第8章 电力电子技术基础

1第四节直流－交流逆变电路第三节单结晶体管触发电路第二节晶闸管可控整流电路第一节电力电子器件第七节晶闸管的保护第六节交流调压电路第五节交流－交流变频电路3第一节、电力电子器件电力电子电路：由电力电子器件、电力变换电路和控制电路组成。电力电子技术：以电力为对象的电子技术,它利用电力电子器件对电能进行控制和转换，它的出现使半导体电子技术由弱电领域扩展到强电领域。是一门电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。电力电子器件（电力半导体器件）：半导体整流器、大功率晶体管、晶闸管及其派生器件、以及其他大功率半导体器件。一、晶闸管（SCR）二、其他类型的晶闸管5第一节、电力电子器件1、根据不同的开关特性分：半控型器件：通常为三端器件，通过控制信号能够控制其开通而不能控制其关断。不可控器件：通常为两端器件，不能控制其开通和关断。全控型器件：也为三端器件，通过控制信号既可控制开通，也可控制关断。也称自关断器件。2、根据控制信号不同分：电流控制型:电力晶体管、晶闸管、可关断晶闸管电压控制型:电力MOS场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、MOS控制晶体管。概述6一、晶闸管（SCR）3、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、控制特性好等。SiliconControlledRectifier5、用途：主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。4、缺点：过载能力和抗干扰能力差，控制电路也较复杂。1、定义：一种大功率半导体器件。2、种类：普通型、双向型、可关断型、快速型等。第一节、电力电子器件7第一节、电力电子器件（一）基本结构KGA符号2种外形：螺旋式、平板式。3个电极：阳极A、阴极K、控制极G。8阳极A第一节、电力电子器件G控制极内部结构：4层半导体，3个PN结，P1引出阳极A，N2引出阴极K，P2引出控制极G。K阴极P1P2N1N2四层半导体单结晶体管结构示意图三个PN结9第一节、电力电子器件P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合P1P1N1N2N2P2AGKT1T2AKGIG(IB2)IAIC2(IB1)IC1(-)(+)10第一节、电力电子器件（二）工作原理在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通形成正反馈过程IG(IB2)IAIC2(IB1)IC1T1T2AKG(-)(+)1、晶闸管的导通过程：阳极A与阴极K间、控制极G与阴极K间加正向电压时，产生控制极电流IG（即IB2），经T2放大后，形成集电极电流IC2＝Β2ib2。2222BGCIIIB2GCCIIIβI212121111第一节、电力电子器件T1T2AKGIG(IB2)IAIC2(IB1)IC1(-)(+)2222BGCIIIB2GCCIIIβI2121211晶闸管导通后，去掉控制极G与阴极K间的正向电压，依靠正反馈，仍可维持导通状态12第一节、电力电子器件2、晶闸管导通的条件：1、阳极与阴极之间加上一定大小的正向电压。2.控制极与阴极之间加上正向触发电压。3、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.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。必须同时满足这两个条件，晶闸管才能导通。13第一节、电力电子器件（三）伏安特性正向特性反向特性URRMUFRMIG2IG1IG0UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2+_U反向转折电压维持电流正向平均电流正向转折电压阳极与阴极间的电压和电流的关系。+_14第一节、电力电子器件当正向电压上升到转折电压UBO时，J2结被击穿，漏电流突然增加，晶闸管由正向阻断状态突然转变为导通状态。