電工電子技術(shù)實(shí)踐-電力電子技術(shù)

電工電子技術(shù)實(shí)踐-電力電子技術(shù)

第9單元電力電子技術(shù)9.1專題1晶閘管與單向可控整流電路9.2專題2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)域的電子技術(shù)，即使用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)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(dòng)化專業(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。

電力電子學(xué)橫跨“電力”“電子”“控制”三個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)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安的大電流，使電子技術(shù)從弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。晶閘管作為電力電子器件，具有體積小，重量輕，效率高等優(yōu)點(diǎn)，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，舊稱可控硅簡(jiǎn)稱SCR。

晶閘管的結(jié)構(gòu)它有三個(gè)電極，分別是陽(yáng)極A，陰極K和門極G，其內(nèi)部等效電路如圖9-2所示，由四層半導(dǎo)體（P1,N1,P2,N2）組成，形成三個(gè)PN結(jié)J1(P1N1),J2(N1P2),J3(P2N2)。從P1層引出的電極為陽(yáng)極A，N2層引出的電極為陰極K，P2層引出的電極為門極G。門極G陽(yáng)極A陰極K晶閘管符號(hào)晶閘管的外形

晶閘管的工作原理我們可以通過(guò)下圖所示的電路圖來(lái)說(shuō)明晶閘管的工作原理。在該圖中電源、晶閘管和負(fù)載白熾燈組成的回路為晶閘管主回路，由電源、開關(guān)、負(fù)載和晶閘管門極及陰極組成的回路為晶閘管控制回路。如圖（a）晶閘管陽(yáng)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(shuō)明沒有觸發(fā)信號(hào)，晶閘管不導(dǎo)通。如圖（b）晶閘管陽(yáng)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(shí)燈亮，說(shuō)明晶閘管導(dǎo)通，這一過(guò)程說(shuō)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(shuō)明晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極就失去了控制作用。如圖（d）晶閘管的陽(yáng)極和陰極均接正向電壓，開關(guān)閉合，但是控制極相對(duì)于陰極接的是反向電壓，這時(shí)燈不亮，說(shuō)明晶閘管也不導(dǎo)通。圖（e）晶閘管的控制極和陰極均接正向電壓，陽(yáng)極接反向電壓，此時(shí)燈不亮，說(shuō)明晶閘管也不導(dǎo)通，此時(shí)處于反向阻斷狀態(tài)。綜上所述，可得出晶閘管有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）晶閘管導(dǎo)通是條件是陽(yáng)極和門極均加正向電壓。（2）晶閘管導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用。（3）晶閘管的阻斷條件是去掉陽(yáng)極電壓或陽(yáng)極加反向電壓，或減小陽(yáng)極電壓使晶閘管中的電流IA小于維持電流IH。。晶閘管的伏安特性曲線晶閘管陽(yáng)極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽(yáng)極電流之間關(guān)系稱為晶閘管伏安特性,如下圖所示。正向特性位于第一象限,反向特性位于第三象限。當(dāng)IG=0時(shí)，即控制極不加電壓時(shí)，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)（簡(jiǎn)稱段態(tài)）。隨著正向陽(yáng)極電壓的增大，當(dāng)UA達(dá)到UB0時(shí)，晶閘管突然從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)（簡(jiǎn)稱通態(tài)），此時(shí)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相似。當(dāng)門極電流足夠大時(shí)，只需很小的正向陽(yáng)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)通稱為觸發(fā)導(dǎo)通已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管，如果將陽(yáng)極電流減小到IH，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(gè)狀態(tài)。③額定電壓②反向重復(fù)峰值電壓URRM①斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM晶閘管的主要參數(shù)9.1.2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)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.電阻性負(fù)載的單向半波可控整流電路用晶閘管T替代單相半波整流電路中的二極管D，就可以得到單相半波可控整流電路的主電路，如下圖(a)所示。工作原理設(shè)圖中負(fù)載RL為電阻性負(fù)載（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(fù)半周，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。這時(shí)，負(fù)載端電壓uo=0、負(fù)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(dāng)u2

由零進(jìn)入正半周，設(shè)a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，晶閘管承受正向電壓，如果在

時(shí)「見圖（b）」，在控制極加上適當(dāng)?shù)挠|發(fā)脈沖電壓，晶閘管將立即導(dǎo)通。電路中電流流向?yàn)閍→T→RL→b。（3）當(dāng)u2

在負(fù)半周時(shí)，因?yàn)榫чl管承受的是反向電壓，所以即使控制極上加觸發(fā)電壓，晶閘管也不會(huì)導(dǎo)通。

從整流電路的工作波形圖看，uo、io均是一個(gè)不完整的半波整流波形（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)通的相位角θ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α稱為導(dǎo)通角，故θ=π-

α顯然，α的大小是由加上觸發(fā)脈沖的時(shí)刻來(lái)控制的。改變?chǔ)恋拇笮》Q為移相。α的變化范圍稱為移相范圍。因此，改變?chǔ)辆涂梢苑奖愕孬@得可調(diào)節(jié)的整流電壓和電流。比較圖（b）兩個(gè)波形圖，控制角α越小，則輸出電壓、電流的平均值越大。

