教學(xué)配套課件：電力電子技術(shù)-第四十五套

1、電力電子技術(shù)第1章 整流電路第1章 整流電路1.1功率二極管1.2晶閘管1.3單相可控整流電路 1.4晶閘管簡(jiǎn)單觸發(fā)電路1.5三相可控整流電路1.6可控整流電路的換相壓降1.7晶閘管的保護(hù)1.8晶閘管相控觸發(fā)電路1.9觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步1.1功率二極管功率二極管（又稱(chēng)電力二極管）在 20世紀(jì) 50年代獲得應(yīng)用。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能實(shí)用，一直用到現(xiàn)在。功率二極管在許多電力電子電路中都有著廣泛的應(yīng)用。 1.1.1功率二極管的結(jié)構(gòu)1.1.2功率二極管的特性與參數(shù)1.1.3功率二極管類(lèi)型與使用1.1.1功率二極管的結(jié)構(gòu)功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣符號(hào)，如圖1-1所示。 圖1-1功率二極管的外形及

2、電路符號(hào) 1.1.2功率二極管的特性與參數(shù) 1功率二極管的伏安特性功率二極管的伏安特性曲線(xiàn)如圖1-2所示。 2 功率二極管的開(kāi)關(guān)特性(1) 關(guān)斷特性關(guān)斷特性是指功率二極管由正向偏置的通態(tài)轉(zhuǎn)換為反向偏置的斷態(tài)的特性，關(guān)斷過(guò)程中電壓、電流的波形如圖1-3(a)所示。 (2) 開(kāi)通特性開(kāi)通特性是指功率二極管由零偏置轉(zhuǎn)換為正向偏置的通態(tài)的特性。開(kāi)通過(guò)程的電壓、電流波形如圖1-3(b)所示。 圖1- 2功率二極管伏安特性曲線(xiàn) 圖1-3功率二極管的開(kāi)關(guān)特性(a)關(guān)斷特性 (b)開(kāi)通特性3功率二極管的主要參數(shù)(1) 正向平均電流IF（AV） （額定電流） 計(jì)算的公式如下，其中IF為流過(guò)管子的額定電流有效值：

3、 (1-1) (2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM （額定電壓） 計(jì)算時(shí)按二極管可能承受的最高反向峰值電壓的兩到三倍來(lái)選取二極管的定額。即 URRM=（23）UDM (1-2) 取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)系列值。(3) 正向通態(tài)壓降UF (4) 反向恢復(fù)時(shí)間trr(5) 最高允許結(jié)溫TJm (6) 正向浪涌電流IFSM1.1.3功率二極管類(lèi)型與使用1功率二極管的類(lèi)型功率二極管在電路中有整流、續(xù)流、隔離、保護(hù)等作用。因功率二極管按照正向壓降、反向耐壓、反問(wèn)漏電流等性能不相同，特別是反向恢復(fù)特性的不同，所以應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)合的不同要求選擇不同類(lèi)型的功率二極管。當(dāng)然，從根本上講，性能上的不同都是由半導(dǎo)體物理結(jié)構(gòu)和工藝上的差

4、別造成的。(1)普通二極管。(2) 快恢復(fù)二極管。(3) 肖特基二極管功率二極管使用功率二極管使用注意事項(xiàng)(1)必須保證規(guī)定的冷卻條件，如強(qiáng)迫風(fēng)冷或水冷。如果不能滿(mǎn)足規(guī)定的冷卻條件，必須降低容量使用。如規(guī)定風(fēng)冷元件使用在自冷時(shí)，只允許用到額定電流的13左右。(2)平板型元件的散熱器一般不應(yīng)自行拆裝。(3)嚴(yán)禁用兆歐表檢查元件的絕緣情況。如需檢查整機(jī)的耐壓時(shí)，應(yīng)將元件短接。1.2晶閘管晶閘管是一種既具有開(kāi)關(guān)作用又具有整流作用的大功率半導(dǎo)體器件。由于它具有體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而在生產(chǎn)實(shí)際中獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)1.2.2晶閘管的工

5、作原理1.2.3晶閘管的伏安特性1.2.4晶閘管的簡(jiǎn)單測(cè)試1.2.5晶閘管的主要參數(shù)1.2.1晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管全稱(chēng)晶體閘流管，也稱(chēng)可控硅，簡(jiǎn)稱(chēng)SCR。是用N型單晶硅片，按一定的工藝要求，分別進(jìn)行擴(kuò)散及燒結(jié)處理后，形成PNPN四層結(jié)構(gòu)的一種半導(dǎo)體器件，其外形和電氣符號(hào)如圖1-4所示。晶閘管有3個(gè)引出電極，分別稱(chēng)為陽(yáng)極A、陰極K和門(mén)極G（也稱(chēng)控制極）。圖1-4 晶閘管的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電氣圖形符號(hào)和模塊外形(a) 晶閘管外形 (b)內(nèi)部結(jié)構(gòu) (c) 電氣圖形符號(hào) (d) 模塊外形1.2.2晶閘管的工作原理晶閘管的工作原理分析如圖1-5所示。 當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反向電壓時(shí)，不管控制極加不加電

6、壓，燈都不亮，晶閘管截止。如果控制極加反向電壓，無(wú)論晶閘管主電路加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：（1）晶閘管主電路加正向電壓。（2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。圖1-5晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)電路圖1.2.3晶閘管的伏安特性晶閘管陽(yáng)極與陰極間的電壓UA和陽(yáng)極電流IA的關(guān)系稱(chēng)為晶閘管伏安特性，正確使用晶閘管必須要了解其伏安特性。如圖1-6所示為晶閘管伏安持性曲線(xiàn)，包括正向特性(第一象限)和反向特性(第三象限)兩部分。圖1-6中各物理量的含義如下：UDRM、URRM正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDSM、URSM正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；UBO正向轉(zhuǎn)折電壓；URO反

7、向擊穿電壓。 圖1-6晶閘管伏安特性曲線(xiàn) 1.2.4晶閘管的簡(jiǎn)單測(cè)試晶閘管的簡(jiǎn)單測(cè)試是指從外觀(guān)判斷或用普通的萬(wàn)用電表去鑒別其3個(gè)電極以及簡(jiǎn)單判斷晶閘管質(zhì)量的好壞情況。螺栓式晶閘管的3個(gè)電極，在外形上有明顯的區(qū)別，即螺栓為陽(yáng)極A，粗辮子導(dǎo)線(xiàn)為陰極K，細(xì)辮子導(dǎo)線(xiàn)為門(mén)極G。平板式晶閘管的3個(gè)電極，除門(mén)極導(dǎo)線(xiàn)外，陽(yáng)極和陰極難從外形區(qū)分。具體測(cè)試方法如圖1-7所示。圖1-7晶閘管的現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易測(cè)試1.2.5晶閘管的主要參數(shù)1晶閘管的電壓參數(shù)(1)斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM(2)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM(3)反向不重復(fù)峰值電壓URSM(4)反向重復(fù)峰值電壓URRM(5)額定電壓(6)通態(tài)平均電壓UT（AV）2

