第10章 电力电子技术基础

1电子技术第10章电力电子技术基础2第6章电力电子技术基础6.2可控整流电路6.3交流调压器与直流斩波器6.4直流电动机PMW调速系统6.1电力电子器件6.5变频与逆变电路6.6异步电动机的变频调速概述电子技术包括两大分支：信息电子技术电力电子技术电力有直流和交流两种，电力变换可分为四大类：交流变直流—整流AC→DC（可控、不可控）直流变交流—逆变DC→AC（V或/和F可变）直流变直流—将一种电压（或电流）的直流，变为另一种电压（或电流）的直流。交流变交流—可以是电压或电力的变换，称为交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。3变流技术——电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。电力电子技术分为：电力电子器件制造技术变流技术电力电子技术概述4电力电子器件具有弱电控制强电输出的特点。依据其弱电对强电通断的控制能力，可分为：（1）不可控器件通常是二端器件，通过控制器件两端间的电压极性控制其开通和关断，如整流二极管等。（2）半控型器件通常为三端器件，通过控制信号只能控制其开通而不能控制其关断。普通晶闸管及其派生器件属于这一类。（3）全控型器件为三端器件，通过控制信号既可控制其开通又能控制其关断，也称之为自关断器件。根据控制信号的形式，分为两类：（1）电流控制型有普通晶闸管（SCR）、电力晶体管（GTR）、可关断晶闸管（GTO）等。（2）电压控制型有电力场效应晶体管（VDMOS）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和MOS控制晶闸管（MCT）等。6.1电力电子器件5普通晶闸管简称晶闸管，又称为可控硅，是一种大功率的可控型半导体器件，主要用于可控整流、逆变、调压及开关等方面。外形KGA符号T1.基本结构G控制极（门极）K阴极阳极AP1P2N1N2结构6.1.1普通晶闸管+KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKKGAP1N2P2N12.工作原理晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合62.工作原理GBII2122BGCIII在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。211CCIβI221BGII形成正反馈过程GEA0、EG0GI2BIG21IββG2IβT1T2AKEGEA+_R+_72.工作原理GEA0GI2BIG21IββG2IβT1T2AKEA+_R晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。形成正反馈过程GBII2122BGCIII211CCIβI221BGII8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。2.工作原理晶闸管关断的条件：（1）必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。（2）将阳极电源断开，或在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。93.伏安特性正向特性反向特性URRMUFRMIG2IG1IG0UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流UI=f（U）曲线104.主要参数1）正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM。晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM=80%UBO，普通晶闸管UFRM为100V—3000V。2）反向重复峰值电压URRM。控制极开路时，允许重复作用在晶闸管两端的反向峰值电压。一般取URRM=80%UBR，普通晶闸管URRM为100V—3000V。3）额定正向平均电流IF。环境温度不高于40C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。π)(sinπ21mπ0mFIttdII4）维持电流IH。在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十~一百多毫安。正弦半波电流的最大值115.型号命名导通时平均电压组别额定电压（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普通型例：KP5-7表示额定正向平均电流为5A，额定电压为700V。121.可关断晶闸管（GTO--GateTurnOffthyristor)可关断晶闸管的伏安特性、触发导通与普通晶闸管相同。不同之处：普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。KGAGTO符号6.1.2两种特殊晶闸管2.双向晶闸管（TRIAC)A1A2GA1A2GG基本结构图形符号等效电路通过控制电压的控制可实现双向导通UA1UA2时，控制极相对于A2加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2；UA2UA1时，控制极相对于A2加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。13电力MOSFET也是多元集成的，一个器件由许多MOSFET元组成，有横向导电型（LDMOS）和垂直导电型（VDMOS）两种结构。一、结构与电气符号VDMOS场效应管元胞结构N+N+N-SGDPPN+N+N+沟道等效电路符号6.1.3电力场效应晶体管14当漏极接电源正端，源极接负端，栅源间电压为0，漏源间无电流流过；如果栅源间加一正向电压UGS，并不会有栅极电流流过，但随着UGS增加，当大于UGS(th)时，形成反型层，漏极和源极导电。注意：由于VDMOS结构本身形成的寄生二极管的存在，使得它无反向阻断能力，即具有逆导特性。当漏源之间加反向电压时，器件必定导通。N+N+N-SGDPPN+N+N+沟道二、电力场效应晶体管的导电机理15（1）垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；（2）设置了高电阻率的N-区以提高电压容量；（3）短沟道(1～2μm)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；（4）载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。