第十章电力电子学--晶闸管及其基本电路

1第十章电力电子学-晶闸管及基本电路主要内容：10.1电力半导体器件10.2单相可控整流电路10.3三相可控整流电路10.4逆变器10.5晶闸管的触发电路10.6晶闸管的串并联和保护2第十章电力电子学-晶闸管及基本电路学习要求:掌握晶闸管的基本工作原理、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；了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。3第十章电力电子学-晶闸管及基本电路重点：1.晶闸管的导通与关断条件，可控性；2.晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点；3.晶闸管额定通态平均电流IT的含义及基本可控整流电路中IT的选择和额定电压的选择。4第十章电力电子学-晶闸管及基本电路难点：1.整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作状况；2.晶闸管额定通态平均电流IT的选择；3.逆变器的工作原理。5第十章电力电子学-晶闸管及基本电路前言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强电6第十章电力电子学-晶闸管及基本电路大功率二极管功率晶体管可关断晶闸管双相晶闸管单相晶闸管电力半导体器件晶闸管（Thyristor,可控整流器，SiliconControlledRectifier,简称SCR）是60年代发展起来的一新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。7第十章电力电子学-晶闸管及基本电路优点：(1)用很小的功率（电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2~4V）可以控制较大的功率（电流自几十安～几千安，电压自几百伏～几千伏）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)损耗小、效率高晶闸管本身的压降很小（仅1V左右）总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右；(4)体积小、重量轻。8第十章电力电子学-晶闸管及基本电路缺点：(1)过载能力弱在过电流、过电压情况下很容易损坏，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；(2)抗干扰能力差易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；(3)导致电网电压波形畸变高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；(4)控制电路较复杂，对维修人员技术水平要求高。9第十章电力电子学-晶闸管及基本电路用途：(1)可控整流电路--交流变固定或可调的直流电压直流电机调速，成套产品冶金、机械、造纸、纺织高压直流输电。(2)交流调压电路—固定的交流电压变可调的交流电压灯光控制、温度控制、交流电机调速等。(3)逆变电路—直流变固定或可调频率的交流不间断电源（UPS）,高压直流输电终端。(4)变频电路中、高频加热，交流电机变频调速(5)斩波电路—直流电压从固定变可调直流电机控制(6)电子开关开关状态，无触点，代替继电器、接触器10第十章电力电子学-晶闸管及基本电路10.1电力半导体器件--晶闸管1.晶闸管结构与符号2.晶闸管的工作原理3.晶闸管的伏安特性4.晶闸管的主要参数5.晶闸管的应用111.晶闸管结构与符号阳极控制极阴极控制极100A200A10.1电力半导体器件--晶闸管1210.1电力半导体器件--晶闸管1.晶闸管结构与符号1310.1电力半导体器件--晶闸管2.晶闸管的工作原理实验电路:主电路交流电压~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。(a)实验电路1410.1电力半导体器件--晶闸管2.晶闸管的工作原理波形图u2、ug、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（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；（5）当t=t4时，ug=0，但uAK0，，即晶闸管仍处于导通状态；（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。2uud2uud1510.1电力半导体器件--晶闸管2.晶闸管的工作原理结论：1.SCR具有双向阻断能力;2.SCR的A、G两极正电压才导通;3.SCR导通后，G极失去作用；欲使SCR再次阻断，则须将阳极（A极）电压降低、断电或反向。1610.1电力半导体器件--晶闸管3.晶闸管的伏安特性--SCR的阳极电压与阳极电流的关系触发电压（电流）----A、K间加直流6V时，G极最小电压（电流）17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。18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。194.晶闸管的主要参数一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。1)断态重复峰值电压UDRM晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压。UDRM=UDSM-100在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：晶闸管的UDRM应等于所承受的正向电压的（2~3）倍。2)反向重复峰值电压URRM晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压。URRM=URSM-100204.晶闸管的主要参数3)额定通态平均电流（额定电流）IT在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。