8、晶閘管的電流參數(shù)(1)通態(tài)平均電流IT（AV）現(xiàn)定義電流波形的有效值與平均值之比稱(chēng)為該波形的波形系數(shù)用Kf表爾。如整流電路直流輸出負(fù)載電流id的波形系數(shù)為流過(guò)晶閘管電流的波形系數(shù)為負(fù)載電流有效值負(fù)載電流平均值晶閘管電流有效值晶閘管電流平均值正弦半波電流波形系數(shù)Kf應(yīng)有實(shí)際選用時(shí)，一般取1.52倍的安全裕量 計(jì)算流過(guò)該晶閘管任意波形允許的電流平均值 根據(jù)電流有效值相等即發(fā)熱相同的原則，將非正弦半波電流的有效值IT或平均值Id折合成等效的正弦半波電流平均值去選擇晶閘管額定值 (2)維持電流IH(3)掣住電流IL(4)斷態(tài)重復(fù)平均電流IDR和反向重復(fù)平均電流IRR(5)浪涌電流ITSM3動(dòng)態(tài)參數(shù)(1

9、) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt(2) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt(3)開(kāi)通時(shí)間tON如圖1-8所示。 (4)關(guān)斷時(shí)間tOFF如圖1-9所示。 圖1-8門(mén)極控制開(kāi)通時(shí)間 圖1-9晶閘管電路換向關(guān)斷時(shí)間1.2.6晶閘管的型號(hào)1.3單相可控整流電路 1.3.1單相半波可控整流電路1.3.2單相全控橋式整流電路1.3.3單相半控橋式可控整流電路1.3.1單相半波可控整流電路1電阻性負(fù)載應(yīng)用：電爐、電解、電鍍、電焊及白熾燈等。 特點(diǎn)是：負(fù)載兩端的電壓和流過(guò)負(fù)載的電流成一定的比例關(guān)系，且兩者的波形相似；負(fù)載電壓和電流均允許突變。圖1-10為單相半波相控整流電路及波形圖。 圖1-10單相半波相控整流電路

10、及波形(a)電路圖 (b)波形圖控制角 晶閘管的導(dǎo)通角 。整流輸出電壓平均值整流輸出電壓的有效值電路的功率因數(shù)為 整流輸出電流的平均值Id和有效值I分別為 電流的波形系數(shù) Kf 2電感性負(fù)載及續(xù)流二極管應(yīng)用：電機(jī)的勵(lì)磁線(xiàn)圈、滑差電動(dòng)機(jī)電磁離合器的勵(lì)磁線(xiàn)圈以及輸出電路中串接平波電抗器的負(fù)載 。電感性負(fù)載不同于電阻性負(fù)載，為了便于分析，通常將其等效為電阻與電感串聯(lián)，如圖1-12（a）所示。其波形如圖1-12（b）所示。為了使u2過(guò)零變負(fù)時(shí)能及時(shí)地關(guān)斷晶閘管，使ud波形不出現(xiàn)負(fù)值，又能給電感線(xiàn)圈Ld提供續(xù)流的旁路，可以在整流電路輸出端并聯(lián)二極管VD，如圖1-13（a）所示。其波形如圖1-13（b）所

11、示。 圖1-12 單相半波電感性負(fù)載電路波形圖(a)電路圖 (b)波形圖圖1-13 當(dāng)LdRd時(shí)的電流波形圖(a)電路圖 (b)波形圖流過(guò)晶閘管的電流平均值為 流過(guò)續(xù)流二極管的電流平均值為流過(guò)晶閘管與續(xù)流二極管的電流有效值分別為 晶閘管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓均為 U2。1.3.2單相全控橋式整流電路1電阻性負(fù)載圖1-15 （a）為單相橋式全控整流電路 ，輸出整流電壓ud、電流id及晶閘管兩端電壓uT的波形如圖1-15（b）所示。 晶閘管承受的最高反向電壓為- U2 。當(dāng)晶閘管都處在未被觸發(fā)導(dǎo)通期間，每個(gè)元件承受的電壓等于 U2/2 圖1-15單相全控橋電阻性負(fù)載(a)電路圖 (b)波

12、形圖整流輸出直流電壓Ud 整流輸出直流電流(負(fù)載電流)Id為 負(fù)載電流有效值I與交流輸入(變壓器二次側(cè))電流I2相同為 晶閘管電流平均值，有效值，電路功率因數(shù)為 2電感性負(fù)載圖1-16（a）為單相橋式全控整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)的電路。圖1-16（b）為輸出負(fù)載電壓ud負(fù)載電流id 的波形及uT1的波形。ud的波形出現(xiàn)了負(fù)半波部分id ，的波形則是連續(xù)的近似的一條直線(xiàn)。由流過(guò)晶閘管的電流iT波形及負(fù)載電流id的波形可以看出，兩組管子輪流導(dǎo)通，且電流連續(xù)，故每只晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間較電阻性負(fù)載時(shí)延長(zhǎng)了，導(dǎo)通角= 與 無(wú)關(guān)。 圖1-16 大電感負(fù)載的單相全控橋式整流電路及波形(a)電路 (b)不接續(xù)流管

13、時(shí)波形090 輸出電壓平均值Ud 直流輸出電流的平均值Id 流過(guò)晶閘管的電流的平均值和有效值分別為流過(guò)變壓器二次側(cè)繞組的電流有效值 晶閘管可能承受的正反向峰值電壓為為了擴(kuò)大移相范圍，且去掉輸出電壓的負(fù)值，提高U的值，可以在負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管，如圖 1-17所示。接了續(xù)流二極管后，的移相范圍可以擴(kuò)大到0180。下面通過(guò)一個(gè)例題來(lái)說(shuō)明全控橋電路接了續(xù)流二極管后的數(shù)量關(guān)系。圖1-17單相橋式全控整流電路帶電感性負(fù)載加續(xù)流二極管 3反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載被充電的蓄電池、正在運(yùn)行的直流電動(dòng)機(jī)的電樞（忽略電樞電感）等這類(lèi)負(fù)載本身是一個(gè)直流電源，對(duì)于可控整流電路來(lái)說(shuō)，它們是反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，其等效電路用電動(dòng)勢(shì)E和負(fù)載

14、回路電阻Rd（電樞電阻）表示，負(fù)載電動(dòng)勢(shì)的極性如圖1-19所示。整流輸出電壓的平均值為電流的平均值和有效值圖1-19單相全控橋反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載電路導(dǎo)電角 圖1-20單相橋式全控整流電路反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器后的臨界連續(xù)電壓、電流波形圖1-20所示為單相橋式全控整流電路反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器后的臨界連續(xù)電壓、電流波形。1.3.3單相半控橋式可控整流電路在阻性負(fù)載下，單相橋式半控電路和單相全控電路的ud、id、i2等波形相同，因而一些計(jì)算公式也相同。在感性負(fù)載下，在u2正半周內(nèi)，VD2導(dǎo)通，VT1通過(guò)L、R、VD2承受電源正電壓，uTu2。當(dāng)t時(shí)觸發(fā)VT1， VT1導(dǎo)通后，電流從u2正端流出，經(jīng)V

15、T1、L、R、VD2回到u2負(fù)端。當(dāng)t時(shí)，因D2導(dǎo)通，T1阻斷，所以u(píng)T20；當(dāng)t時(shí)，VT1導(dǎo)通，則uT2-u2，此時(shí)VD1始終通過(guò)VD2承受電源的反向電壓即uD1-u2。圖1-21 單相半控橋式整流電路大電感負(fù)載電路及波形圖1-22單相半控橋大電感負(fù)載接續(xù)流管時(shí)電路及波形1.4晶閘管簡(jiǎn)單觸發(fā)電路晶閘管相控整流電路，通過(guò)控制觸發(fā)角的大小即可控制觸發(fā)脈沖起始相位來(lái)控制輸出電壓大小，為保證相控電路的正常工作，很重要的一點(diǎn)是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。 1.4.1對(duì)觸發(fā)電路的要求1.4.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.4.1對(duì)觸發(fā)電路的要求1、觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或

