第8章电力电子技术98

下一页章目录返回上一页第8章电力电子技术学习要求:•掌握晶闸管的基本结构、工作原理、特性和主要参数的含义；•掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点；•熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；•熟悉PWM控制技术下一页章目录返回上一页前言电力（强）电子学电力半导体器件微（弱）电子学集成电路半导体器件电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。电力半导体器件弱电控制强电输出下一页章目录返回上一页不可控型开关器件普通晶闸管双向晶闸管半可控型开关器件逆导晶闸管光控晶闸管电力半导体器件可关断晶闸管GTO电力晶体管GTR全可控型开关器件电力场效应晶体管FET绝缘栅型双极性晶体管IGBT8.1电力半导体器件下一页章目录返回上一页8.1.1不可控型开关器件•整流二极管(大功率二极管)V：加正向电压时导通，压降1V左右，相当于开关闭合；加反向电压时截止(关断)，相当于开关断开。半导体电力二极管：可视为一个正向单向导通、反向阻断的静态单向电力电子开关。下一页章目录返回上一页一、晶闸管（SiliconControlledRectifier）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：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。8.1.2半控型开关器件下一页章目录返回上一页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结下一页章目录返回上一页P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK下一页章目录返回上一页T1T22.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下一页章目录返回上一页晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。GEA0、EG0KEA+_RT1T2Gi2BiGiββ21Giβ2EGAG2Bii1BG22Ciii211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程下一页章目录返回上一页晶闸管导通的条件：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。下一页章目录返回上一页正向特性反向特性URRMUDRMIG2IG1IG0UBRIFUBO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下一页章目录返回上一页正向(uAK0)正向阻断状态:当ug=0，uAKUDSM，元件中有很小的电流（正向漏电流）流过，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。正向击穿：当ug=0，uAK=UDSM，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态。UDSM称为断态不重复峰值电压，或用UBO表示称正向转折电压。正向导通状态：ug0，uAK0，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向(uAK0)反向截止状态:当uAKURSM，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。反向击穿：当uAK=URSM，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状态。URSM称为反向不重复峰值电压，或用UBR表示称反向击穿电压。下一页章目录返回上一页4.主要参数UDRM: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UDRM=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：下一页章目录返回上一页π)(sinπ21mπ0mFIttdII额定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。下一页章目录返回上一页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。下一页章目录返回上一页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，额定电流小于100A可不标额定电压,用百位数表示取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普通型额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。如KP5-7表示下一页章目录返回上一页5.晶闸管的工作情况在主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系：（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK0，但ud=0，即晶闸管未导通；（2）在t1~t2之间:uAK0，由于开关S合上，使ug0，而，即晶闸管导通；2uud下一页章目录返回上一页（3）在t2~t3之间，uAK0，尽管ug0，但ud=0，即晶闸管关断；（4）在t3~t4之间，uAK0，这时ug0,而，所以，晶闸管又导通；2uud（5）当t=t4时，ug=0，但uAK0，，即晶闸管仍处于导通状态；2uud（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。下一页章目录返回上一页结论（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；（2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；正向电压+控制电压（3）晶闸管导通后可通过很大的电流，因此它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。下一页章目录返回上一页6.晶闸管的优点(1)用很小的功率可以控制较大的功率，功率放大倍数可以达到几十万倍；(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3)晶闸管本身的压降很小，损耗小，效率高。(4)体积小、重量轻。下一页章目录返回上一页路灯自动控制7.晶闸管的实际应用下一页章目录返回上一页常规快速晶闸管高频晶闸管所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速晶闸管关断时间为十几微秒高频晶闸管关断时间为几微妙应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中二、快速晶闸管不足：电压和电流定额不易做高下一页章目录返回上一页是一对反并联结的普通晶闸管的集成。•有两个主电极MT1和MT2，一个门极G。•门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。•不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。三、双向晶闸管对交流电源的两个半周均有触发作用：可双向触发导通2dsin21m022meIttII下一页章目录返回上一页特点：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。下一页章目录返回上一页工作原理UA1UA2时，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2。UA2UA1时，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。下一页章目录返回上一页IU0I=0GAKG它是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流a)电气图形符号b)伏安特性a)b)四、逆导晶闸管下一页章目录返回上一页五、光控晶闸管a)电气图形符号b)等值电路c)伏安特性以光照或激光为触发，使得晶闸管内部在正反馈作用下，由断态转为通态。下一页章目录返回上一页1.G极可控制元件导通与关断（不同极性正负脉冲或电平）2.触发电流(20mA)比普通晶闸管大(30uA）3.动态特性好(关断1us)，而晶闸管需(5-30us)4.应用在直流调压和开关电路。一、门极可关断晶闸管GTO结构与符号8.1.3全控型开关器件下一页章目录返回上一页特点：1.G极加正电压或正脉冲触发后导通，撤销控制信号，仍保持导通。2.G极加负电压或负脉冲后关断，不需要外部电路强迫阳极电流减小而使之关断。GTO的基本电路下一页章目录返回上一页耐高电压、大电流的双极结型晶体管•与普通的晶体管基本原理是一样的。•主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。•通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。•采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。二、电力晶体管GTR下一页章目录返回上一页达林顿接法使得很小的外加驱动电流IB，可控制很大的集电极电流。属于电流控制型开关器件。a)达林顿晶体管b)双管模块电力晶体管的工作电路下一页章目录返回上一页电力晶体管是用基极电流来控制集电极电流的：1.基极通入正向信号电流，集电极电流上升，进入通态；2.给基极加一个负的电流脉冲，集电极电流一段时间后开始减小，逐渐进入断态。电力晶体管的通与断下一页章目录返回上一页三、电力场效应管PMOSFET(FieldEffectTransistor)电力场效应管是多元集成结构，属于绝缘栅型，有三个极：栅极G；源极S；漏极D。工作特性：是由栅极电压来控制漏极电流的。属于电压控制型开关器件特点：驱动系统比较简单，工作频率高，热稳定性好；但电流容量低，耐压低。适用于功率不很高的高频电力电子装置。下一页章目录返回上一页四、绝缘栅双极晶体管IGBTa)简化等效电路b)图形符号c)基本电路下一页章目录返回上一页IGBT特性的优点:IGBT的特性兼有P-MOSFET和GTR二者的优点：a.通断驱动功率小；b.开关速度快(频率高，比GTR高得多)；c.导通压降低(功率损耗小，比MOSFET小得多)；d.阻断电压高(耐压高)；e.承受电流大(容量大、功率大)。下一页章目录返回上一页下一页章目录返回上一页电力变换电路，按功能分：1.可控整流电路：把固定的交流电压变成固定或可调的直流电压。2.交流调压电路：把固定的交流电压变成可调的交流电压。3.逆变电路：把直流电变成频率固定或可调的交流电。4.变频电路：把固定频率的交流电变成可调频率的交流电。5.斩波电路：把固定的直流电压变成可调的直流电压。6.电子开关：功率半导体器件工作在开关状态可替代接触器和继电器用于频繁开合操作场合8.2可控整流电路下一页章目录返回上一页整流单相三相不可控可控不可控可控整流：将交流电变为直流电的过程；整流电路：将交流电变为直流电的电路；半波桥式半波桥式下一页章目录返回上一页8.2.1单相半波可控整流电路(1)电路