电子技术新课件第5章现代电力电子技术

第5章现代电力电子电路第5章晶闸管电路第1节功率电子器件第2节可控桥式整流电路第3节晶闸管触发电路第4节调压、变频、逆变和斩波技术第5节功率电子器件的保护电路第6节晶闸管交流开关电路实例第5章重点•晶闸管工作原理•单相可控整流电路别名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。特点第1节功率电子器件应用领域：逆变整流（交流直流）斩波（直流交流）变频（交流交流）（直流直流）此外还可作无触点开关等一、基本结构A（阳极）P1P2N1三个PN结N2四层半导体K（阴极）G（控制极）第节晶闸管符号AKGPPNNNPAGK二、工作原理结构示意图GKP1P2N1N2AAAPPNNNPGK工作原理分析IGßIGßßIGKAGV1V2GKP1P2N1N2AA1、UGK=0时，UAK0或UAK0，均不能导通。J1J2J3工作原理分析IGßIGßßIGKAGV1V2工作原理分析2、UGK0且UAK0时（正向电压），V1导通V2导通V1进一步导通，形成正反馈晶闸管迅速导通。IB1=IGIC1=IG=IB2IC2=IB2=IG=IB1维持电流IC2=IGIGßIGßßIGKAGV1V2A3、UGK0时，UAK0或UAK0，均不能导通。GKP1P2N1N2AJ1J2J3工作原理分析导通条件（导通状态）：1、阳极与阴极间加正向电压；2、控制极与阴极间加正向触发电压；3、阳极电流不小于维持电流。截止条件（阻断状态）：1、晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）；2、晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。结论晶闸管具有单向导电性（正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号）；晶闸管一旦导通，控制极失去作用。若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。三、特性与参数1、特性UIURSMUFSMURRMIHUFRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1正向反向UFRM：正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。一般取UFRM=80%UFSM。普通晶闸管UFRM为100V~3000V）URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取URRM=80%URSM。普通晶闸管URRM为100V~3000V）IF：额定通态平均电流。（环境温度为40OC时,在电阻性负载、单相工频正弦半波、导电角不小于170o的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管IF为1A~1000A。）2、主要参数UD:额定电压。URRM与UFRM中较小的一个。IF含义说明it2IFmmFIttdII0)(sin21IH：维持电流。(在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。）UG、IG：控制极触发电压和电流。（在室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。）晶闸管型号通态平均电压（UF）额定电压级别（UD）额定通态平均电流（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KKP100-3晶闸管电压、电流级别额定通态电流（IF）通用系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14种规格。额定电压（UD）通用系列为：1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每200V为一级。通态平均电压（UF）等级一般用A~I字母表示，由0.4~1.2V每0.1V为一级。四、特殊晶闸管1、可关断晶闸管（GTO-GataTurnOffthyristor）可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。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。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。A2A1G符号PNNNNNPGA2A1结构3、逆导晶闸管特点：相当于一个晶闸管与一个二极管反向并联。正向特性相当于晶闸管，反向特性相当于二极管。AKGAKG符号等效电路4、快速晶闸管特点：开通和关断时间短。适于高频场合。第2节可控整流电路一、单相半波可控整流电路1、电阻性负载电路及工作原理设u1为正弦波u20时，加上触发电压uG，晶闸管导通。且uL的大小随uG加入的迟早而变化；u20时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。（1）u1u2uTuLAGKRL工作波形tu2tuGtuLtuT（2）：控制角：导通角输出电压及电流的平均值Uo=tdu212ttdsinu2212Io=LORU2cos1U45.02（3）晶闸管的选择器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，晶闸管电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值（IF）。