16、脈沖電壓。常見(jiàn)觸發(fā)脈沖信號(hào)波形如圖1-23所示。2、觸發(fā)信號(hào)應(yīng)有足夠的功率（觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流）。3、觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽(yáng)極電流能迅速上升超過(guò)掣住電流而維持導(dǎo)通。強(qiáng)觸發(fā)的電流波形如圖1-24所示。 4、觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿(mǎn)足電路要求。5、觸發(fā)脈沖輸出隔離和抗干擾圖1-23 常見(jiàn)觸發(fā)脈沖信號(hào)波形圖1-24 強(qiáng)觸發(fā)電流波形1.4.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、脈沖前沿陡、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于50A以下中小容量晶閘管的單相可控整流裝置中。1單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與特性1) 單結(jié)晶體管

17、的結(jié)構(gòu)單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)如圖1-25所示。 2) 特性與單結(jié)晶體管振蕩電路將管子接成圖1-26試驗(yàn)電路， 圖1-25單結(jié)晶體管(a)結(jié)構(gòu)示意圖 (b)等效電路 (c)圖形符號(hào) (d)外形管腳排列圖1- 26 單結(jié)晶體管試驗(yàn)電路利用萬(wàn)用表可以很方便地判別單結(jié)晶體管的極性和好壞。根據(jù)PN結(jié)原理，選用Rlk電阻擋進(jìn)行測(cè)量。單結(jié)晶體管e和b1極或e和b2極之間的正向電阻小于反向電阻，一般r b1r b2，而b2和b1極之間的正、反向電阻相等，約為3l0k。只要發(fā)射極判別對(duì)了，即使b2和b1接反了，也不會(huì)燒壞管子，只是沒(méi)有脈沖輸出或輸出的脈沖幅度很小，這時(shí)只需把b2和b1調(diào)換即可。 2單結(jié)

18、晶體管自激振蕩電路利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性，可組成單結(jié)晶體管自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖，電路如圖1-27（a）所示。在R1上便得到一系列的脈沖電壓ug。由于放電回路電阻遠(yuǎn)小于充電回路電阻，故uc為鋸齒波，而R1上輸出的是前沿很陡的尖脈沖，如圖1-27 （b）所示。圖1-27單結(jié)晶體管振蕩電路與波形3簡(jiǎn)單單結(jié)管觸發(fā)電略圖1-28是一個(gè)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的各點(diǎn)波形如圖1-28(b)所示。 4單結(jié)管移相觸發(fā)電路圖1-29所示為一實(shí)用的單結(jié)管觸發(fā)電路。圖1-28 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路原理圖(a)電路圖 (b)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路各點(diǎn)的電壓波形（）圖1-29實(shí)

19、用單結(jié)管移相觸發(fā)電路1.5三相可控整流電路1.5.1三相半波可控整流電路1.5.2三相全控橋式整流電路1.5.3三相橋式半控整流電路1.5.1三相半波可控整流電路1三相半波不可控整流電路圖1-30(a)為利用二極管作整流元件的不可控整流電路圖，變壓器一次側(cè)接成三角形，二次側(cè)接成星形，二次側(cè)接一個(gè)公共零點(diǎn)“0”，它與負(fù)載一端相連，所以三相半波電路又稱(chēng)三相零式電路。圖1-30(b)虛線(xiàn)畫(huà)出相電壓ua、ub、uc對(duì)零點(diǎn)的電壓波形，它們相位各差120，圖中U2為整流變壓器二次側(cè)相電壓有效值。圖1-30 (c)畫(huà)出了二次側(cè)線(xiàn)電壓uab、uac波形。圖1-30電阻負(fù)載三相半波不可控整流電路(a)不可控整流

20、電路圖 (b)相電壓波形 (c)線(xiàn)電壓波形圖1-30電阻負(fù)載三相半波不可控整流電路(a)不可控整流電路圖 (b)相電壓波形 (c)線(xiàn)電壓波形二極管換相發(fā)生在三相相電壓的交點(diǎn)t1、t2、t3處，把這些點(diǎn)稱(chēng)為自然換相點(diǎn)（也稱(chēng)自然換流點(diǎn)）。 2三相半波相控整流電路圖1-31為三相半波相控整流電路及波形。由于三相整流在自然換流點(diǎn)之前晶閘管承受反壓，因此自然換流點(diǎn)是晶閘管控制角的起算點(diǎn)（=0）。 (1)電阻性負(fù)載當(dāng)=0時(shí)觸發(fā)脈沖在自然換流點(diǎn)出現(xiàn)，電路工作情況與二極管整流時(shí)一樣，若增大控制角，輸出電壓的波形發(fā)生變化。當(dāng)=18時(shí)，輸出電壓ud 波形對(duì)應(yīng)的觸發(fā)脈沖ug如圖1-31（c）所示，各相觸發(fā)脈沖的間隔

21、為 120 。 自然換流點(diǎn)是晶閘管控制角的起算點(diǎn)（=0）。當(dāng)30 時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，各相晶閘管每周期輪流導(dǎo)電120，即導(dǎo)通角T120。當(dāng)30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，=150 移相范圍為0150圖1-31電阻負(fù)載的三相半波相控整流電路及波形圖輸出電壓平均值Ud 負(fù)載電流的平均值流過(guò)每個(gè)晶閘管的平均電流 通過(guò)每個(gè)晶閘管的電流有效值為當(dāng)30 時(shí)當(dāng)30 150 時(shí) (2)大電感負(fù)載圖1-32 大電感負(fù)載時(shí)三相半波相控整流電路及波形(a)電路圖 (b)波形圖的移相范圍為090 晶閘管所承受的最大正、反向電壓均為線(xiàn)電壓的峰值 整流輸出電壓的平均值負(fù)載電流的平均值流過(guò)晶閘管的電流平均值和有效值： 3共陽(yáng)極接法三相

22、半波相控整流電路圖1-33 共陽(yáng)極三相半波相控整流電路及波形1.5.2三相全控橋式整流電路在工業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的是三相橋式全控整流電路，此電路相當(dāng)于一組共陰極的三相半波和一組共陽(yáng)極的三相半波可控整流電路串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成的。習(xí)慣上將晶閘管按照其導(dǎo)通順序編號(hào)，共陰極的一組為VT1、VT3和VT5，共陽(yáng)極的一組為VT2、VT4和VT6。其電路如圖1-34(a)所示。圖1-34 (b)(e)為帶大電感負(fù)載的三相全控橋式整流電路在0時(shí)的電流電壓波形。 圖1-34三相橋式全控整流電路(a)電路圖 (b)波形圖（0）圖1-35 三相橋式全控整流電路電壓波形(0)整流輸出電壓的平均值為三相全控橋式整流電路帶大電感

23、負(fù)載時(shí)的移相范圍為090。1.5.3三相橋式半控整流電路電路如圖314(a)所示。它是把全控橋中共陽(yáng)極組的3個(gè)晶閘管換成整流二極管，因此它具有可控和不可控兩者的特性。其顯著特點(diǎn)是共陰極組元件必須觸發(fā)才能換流；共陽(yáng)極元件總是在自然換流點(diǎn)換流。一周期中仍然換流6次，3次為自然換流，其余3次為觸發(fā)換流，這是與全控橋根本的區(qū)別。 圖1-36三相橋式半控整流電路與電壓波形1.6可控整流電路的換相壓降1.6.1換相期間的輸出電壓1.6.2可控整流電路的外特性1.6.1換相期間的輸出電壓圖1-37 考慮變壓器漏抗的可控整流電路及其電壓、電流波形(a)電路原理圖 (b)輸出波形圖1.6.2可控整流電路的外特性

