第19章電力電子技術(shù)19.1電力電子器件19.2可控整流電路19.4交流調(diào)壓電路1本章要求：1.了解晶閘管的基本構(gòu)造、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)；2.了解單相可控整流電路的可控原理和整流電壓與電流的波形，了解單結(jié)晶閘管及其觸發(fā)電路；3、了解交流調(diào)壓電路的工作原理和應(yīng)用。第19章電力電子技術(shù)219.1電力電子器件(1)不控器件器件的導(dǎo)通和關(guān)斷無可控功能。如整流二極管(D)。(2)半控器件器件的導(dǎo)通可控,但關(guān)斷不可控。如普通晶閘管(T)。(3)全控器件器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均具可控的功能。如可關(guān)斷晶閘管(GTO)

、功率晶體管(GTR)

、功率場效晶體管(VDMOS)及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。19.1.1電力電子器件的分類319.1.2晶閘管

晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。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)通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關(guān)等方面。優(yōu)點：

體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏）。（Silicon

ControlledRectifier）5G控制極1.基本結(jié)構(gòu)K陰極陽極

AP1P2N1N2晶閘管具有三個PN結(jié)。(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號四層半導(dǎo)體三個

PN

結(jié)6P1P2N1N2K

GA晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合PPNNNPAGK+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKG72.工作原理在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程EA>0、EG>0AKGEA+_RT1T2EG_+8EA+_RT1T2EGA_+K晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。2.工作原理EA>0、EG>0形成正反饋過程G9晶閘管導(dǎo)通的條件：(1)晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)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)。晶閘管關(guān)斷的條件：

(1)必須使可控硅陽極電流減小，直到正反饋效應(yīng)不能維持。

(2)將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓。10正向特性反向特性URRMUDRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO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114.主要參數(shù)(1)正向重復(fù)峰值電壓UDRM晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般UDRM

比正向轉(zhuǎn)折電壓UBO低100V。(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM晶閘管控制極開路時,可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。一般URRM

比反向轉(zhuǎn)折電壓|UBO|低100V。(3)正向平均電流IF環(huán)境溫度為40°C及標準散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。12IFt

2

如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。(4)維持電流

IH在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。13晶閘管型號及其含義導(dǎo)通時平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V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。14雙向晶閘管特點：相當于兩個晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個控制極。

晶閘管雙向觸發(fā)導(dǎo)通。

UA2>UA1時控制極相對于A1加正脈沖，uGA1>0，晶閘管正向?qū)?，電流從A2流向A1。

UA2<UA1時

控制極相對于A1加負脈沖，uGA1<0，晶閘管反向?qū)ǎ娏鲝腁1流向A2。工作原理：(a)結(jié)構(gòu)圖(b)GA1PNPNA2NNN(b)符號控制極第二電極TA2GA1第一電極15可關(guān)斷晶閘管符號：KGAGTO特點：控制極加正觸發(fā)信號，晶閘管導(dǎo)通；控制極加負觸發(fā)信號，晶閘管關(guān)斷。GTO全控示意圖KGAiGiAREAiGiA1619.2可控整流電路19.2.1可控整流電路

1.單相半波可控整流電路(1)電阻性負載

u

<0時：若uG=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時:晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uO=0,uT=u，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，

uuoRL+–+uT+––Tio17

tO工作原理

t1

2u2<

0時:

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通

tOu2>0時:18

tO

tO接電阻負載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形

控制角

t1

tO

t22

tO導(dǎo)通角19整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓UO。202.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T1、T2

晶閘管D1、D2

晶體管aRLD2T1b電壓u為正半周時：此時，T２和D１均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuOD1D2a

u+–b21T2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，電流的通路為電壓u為負半周時：bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuOD1D2a

u+–b22

tO

t

tO

tO(3)工作波形2

23(4)輸出電壓及電流的平均值24兩種常用可控整流電路電路特點該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2.晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D1D4uORLD3+-+-25電路特點1.電路接入電感性負載時，二極管D1、D2起續(xù)流作用。2.由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。(2)T1T2D1D2uuORL+-+-2619.2.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管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(b)符號(1)結(jié)構(gòu)B2EB127(2)工作原理

UE<

UBB+UD=UP時PN結(jié)反偏，IE很小；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。UE

UP時

–分壓比(0.5~0.9)UP

–峰點電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路測量單結(jié)晶體管的實驗電路由圖可求得RERB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1RE28(3)單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點電壓、電流):維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點電壓)：

單結(jié)管由截止變導(dǎo)通

所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點電壓UV谷點電壓V負阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)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)負阻-負阻區(qū)。P29(1)UE<UP時單結(jié)管截止；UE>UP時單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(2)晶體管的峰點電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關(guān)，峰點電壓UP或分壓比

不同，則峰值電壓UP不同。(3)不同單結(jié)晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都不一樣。谷點電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。B2EB1302.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+__+_50

100k

300

0.47F31(2)振蕩過程分析設(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uC

UP時,單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUVUp-UDuC

tug

t電容放電至uC

Uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使uO0。ugR2R1RUuCE+C+__+_50

100k

300

0.47F32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。uC

t

tuOuPuV(b)電壓波形33主電路觸發(fā)電路(3)單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+

341)整流削波U2M削波UZU2M

tO

t

t整流Ru2+–+–uO+–uZ352)觸發(fā)電路UZUP-UDR1R2RPCuC+Rug+uZ+

t

t

t

tUVUpRLT1D1D2T2uL+3)輸出電壓uL36問題討論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變壓器上？

目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時過零(即兩者同步)，使電容在每半個周期均從零開始充電，從而保證每半個周期的第一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。2.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？

穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生第一脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。373.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個起作用？如何改變控制角？根據(jù)晶閘管的特性，它一旦