正弦半波电流的平均值IT=有效值Ie=波形系数K=mmIttdI)(sin2102)(sin21022mmIttdI57.1TeII214.晶闸管的主要参数3)额定通态平均电流（额定电流）IT结论：对于一个额定电流IT为100A的SCR，其允许通过的正弦半波电流的有效值为100KA，即157A。为确保安全工作，一般按下式选SCR：----实际通过SCR的电流有效值。K与电路结构和导通角有关，可查手册选取KIIeT')25.1('eI224.晶闸管的主要参数5)晶闸管的型号及其含义（国产）3CT50/700--断态重复峰值电压---------额定通态平均电流4)维持电流IH在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA～一百多mA23例10.1已知可控整流电路的电流波形有如图所示三种形状（阴影部分为导通区），各种波形的最大值为Im，试计算各种波形电流平均值Id1、Id2、Id3，电流有效值Ie1、Ie2、Ie3，它们的波形系数K1、K2、K3和允许的电流平均值IT1、IT2、IT3。如果可控整流电路中电流平均值为100A，选用额定通态平均电流IT=100A的晶闸管，是否能满足要求？24结论：不同波形的电流的平均值、有效值、波形系数不同，所以，在不同电流波形时，所允许通过的电流平均值不同。思路：额定电流IT为100A的晶闸管的含义：额定通态平均电流标准（或规定）条件：正弦半波电流已知当前波形下的平均电流利用Ie相等的原则换算成正弦半波波形下的平均电流。2510.1电力半导体器件--晶闸管5.晶闸管的应用1)整流装置（交流电变成直流电）可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源2)逆变装置（直流变成交流电源）频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电源、不间断电源、交流电机电源。3)变频装置（顺变和逆变的组合）用于同步机和异步机的调速。4)直流电动机的调速（可代替直流发电机）效率高、响应快、体积小、重量轻。2610.1电力半导体器件10.1.2其它电力半导体器件1.双向晶闸管2710.1电力半导体器件10.1.2其他电力半导体器件2可关断晶闸管Gate-Turn-OffThyristor,GTO1.G极可控制元件导通与关断（不同极性脉冲信号）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.用于直流调压和开关电路。2810.1电力半导体器件10.1.2其他电力半导体器件3绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，复合全控型电压驱动式功率半导体器件兼有电力场效应晶体管MOSFET的通断控制功率小和电力晶体管GTR的低导通压降两方面的优点：驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。2910.1电力半导体器件10.1.2其他电力半导体器件3绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT的开关作用是通过加正向栅极电压（C-E）形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT关断。选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。还应注意正确使用和保管30第十章电力电子学-晶闸管及基本电路主要内容：10.1电力半导体器件10.2单相可控整流电路10.3三相可控整流电路10.4逆变器10.5晶闸管的触发电路10.6晶闸管的串并联和保护31第十章电力电子学-晶闸管及基本电路10.2单相可控整流电路12.1单相半波可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路12.2单相桥式可控整流电路单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路3210.2.1单相半波可控整流电路1.带电阻性负载的可控整流电路u2－输入电压；ud－输出电压；331.带电阻性负载的可控整流电路－控制角；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。Ө－导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。10.2.1单相半波可控整流电路341.带电阻性负载的可控整流电路tsinUu222输入电压：负载平均电压：输出电压平均值2145022122cosU.)t(tdsinUUd214502cosRU.RUIdd负载平均电流：晶闸管承受的最大正反向电压：22U10.2.1单相半波可控整流电路352.带电感性负载的可控整流电路负载上得不到所需要的电压和电流。10.2.1单相半波可控整流电路363.续流二极管的作用10.2.1单相半波可控整流电路如图所示半波可控整流电路，在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。37有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。流过每只晶闸管平均电流：流过续流二极管的平均电流：ddvII22ddVSII238第十章电力电子学-晶闸管及基本电路10.2单相可控整流电路12.1单相半波可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路12.2单相桥式可控整流电路单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路391.单相半控桥式整流电路1)电阻性负载整流电路电流、电压波形10.2.2单相桥式可控整流电路401.单相半控桥式整流电路1)电阻性负载21902122cosU.)t(tdsinUUd晶闸管承受的最大正反向电压值负载平均电压：21