24、圖1-38考慮變壓器漏抗時(shí)的可控整流電路特性1.7晶閘管的保護(hù)1.7.1過(guò)電壓保護(hù)1.7.2過(guò)電流保護(hù)1.7.3電壓與電流上升率的限制1.7.1過(guò)電壓保護(hù)1晶閘管的關(guān)斷過(guò)電壓及其保護(hù)由于晶閘管換相關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的過(guò)電壓叫關(guān)斷過(guò)電壓、如圖1-39所示。 關(guān)斷過(guò)電壓保護(hù)最常用的方法是，在晶閘管兩端并接RC吸收電路，如圖1-40所示。 圖1-39晶閘管關(guān)斷過(guò)電壓波形圖1-40用阻容器吸收電路抑制關(guān)斷過(guò)電壓2晶閘管交流側(cè)過(guò)電壓及其保護(hù)1）交流側(cè)操作過(guò)電壓保護(hù)阻容吸收電路的幾種接線(xiàn)方式如圖1-41所示。 2) 交流側(cè)浪涌過(guò)電壓保護(hù)金屬氧化物壓敏電阻是目前大量采用的一種新型的非線(xiàn)性過(guò)電壓保護(hù)元件。金屬氧化物

25、壓敏電阻是由氧化鋅、氧化鉍等燒結(jié)制成的非線(xiàn)性電阻元件，具有正、反向相同的、很陡的伏安特性，如圖1-42所示。保護(hù)接線(xiàn)方式如圖1-43所示。 圖1-41交流側(cè)阻容吸收電路的幾種接法圖1-42壓敏電阻的伏安特性圖1-43壓敏電阻的幾種接法(a)單相連接 (b)三相Y連接 (c)三相D連接3直流側(cè)保護(hù)變流裝置輸出接有感性負(fù)載(平波電抗器，直流電機(jī)繞組等)，當(dāng)電路閉合時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，但當(dāng)橋臂上整流元件進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)的快速熔斷器熔斷時(shí)(圖1-44)，貯存在負(fù)載中的磁場(chǎng)能量突然釋放，就會(huì)在直流輸出端A、B間產(chǎn)生過(guò)電壓。另外當(dāng)變流裝置過(guò)載，直流快速開(kāi)關(guān)或熔斷器切斷過(guò)載電流時(shí)(圖1-45)，整流變壓器貯能的

26、突然釋放也會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。 圖1-44快速熔斷器熔斷時(shí)引起過(guò)電壓 圖1-45直流開(kāi)關(guān)S跳閘引起過(guò)電壓 1.7.2過(guò)電流保護(hù)發(fā)生過(guò)電流的原因有多種。在整流裝置內(nèi)部的原因有晶閘管損壞，觸發(fā)電路和控制系統(tǒng)故障等。外部原因主要有負(fù)載過(guò)載，晶閘管裝置直流側(cè)短路。交流電源電壓過(guò)高或過(guò)低、電源缺相、可逆系統(tǒng)中產(chǎn)生環(huán)流和逆變失敗等。由于晶閘管的電流過(guò)載能力低，必須采取必要的過(guò)電流保護(hù)措施，保證晶閘管裝置可靠安全地運(yùn)行。晶閘管裝置可能采用的過(guò)電流保護(hù)措施如圖1-46所示。圖1-46晶閘管裝置可能采用的過(guò)電流保護(hù)措施A-交流進(jìn)線(xiàn)電抗器 B-電流檢測(cè)和過(guò)流繼電器C、D、E-快速熔斷器 F-過(guò)流繼電器 G-直流快速開(kāi)關(guān)

27、1.7.3電壓與電流上升率的限制1電壓上升率的限制2電流上升率的限制限制電流上升率同限制電壓上升率的方法相同，即：(1)串接進(jìn)線(xiàn)電感；(2)采用整流式阻容保護(hù)；(3)增大阻容保護(hù)中電阻值可以減小電流上升率，但會(huì)降低阻容保護(hù)對(duì)晶閘管過(guò)電壓保護(hù)的效果。除此以外，還可以在每個(gè)晶閘管支路中串入一個(gè)很小的電感器，來(lái)抑制晶閘管導(dǎo)通時(shí)的正向電流上升率 1.8晶閘管相控觸發(fā)電路1.8.1正弦波同步觸發(fā)電路1.8.2同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路1.8.3集成觸發(fā)器1.8.4數(shù)字觸發(fā)電路1.8.1正弦波同步觸發(fā)電路圖1-47正弦波移相觸發(fā)電路圖1-48 正弦波觸發(fā)電路各點(diǎn)波形1.8.2同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路圖1

28、-48 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路圖1-50 鋸齒波觸發(fā)電路各點(diǎn)波形1.8.3集成觸發(fā)器1KC04移相集成觸發(fā)器KC04移相集成觸發(fā)器是具有16個(gè)引腳的雙列直插式集成元件，主要用于單相或三相全控橋式裝置。其內(nèi)部電路圖如圖1-51所示。KC04電路各引腳電壓波形如圖1-52所示。2KC41C六路雙脈沖形成器KC4lC是一種六路雙脈沖形成器件，用一塊KC4lC與三塊KC04(或KC09)可組成三相全控橋雙脈沖觸發(fā)電路，輸出六路雙脈沖觸發(fā)信號(hào)。KC4lC的內(nèi)部電路如圖1-53（a）所示。KC4lC與KC04組成的三相全控橋雙脈沖觸發(fā)電路如圖1-54所示。圖1-51 KC04內(nèi)部電路圖圖1-52 KC04

29、各點(diǎn)電壓波形圖1-53 KC41C六路雙窄脈沖形成器（a）內(nèi)部原理電路 （b）外形端子排列圖1-53三相全控橋集成觸發(fā)電路1.8.4數(shù)字觸發(fā)電路圖1-54數(shù)字式移相觸發(fā)原理框圖1.9觸發(fā)脈沖與主電路電壓的同步1.9.1觸發(fā)電路同步電源電壓的選擇1.9.2防止誤觸發(fā)的措施1.9.1觸發(fā)電路同步電源電壓的選擇同步，是指觸發(fā)電路工作頻率與主電路交流電源的頻率應(yīng)當(dāng)保持一致，且每個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持合適的相位關(guān)系。以三相全控橋式電路來(lái)說(shuō)明，圖1-55（a）為其主電路。電網(wǎng)電壓UA1、UB1、UC1經(jīng)整流變壓器TR供給整流橋，對(duì)應(yīng)三相電壓為UA、UB、Uc，波形如圖1-56（b）

30、所示。每一個(gè)觸發(fā)電路的同步電壓US與被觸發(fā)晶閘管的陽(yáng)極電壓之間的相位關(guān)系，取決于主電路的不同形式、觸發(fā)電路的類(lèi)型、負(fù)載性質(zhì)以及不同的移相要求。圖1- 55 觸發(fā)脈沖與主電路的同步1.9.2防止誤觸發(fā)的措施采取以下抗干擾措施：1、由于晶閘管裝置強(qiáng)弱電混于一體，因此裝置的電氣工藝布置需要認(rèn)真考慮。2、觸發(fā)器的電源采用靜電屏蔽的變壓器供電，取自電網(wǎng)的同步信號(hào)也必須采用有靜電屏蔽的同步變壓器隔離。3、在晶閘管門(mén)、陰極之間或在脈沖變壓器二次側(cè)輸出端串并二極管、電阻、電容，有利于防干擾。通常在門(mén)、陰極之間并接0.010.1F的小電容，可有效吸收高頻干擾；要求高的場(chǎng)合，可在門(mén)、陰極之間加反向偏置電壓。電力電

