第19章 电力电子技术..

第19章电力电子技术19.1电力电子器件20.2可控整流电路19.3逆变电路19.4交流调压电路19.5直流斩波电路本章要求1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特性和主要参数。2.理解可控整流电路的工作原理、掌握电压平均值与控制角的关系。3.了解单结晶体管及其触发电路的工作原理。第19章电力电子技术19.1.1电力电子器件的分类19.1电力电子器件根据不同的开关特性，电力电子器件可分为如下三类：（1）不控器件：这种器件的导通和关断无可控的功能，如整流二极管等。（2）半控器件：这种器件通过控制信号只能控制其导通，而不能控制其关断，如普通晶闸管等。（3）全控器件：这种器件通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关断，如可关断晶闸管，功率晶体管、功率场效晶体管等。（SiliconControlledRectifier）晶闸管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。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）。优点：19.1.2晶闸管G控制极1.基本结构K阴极G阳极AP1P2N1N2四层半导体晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。(c)结构KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形、结构及符号三个PN结P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKT1T22工作原理AG2Bii1BG22Ciii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2BG21ii形成正反馈过程KGEA0、EG0EGEA+_RGi2BiG21iββG2iβ晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。2.工作原理GEA0、EG0KEA+_RT1T2Gi2BiGiββ21Giβ2EGAG2Bii1BG22Ciii211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程晶闸管导通的条件：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。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U3.伏安特性))((曲线UfI4.主要参数UFRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）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%UB0。普通晶闸管UFRM为100V—3000V反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。一般取URRM=80%UBR普通晶闸管URRM为100V—3000VURRM：π)(sinπ21mπ0mFIttdII正向平均电流环境温度为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。IF：IFt2i如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。UF:通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。IH:维持电流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。UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，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。符号：A1A2G控制极第一电极第二电极通过控制电压的控制可实现双向导通。工作原理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。A1A2G交流调压电路双向二极管：只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。RCTu+_双向二极管19.2.1可控整流电路1.单相半波可控整流电阻性负载(1)电路u0时：若ug=0，晶闸管不导通，。uuuTo,0。0,Touuuu0时:晶闸管承受反向电压不导通,uo=0,uT=u，故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，uuoRL+–+uT+––Tio(2)工作原理t12u0时:可控硅承受反向电压不导通。uu,uT0o即：晶闸管反向阻断:1t加触发信号，晶闸管承受正向电压导通。0,TouuutuOu0时:晶闸管不导通。,0,~0g1ut。uuuTo,0gutOtOuO接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形动画控制角t1tuOtguOt22tTuO导通角(3)工作波形πtuUαdπ21Oπα)d(sin2π21ttU2cosα145.0LLOORURUI2cosα145.0U(4)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(1)电路当电压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。uuoR+–+uT+––T⃝LeL⃝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势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。tguOtTuOtOuOt1tuOt222)工作波形(未加续流二极管)uuoR+–+uT+––LTioDiou0时：D反向截止，不影响整流电路工作。u0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(见波形图)。3.电感性负载(加续流二极管)+–(1)电路(3)工作波形(加续流二极管)iLtOutuOtTuO2tguO2.单相半控桥式整流电路电路(1).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aRLD2T1b(a)电压u为正半周时io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2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(b)电压u为负半周时bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。tOutuOtT1uO3.工作波形2动画tguO4.输出电压及电流的平均值πtuUαdπ1Oπαο)d(sin2π1ttUU2cosα19.0LOοRURUI2cosα19.0U两种常用可控整流电路电路特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-电路特点1.该电路接入电感性负载时，D1、D2便起续流二极管作用。(2)20.2.3三相半波可控整流电路动画2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-三相桥式半控整流电路2.工作原理1.电路动画u2a2u2bu2ct1t2utoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––19.2.2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，造成元件内部短路或开路。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时，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)过流继电器保护(3)过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。2.硒堆保护2.晶闸管的过压保护(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19.2.3单结晶体管触发电路1.单结晶体管结构及工作原理(1)结构B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号(b)符号B2EB1(2)工作原理2B1B1BBB1BRRRUUBBBBBB1BUURRUEUBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小；PN结正向导通,IE迅速增加。UEUP时–分压比(0.5~0.9)UP–峰点电压UD–PN结正向导通压降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1测量单结晶体管的实验电路由图可求得(3)单结晶体管的伏安特性UV、IV(谷点电压、电流):维持单结管导通的最小电压、电流。UP(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。P1.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稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。2.单结晶体管触发电路(1).振荡电路单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47FugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F(2)振荡过程分析设通电前uC=0。接通电源U,电容C经电阻R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tugt电容放电至uCUv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)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。upuv(c)电压波形uCttugOO主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+3.单结管触发的半控桥式整流电路(1)电路2.工作原理(1)整流削波U2M