電工電子技術(shù)實踐-電力電子技術(shù).

1、電工電子技術(shù)實踐-電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)第9單元 電力電子技術(shù) 9.1 9.1 專題專題1 1 晶閘管與單向可控整流電路晶閘管與單向可控整流電路 9.2 9.2 專題專題2 2 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路 電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，即使用電力電子器件對電能進行變的電子技術(shù)，即使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動換和控制的技術(shù)?，F(xiàn)已成為現(xiàn)代電氣工程與自動化專業(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該?；瘜I(yè)不可缺少的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在培養(yǎng)該專業(yè)人才中占有重要地位。業(yè)人才中占有重要地位。 電力電子學(xué)橫跨電

2、力電子學(xué)橫跨“電力電力”“”“電子電子”“”“控制控制”三三個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學(xué)科。個領(lǐng)域的一個新興工程技術(shù)學(xué)科。9.1 專題1 晶閘管與單向可控整流電路 它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管等等。晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管等等。晶閘管只需幾十到幾百毫安的小電流，就能控制幾百至幾千閘管只需幾十到幾百毫安的小電流，就能控制幾百至幾千安的大電流，使電子技術(shù)從弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。晶安的大電流，使電子技術(shù)從弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。晶閘管作為電力電子器件，具有體積小，重量輕，效率高等

3、閘管作為電力電子器件，具有體積小，重量輕，效率高等優(yōu)點，因此應(yīng)用極為廣泛。優(yōu)點，因此應(yīng)用極為廣泛。9.1.1 晶閘管 晶閘管全稱晶體閘流管，舊稱可控硅晶閘管全稱晶體閘流管，舊稱可控硅 簡稱簡稱SCRSCR。 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) 它有三個電極，分別是陽極它有三個電極，分別是陽極A A，陰極，陰極K K和門極和門極G G，其內(nèi)部，其內(nèi)部等效電路如圖等效電路如圖9-29-2所示，由四層半導(dǎo)體（所示，由四層半導(dǎo)體（P P1 1,N,N1 1,P,P2 2,N,N2 2）組成，形成三個組成，形成三個PNPN結(jié)結(jié)J J1 1(P(P1 1N N1 1),J),J2 2(N(N1 1P P2 2),J

4、),J3 3(P(P2 2N N2 2) )。從。從P P1 1層引出的電極為陽極層引出的電極為陽極A A，N N2 2層引出的電極為陰極層引出的電極為陰極K K，P P2 2層層引出的電極為門極引出的電極為門極G G。門極G陽極A陰極K 晶閘管符號 晶閘管的外形 晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理 我們可以通過下圖所示的電路圖來說明晶閘管的工作我們可以通過下圖所示的電路圖來說明晶閘管的工作原理。在該圖中電源、晶閘管和負載白熾燈組成的回路原理。在該圖中電源、晶閘管和負載白熾燈組成的回路為晶閘管主回路，由電源、開關(guān)、負載和晶閘管門極及為晶閘管主回路，由電源、開關(guān)、負載和晶閘管門極及陰極組成的回路為

5、晶閘管控制回路。陰極組成的回路為晶閘管控制回路。如圖（a）晶閘管陽極經(jīng)白熾燈接電源的正極，門極經(jīng)電阻接電源的正極開關(guān)斷開，燈不亮，說明沒有觸發(fā)信號，晶閘管不導(dǎo)通。如圖（b）晶閘管陽極經(jīng)白熾燈接電源的正極，門極經(jīng)電阻接電源的正極，開關(guān)關(guān)閉，這時燈亮，說明晶閘管導(dǎo)通，這一過程說明觸發(fā)導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后去掉控制極上的電壓，如圖9-3（c）所示，即開關(guān)斷開，燈仍然亮，表明晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通。說明晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極就失去了控制作用。如圖（如圖（d d）晶閘管的陽極和陰極）晶閘管的陽極和陰極均接正向電壓，開關(guān)閉合，但是均接正向電壓，開關(guān)閉合，但是控制極相對于陰極接的是反向電控制極相對于陰極接的是反向電壓，