31、子技術(shù)第2章 有源逆變電路第2章 有源逆變電路在一般情況下，同一套晶閘管電路既可作整流又可作逆變，這種裝置通常稱(chēng)為變流器 ，把變流器的交流側(cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電返送到交流電網(wǎng)上，稱(chēng)為有源逆變。 2.1 有源逆變電路的工作原理2.2 三相有源逆變電路2.3 有源逆變電路的應(yīng)用2.1 有源逆變電路的工作原理2.1.1 直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)2.1.2 有源逆變電路的工作原理2.1.3 產(chǎn)生逆變的條件2.1.1 直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電能的流轉(zhuǎn)圖2-1所示直流發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，M為直流電動(dòng)機(jī)，G為直流發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁回路未畫(huà)出。控制發(fā)電機(jī)電勢(shì)的大小和極性，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)

32、機(jī)四象限的運(yùn)行狀態(tài)。兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)同極性相接時(shí)，電流總是從電動(dòng)勢(shì)高的部分流向電動(dòng)勢(shì)低的部分，由于回路電阻很小，即使很小的電動(dòng)勢(shì)差值也能產(chǎn)生大的電流，使兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)之間交換很大的功率，這對(duì)分析有源逆變電路是十分有用的。 圖2-1 直流發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)之間電能的流轉(zhuǎn)(a)兩電動(dòng)勢(shì)同極性EG E (b)兩電動(dòng)勢(shì)同極性E EG (c)兩電動(dòng)勢(shì)反極性，形成短路2.1.2 有源逆變電路的工作原理以卷?yè)P(yáng)機(jī)為例，由單相全波相控整流供電直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，分析重物提升與下降兩種工作情況。電路如圖2-2所示（圖中箭頭方向表示參考方向，極性方向表示實(shí)際方向）。圖 2-2 全波相控電路的整流與有源逆變(a) 提升重物 (b)

33、 放下重物整流工作狀態(tài) 有源逆變工作狀態(tài) 電路工作在逆變時(shí)的直流電壓 由于逆變運(yùn)行時(shí)/2，cos計(jì)算不方便，所以引入逆變角，令=-，故：2.1.3 產(chǎn)生逆變的條件實(shí)現(xiàn)有源逆變必須同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)基本條件：1外部條件要有一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電勢(shì)源。 其數(shù)值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓Ud。 2內(nèi)部條件要求變流器中晶閘管的控制角/2， 這樣才能使變流器直流側(cè)輸出一個(gè)負(fù)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。 2.2 三相有源逆變電路2.2.1 三相半波有源逆變電路2.2.2 三相全控橋有源逆變電路2.2.3 逆變失敗與最小逆變角的限制2.2.1 三相半波有源逆變電路圖

34、2-5（a）為三相半波電動(dòng)機(jī)負(fù)載電路，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)E的極性符合有源逆變條件，當(dāng)|E|Ud|且/2時(shí)，可實(shí)現(xiàn)有源逆變。 變流器直流電壓圖2-5(b)為=/3時(shí)電壓ud的波形，uT1波形如圖2-5(c)所示。在圖2-6中分別繪出控制角為/3、/2、2/3、5/6時(shí)輸出電壓ud的波形以及晶閘管VT1兩端的電壓波形。 圖2-5 三相半波逆變電路圖2-6 三相半波電路輸出電壓及晶閘管VT1兩端的電壓波形2.2.2 三相全控橋有源逆變電路輸出直流電壓的平均值 輸出直流電流的平均值在逆變狀態(tài)時(shí)，Ud和EM的極性都與整流狀態(tài)時(shí)相反，均為負(fù)值。從交流電源送到直流側(cè)負(fù)載的有功功率為：圖2-7 三相全控橋有源逆變電

35、路的波形2.2.3 逆變失敗與最小逆變角的限制1逆變失敗的原因造成逆變失敗的原因很多，主要有下列幾種情況：（1）觸發(fā)電路工作不可靠，不能適時(shí)、準(zhǔn)確地給各晶閘管分配脈沖。（2）晶閘管發(fā)生故障，在應(yīng)該阻斷期間，器件失去阻斷能力，或在應(yīng)該導(dǎo)通期間，器件不能導(dǎo)通，造成逆變失敗。（3）在逆變工作時(shí)，交流電源發(fā)生缺相或突然消失。（4）換相的裕量角不足，引起換相失敗。如圖2-8所示 圖2-8 交流側(cè)電抗對(duì)逆變換相過(guò)程的影響2確定最小逆變角min的依據(jù)逆變時(shí)允許采用的最小逆變角應(yīng)為：2.3 有源逆變電路的應(yīng)用2.3.1由晶閘管橋路供電、用接觸器控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)2.3.2 采用兩組變流橋的可逆電路2.3.

36、3交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速2.3.4高壓直流輸電2.3.1由晶閘管橋路供電、用接觸器控制直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)圖2-9為采用一組晶閘管組成的變流器給電動(dòng)機(jī)電樞供電、用接觸器控制的正反轉(zhuǎn)電路。當(dāng)晶閘管橋路工作在整流狀態(tài)，接觸器KM1觸點(diǎn)閉合時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；KM1斷開(kāi)KM2閉合時(shí)則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)與反轉(zhuǎn)、縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間以及限制過(guò)大的反接制動(dòng)電流，可將橋路觸發(fā)脈沖移到/2，即工作在逆變狀態(tài)。在初始階段KM1尚未斷開(kāi)，在電抗器中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下，電路進(jìn)入有源逆變狀態(tài)，將電抗器中的能量逆變?yōu)榻涣髂芰糠邓碗娋W(wǎng)。 圖2-9 用接觸器反向的可逆電路2.3.2 采用兩組變流橋的可逆

37、電路兩組變流橋反極性連接有兩種供電方式，一種是兩組變流橋由一個(gè)交流電源或通過(guò)變壓器供電，稱(chēng)為反并聯(lián)連接，常用的反并聯(lián)電路如圖2-10所示。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)方向不變時(shí)，正轉(zhuǎn)時(shí)由組橋供電；反轉(zhuǎn)時(shí)由組橋供電，采用反并聯(lián)供電可使直流電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行。如圖2-11所示。 圖2-10 兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆電路（a）單相全波 （b）三相半波 （c）單相橋式 （d）三相橋式圖2-11 反并聯(lián)可逆系統(tǒng)四象限運(yùn)行圖2.3.3交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速串級(jí)調(diào)速主電路如圖2-12所示，逆變電壓Ud為引入轉(zhuǎn)子電路的反電動(dòng)勢(shì)，改變逆變即可改變反電動(dòng)勢(shì)大小，達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。Ud是轉(zhuǎn)子整流后的直流電壓 圖2-12 串級(jí)調(diào)

