1、 第19章 電力電子技術(shù)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣工程教研室 第19章新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)目錄19.2 可控整流電路19.3 晶閘管的保護(hù)19.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路19.5 應(yīng)用舉例19.1 電力電子器件19.6 逆變電路目錄19.2 可控整流電路19.3 晶閘管的保護(hù)19.4本章要求1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特 性和主要參數(shù)。2. 理解可控整流電路的工作原理、掌握電 壓平均值與控制角的關(guān)系。3. 了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。本章要求1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特 通過(guò)控制電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷對(duì)強(qiáng)電電路進(jìn)行電能的變換或控制任務(wù)的電路。 大功率電力電子器件的出現(xiàn)，使電子技術(shù)進(jìn)

2、入了強(qiáng)電領(lǐng)域，產(chǎn)生了電力電子技術(shù)學(xué)科； 電力電子技術(shù)的應(yīng)用直流輸電，開(kāi)關(guān)電源，交直流調(diào)速，太陽(yáng)能、風(fēng)能發(fā)電等。 電力電子技術(shù)概述 通過(guò)控制電力電子器件的導(dǎo)通和關(guān)斷對(duì)強(qiáng)電電路進(jìn)19.1.1 電力電子器件的概念和特征主電路（main power circuit）電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（power electronic device）可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。19.1 電力電子器件概念：19.1.1 電力電子器件的概念和特征主電路（main po19.1.1 電力電子器件的概念和特征(1) 能處理電功率的大小，即承受

3、電壓和電流 的能力，是最重要的參數(shù)。(2) 電力電子器件一般都工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí), 大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。(3) 實(shí)用中，電力電子器件往往需要由信息電子電路來(lái)控制。在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路。特征：19.1.1 電力電子器件的概念和特征(1) 能處理電功率的(1)半控型器件控制信號(hào)可以控制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷。晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定19.1.2電力電子器件的分類(lèi)1、按控制信號(hào)分類(lèi)：(1)半控型器件控制信號(hào)可以控

4、制導(dǎo)通而不能控制關(guān)斷。1(2)全控型器件既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Power MOSFET，簡(jiǎn)稱為電力MOSFET-VDMOS）門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）電力晶體管（ Giant TransistorGTR ）19.1.2電力電子器件的分類(lèi)(2)全控型器件既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷。19.1(3) 不可控器件不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。電力二極管（Power Diode）： 只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電

5、流決定的。19.1.2電力電子器件的分類(lèi)(3) 不可控器件不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。19.12、按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)：電流驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型器件實(shí)質(zhì)：通過(guò)加在控制端上的電壓在器件的兩個(gè)主電路端子之間產(chǎn)生可控的電場(chǎng)來(lái)改變流過(guò)器件的電流大小和通斷狀態(tài)，所以又稱為場(chǎng)控器件，或場(chǎng)效應(yīng)器件。2、按照驅(qū)動(dòng)信號(hào)的性質(zhì)分類(lèi)：電流驅(qū)動(dòng)型通過(guò)從控制端注入或單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件由單極型器件和雙極型器件集成

6、混合而成的器件 。3、按照器件內(nèi)部電子和空穴參與導(dǎo)電的情況分類(lèi)：?jiǎn)螛O型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。3、按照器件內(nèi)部電19.1.3 半控器件晶閘管 (Thyristor)晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab）發(fā)明了晶閘管。1957年美國(guó)通用電氣公司（GE）開(kāi)發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場(chǎng)合具有重要地位。晶閘管往

7、往專指晶閘管的一種基本類(lèi)型普通晶閘管廣義上講，晶閘管還包括其許多類(lèi)型的派生器件 。19.1.3 半控器件晶閘管 (Thyristor)晶閘管19.1.3 晶閘管（Silicon Controlled Rectifier）晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。 體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。 優(yōu)點(diǎn)：19.1.3 晶閘管 體積小、重量輕、效率高、G控制極1 基本結(jié)構(gòu)K 陰極G陽(yáng)極 AP1P2N1N2四 層 半 導(dǎo) 體 晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),

