塑封式小电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式图形符号晶闸管的外形一.认识晶闸管14KP螺旋式螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构晶闸管模块常用晶闸管的结构15晶闸管的散热片自冷式风冷式水冷式16晶闸管的散热片水冷式风冷式自冷式1晶闸管的结构J1J2J3GP1N1N2N2P2AK晶闸管是PNPN四层半导体结构。具有J1、J2、J3三个PN结。可用三个二极管或两个三极管等效。P1N1P2N2AGK阳极二.晶闸管的内部结构原理18三、晶闸管导通关断实验当晶闸管的阳极与阴极间加上正向或反向电压时，总有PN结处于反偏状态；因此，晶闸管也处于正向或反向阻断状态。那么晶闸管在什么条件下，才能从正向阻断状态转变为正向导通状态呢?在什么条件下又从导通状态恢复为阻断状态呢?下面进行晶闸管的导通关断实验进行分析P1N1P2N2AGK阳极191.Q1于中间，Q2置于左、中、右，灯均灭；2.Q1置于左，Q2置于左、中、右，灯均灭；3.Q1置于右，Q2置于左、中，灯均灭；Q2置于右，灯亮Q1、Q2双向开关20灯亮后做实验:扳动Q2，Q2置于中、左时，灯仍亮。扳动Q1，Q1置于中、左时，灯灭。21四、实验现象与结论：阳极电压Ua反向时，无论Ug为何种电压，晶闸管都处于关断状态，灯不亮。只有当阳极电压Ua和门极电压Ug同为正向电压时，晶闸管才能导通，灯亮。晶闸管导通后，无论Ug为何种电压，晶闸管仍然导通，门极就失去控制作用。晶闸管在导通状态时，阳极电源Ea减小到接近零时晶闸管关断，灯不亮。22实验结论晶闸管象二极管一样，具有单向导电特性。晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性。要使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向电压时，同时还在门极与阴极之间加上一定的正向门极电压Ug才能导通，这就是晶闸管导通的必要条件。当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，因此通常在门极只要加上一个正向脉冲电压即可，称之为触发电压。门极无法控制晶闸管的关断。23实验结论当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流叫维持电流(IH)。要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源Ea或增大负载电阻，使阳极电流IaIH或在阳极加上反向电压，晶闸管就自行关断了。20承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：25五、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压UT——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。使用注意：1.电压定额26通态平均电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流IH——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流IL——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。浪涌电流ITSM——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。2.电流定额27除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率du/dt——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。通态电流临界上升率di/dt——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3、动态参数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,用百位或千位数表示取UFRM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。3.2.2晶闸管的触发电路一、触发电路的组成如前所述，晶闸管的导通需要有一个触发电路来提供触发脉冲。触发电路大致可分成四个部分：脉冲形成移相控制同步电路脉冲功率放大触发电路的组成参见图。29•脉冲形成：是触发电路的核心，它的功能是产生一定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用的有单结晶体管自激振荡电路、单稳态触发电路和集成触发电路等。•移相控制：功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调节控制角α的大小）。常用锯齿波与给定信号电压进行比较来进行移相控制30•同步电路：功能是使触发脉冲每次产生的时刻，都能准确地对应着主电路电压波形上的α时刻。通常采用的方法是把主电路的电压信号直接引入，或通过同步变压器（或经过阻容移相电路）从主电路引入，来作为触发同步信号31•脉冲功率放大：若触发驱动的晶闸管的容量较大，则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。通常采用由复合管组成的射极输出器或采用强功率触发脉冲电源32二、触发电路的工作原理33如今触发电路常采用集成电路。TS为同步变压器，TI1和TI2为脉冲变压器，R8、R9、VT2和R10、R11、VT1构成电压放大电路，VD1和VD2为续流二极管，触发脉冲宽度取决于电阻R7和电容C2，电位器RP1用于调节锯齿波斜率，电压Uc为移相控制输入电压，电位器RP2用于调节锯齿波偏置电压。343.2.3晶闸管电路的保护环节35