电力电子应用技术莫正康版主编1

第一章功率二极管、晶闸管及单相相控整流电路第一节功率二极管第二节晶闸管第四节晶闸管简单触发电路第三节单相相控整流电路电力电子器件的分类按照器件能够被控制信号所控制的程度，分为以下三类：1)半控型器件绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）等3)不可控器件只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。电力二极管（PowerDiode）通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件2)全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。★电力电子器件的分类按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三类：1)电流驱动型1)单极型器件2)电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制2)双极型器件3)复合型器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件晶闸管及派生器件、晶体管（GTR）MOSFET、IGBT、MCT、IGCT、SIT、SITHMOSFET、SIT晶闸管及派生器件、GTR、SITHIGBT、MCT、IGCT★第一节功率二极管1基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样2以半导体PN结为基础,PN结具有单向导电性。二极管是一个正方向导电、反方向阻断的电力电子器件。3由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的4从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)5功率二极管的伏安特性当外加正向电压大于UTO（门槛电压）即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流ＩＲＲ剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管亦称整流管，国产型号为ＺP，主要参数说明如下：（1）额定正向平均电流ＩF（额定电流）指管子长期运行在规定散热条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的电流等级。6功率二极管的主要参数★ＩF受发热限制，因此在使用中按有效值相等的原则来选取管子电流定额，并应留有一定的裕量。对应额定电流ＩF，其有效值为1.57ＩF。（2）反向重复峰值电压ＵＲＲＭ（额定电压）指管子反向能重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压ＵB的2／3。（3）正向平均电压ＵF在规定条件下，管子流过额定正弦半波电流时，管子两端的正向平均电压亦称管压降，此值比直流压降小。（4）反向漏电流ＩＲＲ对应于反向重复峰值电压时的漏电流。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定第二节晶闸管晶闸管的优点：1.功率放大倍数高：达104以上2.快速响应好：ms级3.功耗小，效率高：晶闸管的正向压降为1V，功耗＜1％4.无磨损，无噪音，体积小，费用低。★晶闸管的缺点：1.过载能力小2.晶闸管工作在深调速（α较大）时，产生较大的无功功率，使装置cosφ降低，并产生高次谐波，引起电网波形畸变。★◆关于晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅（SiliconControlledRectifier——SCR）•1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管•1957年美国通用电气公司（GE）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，开始被性能更好的全控型器件取代•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◆晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图a为小电流塑封式，电流稍大时也需紧固在散热板上，图b、c为螺栓式，使用时必须紧栓在散热器上，图d为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。一、晶闸管的结构与工作原理晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。平板式普通晶闸管属于双面散热，适用于大功率场合；螺栓式普通晶闸管属于单面散热，适用于中、小功率场合。平板式普通晶闸管和螺栓式普通晶闸管的区别晶闸管散热器，图a适用于螺栓式，图b、c用于平板式。平板式两面散热效果好，电流在200Ａ以上的管子都采用平板式结构。自冷式风冷式水冷式集成化的晶闸管模块集成化的晶闸管模块EgEaQ2UgGKAQ1晶闸管导通关断实验原理图晶闸管的工作条件实验顺序实验前灯的情况实验时晶闸管情况实验后灯的情况阳极电压门极电压导通实验123暗暗暗反向反向反向反向零正向暗暗暗123暗暗暗正向正向正向反向零正向暗暗亮关断实验123亮亮亮正向正向正向正向零反向亮亮亮4亮正向(减小到零）(任意)暗实验结论•1.晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何种电压，都处于关断状态。•2.晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下，才能导通。•3.已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门极失去控制作用。•4.晶闸管在导通状态时，当Ea减小到接近零时，晶闸管关断。管芯由四层半导体（P1N1P2N2）组成,形成三个PN结（Ｊ1、Ｊ2、Ｊ3）。晶闸管内部结构晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管Ｖ1（Ｐ1—Ｎ1—Ｐ2）与V2（N1—Ｐ2—Ｎ2）的组成。