6、這時燈不亮，說明晶閘管也壓，這時燈不亮，說明晶閘管也不導(dǎo)通不導(dǎo)通。圖（圖（e e）晶閘管的控制極和）晶閘管的控制極和陰極均接正向電壓，陽極接陰極均接正向電壓，陽極接反向電壓，此時燈不亮，說反向電壓，此時燈不亮，說明晶閘管也不導(dǎo)通，此時處明晶閘管也不導(dǎo)通，此時處于反向阻斷狀態(tài)。于反向阻斷狀態(tài)。綜上所述，可得出晶閘管有以下幾個特點：綜上所述，可得出晶閘管有以下幾個特點：（1 1）晶閘管導(dǎo)通是條件是陽極和門極均加正向電壓。）晶閘管導(dǎo)通是條件是陽極和門極均加正向電壓。（2 2）晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用。）晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用。（3 3）晶閘管的阻斷條件是去掉陽極電壓或陽極加反向

7、電）晶閘管的阻斷條件是去掉陽極電壓或陽極加反向電 壓，或減小陽極電壓使晶閘管中的電流壓，或減小陽極電壓使晶閘管中的電流I IA A小于維持電流小于維持電流I IH H。 晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的伏安特性曲線 晶閘管陽極晶閘管陽極A A與陰極與陰極K K之間的電壓與晶閘管陽極電流之之間的電壓與晶閘管陽極電流之間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性, ,如下圖所示。正向特性位如下圖所示。正向特性位于第一象限于第一象限, ,反向特性位于第三象限。反向特性位于第三象限。當IG=0時，即控制極不加電壓時，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)（簡稱段態(tài)）。隨著正向陽極電壓的增大，當 UA達到UB0時，晶閘

8、管突然從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)（簡稱通態(tài)），此時的電壓UB0稱為正向轉(zhuǎn)折電壓。 導(dǎo)通后的晶閘管，其特性與二極管的正向伏安特性導(dǎo)通后的晶閘管，其特性與二極管的正向伏安特性相似。當門極電流相似。當門極電流 足夠大時，只需很小的正向陽極電足夠大時，只需很小的正向陽極電壓就可使晶閘管從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)。晶閘管的這種導(dǎo)通稱壓就可使晶閘管從斷態(tài)變?yōu)橥☉B(tài)。晶閘管的這種導(dǎo)通稱為觸發(fā)導(dǎo)通已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，如果將陽極電流減小到為觸發(fā)導(dǎo)通已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，如果將陽極電流減小到I IH H，將從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)檎蜃钄酄顟B(tài)。所以晶閘管只能，將從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)檎蜃钄酄顟B(tài)。所以晶閘管只能穩(wěn)定工作在阻斷與導(dǎo)通兩個狀態(tài)。穩(wěn)定工作在阻斷

9、與導(dǎo)通兩個狀態(tài)。 額定電壓額定電壓 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓U URRMRRM 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓U UDRMDRM 9.1.2 9.1.2 單相可控整流電路單相可控整流電路 用晶閘管組成的整流電路可以把交流電變成大小可調(diào)用晶閘管組成的整流電路可以把交流電變成大小可調(diào)的直流電，稱為可控整流。的直流電，稱為可控整流。單向全波可控整流電路單相可控整流電路可分為單向半波可控整流電路 1.1.電阻性負載的單向半波可控整流電路電阻性負載的單向半波可控整流電路 用晶閘管用晶閘管T T替代單相半波整流電路中的二極管替代單相半波整流電路中的二極管D D，就可，就可以得到單相半波可控整流電