晶闸管导通后，若电源电压减小或负载电阻增大，正向电流就逐渐减小，小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转换为阻断状态。1、在阳极与阴极间加正向电压：J1、J3结处于正向偏置，J2处于反向偏置，晶闸管只流过很小的漏电流IDR。此时晶闸管处于“正向阻断状态”。15第一节、电力电子器件2、在阳极与阴极间加反向电压：J1、J3结处于反向偏置，J2处于正向偏置，晶闸管只流过很小的反向漏电流IR，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压加到反向转折电压UBR时，反向电流急剧增大，晶闸管反向导通，并造成永久性破坏。注意：在很大正向电压或反向电压作用下，使晶闸管击穿导通是不允许的。通常应使晶闸管在正向阻断状态下，将正向触发电压加到控制极使其导通。16第一节、电力电子器件1、额定正向平均电流IF在环境温度不大于40C、标准散热和全导通的条件下，允许连续通过的工频正弦半波电流的平均值。电流大小用有效值表示，因此晶闸管额定电流的有效值是其平均值的1.57倍。（四）主要参数2、维持电流IH是指由通态到断态所必须的最小电流。一般为几十至一百多毫安。当IAIH时，晶闸将自动关闭。17第一节、电力电子器件3、正向重复峰值电压UFRM在控制极断路和晶闸管正向阻断条件下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。按规定此电压为正向转折电压UBO的80%。4、反向重复峰值电压URRM在控制极断路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。按规定此电压为反向转折电压UBR的80%。18第一节、电力电子器件晶闸管型号及其含义额定电压（峰值电压）额定正向平均电流(A)（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（五）型号命名通态平均电压组别19第一节、电力电子器件二、其他类型的晶闸管无论控制信号是正脉冲还是负脉冲均可使晶闸管导通。1、结构：是一种NPNPN五层三端器件，相当于两个晶闸管反并联，但只有一个控制极。（一）双向晶闸管20第一节、电力电子器件3、伏安特性：就是两个反并联晶闸管的伏安特性。以T1为参考点，无论T2极为正、负电位，控制信号总是加在控制极G和T1极之间，无论控制信号是正、负脉冲，均可使晶闸管导通。21第一节、电力电子器件5、符号：T2T1G控制极第一电极第二电极4、主要用途：是一种交流开关，主要用于交流相位控制的调压电路、固体开关等。22第一节、电力电子器件（二）可关断晶闸管（GTO）普通晶闸管若关断，必须使阴极电流IA小于维持电流IH，使阳极与阴极之间的电压为零或反向，应用中很不方便。可关断晶闸管采用多阴极结构。23第一节、电力电子器件1、与普通晶闸管不同：主要在阴极结构，普通的只有一个，而可关断的有多个，其周围由控制极包围，形成多阴极结构，由此使可关断晶闸管具有不同的功能。可关断晶闸管用正控制脉冲信号触发导通，用负脉冲信号关断。2、与普通晶闸管相同：伏安特性相同，主要参数也大多相同。24第一节、电力电子器件（三）其它晶闸管1、MOS栅控晶闸管:引进了一对MOS型场效应管来控制晶闸管的导通和关断。具有高电压、大电流、低导通压降、高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度等优点。是当前半导体器件中评价最高的一种混合型器件。2、静电感应晶闸管：在控制极上加反向偏压即阻断，除去反向偏压即导通的常开器件，其阻断特性由控制极与阳极之间的静电感应作用决定。具有工作温度高、动态特性均匀、导通电阻小、正向压降低、开关速度快、开关损耗小等优点。是目前开关速度最快的一种晶闸管。26第二节、晶闸管可控整流电路作用：将交流电变为电压大小可以调节的直流电，以供给直流用电设备。主要利用晶闸管的单向导电性和可控性。类型：很多，但最基本、应用最多的是单相和三相桥式可控整流电路。本节只讨论单向桥式可控（半控）整流电路。概述27第二节、晶闸管可控整流电路1、构成：把单相桥式整流电路中的两个二极管换成晶闸管。