一、晶闸管的结构与工作原理晶闸管的工作原理IG↑→Ib2↑→IC2(Ib1)↑→IC1↑晶闸管的双晶体管模型与工作电路图Ic1=1IA+ICBO1（1.1）Ic2=2IK+ICBO2（1.2）IK=IA+IG（1.3）IA=Ic1+Ic2（1.4）式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式（1.1）~（1.4）可得（1.5）)(121CBO2CBO1G2AIIII晶体管的特性是：在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2→0。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通（门极触发）：注入触发电流IG使晶体管的发射极电流增大以致1+2→1的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将→∞，实现饱和导通。IA实际由外电路决定，即IA=EA/R。且IG失去作用。关断：逐渐减小IA，实际使1+2→0，IA=ICBO1+ICBO2晶闸管的导通条件阳极正向，门极正向。（触发导通）晶闸管的关断条件电流过零，电压过零。★★其他几种可能导通的情况：•阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应•阳极电压上升率du/dt过高•结温较高•光直接照射硅片，即光触发–光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。–其它都因不易控制而难以应用于实践，只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段返回总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下：1)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。2)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。3)晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4)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（维持电流）以下。★1）Ig=0时，当阳极电压足够大时，晶闸管会“硬开通”，此电压称为正向转折电压。正向导通Ig0=0IaUaABIHURO2）Ig增加时，正向转折电压减小。3）晶闸管一旦导通，门极失去控制作用，晶闸管相当于二极管。1、晶闸管阳极伏安特性：4）当晶闸管加反向电压而且此电压足够大时，晶闸管反向击穿。UBOIg1Ig2二、晶闸管的伏安特性与主要参数2.晶闸管的门极伏安特性IGFM：门极正向峰电流UGFM：门极正向峰电压PGM：门极峰值功率PG：门极平均功率确保触发：IgIGT,UgUGT加反压10Ｖ，防止误触发三个区：可靠触发区：不可靠触发区：不触发区：1.电压参数晶闸管的主要参数——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。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UTN。选用时，额定电压要留有一定裕量,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。——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。——晶闸管通以正弦半波的额定电流平均值和额定结温时，阳极和阴极之间电压降的平均值。简称管压降。1)断态重复峰值电压UDRM2)反向重复峰值电压URRM3)通态平均电压UT（AV）★2.电流参数——晶闸管在环境温度为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。——使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管。应留一定的裕量，一般取1.5~2倍。1)通态平均电流IT(AV)★通态平均电流（额定电流）IT(AV)单相、工频、正弦半波、角度170°IT(AV)=0mIsinttdI=2I)sin(I21m02mtdtＫf＝Ｉ/IT(AV)=π/2=1.57选择元件：实际电流有效值=实际波形系数×I平均值额定电流有效值=1.57IT(AV)两者应相等波形系数Ｋf＝Ｉ有效值/I平均值不同电流波形有不同的波形系数，表1-2中列出了四种常用电流波形的波形系数Ｋf值与额定电流为100A晶闸管在流过表中波形时允许通过的平均值。——使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。——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。——指在室温下，晶闸管施加正向阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流。一般为毫安级。4)门极触发电流IGT3)擎住电流IL2)维持电流IH3.动态参数——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，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。(2)通态电流临界上升率di/dt在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。(1)断态电压临界上升率du/dt除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：——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。返回三、国产晶闸管的型号按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：如KP100—12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降（通态平均电压）为1V的普通型晶闸管。有的制造厂采用老型号3CT□／□。如3CT100／800表示额定电流为100A，额定电压为800V的可控硅整流元件，即现在定名的晶闸管。3CTK为快速管，3CTS为双向管。第三节单相相控整流电路一、单相半波相控整流电路（一）电阻性负载单相半波相控整流电路，整流变压器二次电压、电流有效值下标用2表示，电路输出电压电流平均值下标均用d表示。交流正弦电压波形的横坐标为电角度ωt，正弦变化一周为2πrad或3600电角度，也可用时间表示，50Hz的交流电一个周期为20ms。概述整流电路：