1、第19章 電力電子技術,19.1 電力電子器件,19.2 可控整流電路,19.3 逆變電路,19.4 交流調壓電路,本章要求： 1. 了解晶閘管的基本構造、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，了解單結晶閘管及其觸發(fā)電路； 3. 了解逆變電路、變頻電路和交流調壓電路及斬 波電路的工作原理和應用。,第19章 電力電子技術,19.1 電力電子器件,(1) 不控器件 器件的導通和關斷無可控功能。如整流二極管(D)。,(2) 半控器件 器件的導通可控,但關斷不可控。如普通晶閘管(T)。,(3) 全控器件 器件的導通和關斷均具可控的功能。如可關斷

2、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,電力電子器件的符號,電力電子器件的主要性能指標,電壓、電流、工作頻率。,19.1.2 晶閘管,晶閘管是在晶體管基礎上發(fā)展起來的一種大功率半導體器件。它的出現(xiàn)使半導體器件由弱電領域擴展到強電領域。 晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向導電性，但它的導通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調壓及開關等方面。,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 Controlle

3、d Rectifier）,晶體閘流管,（可控硅整流器）,1. 基本結構,晶閘管具有三個PN結。,(c) 結構,(a) 外形,晶閘管的外形、結構及符號,晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合,2. 工作原理,在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。,形成正反饋過程,EA 0、EG 0,A,K,G,晶閘管導通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導通狀態(tài)。,2. 工作原理,EA 0、EG 0,G,晶閘管導通的條件：,(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)。,晶閘管導通后，控制極便失去作用

4、。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。,晶閘管關斷的條件：,(1)必須使可控硅陽極電流減小，直到正反饋效應不能維持。 (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。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向轉折電壓,反向轉折電壓,正向平均電流,維持電流,3. 伏安特性,4 . 主要參數(shù),(1)正向重復峰值電壓UDRM 晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,可以重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。 一般UDRM 比正向轉折電壓UBO低100V 。,(2)反向重復峰值電壓URRM 晶閘管控制極開路時,可以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。 一般URRM 比反向轉折電壓|UBO|低1

5、00V 。,(3)正向平均電流 IF 環(huán)境溫度為40C及標準散熱條件下，晶閘管處于全導通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。,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，晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。,晶閘管型號及其含義,導通時平均電壓組別 共九級, 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),如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。,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

6、雙向 觸發(fā)導通。,UA2UA1時 控制極相對于A1加正脈沖，uGA1 0，晶閘管正 向導通，電流從A2流向A1。,UA2UA1時 控制極相對于A1加負脈沖， uGA1 0，晶閘管反 向導通，電流從A1流向A2。,工作原理：,可關斷晶閘管,符號：,特點：,控制極加正觸發(fā)信號，晶閘管導通； 控制極加負觸發(fā)信號，晶閘管關斷。,GTO全控示意圖,19.1.3 功率晶體管、功率場效應晶體管 和絕緣柵雙極晶體管,1. 功率晶體管,2. 功率場效應晶體管,3.絕緣柵雙極晶體管,這種晶體管主要作為功率開關使用。,這種場效應管的漏極電流較大，可達幾百A；耐壓較高，漏-源電壓可達千伏；效率較高、速度較快。,這種晶

7、體管綜合了功率晶體管和功率場效應晶體管的優(yōu)點，具有較高的電壓與電流和工作頻率，其關斷時間可縮短到40ns。,19.2 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，晶閘管不導通，,u 0 時: 晶閘管承受反向電壓不導通, uO = 0, uT = u ，故稱可控整流。,控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導 通，,工作原理,t1,u2 0 時: 可控硅承受反向電壓不導通,即：晶閘管反向阻斷,加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導通,u2 0時:,O,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,t2,2,導通

8、角,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。,(2) 電感性負載與續(xù)流二極管,當電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內仍 維持導通，失去單向導電作用。,在電感性負載中 ,當晶閘管剛觸發(fā)導通時，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。,O,t1,t2,2,工作波形,u 0時： D反向截止，不影響整流電路工作。,電感性負載(加續(xù)流二極管),工作波形(加續(xù)流二極管),iL,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

9、導 通，電流的通路為,a,電壓u 為正半周時：,此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。,T2和D1承受正向 電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導 通，電流的通路為,電壓u 為負半周時：,b,此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。,(3)工作波形,2,(4) 輸出電壓及電流的平均值,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),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),19.2.2 晶閘管的保護,晶閘管

10、承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結燒壞，造成元件內部斷路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞； 晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉折電壓時，則晶閘管誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。,1. 晶閘管的過流保護,(1) 快速熔斷器保護,電路中加快速熔斷器。當電路發(fā)生過流故障時，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，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

11、有三種，如下圖所示。,(2) 過流繼電器保護,(3) 過流截止保護,在輸出端(直流輸)或輸入端(交流側)接入過電流繼電器，當電路發(fā)生過流故障時，繼電器動作，使電路自動切斷。,在交流側設置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當電路發(fā)生過流故障時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導通角減小或立即關斷。,(2) 硒碓保護,2. 晶閘管的過壓保護,(1) 阻容保護,利用電容吸收過壓。其實質就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。,硒碓保護 (硒整流片),晶閘管元件 的阻容保護,19.2.3 單結晶體管觸發(fā)電路,1. 單結晶體管,PN結,

12、N型硅片,(a) 示意圖,單結晶體管結構示意圖及其表示符號,(b) 符號,(1)結構,(2) 工作原理, UE UBB+UD = UP 時,PN結反偏，IE很??；,PN結正向導通, IE迅速增加。, 分壓比(0.5 0.9),測量單結晶體管的實驗電路,由圖可求得,RE,(3) 單結晶體管的伏安特性,Ip,IV,UEUP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)。,(1) UE UP時單結管截止；,UE UP時單結管導通， UE UV時恢復截止。,單結晶體管的特點,(2) 晶體管的峰點電壓UP與外 加固定電壓UBB及分壓比 有關，峰點電壓UP或分壓比不同，則峰值電 壓UP

13、不同。,(3) 不同單結晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都 比一樣。谷點電壓大約在2 5V之間。常選用 稍大一些， UV稍小的單結晶體管，以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。,2. 單結晶體管觸發(fā)電路,(1) 振蕩電路,單結晶體管弛張振蕩電路,單結晶體管弛張 振蕩電路利用單結管 的負阻特性及RC電路 的充放電特性組成頻 率可調的振蕩電路。,(2) 振蕩過程分析,設通電前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,單結管導通,電 容C放電,R1上得到一脈沖電壓。,電容放電至 uC Uv時，單結管重新關斷，使uO0。,注意：R值不能選的太小，否則單結管不能

14、關斷，電路亦不能振蕩。,(b) 電壓波形,(3) 單結管觸發(fā)的半控橋式整流電路,1)整流削波,削 波,整流,2) 觸發(fā)電路,UZ,t,3) 輸出電壓uL,問 題 討 論,1. 單結管觸發(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。,3. 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，它一旦觸發(fā)導通，在陽極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號，仍能維持導通狀態(tài)。因此，每半個周期中只有第一個觸發(fā)脈沖起作用。,改變充電時間常數(shù)即可改變控制角。 控制角變化的范圍稱為移相范圍。,4. 電壓的調節(jié),3. 應用舉例,(1) 電瓶充電機電路,該電瓶充電機電路使用元件較少，線路簡單， 具有過充電保護、短路保護和電瓶短接保護。,工作原理,當待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)