电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：（4）电流的选择平均值：m0mIsinIttd21IT有效值：2I)sin(I21m02mtdtIt平均值=1.57有效值0TIIt01.57301.66601.88902.221202.781503.991800不同下有效值和平均值之比晶闸管电流选择步骤计算给定下的通态电流平均值IT查表（或计算）相应的电流有效值ItIT’K（K为保险系数）计算It对应的正弦半波电流平均值IT’57.1tI(IT’=)选晶闸管的额定值×晶闸管电压选择步骤根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：UFRM=URRM=（1.5~2）U2M其中1.5~2为安全系数根据UFRM、URRM选取晶闸管电压的额定值计算举例设o602RL则260cos111045.0oLTUtsin21102u（V）)(6.1822.37AILT=37.2V选晶闸管18.6(A)IT35(A)18.61.88It)(3.2257.135A，TI22.3×1.5=33.5(A)UFRM=URRM=1.5×2110=233(V)可选用额定值为：300V、50A的晶闸管2、电感性负载（1）电路及工作原理设u1为正弦波u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，失去单向导电作用。V称为续流二极管,加入V的目的就是消除反电动势的影响。VAuLGuTRu1u2KL（2）工作波形（不加续流二极管）tu2tuGtuLtuT工作波形（加续流二极管后）tu2tuGtuTuLtiLT（3）电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况）ULT=tdu2122COS1U45.02LLTRUILT负载中的电压及电流当LR时，ILT在整个周期中可近似看做直流。IT=晶闸管的中电流IT=0221tdILTLTI0360平均值:有效值:LTI0360晶闸管的选择晶闸管电压（1.5~2）U2M晶闸管电流（1.5）×57.1IT二、单相桥式半控整流电路1、电阻性负载桥式可控整流电路（1）电路及工作原理u20的导通路径：u2(A)V1RLV4u2(B)V1、V2--晶闸管V3、V4--晶体管V1V2V3V4RLuLu2AB+-V2RLV3u2(A)u2(B)u20的导通路径：V1、V2--晶闸管V3、V4–二极管V1V2V3V4RLuLu2AB+-（2）工作波形tu2tuGtuLtuT1输出电压及电流的平均值ULT=tdu12ttdsinu212ILT=LLTRU（3）2cos1U9.022、电感性负载桥式可控整流电路该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。u2V1V2V3V4VuLRL两种常用可控整流电路的特点（1）电路特点该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。晶闸管和负载上的电流相同。u2VV2V1V4uLRLV3（2）电路特点该电路接入电感性负载时，V2、V4便起续流二极管作用。由于V1的阳极和V3的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。V1V3V2V4u2uLRL带反电动势负载的可控整流电路该电路的工作过程。画出uL、iL的工作波形。V1V2V3V4RuLu2E+-触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求：1、足够的功率；2、一定的宽度；3、与主电路同步；4、一定的移相范围。第3节晶闸管触发电路产生的方式：1、单结晶体管触发电路；2、集成触发电路。一、单结晶体管触发电路等效电路EB2B1RB2RB1管内基极体电阻E（发射极）B2（第二基极）B1（第一基极）NPPN结EB2B1基本结构符号1、单结晶体管工作原理2B1B1BBBRRRUUABBUUEUA+UEA=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(0.35~0.75)UP--峰点电压UEA--PN结正向导通压降B2ERB1RB2B1AUBBIEUE2单结晶体管的特性和参数IEUEUVUPIVUV、IV--谷点电压、电流（UEUV时单结管截止）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。UP--峰点电压（UEUP时单结管导通）B2ERB1RB2B1AUBBIEUE3、单结晶体管振荡电路RR2R1CUucuOEB1ucttuouvup振荡波形2B1BRRU22B1B11RRRRRUIuE=uCUP时，单结管不导通，uo0。此时R1上的电流很小，其值为：振荡过程分析IR1R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧~几百欧；RB1+RB2一般为2~15千欧。uOR2R1RCUucE随电容的充电，uc逐渐升高。当uCUP时，单结管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。R2R1RCUucEuOR2起温度补偿作用ucUpUvuoUp-UDUP、UV--峰点、谷点电压UD--PN结正向导通压降注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。电容放电至ucuv时，单结管重新关断，使uo0。脉冲宽度的计算：11lnRCTTuoucupuvtw振荡周期的计算：VP1wUUlnCRt4、单结管触发的可控整流电路主电路u1V1V2V3V4uLRLu3触发电路R1aR2RPCucu2RbcdeV（1）电路波形关系u2uabU2MU2Mubc削波整流UZ（2）波形关系（1）au2RbcVUZ波形关系（2）UZ削波ucbudbUpUvueb电容充、放电UP-UD触发脉冲UZR1R2RPCuccdeVb波形关系（3）uLu3ueb触发脉冲输出电压u3V1V2V3V4uLRLbe5、晶闸管的保护晶闸管的过流、过压能力很差，是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；晶闸管承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。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。过流保护快速熔断器：电路中加快速熔断器;过流继电器：在输出端装直流过电流继电器;过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的导通角或停止触发，从而切断过流电路。保护措施~接在输出端接在输入端和晶闸管串联阻容吸收硒整流堆过压保护（利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。）（硒