38、速主電路原理圖2.3.4高壓直流輸電圖2-13(a)是在兩個(gè)交流電力系統(tǒng)之間用高壓直流輸電連接的原理圖。 直流高壓由晶閘管變流器串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2-13(b)所示，它的直流電壓可達(dá)200 kV或500kV。圖2-13 高壓直流輸電（a）高壓直流輸電的原理示意圖 （b）高壓直流輸電電力電子技術(shù)第3 章 直流斬波電路3 直流斬波電路3.1 全控電力電子器件3.2 直流斬波工作原理3.3 基本直流斬波電路3.4 其他直流斬波電路3.5 直流斬波電路應(yīng)用3.1 全控電力電子器件3.1.1可關(guān)斷晶閘管3.1.2電力晶體管3.1.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管3.1.4絕緣柵雙極晶體管3.1.5智能型器件IPM3.1

39、.1可關(guān)斷晶閘管門(mén)極可關(guān)斷晶閘管簡(jiǎn)稱(chēng)GTO，是一種通過(guò)門(mén)極來(lái)控制器件導(dǎo)通和關(guān)斷的電力半導(dǎo)體器件。GTO既具有普通晶閘管的優(yōu)點(diǎn)（耐壓高，電流大，耐浪涌能力強(qiáng)，價(jià)格便宜），同時(shí)又具有GTR的優(yōu)點(diǎn)（自關(guān)斷能力，無(wú)需輔助關(guān)斷電路，使用方便）。是目前應(yīng)用于高壓、大容量場(chǎng)合中的一種大功率開(kāi)關(guān)器件。廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)的逆變器、電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償和大功率直流斬波調(diào)速等領(lǐng)域。1GTO的結(jié)構(gòu)與工作原理GTO的結(jié)構(gòu)原理與普通晶閘管相似，為PNPN四層三端半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)如圖3-1所示。圖中A、G和K分別表示GTO的陽(yáng)極、門(mén)極和陰極。其外形如圖3-2所示。圖3-1 GTO的結(jié)構(gòu)、等效電路及符號(hào)(a)結(jié)

40、構(gòu) (b)符號(hào)圖3-2 GTO的外形圖2GTO的主要特性（1）陽(yáng)極伏安特性逆阻型的陽(yáng)極伏安特性如圖所示。由圖3-3可見(jiàn)，它與普通晶閘管的伏安特性極其相似。（2）通態(tài)壓降特性GTO的通態(tài)壓降特性如圖3-4 。（3）開(kāi)通特性開(kāi)通特性是元件從斷態(tài)到通態(tài)過(guò)程中電流、電壓及功耗隨時(shí)間變化的規(guī)律。如圖3-5所示。（4）關(guān)斷特性關(guān)斷特性是指GTO在關(guān)斷過(guò)程中的陽(yáng)極電壓、陽(yáng)極電流和功耗與時(shí)間的關(guān)系，如圖3-6所示。圖3-3 GTO的陽(yáng)極伏安特性圖3-4 GTO的通態(tài)壓降 圖3-5 GTO的開(kāi)通特性 圖3-6 GTO的關(guān)斷特性3GTO的主要參數(shù) （1）最大可關(guān)斷陽(yáng)極電流IATO（2）關(guān)斷增益 off（3）陽(yáng)極尖

41、峰電壓UP 4GTO門(mén)極驅(qū)動(dòng)要求圖3-7為理想門(mén)極信號(hào)波形，門(mén)極電壓、電流包含正向開(kāi)通脈沖和反向關(guān)斷脈沖 （1）導(dǎo)通觸發(fā)（2）關(guān)斷觸發(fā) 圖3-7 GTO理想門(mén)極信號(hào)波形5可關(guān)斷晶閘管的測(cè)試（1）可關(guān)斷晶閘管電極的判定將萬(wàn)用表置于R10檔或R100檔，輪換測(cè)量可關(guān)斷晶閘管的3個(gè)引腳之間的電阻，如圖3-8所示。（2）判定可關(guān)斷晶閘管的好壞用萬(wàn)用表R10檔或R100檔測(cè)量晶閘管陽(yáng)極（A）與陰極（K）之間的電阻，或測(cè)量陽(yáng)極（A）與門(mén)極（G）之間的電阻。如果讀數(shù)小于1k，說(shuō)明可關(guān)斷晶閘管?chē)?yán)重漏電，器件已擊穿損壞。用萬(wàn)用表R10檔或R100檔測(cè)量測(cè)量門(mén)極（G）與陰極（K）之間的電阻。如正反向電阻均為無(wú)窮大

42、（），說(shuō)明被測(cè)晶閘管門(mén)極、陰極之間斷路，該管也已損壞。 圖3-8 可關(guān)斷晶閘管電極判別（3）可關(guān)斷晶閘管觸發(fā)特性測(cè)試如圖3-9所示。將萬(wàn)用表置于R1檔，黑表筆接可關(guān)斷晶閘管的陽(yáng)極A，紅表筆接陰極G懸空，這時(shí)晶閘管處于阻斷狀態(tài)，電阻應(yīng)為無(wú)窮大（），如圖3-9（a）所示。（4）可關(guān)斷晶閘管關(guān)斷能力的初步檢測(cè)測(cè)試方法如圖3-10所示。采用1.5V干電池一節(jié)，普通萬(wàn)用表一只。圖3-9 可關(guān)斷晶閘管觸發(fā)特性簡(jiǎn)易測(cè)試方法圖3-10 可關(guān)斷晶閘管的關(guān)斷能力測(cè)試3.1.2電力晶體管電力晶體管（GTR）是一種耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管(BJT)。1GTR的結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-11分別給出了NPN型GTR的

43、內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖和電氣圖形符號(hào)。 圖3-11 NPN型GTR的內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖和電氣圖形符號(hào) (a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)斷面示意圖 （b）電氣圖形 2GTR的基本特性(1)靜態(tài)特性圖3-12給出了GTR在共發(fā)射極接法時(shí)的典型輸出特性（即集電極伏安特性），明顯地分為我們所熟悉的截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)三個(gè)區(qū)域。 (2) 動(dòng)態(tài)特性圖3-13給出了GTR開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中基極電流和集電極電流波形的關(guān)系。圖3-12 共發(fā)射極接法時(shí)GTR的輸出特性圖3-13 GTR的開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程電流波形3GTR的基本參數(shù)(1)最高工作電壓(2) 集電極最大允許電流ICM(3) 集電極最大耗散功率PCM 4GTR的二次擊穿和安全工

44、作區(qū)(1)二次擊穿現(xiàn)象(2)安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)如圖3-14(a)所示。反向偏置安全工作區(qū)如圖3-14(b)所示 。 圖3-14 GTR安全工作區(qū)（a）正向偏置安全工作區(qū) (b) 反向偏置安全工作區(qū)3.1.3功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管1功率MOSFET的結(jié)構(gòu)與工作原理圖3-15 功率MOSFET的符號(hào)(a) N溝道 (b) P溝道2功率MOSFET的主要特性（1）輸出特性輸出特性也稱(chēng)漏極伏安特性，它是以柵源電壓UGS為參變量，反映漏極電流ID與漏源極電壓UDS間關(guān)系的曲線(xiàn)族，如圖3-16所示。 （2）轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性是在一定的漏極與源極電壓UDS下，功率MOSFET的漏極電流ID和柵極電壓UGS

