國家十一五規(guī)劃教材-李春茂主編-電子技術(shù)-第8章 電力電子學(xué)基礎(chǔ)

1、Chap 第第8 8章章 電力電子學(xué)基礎(chǔ)電力電子學(xué)基礎(chǔ) 8.1 晶閘管晶閘管(可控硅可控硅) 8.2 可控整流電路可控整流電路 8.3 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路 8.4 晶閘管逆變電路晶閘管逆變電路 8.5 功率功率(電力電力)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 電力電子學(xué)：介于電力電力電子學(xué)：介于電力, 電子電子, 控制之間的邊緣學(xué)科控制之間的邊緣學(xué)科 Chap 8.1 晶閘管晶閘管(可控硅可控硅) 8.1.1 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一起種大功率半 導(dǎo)體器件。它具有三個PN結(jié)和四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，由四層 半導(dǎo)體的兩端及中間層各引出陽極陽極A、陰極、陰極K和控極和控極G

2、。 螺栓式晶閘管, 平板式的晶閘管 導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件： UAK 0 VG 0 (導(dǎo)通后可去掉導(dǎo)通后可去掉) 晶閘管是一個可控的單向?qū)щ婇_關(guān) 與二極管比: 正向?qū)щ娛芸刂茦O電流的控制 與三極管比: 陽極電流與控制極不成比例關(guān)系 )(1 21 CBO2CBO1G2 A III I 晶體管T2處于正向偏置，控制極與陰極間的電壓產(chǎn)生控制極電流IG, 就是T2的基極電流IB2，經(jīng)過T2管的電流放大作用，T2的集電極電流， 而IC2又是T1的基極電流，經(jīng)過T1管的電流放大作用，T1的集 電極電流 ，該電流又流入T2的基極再一次放大。這 樣，形成了強(qiáng)烈的電流正反饋，使T1、T2迅速飽和導(dǎo)通， GII2 C2

3、 GCIII2121 C1 Chap 控制極未加正向電壓時控制極未加正向電壓時 導(dǎo)通時的特性導(dǎo)通時的特性 控制極加正向電壓時控制極加正向電壓時 沒有導(dǎo)通時的特性沒有導(dǎo)通時的特性 + _ + _ 8.1.2 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 （1）當(dāng)控制極UG=0，IG=0時，陽極和陰極之間加正向電壓，此時晶閘管的三個PN結(jié)因有一個PN結(jié)處于反向偏 置，其中只有很小的電流流過，這個電流稱為正向漏電流正向漏電流，處于截止?fàn)顟B(tài)。 （2）當(dāng)陽極正向電壓U增加到某一數(shù)值時，正向漏電流突然增大，晶閘管不需觸發(fā)電流就迅速從阻斷狀態(tài)變?yōu)?導(dǎo)通狀態(tài)。此時的陽極電壓稱為正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。這種使晶閘管

4、容易造成正向擊穿，而使該元件損壞，不允許這 種導(dǎo)通方式。 (3）當(dāng)控制極和陰極之間加上正向UG時，有 控制電流通過，若此時在陽極加正向電壓， 晶閘管就會在低于正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的某個 值，由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。 晶閘管導(dǎo)通后，通過很大的電流，這時 管壓降很小，只有1V左右，因此特性曲線 靠近縱軸且陡直，與二極管的正向特性相似 。在晶閘管導(dǎo)通后，若減小正向電壓，正向 電流就逐漸減少。當(dāng)電流減小到某一數(shù)值時 ，晶閘管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，此時 所對應(yīng)的最小電流稱為維持電流維持電流IH。 （4）當(dāng)晶閘管陽極加反向電壓，其反向 特性亦與一般二極管相似，只有很小的反 向漏電流，當(dāng)反向漏電流急劇增大

5、時，所 對應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR， Chap 8.1.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) （1）斷態(tài)正向不重復(fù)峰值電壓UDSM 控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時，不允許重復(fù)加在晶閘管兩端的陽極電壓稱為斷態(tài) 正向不重復(fù)峰值電壓，該電壓略小于正向轉(zhuǎn)折電壓。 （2）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，稱為 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，該電壓取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。 （3）反向不重復(fù)峰值電壓URSM 控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時，不允許重復(fù)加在晶閘管陽極的反向電壓稱為反向 不重復(fù)峰值電壓。該電壓略小于UD