10、路的主電路，如下圖以得到單相半波可控整流電路的主電路，如下圖(a)(a)所所示。示。 工作原理設(shè)圖中負載 RL為電阻性負載222sinuUt（1）晶閘管的控制極上未加正向觸發(fā)電壓，那么根據(jù)晶閘管的導(dǎo)通條件，不論正弦交流電壓u2 是正半周還是負半周，晶閘管都不會導(dǎo)通。這時，負載端電壓uo=0、負載電流 io=0， 因而電源的全部電壓都由晶閘管承受，即UT=U2。 （2）當u2 由零進入正半周，設(shè)a點電位高于b點電位，晶閘管承受正向電壓，如果在 時見圖（b），在控制極加上適當?shù)挠|發(fā)脈沖電壓 ，晶閘管將立即導(dǎo)通。電路中電流流向為aTRLb。（3）當u2 在負半周時，因為晶閘管承受的是反向電壓，所以即

11、使控制極上加觸發(fā)電壓，晶閘管也不會導(dǎo)通。t 從整流電路的工作波形圖看，從整流電路的工作波形圖看，u uo o 、i io o 均是一個不完均是一個不完整的半波整流波形（陰影部分）。在晶閘管承受正向電整的半波整流波形（陰影部分）。在晶閘管承受正向電壓的半周內(nèi)，加上觸發(fā)脈沖電壓，使晶閘管開始導(dǎo)通的壓的半周內(nèi)，加上觸發(fā)脈沖電壓，使晶閘管開始導(dǎo)通的相位角相位角稱為控制角，而晶閘管從開始導(dǎo)通到關(guān)斷所經(jīng)稱為控制角，而晶閘管從開始導(dǎo)通到關(guān)斷所經(jīng)歷的電角度歷的電角度稱為導(dǎo)通角，故稱為導(dǎo)通角，故 =-=- 顯然，顯然， 的大小是由加上觸發(fā)脈沖的時刻來控制的。改變的大小是由加上觸發(fā)脈沖的時刻來控制的。改變 的的大

12、小稱為移相。大小稱為移相。的變化范圍稱為移相范圍。因此，改的變化范圍稱為移相范圍。因此，改變變 就可以方便地獲得可調(diào)節(jié)的整流電壓和電流。比就可以方便地獲得可調(diào)節(jié)的整流電壓和電流。比較圖（較圖（b b）兩個波形圖，控制角）兩個波形圖，控制角 越小，則輸出電壓、越小，則輸出電壓、電流的平均值越大。電流的平均值越大。 負載電壓和電流22212sin()22(1cos)21cos0.452ouutdtUU21cos0.452ooLLUUIRR 2.2.具有電感性負載的單相半波可控整流電路具有電感性負載的單相半波可控整流電路如下圖（如下圖（a a）所示為一具有電感性負載的單相半波可控）所示為一具有電感性

13、負載的單相半波可控整流電路。為了便于分析，圖中把電感性負載等效為由整流電路。為了便于分析，圖中把電感性負載等效為由電感元件電感元件L L和電阻和電阻R R串聯(lián)的電路串聯(lián)的電路。 工作原理工作原理 由于電磁感應(yīng)作用，當通過電感元件由于電磁感應(yīng)作用，當通過電感元件L L 的電流發(fā)生變的電流發(fā)生變化時，在電感中產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動勢，將使化時，在電感中產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動勢，將使電流的變化總是滯后于外加電壓的變化。因此，可控整電流的變化總是滯后于外加電壓的變化。因此，可控整流電路帶有電感性負載時，其工作情況與電阻性負載不流電路帶有電感性負載時，其工作情況與電阻性負載不同。同。 3.3.單

14、向全波可控整流電路單向全波可控整流電路 每個導(dǎo)電回路中有每個導(dǎo)電回路中有2 2個晶閘管，晶閘管個晶閘管，晶閘管VT1VT1、VT2VT2為共陰為共陰極接法，極接法，VT3VT3、VT4VT4為共陽極接法，如下圖所示。為共陽極接法，如下圖所示。電路工作時，共陰極的兩只管子同時觸發(fā)，但只有陽極電位高的管子導(dǎo)通，另一管子承受反向電壓而保持截止；同理，共陽極的兩只管子同時觸發(fā)時，只有陰極電位低的管子導(dǎo)通，另一管子受反向電壓而保持截止。 工作原理工作原理在u2的正半周，VT1、VT3受電壓，時刻加觸發(fā)脈沖后，VT1 和VT3導(dǎo)通，電流路徑為aVT1RLVT3b, RL上得到缺角的正半周電壓。正半周結(jié)束時