8、 其外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖。(c) 結(jié)構(gòu)K GA(b) 符號(hào)(a) 外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)三 個(gè)PN 結(jié)G控制極1 基本結(jié)構(gòu)K 陰極G陽(yáng)極 AP1P2N1N2四P1P2N1N2K GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合+KA T2T1_P2N2N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKP1P2N1N2K GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶 T1T22 工作原理A 在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過(guò)程KGEA 0、EG 0EGEA+_R T1T22 工作原理A 在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均晶閘管導(dǎo)通的條件： 1. 晶閘管陽(yáng)極電路(陽(yáng)極與陰極之

9、間)施加正向電壓。 2. 晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。 晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通的條件： 1. 晶閘管陽(yáng)極電路(陽(yáng)極晶閘管關(guān)斷的條件： 1. 必須使可控硅陽(yáng)極電流減小,直到正反饋效應(yīng)不能維持。 2. 將陽(yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反向電壓。晶閘管關(guān)斷的條件： 1. 必須使可控硅陽(yáng)極電流減小,直正向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 =0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U3 伏安特性正向特性反向特性URRM

10、UFRMIG2 IG1 IG4 主要參數(shù)UFRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開(kāi)路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM = 80% UB0 。普通晶閘管 UFRM 為100V 3000V反向重復(fù)峰值電壓控制極開(kāi)路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元 件上的反向峰值電壓。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶閘管 URRM為100V3000VURRM：4 主要參數(shù)UFRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）反向重正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。 IF：IFt2如果正弦半波電流的最大

11、值為Im, 則普通晶閘管IF為1A 1000A。正向平均電流 IF：IFt2如果正弦半波電流的最大值為UF: 通態(tài)平均電壓（管壓降） 在規(guī)定的條件下，通過(guò)正弦半波平均電流時(shí)， 晶閘管陽(yáng)、陰極間的電壓平均值。 一般為1V左右。IH: 維持電流 在規(guī)定的環(huán)溫和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo) 通狀態(tài)所必須的最小電流。 一般IH為幾十 一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流 室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完 全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流。 一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。UF: 通態(tài)平均電壓（管壓降）IH: 維持電流UG、IG：晶閘管型號(hào)及其含義 導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級(jí)

12、, 用字母AI表示0.41.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類(lèi)型）P-普通晶閘管K-快速晶閘管S -雙向晶閘管 晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。晶閘管型號(hào)及其含義 導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別額定電壓,用百位或千位19.2 可控整流電路19.2.1 單相半波可控整流 1. 電阻性負(fù)載(1) 電路uuoRL+uT+Tio19.2 可控整流電路19.2.1 單相半波可控整流(2) 工作原理t12u 0時(shí): tO(2) 工作原理t12u 0時(shí)： D反向截止，不影響整流電路工作。u 0時(shí)：u (3)工作波形(加

13、續(xù)流二極管)iL t tOtO2 tO(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iL t tOtO19.2.2 單相半控橋式整流電路1. 電路2. 工作原理 T1和D2承受正向電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為T(mén)1、T2 晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(1)電壓u 為正半周時(shí)io+T1T2RLuoD1D2au+b此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。19.2.2 單相半控橋式整流電路1. 電路2. 工作原理io+T1T2RLuoD1D2au+b T2和D1承受正向電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u 為負(fù)半周時(shí)bRLD1T2a此時(shí)，

14、T1和D2均承受反向電壓而截止。io+T1T2RLuoD1D2au+b t tOtO3. 工作波形2 tO t tOtO3. 工作波形2 tO4. 輸出電壓及電流的平均值4. 輸出電壓及電流的平均值例：橋式可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求輸出電壓平均值Uo的調(diào)節(jié)范圍，以及可控硅（包括二極管）的電流平均值的最大值和承受的最大反向電壓。T1T2D1D2RLuLu2AB+-UL=191V,=15=0V,=180LLLRUI=191/3=64AUDRM=22U承受的最高反向電壓:=311V例：橋式可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控兩種常用可控整流電

15、路電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無(wú)反向電壓。2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-兩種常用可控整流電路電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無(wú)反電路特點(diǎn) 1. 該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2 便起 續(xù)流二極管作用。(2)2. 由于T1的陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控 制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。T1T2D1D2uuORL+-+-電路特點(diǎn) 1. 該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2 便起(219.3 晶閘管的保護(hù) 晶閘管承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力很差，這是它的主要缺點(diǎn)。 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)