6、SM。 （4）反向重復(fù)峰值電壓URRM 控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在晶閘管的反向峰值電壓。該電壓取 反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。 UDRM和URRM在數(shù)值上一般很相近，統(tǒng)稱為晶閘管的峰值電壓。通常把兩者較小的那個數(shù)值 作為該元件的額定電壓。 （5）額定通態(tài)平均電流IT 在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下和環(huán)境溫度下，晶閘管的陽極和陰極間可以連續(xù)通過工頻正弦半 波電流的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，通常所講多少安的晶閘管，就是指這個電流。 （6）維持電流IH 在規(guī)定的環(huán)境溫度下，控制極斷路時，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，當(dāng) 晶閘管的正向電流小于IH時候，晶閘管將自動

7、判斷。 （7）通態(tài)平均電壓UT 在規(guī)定條件下，通過正弦半波的額定電流時，晶閘管的陽極與陰極間的電壓的平均值。該 值大約1V。 Chap 8.2 可控整流電路 變流電路有四種基本類型： 整流（ACDC)、逆變（DCAC)、直流調(diào) 壓（DCDC)、交流調(diào)壓及變頻（ACAC) 可控整流電路的主電路結(jié)構(gòu)形式： 單相半波、單相橋式、三相半波、三相橋式等 可控整流電路的功能： 將交流電變換成電壓大小可調(diào)的直流電 Chap 8.2.1、單相半波可控整流電路、單相半波可控整流電路 1、電阻性負(fù)載、電阻性負(fù)載 控制角：正向電壓不導(dǎo)通的范圍 導(dǎo)通角：正向電壓導(dǎo)通的范圍 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 電路簡單，調(diào)節(jié)方便電路簡單，調(diào)

8、節(jié)方便 整流電壓脈動大，電流小整流電壓脈動大，電流小 2 cos1 45. 0)cos1 ( 2 2 )(sin2 2 1 2 2 20 U U ttdUU LLR U R U I 20 0 2 cos1 45. 0 輸出電壓的平均值 負(fù)載電阻RL中整流電流的平均值 Chap 2、電感性負(fù)載、電感性負(fù)載 生產(chǎn)上有很多負(fù)載，如電機(jī)的繞組、電感線圈都是 電感性負(fù)載，它們既含有電感，又含有電阻。有的雖然 不是電感性負(fù)載，但由于電路中接入了電感濾波器，因 此亦在為電感性電路。 電感反電動勢電感反電動勢 EL = -L dio/dt 波形：負(fù)載兩端電壓出現(xiàn)負(fù)值波形：負(fù)載兩端電壓出現(xiàn)負(fù)值 在負(fù)半波, 二極

9、管導(dǎo)通,反電動勢eL 產(chǎn)生電流經(jīng)過 二極管形成回路，消除負(fù)載兩端電壓的負(fù)值 續(xù)流二極管續(xù)流二極管 負(fù)載上的感應(yīng)電動勢產(chǎn)生的電流經(jīng)過二極管形 成回路。這時負(fù)載兩端電壓近似為零，晶閘管因 承受反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載上的電壓平均值與相 同導(dǎo)通角時的純電阻負(fù)載一樣。 Chap 8.2.2、單相半控橋式整流電路、單相半控橋式整流電路 2 cos1 9 . 0)cos1 ( 2 )(sin2 1 2 2 20 U U ttdUU LLR U R U I 20 0 2 cos1 9 . 0 2 2UU RRM 2 L T I I 整流輸出電壓的平均值為 電流平均值為 晶閘管承受反向電壓的最大值 通過晶閘管的平

10、均電流 Chap 例8.2.1:電 路如圖 1 所示，交流電壓的波形如圖 所示 ，畫出當(dāng)控制角= 90 時， 負(fù)載電阻兩端電壓的波形。 D1D2 D3D4 uO t 2U u 023u T RL 圖 2 圖 1 t 23 u0 0 Chap 8.3 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路 8.3.1、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 1 1、單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管 雙基極二極管雙基極二極管：有一個發(fā)射極和二個基極：有一個發(fā)射極和二個基極 伏安特性伏安特性： (等效電路等效電路) BBBB BB B BUU RR R U 21 1 1 為單結(jié)晶體管的分壓比，大約在0.30.9之間 截止區(qū)：截止區(qū)： 負(fù)