15、，u2降為零，VT1和VT3關(guān)斷。同理，在負半周，時刻觸發(fā)后，VT2和VT4導(dǎo)通，電流路徑為bVT2RLVT4a，RL上得到與正半周一樣的電壓。因此，單相橋式全控整流電路可以看做由兩個相位相反的半波整流電路疊加而成。 單相橋式可控整流輸出電壓平均值為單相半波的兩倍：單相橋式可控整流輸出電壓平均值為單相半波的兩倍：2211 cos2sin0.92LUUtdtU其電流亦是二倍即：其電流亦是二倍即：21cos0.92LLUUIRR9.2專題2 晶閘管觸發(fā)電路9.2.1 單結(jié)晶體管 單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管，是具有一個單結(jié)晶體管又叫雙基極二極管，是具有一個PNPN結(jié)的三結(jié)的三端負阻器件。端負阻器件。

16、 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡峭，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣沖前沿陡峭，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用與小容量晶閘管觸發(fā)控制。泛應(yīng)用與小容量晶閘管觸發(fā)控制。1.1.單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路 在一個低摻雜的N型硅棒上利用擴散工藝形成一個高摻雜P區(qū)，在P區(qū)與N區(qū)接觸面形成PN結(jié)，就構(gòu)成單結(jié)晶體管(UJT)。其結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示，P型半導(dǎo)體引出的電極為發(fā)射極E；N型半導(dǎo)體的兩端引出兩個電極，分別為基極B1和基極B2，B1和B2之間的N型區(qū)域可以等效為一個純電阻，即基區(qū)電阻RBB。該電阻的阻值隨著發(fā)射極

17、電流的變化而改變。單結(jié)晶體管因有兩個基極，故也稱為雙基極晶體管。其符號如圖(b)所示。單結(jié)晶體管的等效電路如圖(c)所示，發(fā)射極所接P區(qū)與N型硅棒形成的PN結(jié)等效為二極管D；N型硅棒因摻雜濃度很低而呈現(xiàn)高電阻，二極管陰極與基極B2之間的等效電阻為RB2，二極管陰極與基極B1之間的等效電阻為RB1；RB1的阻值受E-B1間電壓的控制，所以等效為可變電阻。2 2、工作原理和特性曲線、工作原理和特性曲線當e-b1電壓Ueb1為零或(Ueb1 UA)時，二極管承受反向電壓，發(fā)射極的電流Ie為二極管的反向電流，記作IEO。當Ueb1增大，使PN結(jié)正向電壓大于開啟電壓時，則IE變?yōu)檎螂娏?，從發(fā)射極e流向

18、基極b1,此時，空穴濃度很高的P區(qū)向電子濃度很低的硅棒的Ab1區(qū)注入非平衡少子；由于半導(dǎo)體材料的電阻與其載流子的濃度緊密相關(guān)，注入的載流子使rb1減??；而且rb1的減小，使其壓降減小，導(dǎo)致PN結(jié)正向電壓增大，IE隨之增大，注入的載流子將更多，于是rb1進一步減??；當IE增大到一定程度時，二極管的導(dǎo)通電壓將變化不大，此時UEB1。將因rb1的減小而減小，表現(xiàn)出負阻特性。（6 6）峰點電流）峰點電流Ip Ip 單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時，發(fā)射極電單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時，發(fā)射極電壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流壓為峰點電壓時的發(fā)射極電流（5 5）發(fā)射極飽和壓降）發(fā)射極飽和壓降Ueo Ueo 在最大發(fā)射極額定電