io单相半控桥式整流电路–TH1TH2RL+–uoD1D2au2+–bTru1+–优点：输出电压较高，触发电路较简单，广泛应用于中、小容量的整流电路中。晶闸管晶体管28第二节、晶闸管可控整流电路io–TH1TH2RL+–uOD1D2au2+–bTru1+–2、工作原理在u2的正半周，图中a点电位高于b点，晶闸管TH1和二极管D2处于正向电压下。若在某一时刻t1对TH1的控制极加上触发脉冲信号ug，则TH1和D2承受正压导通，TH2和D1承受反压而截止。29第二节、晶闸管可控整流电路io–TH1TH2RL+–uOD1D2au2-+bTru1-+在u2的负半周，TH2和D1承受正压。若在某一时刻t2对TH2的控制极加上触发脉冲信号ug，则TH2和D1导通，TH1和D2因承受反压而截止。+30第二节、晶闸管可控整流电路3、工作波形控制角α：从晶闸管承受正向电压开始，直到加上ug而触发导通的这段时间所对应的电角度。导通角θ：晶闸管导通范围。在电角度α～π的区间。tguOt2uO23tOuo,ioαθTH1D2导通TH2D1导通Α+θ=π31第二节、晶闸管可控整流电路io–TH1TH2RL+–uOD1D2au2+–bTru1+–改变控制角α的大小，可改变输出电压的波形和大小。α愈小，θ愈大，输出电压平均值愈高。输出电压平均值UO与控制角α的关系：πtuUαdπ1Oπα)td(tsinUπ212cosα19.0LOοRURUI2cosα19.0U负载电流的平均值：32第二节、晶闸管可控整流电路πππ)()sin2(πL22L22111202sinRUtdtURIODII21晶闸管的选择：二极管的选择：正反向重复峰值电压：22UUmaxR22UUmaxD一般取22UUmax2)~(1.5R变压器副边电流：33第二节、晶闸管可控整流电路[例8-2-1]有一电阻值为6Ω的负载，要求0～60V的可调电压，采用单相半控桥式整流电路，直接由220V交流电源供电，试计算负载端电压为60V时晶闸管导通角。解：2cos19020U.U394012209060219022..U.UOcos0002113866180.0008662113180.–TH1TH2RL+–uoD1D2au2+–bTru1+–一、单结晶体管二、单结晶体管多谐振荡电路三、单结晶体管触发电路四、应用举例35第三节、单结晶体管触发电路一、单结晶体管B2第二基极B2B1N欧姆接触电阻P发射极E第一基极B1(a)结构示意图(b)符号B2EB1（一）结构N型硅片PN结36第三节、单结晶体管触发电路具有3个电极，但结构上只有1个PN结。在一块高电阻率的N型硅片一侧的两端各引出一个电极，为第一基极B1和第二基极B2。在硅片的另一侧靠近B2处掺入P型杂质，形成PN结，并引出一个电极，为发射极。存在于基极B1和B2之间的电阻是硅片本身的电阻，其阻值为2～15kΩ之间，具有正的温度系数。基极间的电阻为RBB＝RB1＋RB2。37第三节、单结晶体管触发电路（二）单结晶体管的伏安特性就是发射极E的特性，即在基极B1、B2之间外加一个固定电压UBB，发射极电流IE与UE之间的关系。即IE＝ƒ（UE）︱UBB＝常数。实验电路BBUB2B1B1BBARRUUU–分压比(0.5~0.9)当发射极不加电压时（UEE=0）：38第三节、单结晶体管触发电路IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区P单结晶体管伏安特性曲线UP(峰点电压)：单结管由截止变导通所需发射极电压。。IP(峰点电流)：单结管由截止变导通所需发射极电流。。39第三节、单结晶体管触发电路PN结导通后，从发射区发出大量的空穴，IE增加很快，E和B1间变成了低阻导通状态，而使E和B1间的电压UE也随之下降，这段特性曲线的动态电阻为负值，称负阻区。截止区：当外加电压UEUA＋UD＝ηUBB＋UD时，PN结承受反向电压而截止，故发射极回路只有微安级的反向漏电流，E和B1间呈现很大电阻，管子处于截止状态。负阻区：当外加电压UE=UP=UA＋UD＝ηUBB＋UD时，PN结承受正向电压而导通，发射极电流IE突然增大。这个突点称为峰点P。对应的电压UE和电流IE分别称峰点电压UP和峰点电流IP。40第三节、单结晶体管触发电路可见