16、路。例如一只100A的晶閘管過(guò)電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過(guò)熱而損壞； 晶閘管耐受過(guò)電壓的能力極差，電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。19.3 晶閘管的保護(hù) 晶閘管承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能19.3.1 晶閘管的過(guò)流保護(hù)1. 快速熔斷器保護(hù) 電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，它能在晶閘管過(guò)熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。與晶閘管串聯(lián)接在輸入端接在輸出端快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。19.3.1 晶閘管的過(guò)流保護(hù)1. 快速熔斷器保護(hù) 電路中2. 過(guò)流繼電器保

17、護(hù)3. 過(guò)流截止保護(hù) 在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過(guò)電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，繼電器動(dòng)作，使電路自動(dòng)切斷。 在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)電路，利用過(guò)電流信號(hào)控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，檢測(cè)電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。2. 過(guò)流繼電器保護(hù)3. 過(guò)流截止保護(hù) 在輸出端(直流19.3.2 晶閘管的過(guò)壓保護(hù)1. 阻容保護(hù)CR 利用電容吸收過(guò)壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過(guò)電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRCCRRL晶閘管元件的阻容保護(hù)19.3.2 晶閘管的過(guò)壓保護(hù)1. 阻容保護(hù)CR 利用電2.硒堆保護(hù)利用硒堆(

18、硒整流片)的非線性電阻的特性吸收過(guò)電壓。 19.3.2 晶閘管的過(guò)壓保護(hù)CRRCRC 硒堆保護(hù)(硒整流片)CRRL2.硒堆保護(hù)19.3.2 晶閘管的過(guò)壓保護(hù)CRRCRC 硒19.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路19.4.1 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)B2第二基極B1N歐姆接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a) 示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)(b) 符號(hào)B2EB119.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路19.4.1 單結(jié)晶體管結(jié)2. 工作原理 UE UBB+UD = UP 時(shí)PN結(jié)反偏，IE很小；PN結(jié)正向?qū)? IE迅速增加。UE UP時(shí) 分壓比(0.5 0.9)UP 峰點(diǎn)電壓UD PN結(jié)正向

19、導(dǎo)通壓降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路測(cè)量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路由圖可求得RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1IE2. 工作原理 UE UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。P3 .單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點(diǎn)電壓、電流):維持1. UE UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通;UE UV時(shí)恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(diǎn):B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP與 外加固定電壓UBB及分壓比 有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點(diǎn)電 壓UP不同。3. 不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV都 不一樣。谷點(diǎn)電壓大約在2 5V之間。常選用稍大一些，UV稍小

20、的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。1. UE UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)19.4.2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1. 振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路 單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(jié)管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路。ugR2R1RUucE+C+_+_50100k3000. 47F19.4.2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1. 振蕩電路單結(jié)晶體ugR2R1RUuCE+C+_+_50100k3000. 47F2. 振蕩過(guò)程分析設(shè)通電前:uC=0。 接通電源U, 電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。 當(dāng)uC UP時(shí),單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuCtugt

21、電容放電至 uC Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)ugR2R1RUuCE+C+_+_50100k300注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。upuv(c) 電壓波形uCttugOO注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。19.4.3 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路一、電路u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3觸發(fā)電路主電路19.4.3 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路一、電路u1R2R1二、波形關(guān)系u2uabUZucb削 波整 流UZau2RbcDZUZ整流穩(wěn)壓電路部分二、波形關(guān)系u2uabUZucb削 波整 UZ削 波

22、ucbudbUPUVueb電容充、放電UP-UD觸 發(fā) 脈 沖UZR1R2RPCuccdeDZb單結(jié)晶體管電路部分UZ削 波ucbudbUPUVueb電容充、放u3uL輸出電壓ueb觸發(fā)脈沖可控硅橋式整流電路部分u3T1T2D1D2uLRLbeuebu3uL輸出電壓ueb觸發(fā)脈沖可控硅橋式整流電路部分1. 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？問(wèn)題討論u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu31. 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接2. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu32. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？u1R2R1aRP3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？其移相范圍（即控制角 的變化范圍）有多大？ueb觸發(fā)脈沖23. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)