19、流時，在最大發(fā)射極額定電流時，e eb1b1間的壓降。間的壓降。（4 4）反向電流）反向電流Ieo b1Ieo b1開路，在額定反向電壓開路，在額定反向電壓Ucb2Ucb2下，下，e eb2b2間的反向電流。間的反向電流。（3 3）e eb1b1間反向電壓間反向電壓Ucb1 b2Ucb1 b2開路，在額定反向電壓開路，在額定反向電壓Ucb2Ucb2下，基極下，基極b1b1與發(fā)射極與發(fā)射極e e之間的反向耐壓。之間的反向耐壓。（2 2）分壓比）分壓比由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，一般為由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，一般為0.3-0.850.3-0.85。3 3、單結(jié)晶體管的主要參數(shù)、單結(jié)晶體管的主要參數(shù)

20、（1 1）基極間電阻）基極間電阻R Rbbbb 發(fā)射極開路時，基極發(fā)射極開路時，基極b1b1、b2b2之間的之間的電阻，一般為電阻，一般為2-102-10千歐，其數(shù)值隨溫度上升而增大。千歐，其數(shù)值隨溫度上升而增大。 9.2.2 晶閘管觸發(fā)電路1.1.觸發(fā)電路的要求觸發(fā)電路的要求（1 1）觸發(fā)信號應(yīng)具備足夠大的觸發(fā)功率。晶閘管的觸發(fā)）觸發(fā)信號應(yīng)具備足夠大的觸發(fā)功率。晶閘管的觸發(fā)是用一個小功率輸入去控制一個大功率輸出。由于一般是用一個小功率輸入去控制一個大功率輸出。由于一般采用脈沖信號的形式作為觸發(fā)信號，所以其觸發(fā)電壓、采用脈沖信號的形式作為觸發(fā)信號，所以其觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流均可超過額定觸發(fā)電壓、

21、額定觸發(fā)電流，只要觸發(fā)電流均可超過額定觸發(fā)電壓、額定觸發(fā)電流，只要觸發(fā)功率不超過門極峰值功率和平均功率即可。觸發(fā)功率不超過門極峰值功率和平均功率即可。 （2 2）觸發(fā)脈沖應(yīng)具備一定的寬度，且前沿盡可能陡。晶）觸發(fā)脈沖應(yīng)具備一定的寬度，且前沿盡可能陡。晶閘管的導(dǎo)通需要時間，因而，要求觸發(fā)脈沖的寬度必須閘管的導(dǎo)通需要時間，因而，要求觸發(fā)脈沖的寬度必須大于導(dǎo)通時間。以保證晶閘管的導(dǎo)通電流上升到擎住電大于導(dǎo)通時間。以保證晶閘管的導(dǎo)通電流上升到擎住電流以上，為了快速而可靠的觸發(fā)大功率晶閘管，通常觸流以上，為了快速而可靠的觸發(fā)大功率晶閘管，通常觸發(fā)脈沖的前沿要盡可能陡，并疊加一個強觸發(fā)脈沖。對發(fā)脈沖的前沿

22、要盡可能陡，并疊加一個強觸發(fā)脈沖。對于工頻電路而言，一般脈沖寬度大于于工頻電路而言，一般脈沖寬度大于1818，即，即1ms1ms。 （4 4）觸發(fā)脈沖的相位可以按要求移動。觸發(fā)脈沖相）觸發(fā)脈沖的相位可以按要求移動。觸發(fā)脈沖相位在一定的范圍內(nèi)進行移動的過程，就是改變控位在一定的范圍內(nèi)進行移動的過程，就是改變控制角的過程，從而實現(xiàn)變流電路輸出電壓在一定制角的過程，從而實現(xiàn)變流電路輸出電壓在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。（3 3）觸發(fā)脈沖必須與主電路同步。由于晶閘管只有）觸發(fā)脈沖必須與主電路同步。由于晶閘管只有承受正向電壓時才能觸發(fā)導(dǎo)通，所以要求其觸發(fā)承受正向電壓時才能觸發(fā)導(dǎo)通，所以要求其觸發(fā)脈沖的輸出及時準確，且能夠保證不同周期、相脈沖的輸出及時準確，且能夠保證不同周期、相同控制角時的觸發(fā)時刻相同。同控制角時的觸發(fā)時刻相同。 2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路下圖下圖(a)(a)單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相半控整流電路。同步變壓器單結(jié)晶體