負(fù)載電壓和電流

2.具有電感性負(fù)載的單相半波可控整流電路如下圖（a）所示為一具有電感性負(fù)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(fù)載等效為由電感元件L和電阻R串聯(lián)的電路。工作原理由于電磁感應(yīng)作用，當(dāng)通過(guò)電感元件L的電流發(fā)生變化時(shí)，在電感中產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，將使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(fù)載時(shí)，其工作情況與電阻性負(fù)載不同。3.單向全波可控整流電路每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，晶閘管VT1、VT2為共陰極接法，VT3、VT4為共陽(yáng)極接法，如下圖所示。電路工作時(shí)，共陰極的兩只管子同時(shí)觸發(fā)，但只有陽(yáng)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(yáng)極的兩只管子同時(shí)觸發(fā)時(shí)，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。工作原理在u2的正半周，VT1、VT3受電壓，α?xí)r刻加觸發(fā)脈沖后，VT1和VT3導(dǎo)通，電流路徑為a→VT1→RL→VT3→b,RL上得到缺角的正半周電壓。正半周結(jié)束時(shí)，u2降為零，VT1和VT3關(guān)斷。同理，在負(fù)半周，α?xí)r刻觸發(fā)后，VT2和VT4導(dǎo)通，電流路徑為b→VT2→RL→VT4→a，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(gè)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：其電流亦是二倍即：9.2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(gè)PN結(jié)的三端負(fù)阻器件。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸出脈沖前沿陡峭，抗干擾能力強(qiáng)，運(yùn)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。1.單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和等效電路

在一個(gè)低摻雜的N型硅棒上利用擴(kuò)散工藝形成一個(gè)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(gè)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(gè)純電阻，即基區(qū)電阻RBB。該電阻的阻值隨著發(fā)射極電流的變化而改變。單結(jié)晶體管因有兩個(gè)基極，故也稱為雙基極晶體管。其符號(hào)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、工作原理和特性曲線當(dāng)e-b1電壓Ueb1為零或(Ueb1<UA)時(shí)，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(dāng)Ueb1增大，使PN結(jié)正向電壓大于開啟電壓時(shí)，則IE變?yōu)檎螂娏鳎瑥陌l(fā)射極e流向基極b1,此時(shí)，空穴濃度很高的P區(qū)向電子濃度很低的硅棒的A—b1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(jìn)一步減?。划?dāng)IE增大到一定程度時(shí)，二極管的導(dǎo)通電壓將變化不大，此時(shí)UEB1。將因rb1的減小而減小，表現(xiàn)出負(fù)阻特性。（6）峰點(diǎn)電流Ip單結(jié)晶體管剛開始導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射極電壓為峰點(diǎn)電壓時(shí)的發(fā)射極電流（5）發(fā)射極飽和壓降Ueo在最大發(fā)射極額定電流時(shí)，eb1間的壓降。（4）反向電流Ieob1開路，在額定反向電壓Ucb2下，eb2間的反向電流。（3）eb1間反向電壓Ucb1b2開路，在額定反向電壓Ucb2下，基極b1與發(fā)射極e之間的反向耐壓。（2）分壓比η由管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的常數(shù)，一般為0.3--0.85。3、單結(jié)晶體管的主要參數(shù)（1）基極間電阻Rbb發(fā)射極開路時(shí)，基極b1、b2之間的電阻，一般為2--10千歐，其數(shù)值隨溫度上升而增大。9.2.2晶閘管觸發(fā)電路1.觸發(fā)電路的要求（1）觸發(fā)信號(hào)應(yīng)具備足夠大的觸發(fā)功率。晶閘管的觸發(fā)是用一個(gè)小功率輸入去控制一個(gè)大功率輸出。由于一般采用脈沖信號(hào)的形式作為觸發(fā)信號(hào)，所以其觸發(fā)電壓、觸發(fā)電流均可超過(guò)額定觸發(fā)電壓、額定觸發(fā)電流，只要觸發(fā)功率不超過(guò)門極峰值功率和平均功率即可。

（2）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(shí)間，因而，要求觸發(fā)脈沖的寬度必須大于導(dǎo)通時(shí)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，通常觸發(fā)脈沖的前沿要盡可能陡，并疊加一個(gè)強(qiáng)觸發(fā)脈沖。對(duì)于工頻電路而言，一般脈沖寬度大于18°，即1ms。（4）觸發(fā)脈沖的相位可以按要求移動(dòng)。觸發(fā)脈沖相位在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)的過(guò)程，就是改變控制角的過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)變流電路輸出電壓在一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。（3）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(shí)才能觸發(fā)導(dǎo)通，所以要求其觸發(fā)脈沖的輸出及時(shí)準(zhǔn)確，且能夠保證不同周期、相同控制角時(shí)的觸發(fā)時(shí)刻相同。2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路下圖(a)單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相半控整流電路。同步變壓器T整流橋和穩(wěn)壓二極管組成的同步電路?？杀ＷC在每個(gè)正半周期以相同的控制角觸發(fā)晶閘管，以得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。同步電路中，穩(wěn)壓二極管上的電壓UBB為梯形波，用做觸發(fā)電路的電源，其波形如圖（b）所示。每當(dāng)電源電壓過(guò)零時(shí)，UBB=0，電容器中的電荷很快放完后,從零開始充電,使各周控制角一致。3、單結(jié)晶體管組成的