-【大學(xué)課件】-電力電子技術(shù)-PPT

1、第19章 電力電子技術(shù)19.1 電力電子器件20.2 可控整流電路19.3 逆變電路19.4 交流調(diào)壓電路19.5 直流斬波電路docin/sundae_meng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。第19章 電力電子技術(shù)docin/sundae_meng19.1.1 電力電子器件的分類19.1 電力電子器件 根據(jù)不同的開關(guān)特性，電力電子器件可分為如下三類：（1）不控器件：這種器件的導(dǎo)通和關(guān)斷無可控的功能，如整流二極管等。（2）半控器件：這種器件通過控制信號只

2、能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷，如普通晶閘管等。（3）全控器件：這種器件通過控制信號既能控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，如可關(guān)斷晶閘管，功率晶體管、功率場效晶體管等。docin/sundae_meng（Silicon Controlled Rectifier） 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(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。 晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦裕膶?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關(guān)等方面。 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(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。 優(yōu)點(diǎn)：19.1.2

3、晶閘管docin/sundae_mengG控制極1. 基本結(jié)構(gòu)K 陰極G陽極 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), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(c) 結(jié)構(gòu)K GA(b) 符號(a) 外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號三 個(gè)PN 結(jié)docin/sundae_mengP1P2N1N2K GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKdocin/sundae_meng 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，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程KGEA 0、EG 0EGEA+_Rd

4、ocin/sundae_meng 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GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反饋過程docin/sundae_meng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相電壓。docin/sundae_meng正向

5、特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO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docin/sundae_meng4. 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：docin/sundae_m

6、eng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值為Im, 則普通晶閘管IF為1A 1000A。docin/sundae_mengUF: 通態(tài)平均電壓（管壓降） 在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時(shí)， 晶閘管陽、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)境和控制極斷路時(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

7、5V，IG為幾十到幾百毫安。docin/sundae_meng晶閘管型號及其含義 導(dǎo)通時(shí)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)（晶閘管類型）P-普通晶閘管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。docin/sundae_meng2. 雙向晶閘管特點(diǎn)：相當(dāng)于兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個(gè)控制極。符號：A1A2G控制極第一電極第二電極通過控制電壓的控制可實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?。docin/sundae_meng工作原理UA1UA2時(shí)，控制極相對于A2加正脈沖，晶閘

8、管正向?qū)?，電流從A1流向A2。UA2UA1時(shí)，控制極相對于A2加負(fù)脈沖，晶閘管反向?qū)ǎ娏鲝腁2流向A1。A1A2Gdocin/sundae_meng交流調(diào)壓電路 雙向二極管：只要在其兩端加上一定數(shù)值的正或負(fù)電壓即可使其導(dǎo)通。RC Tu+_雙向二極管docin/sundae_meng19.2.1 可控整流電路1. 單相半波可控整流電阻性負(fù)載(1) 電路 u 0 時(shí)：若ug = 0，晶閘管不導(dǎo)通，u 0 時(shí): 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+Tiodocin/sundae_meng(2)

9、工作原理t12u 0時(shí): tOdocin/sundae_meng tO 接電阻負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電路電壓、電流波形動畫控制角t1 tO tOt22tO導(dǎo)通角(3)工作波形docin/sundae_meng(4)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。docin/sundae_meng2. 電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路 當(dāng)電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍 維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔?。uuoR+uT+TLeL 在電感性負(fù)載中 ,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形

10、)。docin/sundae_meng tOtO tOt1 tOt22 2) 工作波形(未加續(xù)流二極管)docin/sundae_menguuoR+uT+LTioDiou 0時(shí)： D反向截止，不影響整流電路工作。u 0時(shí)： D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見波形圖)。3.電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)+(1) 電路docin/sundae_meng(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iL t tOtO2 tOdocin/sundae_meng2. 單相半控橋式整流電路電路(1). 工作原理 T1和D2承受正向電壓。

11、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(a)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。docin/sundae_mengio+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(b)電壓u 為負(fù)半周時(shí)bRLD1T2a此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。docin/sundae_meng t tOtO3. 工作波形2動畫 tOdocin/sundae_meng4. 輸出電壓及電流的平均值docin/sundae_m

12、eng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 無反向電壓。2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-docin/sundae_meng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)20.2.3 三相半波可控整流電路動畫2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控 制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-docin/sundae_meng三相橋式半控整流電路2.工作原理1. 電路動畫u2a2u2bu2ct1t2uoT T1RLuoD3 T2T3D2D1io cbau+docin/sundae_

13、meng19.2.2 晶閘管的保護(hù) 晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，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)部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時(shí)，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(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(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。docin/sundae_meng1. 晶閘管的過流保護(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)生過流故障時(shí)，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶

14、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。docin/sundae_meng(2) 過流繼電器保護(hù)(3) 過流截止保護(hù) 在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過流故障時(shí)，繼電器動作，使電路自動切斷。 在交流側(cè)設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時(shí)，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(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。docin/sundae_meng2. 硒堆保護(hù)2. 晶閘管的過壓保護(hù)(1) 阻容保護(hù)CR 利用電容吸收過壓。其實(shí)質(zhì)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

15、阻中消耗掉。RCRC 硒堆保護(hù)(硒整流片)CRRL晶閘管元件的阻容保護(hù)docin/sundae_meng19.2.3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路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B2EB1docin/sundae_meng(2) 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。Pdocin/sundae_meng1. 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

16、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稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。docin/sundae_meng2. 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. 47Fdocin/sundae_mengugR2R1RUuCE+C+_+_50100k3000. 47F(2) 振蕩過程分析設(shè)通電

17、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電容放電至 uC Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)docin/sundae_meng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uCttugOOdocin/sundae_meng主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+uC+RuL+ug+u+3. 單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路(1) 電路docin/sundae_meng2. 工作原理(1)整流削波U2M

18、削 波UZRu2+uo+uZ整流U2MtOZtOtOdocin/sundae_meng(2) 觸發(fā)電路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3) 輸出電壓uLOOUZtOtOdocin/sundae_meng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(gè)變壓器上？ 目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過零(即兩者同步)，使電容在每半個(gè)周期均從零開始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)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

19、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(gè)周期產(chǎn)生第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。docin/sundae_meng3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)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(dǎo)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(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個(gè)周期中只有第一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。改變充電時(shí)間常數(shù)即可改變控制角?？刂平亲兓姆秶Q為移相范圍。4. 電壓的調(diào)節(jié)R 電容充電速度變慢uLdocin/sundae_meng單結(jié)晶體管觸發(fā)電路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR 輸出脈沖可以直接從電阻R1引出(如前圖)，也可通過脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間允許的反向電壓很小，為了防止反向擊