電工試驗19n課件

第19章電力電子技術(shù)19.1晶閘管19.2可控整流電路19.3晶閘管的保護(hù)19.4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路19.5下一頁總目錄返回本章要求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)下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.1.1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(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?，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(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。

優(yōu)點：19.1電力電子器件下一頁總目錄章目錄返回上一頁P(yáng)1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK下一頁總目錄章目錄返回上一頁T1T22.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下一頁總目錄章目錄返回上一頁晶閘管導(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+_RT1T2EGA形成正反饋過程下一頁總目錄章目錄返回上一頁正向特性反向特性（IG=0）URRMUDRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0=0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U3.伏安特性正向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓IG0=0時，增加U達(dá)到UBO，使晶閘管導(dǎo)通，這種導(dǎo)通很容易造成晶閘管不可恢復(fù)性擊穿，下一頁總目錄章目錄返回上一頁4.主要參數(shù)UDRM: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UDRM

=80%UBO

。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：下一頁總目錄章目錄返回上一頁正向平均電流環(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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁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UDRM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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.1.2其它電力電子器件A2A1G一、雙向晶閘管：雙向可觸發(fā)導(dǎo)通1.當(dāng)UA2A1>0時，加正觸發(fā)脈沖(UGA1>0),電流從A2流向A1；2.當(dāng)UA2A1<0時，加負(fù)觸發(fā)脈沖(UGA1<0),電流從A1流向A2；3.導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

第二電極第一電極控制極(b)符號4.雙向晶閘管關(guān)斷的條件與晶閘管相同下一頁總目錄章目錄返回上一頁二、可關(guān)斷晶閘管（GTO）KGA(b)符號可關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通的條件：1.可關(guān)斷晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。2.可關(guān)斷晶閘管控制電路(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)。

可關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通后，撤去觸發(fā)電壓，

依靠正反饋，可關(guān)斷晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.1.3電力電子器件的分類1.不控器件導(dǎo)通和關(guān)斷均不可控：整流二極管2.半控器件通過控制信號可控制其導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷：普通晶閘管(SCR)、雙向晶閘管3.全控器件通過控制信號既可控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷：可關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率晶體管(GTR)、功率場效應(yīng)管(VDMOS)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.2可控整流電路19.2.1單相半波可控整流

1.電阻性負(fù)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。控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，uuoRL+–+uT+––Tio下一頁總目錄章目錄返回上一頁所謂可控整流,就是將交流電能變換為可調(diào)的直流電能.(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:tO下一頁總目錄章目錄返回上一頁(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角(稱為移相），可改變輸出電壓Uo。下一頁總目錄章目錄返回上一頁2.電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路

當(dāng)電壓u過零后，盡管電源電壓已經(jīng)反向，由于電感反電動勢的存在，使得仍維持u-uO＞0(這時eL下正上負(fù),uO＜0)，晶閘管在一段時間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，直至u-uO

=0為止，失去單向?qū)щ娮饔谩uoR+–+uT+––T?LeL?在電感性負(fù)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)。io下一頁總目錄章目錄返回上一頁tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加續(xù)流二極管)uoioio,接電感性負(fù)載時(未加續(xù)流二極管)>π-下一頁總目錄章目錄返回上一頁(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO接電感性負(fù)載時(加續(xù)流二極管)=π-uO波形與接電阻負(fù)載時相同下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.2.2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晶體管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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁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(fù)半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。下一頁總目錄章目錄返回上一頁4.輸出電壓及電流的平均值下一頁總目錄章目錄返回上一頁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(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-下一頁總目錄章目錄返回上一頁電路特點1.該電路接入電感性負(fù)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立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.2.4三相橋式半控整流電路2.工作原理1.電路動畫u2a2u2bu2ct1t2uoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.3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。

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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.3.1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，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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁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，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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁2.硒堆保護(hù)19.3.2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(hù)(硒整流片)CR~RL晶閘管元件的阻容保護(hù)下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路19.4.1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B2EB1下一頁總目錄章目錄返回上一頁第一基極第二基極發(fā)射極2.工作原理

當(dāng)UE<

UBB+UD=UP時PN結(jié)反偏，IE很小；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加,RB1↓。當(dāng)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測量單結(jié)晶體管的實驗電路由圖可求得上RB1的電壓：下一頁總目錄章目錄返回上一頁IEIE3.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(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)負(fù)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(fù)阻。P下一頁總目錄章目錄返回上一頁1.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B2EB12.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，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.4.2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+__+_50100k3000.47F下一頁總目錄章目錄返回上一頁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。(a)(b)下一頁總目錄章目錄返回上一頁注意：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uCttugOOugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47FIpIVoIEUEVPUVUP下一頁總目錄章目錄返回上一頁注意：R1C值不能選得太小，否則脈沖寬度太窄，不能使晶閘管觸發(fā)。upuv(c)電壓波形uCttugOOugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47FRC

充電速度變慢R1C

放電速度變快脈沖寬度注意：分壓比

和電源U決定脈沖幅度下一頁總目錄章目錄返回上一頁主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+19.4.3單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路1.電路下一頁總目錄章目錄返回上一頁2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtO2tOtO下一頁總目錄章目錄返回上一頁問題討論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)生第一個脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。下一頁總目錄章目錄返回上一頁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uL下一頁總目錄章目錄返回上一頁單結(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，為了防止反向擊穿，在脈沖變壓器副邊串聯(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。下一頁總目錄章目錄返回上一頁使用脈沖變壓器的觸發(fā)電路下一頁總目錄章目錄返回上一頁19.5

應(yīng)用舉例1.電瓶充電機(jī)電路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充電瓶T1該電瓶充電機(jī)電路使用元件較少，線路簡單，具有過充電保護(hù)、短路保護(hù)和電瓶短接保護(hù)。下一頁總目錄章目錄返回上一頁工作原理R2、RP、

C、T1、R3、R4

構(gòu)成了單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。