45、的關(guān)系曲線(xiàn)。如圖3-17(a)所示。圖3-17(b)所示為殼溫TC對(duì)轉(zhuǎn)移特性的影響。（3）開(kāi)關(guān)特性功率MOSFET的開(kāi)關(guān)波形如圖3-18所示。 圖3-17 功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性圖3-16 功率MOSFET的輸出特性圖3-18 功率MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程的電壓波形3功率MOSFET 的主要參數(shù)（1）通態(tài)電阻Ron（2）開(kāi)啟電壓UGS（th）（3）跨導(dǎo)gm（4）漏源擊穿電壓BUDS（5）柵源擊穿電壓BUGS4功率MOSFET的安全工作區(qū)（1）正向偏置安全工作區(qū)正向偏置安全工作區(qū)如圖3-19所示 。（2）開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)SSOA表示功率MOSFET在關(guān)斷過(guò)程中的參數(shù)極限范圍，見(jiàn)圖3-

46、20 。圖3-19 正偏安全工作區(qū)（FBSOA）的開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)圖3-20 開(kāi)關(guān)安全工作區(qū)（SSOA）5功率MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)及其要求功率MOSFET對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電路的要求主要有：1）觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要求陡峭。2）開(kāi)通時(shí)以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開(kāi)關(guān)速度。3）為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓；為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。4）功率MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流。功率MOSFET的極間電容越大，在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)電流也越

47、大。6功率MOSFET在使用中的靜電保護(hù)措施防止靜電擊穿應(yīng)注意：1）器件應(yīng)存放在抗靜電包裝袋、導(dǎo)電材料袋或金屬容器中，不能存放在塑料袋中。2）取用功率MOSFET時(shí)，工作人員必須通過(guò)腕帶良好接地，且應(yīng)拿在管殼部分而不是引線(xiàn)部分。3）接入電路時(shí)，工作臺(tái)應(yīng)接地，焊接的烙鐵也必須良好接地或斷電焊接。4）測(cè)試器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器和工作臺(tái)都要良好接地。器件三個(gè)電極沒(méi)有全部接入測(cè)試儀器前，不得施加電壓。改換測(cè)試范圍時(shí)，電壓和電流要先恢復(fù)到零。3.1.4絕緣柵雙極晶體管1IGBT工作原理由結(jié)構(gòu)圖可知，IGBT相當(dāng)于一個(gè)由MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR。其剖面圖見(jiàn)圖3-21， N溝道IGBT的圖形符號(hào)如圖3-22

48、所示。 圖3-21 IGBT結(jié)構(gòu)剖面圖 圖3-22 N-IGBT圖形符號(hào) 2IGBT主要特性（1）靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性包括轉(zhuǎn)移特性和輸出特性。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是描述集電極電流IC與柵射電壓UGE之間關(guān)系的曲線(xiàn)，如圖3-23（a）所示。 圖3-23（b）是以柵源電壓UGE為參變量的IGBT正向輸出特性，也稱(chēng)伏安特性 。（2）動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性也稱(chēng)開(kāi)關(guān)特性，包括開(kāi)通和關(guān)斷兩個(gè)部分，如圖3-24所示。圖3-23 IGBT的靜態(tài)特性曲線(xiàn)（a）轉(zhuǎn)移特性 （b）輸出特性圖3-24 IGBT的動(dòng)態(tài)特性3IGBT的鎖定效應(yīng)IGBT實(shí)際結(jié)構(gòu)的等效電路如圖3-25所示。 4IGBT的主要參數(shù)（1）

49、集射極擊穿電壓BUCES（2）開(kāi)啟電壓UGE（th）（3）通態(tài)壓降UCE（on）（4）最大柵射極電壓UGES（5）集電極連續(xù)電流IC和峰值電流ICM5IGBT的安全工作區(qū)IGBT的安全工作區(qū)如圖3-26所示。圖3-25 IGBT實(shí)際結(jié)構(gòu)的等效電路圖3-26 IGBT的安全工作區(qū)（a）FBSOA （b）RBSOA6IGBT對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求7IGBT容量的選擇8IGBT與MOSFET和GTR的比較3.1.5智能型器件IPM圖3-28 IPM結(jié)構(gòu)框圖3.2直流斬波工作原理基本斬波電路原理圖如圖3-29所示。斬波器的輸出波形如圖3-30所示 。 斬波電路有三種電壓控制方式：1) 定頻調(diào)寬控制(脈沖寬度

50、調(diào)制PWM)2) 定寬調(diào)頻(脈沖頻率調(diào)制PFM)3) 調(diào)頻調(diào)寬混合控制圖3-29 直流斬波電路原理圖 3-30 電壓波形3.3基本直流斬波電路3.3.1降壓斬波電路3.3.2升壓斬波電路3.3.3升降壓斬波電路3.3.1降壓斬波電路圖3-31(a)是一個(gè)實(shí)際的降壓斬波電路原理圖。圖中CH是一個(gè)采用全控型器件的斬波器，VD為續(xù)流二極管，用于在斬波器關(guān)斷期間為電感性負(fù)載提供續(xù)流回路；Ld為平波電抗器，可使負(fù)載得到平滑的輸出電流。由于T，所以UdU，即負(fù)載上得到的直流平均電壓小于直流輸入電壓，故稱(chēng)為降壓斬波器。圖3-31（b）是負(fù)載電流連續(xù)工況下各點(diǎn)波形圖(假設(shè)電流io從I1變化到I2)。 圖3-3

51、1 降壓斬波電路及波形(a)降壓斬波電路圖 (b)電壓、電流波形3.3.2升壓斬波電路升壓斬波電路的工作原理及波形如圖3-32所示。 圖3-32 升壓斬波電路及波形（a）降壓斬波電路圖 (b)電壓、電流波形3.3.3升降壓斬波電路升降壓斬波電路的工作原理如圖3-33所示。 圖3-33 升降壓斬波電路3.4其他直流斬波電路3.4.1雙象限斬波電路3.4.2四象限斬波電路3.4.3多象多重?cái)夭娐?.4.1雙象限斬波電路1橋臂式雙象限斬波電路（A型雙象限斬波電路）橋臂式雙象限斬波電路原理如圖3-34所示。 2混合橋式雙象限斬波電路（B型雙象限斬波電路）混合橋式雙象限斬波電路原理如圖3-35所示。

52、圖3-34 橋臂式雙象限斬波電路圖3-35 混合橋式雙象限斬波電路3.4.2四象限斬波電路電流可逆斬波電路雖可使電動(dòng)機(jī)的電樞電流可逆，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的兩象限運(yùn)行，但它提供的電壓極性是單向的。當(dāng)需要電機(jī)進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行以及既可運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)又可運(yùn)行于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，就必須將兩個(gè)二象限斬波電路組合起來(lái)，分別向電動(dòng)機(jī)提供正、反向電壓，成為一個(gè)四象限斬波器。四象限斬波器的工作原理如圖3-36所示。圖3-36 四象限斬波電路3.4.3多象多重?cái)夭娐穲D3-37電路中，兩個(gè)降壓斬波電路單元并聯(lián)在同一個(gè)電源和同一個(gè)負(fù)載之間，因此它是一個(gè)二相二重?cái)夭娐贰６嘞喽嘀財(cái)夭娐肪哂幸韵绿攸c(diǎn)：（1）輸出電流脈動(dòng)率減小，有利