（5）驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，且热稳定性优于GTR，但是电力MOSFET电流容量小、耐压低，一般用于功率10KW以下的装置。三、电力场效应晶体管的特点16绝缘栅双极型晶体管是由双极型电力晶体管和绝缘栅MOSFET构成的新型复合器件。GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRon结构开通和关断由栅射间的电压UGE决定：当UGEUGE(th)时，IGBT导通；当栅极与发射极间加反压或不加信号时，IGBT关断。注入区缓冲区漂移区EGCN+N-PN+N+PN+N+P+发射极栅极集电极J3J2J1等效电路符号GCE6.1.4绝缘栅双极型晶体管（IGBT）17MOS控制晶闸管是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型全控型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET。P-MOS控制晶闸管的元胞结构阳极阴极栅极一、结构与电气符号等效电路符号6.1.5MOS控制晶闸管（MCT）18导通：当栅极相对于阳极施加负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使NPN晶体管导通，同时使PNP晶体管导通且形成正反馈触发过程，最后导致MCT导通；使MCT关断的MOSFET使MCT导通的MOSFET控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准。P-MOS等效电路关断：当栅极相对于阳极加正脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管基极电流中断，破坏了使MCT导通的正反馈过程，于是MCT被关断。二、P-MCT的工作原理其中：（1）导通的MCT中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。（2）使P-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉冲幅度一般为-5～-15V，使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V。19一、过流保护与器件串联接在输入端~接在输出端快速熔断器接入方式有三种。1.快速熔断器保护6.1.6电力电子器件的保护2.过流继电器保护：在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，自动切断电路。3.过流截止保护：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。202.非线性元件保护1.阻容保护CR利用电容吸收过压。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。RCRC硒堆保护(硒整流片)CR~RL晶闸管元件的阻容保护二、过压保护212.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晶体管aRLD2T1bu为正半周时：io+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和D1均承受反向电压而截止。6.2.2单相半控桥式整流电路T2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u为负半周时：bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。22tOutuOtT1uO3.工作波形2tguO4.输出电压及电流的平均值πtuUαdπO1παο)d(sinπttUU212190cosα.LOοRURUI2190cosα.U23（1）有足够的功率，一般要求触发电压在4～10V以内，触发电流为数十至数百毫安；（2）应有一定的宽度，以保证晶闸管能可靠触发。脉冲前沿尽可能的陡，使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通；（3）必须与晶闸管的阳极电压同步；（4）相位可移动，移相范围必须满足电路要求。此外，还要求触发电路工作可靠、体积小、重量轻等。向晶闸管提供触发脉冲的电路称为触发电路。触发信号应满足以下要求：6.2.3单结晶体管和触发电路触发电路的种类很多：有分立元件构成的（如单结晶体管触发电路）、专用集成触发电路、也可用数字电路、单片机或用软件产生触发脉冲再配以适当硬件功率放大电路。不同容量的晶闸管元件，选用的触发电路也不同。此书仅介绍单结晶体管触发电路。241.单结晶体管EB2B1B2RB2DEB1RB1+UE_+_UBB+UB1_IEB2B1NPE第二基极发射极第一基极PN结N型硅片结构示意图结构等效电路符号25单结晶体管的工作原理2B1B1BBB1BRRRUU当UEUBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小，单结晶体管可视为断开的开关；IE迅速增加，单结晶体管可视为接通的开关。当UEUP时，PN结正向导通,–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B2B1UBBEUE+_RP+_+_UEERIERB1RB2AEUE+_RPB2B1RUBB+_+_UEEIEBBBBBB1BUURR26单结晶体管的伏安特性峰点电压：单结管由截止变导通所需发射极电压。IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区负阻区：UEUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。P谷点电压/电流：维持单结管导通的最小电压/电流。271.UEUP时单结管截止；UEUP时单结管导通，UEUV时恢复截止。单结晶体管的特点B2EB12.单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电压UP不同。3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。常选用稍大、UV稍小一些的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。282.触发电路单结晶体管弛张振荡电路uR1R2R1RuEEC+_+_UBB+_RPS设通电前uC=0。接通电源,电容C经电阻R和RP充电，电容电压uC逐渐升高。当uCUP时，单结管导通，电容C放电，R1上得到一脉冲电压。UpUvUp-UDuCtuR1t电容放电至uCU