11、阻區(qū)：負(fù)阻區(qū)： 飽和區(qū)：飽和區(qū)： UV = 2 5V 谷點(diǎn)電壓谷點(diǎn)電壓 D BBP UUU D BBE UUU D BBE UUU 峰點(diǎn)電壓峰點(diǎn)電壓 UE UP 導(dǎo)通，導(dǎo)通， UE UV 截止截止 大大, UV低低, IV大大,增大輸出胚脈沖幅度增大輸出胚脈沖幅度 和移相范圍和移相范圍 Chap 2、單結(jié)晶體管馳張振蕩器、單結(jié)晶體管馳張振蕩器 脈沖波形： 周期性尖脈沖 脈沖電壓頻率：調(diào)節(jié)Rp (充電) 脈沖電壓寬度：=R1C (放電) 溫度補(bǔ)償電阻：R2 K合合C充電充電 UC UP 導(dǎo)通導(dǎo)通 RB1 截止截止 UC UV C放電放電 Chap 3、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 控制角

12、 ：由移相電位器Rp控制 Rp， 由UG第一個尖脈沖決定 穩(wěn)壓管：為單結(jié)馳張振蕩的電源消波作用每半周第一 個脈沖的時間不受 電源電壓波動的影響 同步變壓器：保證每半周第一個脈沖的時間保持不變 Chap 1、雙向觸發(fā)二極管觸發(fā)電路、雙向觸發(fā)二極管觸發(fā)電路 1、雙向觸發(fā)二極管DIAC 端電壓(正或負(fù))高于轉(zhuǎn)折電壓Us時，電流急劇增加，電壓降低，顯示出雙向負(fù)阻特性 正半周： 電容C1充電 Uc1=Us放電形成尖脈沖 負(fù)半周：電容C1充電 Uc1=Us放電形成負(fù)尖脈沖 2、觸發(fā)電路 雙向觸發(fā)二極管DIAC與雙向可控硅(TRIAC，能承受大電壓/電流)配合使用最好雙向可控波形 8.3.2 其它其它常見的

13、常見的晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 Chap V1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。 脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 2. 脈沖變壓器觸發(fā)電路脈沖變壓器觸發(fā)電路 V1、V2導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘 管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 3. 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驅(qū)動電路驅(qū)動電路 直接耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的 相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖 前沿。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率 較低。 Chap 8.4 8.4 晶閘管逆變電路晶閘管逆變電路 1. 初始狀態(tài)：T1,T2截止, Uc=0 2. 觸發(fā)T1通N1,N2感應(yīng)電動勢E 電容充電Uc=2E N3感應(yīng)電動勢

14、E3=EN3/N1 產(chǎn)生電流IL 3. 觸發(fā)T2通電容電壓反向加到 T1 T1止 電容反向充電 N1,N2感應(yīng)電動勢 - E N3電動勢 - E3 電流 - IL 4. 直流變?yōu)榻涣鳎航惶嬗|發(fā)T1,T2 5. 交流變頻：調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的頻率 8.4.1、逆變電路逆變電路 將直流電變?yōu)榻涣麟妼⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟? 把逆流得到的交流電直接供給負(fù)載使用， 主要用作不同頻率的交流電源 1、無源逆變、無源逆變 Chap 2、有源逆變、有源逆變 有源逆變條件：有源逆變條件： 外接電源EM 輸出電壓平均值Uo, 變流器控制角=90 - 180 , 使Uo0 把直流變成同一頻率的交流電反送給交流電網(wǎng)，主要用作直流