53、于電機(jī)的運(yùn)行。（2）平波電抗器的重量和體積可明顯降低。（3）濾波器的效果會(huì)增加。（4）線(xiàn)路較單個(gè)斬波電路復(fù)雜，尤其是控制電路。（5）由單個(gè)斬波器并聯(lián)構(gòu)成，總的可靠性可提高。圖3-37 二相二重?cái)夭娐?.5直流斬波電路應(yīng)用電氣主電路原理圖如圖3-38所示。 1直流斬波器工作原理工作過(guò)程如圖3-39所示。斬波器換流波形如圖3-40所示。圖3-38 TCG-1型無(wú)軌電車(chē)主電路原理圖圖3-39 脈沖寬度控制直流斬波電路工作過(guò)程圖3-40 斬波器換流波形2主電路中各元件的作用L0和C0和組成輸入濾波器，起到維持直流斬波器輸入端電壓穩(wěn)定和降低輸入電流脈動(dòng)量的作用，同時(shí)也減少對(duì)通信線(xiàn)路的干擾。VD0防止直

54、流斬波器被加上反向電壓。TP：由霍爾元件組成的電流變換器。電阻RT和晶閘管VT3組成削磁回路，目的在于進(jìn)一步提高車(chē)速。電力電子技術(shù)第4章 交流調(diào)壓電路 4 交流調(diào)壓電路4.1雙向晶閘管4.2交流調(diào)壓電路4.3交流電力電子開(kāi)關(guān)4.4交流調(diào)壓電路應(yīng)用4.1雙向晶閘管4.1.1雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和特征4.1.2雙向晶閘管的觸發(fā)電路4.1.3雙向晶閘管簡(jiǎn)易測(cè)試4.1.1雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和特征1雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)圖4-1 雙向晶閘管的外形（a）小電流塑封式 （b） 螺栓式 （c）平板式雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào) 圖4-2 雙向晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)、等效電路及圖形符號(hào)（a） 內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b） 等效電路

55、 （c）圖形符號(hào)常見(jiàn)的雙向晶閘管引腳排列 圖4-3 常見(jiàn)雙向晶閘管引腳排列2雙向晶閘管的特性與參數(shù)雙向晶閘管有正反向?qū)ΨQ(chēng)的伏安特性曲線(xiàn)。正向部分位于第象限，反向部分位于第象限。 圖4-4 雙向晶閘管伏安特性根據(jù)GB4192-1986標(biāo)準(zhǔn)，雙向晶閘管的型號(hào)規(guī)格為國(guó)產(chǎn)雙向晶閘管用KS表示。如型號(hào)KS50-10-21表示額定電流50A，額定電壓10級(jí)（1000V）斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt為2級(jí)（不小于200V/ s），換向電流臨界下降率di/dt為1級(jí)（不小于1IT(RMS)）的雙向晶閘管。 雙向晶閘管的主要參數(shù)中只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數(shù)定義相似。由于雙向晶閘管工作在交流電路中

56、，正反向電流都可以流過(guò)，所以它的額定電流不用平均值而是用有效值來(lái)表示。用IT(RMS)表示。雙向晶閘管額定電流IT(RMS)與普通晶閘管額定電流IT(AV)之間的換算關(guān)系式為以此推算，一個(gè)100A的雙向晶閘管與兩個(gè)反并聯(lián)45A的普通晶閘管電流容量相等。表4-1 雙向晶閘管的主要參數(shù)3雙向晶閘管的觸發(fā)方式雙向晶閘管正反兩個(gè)方向都能導(dǎo)通，門(mén)極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：（1）+觸發(fā)方式 （2）觸發(fā)方式 （3）+觸發(fā)方式 （4）觸發(fā)方式 由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中靈敏度不相同，以+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時(shí)要盡量避開(kāi)，常采用的觸發(fā)方式為+和。

57、 4雙向晶閘管主要參數(shù)選擇（1）額定通態(tài)電流IT(RMS)的選擇（2）額定電壓UTn的選擇（3）換向能力du/dt的選擇4.1.2雙向晶閘管的觸發(fā)電路1簡(jiǎn)易觸發(fā)電路雙向晶閘管的簡(jiǎn)易觸發(fā)電路如圖4-5所示。圖(a)為簡(jiǎn)單有級(jí)交流調(diào)壓電路。圖(b)為采用觸發(fā)二極管的交流調(diào)壓電路。圖(c)電路中增設(shè)R2 、R1、 C2。目前生產(chǎn)的雙向晶間管，不少已經(jīng)把VD與VT集成在一起，門(mén)極經(jīng)過(guò)雙向觸發(fā)管引出使用時(shí)更方便。圖 (d) 為電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路。圖4-5雙向晶閘管的簡(jiǎn)易觸發(fā)電路2單結(jié)晶體管觸發(fā)圖4-6 用單結(jié)晶體管組成的觸發(fā)電路3集成觸發(fā)器（1）KC05集成觸發(fā)器圖4-7 KC05內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖K

58、C05的應(yīng)用電路 R1 10k R2、R3 30k R4 27 RP 22 kC1 0.47F C2 0.047F VD1、VD2 2CZ82C VT KS50A圖4-8 KC05應(yīng)用電路（2）KC06集成觸發(fā)器R1 51kR2 10k R3 100k R4 30 R5 47 k R6 27 R7 39 k R8 68k RP1 100k C1 0.47F C2 0.01F C3 0.1F VD 2CZ82C VT KS50A圖4-9 KC06應(yīng)用電路4.1.3雙向晶閘管簡(jiǎn)易測(cè)試1雙向晶閘管電極的判定用萬(wàn)用表的R100檔或R1k檔測(cè)量雙向晶閘管的兩個(gè)主電極之間的電阻，如圖4-10所示。圖4-1

59、0 測(cè)量G、T1極間的正向電阻 2判定雙向晶閘管的好壞3雙向晶閘管觸發(fā)特性測(cè)試（1）簡(jiǎn)易測(cè)試方法。 （2）交流測(cè)試法。 圖4-11 雙向晶閘管交流測(cè)試電路4.2交流調(diào)壓電路4.2.1單相交流調(diào)壓電路4.2.2三相交流調(diào)壓電路4.2.3 交流斬波調(diào)壓交流調(diào)壓電路采用兩單向晶閘管反并聯(lián)或雙向晶閘管，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電正、負(fù)半周的對(duì)稱(chēng)控制，達(dá)到方便地調(diào)節(jié)輸出交流電壓大小的目的，或?qū)崿F(xiàn)交流電路的通、斷控制如圖4-12所示。因此交流調(diào)壓電路可用于異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速、恒流軟起動(dòng)，交流負(fù)載的功率調(diào)節(jié)，燈光調(diào)節(jié)，供電系統(tǒng)無(wú)功調(diào)節(jié)，用作交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)、固態(tài)繼電器等，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。圖4-12 交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓

60、電路一般有三種控制方式，其原理如圖4-13所示。圖4-13 交流調(diào)壓電路控制方式 4.2.1單相交流調(diào)壓電路1阻性負(fù)載圖4-14 單相交流調(diào)壓電阻負(fù)載時(shí)波形交流輸出電壓 uo有效值Uo與控制角的關(guān)系為 （4-1） 式中 Ui為輸入交流電壓 ui的有效值。負(fù)載電流io有效值為Io=Uo/R，則交流調(diào)壓電路輸入功率因數(shù)為 （4-2）控制角移相范圍為0，晶閘管導(dǎo)通角=，輸出電壓有效值調(diào)節(jié)范圍為（0Ui）。這種電路的缺點(diǎn)是隨著的增大，電路的功率因數(shù)也隨之降低。 2.感性負(fù)載圖4-15 單相交流調(diào)壓電路感性負(fù)載電路圖4-16 單相交流調(diào)壓電路感性負(fù)載波形圖當(dāng)時(shí)，電流不連續(xù)。 （4-3）交流輸出電壓uo的