第19章電力電子技術(shù)課件

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19.3逆變電路19.4交流調(diào)壓電路19.5直流斬波電路本章要求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章晶閘管及其應(yīng)用晶閘管（Silicon

ControlledRectifier）

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。

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）。

優(yōu)點：G控制極19.1.1基本結(jié)構(gòu)K陰極陽極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)。KGA(b)符號(a)外形三個

PN

結(jié)P1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKT1T219.1.2工作原理A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KGEA>0、EG>0EGEA+_R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)。19.2.2工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過程晶閘管導(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。正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0=

0UBRIFUBO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U19.1.3伏安特性19.1.4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,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100V—3000VURRM：正向平均電流環(huán)境溫度為40C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。

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。UF:

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，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，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，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5V，IG為幾十到幾百毫安。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。19.2可控整流電路19.2.1單相半波可控整流

1.電阻性負載(1)電路

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+––Tio(2)工作原理t12u

<

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tOu

>0時:tOtO控制角t1tOtOt22tO導(dǎo)通角(3)工作波形=180°-

(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。2.電感性負載與續(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，晶閘管在一段時間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔?。uuoR+–+uT+––T?LeL?在電感性負載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，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)。tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加續(xù)流二極管)>180°-

iLuuoR+–+uT+––LTioDiou>0時：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時：

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),負載電壓uo波形與電阻性負載相同(見波形圖)。3.電感性負載(加續(xù)流二極管)+–(1)電路(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO19.2.2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導(dǎo)通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2二極管aRLD2T1b(1)電壓u為正半周時io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2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(2)電壓u為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。ttO3.工作波形2tO4.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)uTD2D1D4u0RLD3+-+-電路特點1.該電路接入電感性負載時，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。(2)19.2.3三相半波可控整流電路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。T1T2D1D2uuORL+-+-19.2.4三相橋式半控整流電路2.工作原理1.電路u2a2u2bu2ct1t2uoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––19.2.2晶閘管的保護

晶閘管承受過電壓、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(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，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(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)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(dāng)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有三種，如下圖所示。2.過流繼電器保護3.過流截止保護（控制保護）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，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，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。2.硒堆保護（2）晶閘管的過壓保護1.阻容保護CR

利用電容吸收過壓。其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRC硒堆保護(硒整流片)CR~RL晶閘管元件的阻容保護19.2.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路（1）單結(jié)晶體管（雙基極二極管）1.結(jié)構(gòu)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B2EB12.工作原理UE<

UBB+UD=UP時PN結(jié)反偏，IE很??；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RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1由圖可求得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)負阻區(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。P1.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.單結(jié)晶體管的峰點電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點電壓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，以增大出脈沖幅度和移相范圍。（2）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+__+_50100k3000.47F放電電阻溫度補償電阻充電電阻ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F2.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(dāng)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-UDuCtugt電容放電至uC

Uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。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。UpUvuCttugOO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2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtO2tOtO(2)觸發(fā)電路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)輸出電壓uLOOUZtOtO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。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(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?？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uLT1+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，為了防止反向擊穿，在脈沖變壓器二次側(cè)串聯(lián)二極管D1,可將反向電壓隔開，而并聯(lián)D2，可將反向電壓短路。使用脈沖變壓器的觸發(fā)電器3.應(yīng)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。TR1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1R1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1工作原理當(dāng)待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)電路獲得所需電源電壓開始工作。R2、RP、

C、T1、R3、R4

構(gòu)成了單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。

當(dāng)電瓶電壓充到一定數(shù)值時，使得單結(jié)晶體管的峰點電壓UP大于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結(jié)晶體管不能導(dǎo)通，觸發(fā)電路不再產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，充電機停止充電。R1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1R1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1

觸發(fā)電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來完成的。交流電壓過零變正后D截止，電瓶電壓通過R2、RP向C充電。改變RP之值，可設(shè)定電瓶的初始充電電流。

交流電壓過零變負后，電容通過D和R1迅速放電。19.3逆變電路能夠?qū)崿F(xiàn)DC-AC變換的電路稱為逆變電路。逆變器UDDCuO

,fOAC整流器u

,fAC變頻電路的輸入與輸出均為交流，電路的輸出電壓uO的幅值和頻率fO可單獨或同時調(diào)節(jié)。變頻電路變頻器一般用作電源，用于交流調(diào)速、感應(yīng)加熱、焊接、不間斷電源及直流輸電等。逆變器可采用不同的電力電子器件，本章只介紹可關(guān)斷晶閘管逆變電路。19.3.1電壓型單相橋式逆變電路T1D1T4T3T2D4D3D2+-uoio++-UDC1.電路2.工作原理令晶閘管T1、T3和T2、T4輪流導(dǎo)通。

3.uO的波形touOUD二極管的作用:

T2T4導(dǎo)通T1T3導(dǎo)通當(dāng)負載為感性時，因電流io滯后于電壓uO，二極管可在晶閘管切換導(dǎo)通時將電感的儲能反饋給電源，故稱為反饋二極管。

改變晶閘管切換導(dǎo)通的時間即可改變輸出電壓的頻率fO。

19.3.2電壓型三相橋式逆變電路1.電路2.工作原理晶閘管T1~T6每隔60°依次觸發(fā)導(dǎo)通，每管導(dǎo)通180°，每一60°區(qū)間有三個晶閘管導(dǎo)通。

同一臂上的兩個晶閘管不能同時導(dǎo)通。T1D1T4T5T3D4D5D3++-UDCT6D6T2D2U1V1W1+u2-+u1-+u3-三相負載逆變電路