15、電機(jī)可逆調(diào)速，交流繞 線式異步電機(jī)的串級調(diào)速 1. 重物提升，變流器工作在整流狀態(tài)重物提升，變流器工作在整流狀態(tài) 輸出電壓 cos9 . 0)(sin2 1 220 UttdUU 電動機(jī)產(chǎn)生反電動勢EM，其極性亦為上正下負(fù)。 因U0EM,所以變流器輸出功率。此時，輸出電流為 I0=（U0-EM）/R （R為電路總有效電阻） 2. 重物下降，變流器工作在逆變狀態(tài)重物下降，變流器工作在逆變狀態(tài) I0=(- U0 - EM)/ R = (EM - U0 )/R 輸出電流 由于晶閘管具有單向?qū)щ娦?，電流I0方向不變， EM是產(chǎn)生I0的電源，而U0起著反電勢的作用，電 動機(jī)由重物下降帶動，發(fā)出直流電功率

16、，變流器 作為負(fù)載吸取功率，將直流電功率逆變?yōu)?0Hz交 流電功率發(fā)送到交流電網(wǎng)中。 Chap 將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電。應(yīng)用于交流電動機(jī)將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電。應(yīng)用于交流電動機(jī) 的調(diào)速、中頻電源、高頻電源等領(lǐng)域。的調(diào)速、中頻電源、高頻電源等領(lǐng)域。 變頻方式：變頻方式： 直接變頻直接變頻 交交直直交方式交方式 兩種變頻電源 AC DC AC整流逆變 1. 1. 交交直直交方式交方式 8.4.2 8.4.2 逆變電路應(yīng)用逆變電路應(yīng)用 Chap 直接將工頻交流電變換成所需頻率的交流電。直接將工頻交流電變換成所需頻率的交流電。 單相單相直接變頻電路 T2 i u 2

17、 u 2 u + + + + L u L R T1 T3 T4 2. 2. 直接變頻直接變頻 Chap 8.5 8.5 功率功率( (電力電力) )半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類： 半控型器件（Thyristor）,通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。如晶閘管。 全控型器件（IGBT,MOSFET）, 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件 不可控器件(Power Diode), 不能用控制信號來控制其通斷, 不需要驅(qū)動電路。如電力二極管。 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類： 電流驅(qū)動型, 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷

18、的控制。 電壓驅(qū)動型, 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 Chap 8.5.1 電力電子器件電力電子器件 前面已論述。晶閘管的派生器件有快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST）,高 頻晶閘管, 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）, 逆 導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRCT）,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT） 1. 半控型器件電力二極管 電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息

19、電子電路 中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端 引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓 型和平板型兩種封裝。如圖8.5.2所示。 電力二極管主要有快恢復(fù)二極管(Fast Recovery DiodeFRD)和以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢 壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（ Schottky Barrier Diode SBD）兩類。 2. 不可控器件晶閘管 Chap 4.4.典型全控型器件典型全控型器件 (2) 電力晶體管電力晶體管(GTR) 電力晶體管（Giant TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）是耐高電壓、大電流的雙極 結(jié)型晶體管（Bipolar Junctio

20、n TransistorBJT），英文有時候也稱為Power BJT。20世紀(jì)80 年代以來，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電 力晶體管與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特 性好。通常采用至少由兩個晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多 這種單元并聯(lián)而成 。 (1) 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 門極可關(guān)斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件?？梢酝ㄟ^在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。 GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦

21、級以上的大功率場合仍有較多 的應(yīng)用。 Chap (3) 電力場效應(yīng)晶體管電力場效應(yīng)晶體管(MOSFET) (通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡稱電力 MOSFET（Power MOSFET）。 特點(diǎn)用柵極電壓來控制漏極電流 l 驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。 l 開關(guān)速度快，工作頻率高。 l 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置 。 小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷ｋ娏OSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為 VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為

22、利用V型槽實現(xiàn)垂直導(dǎo)電 的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。 Chap (4) 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管(IGBT) GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速 度較低，所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動，開關(guān) 速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小而且驅(qū)動電路簡單。兩類器件取長補(bǔ) 短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件,絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT或IGT）

23、。1986年投入市場，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。 驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，場控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。 導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流， IGBT導(dǎo)通。 通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。 關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流 被切斷，IGBT關(guān)斷。 Chap 電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組 成, 驅(qū)動電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號; 對半控型器件只需提 供開通控制信號; 對全控型器件則既要提供開通控制信號，又要提供關(guān)斷控制信號。 1. 晶閘管的