電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能助教課件第6章電力電子器件及應(yīng)用

1、第第6章章 電力電子器件及應(yīng)用電力電子器件及應(yīng)用知識目標(biāo)知識目標(biāo) 1. 了解晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理及伏安特性，會用萬了解晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理及伏安特性，會用萬用表對晶閘管進(jìn)行測試和判別。用表對晶閘管進(jìn)行測試和判別。 2. 掌握晶閘管的導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件。掌握晶閘管的導(dǎo)通條件和關(guān)斷條件。 3. 了解雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，會用萬用表對了解雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理，會用萬用表對雙向晶閘管進(jìn)行測試和判別。雙向晶閘管進(jìn)行測試和判別。 4. 了解常見可控整流電路的形式及工作原理，會安裝了解常見可控整流電路的形式及工作原理，會安裝調(diào)試簡單可控整流電路。調(diào)試簡單可控整流電路。 5. 了解其他常用電力

2、電子器件應(yīng)用。了解其他常用電力電子器件應(yīng)用。技能目標(biāo)技能目標(biāo) 1. 會識別晶閘管、單結(jié)晶體管；會識別晶閘管、單結(jié)晶體管； 2. 會用萬用表測試晶閘管、單結(jié)晶體管；會用萬用表測試晶閘管、單結(jié)晶體管； 3. 會安裝、調(diào)試調(diào)光臺燈電路。會安裝、調(diào)試調(diào)光臺燈電路。6.1 晶閘管晶閘管6.1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)與外形晶閘管的結(jié)構(gòu)與外形 1.晶閘管的外形晶閘管的外形 2. 晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu) a) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) b) 等效電路等效電路 圖圖63 晶閘管的結(jié)構(gòu)與等效電路晶閘管的結(jié)構(gòu)與等效電路6.1.2 晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件 在晶閘管在晶閘管A A、K K兩端加正向電壓，同時兩端加正向

3、電壓，同時G G、K K兩兩端也加有適當(dāng)正向觸發(fā)電壓，晶閘管才能導(dǎo)通。端也加有適當(dāng)正向觸發(fā)電壓，晶閘管才能導(dǎo)通。晶閘管一旦導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用，晶閘管一旦導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用，維持導(dǎo)通。維持導(dǎo)通。 圖圖64 64 晶閘管反向阻斷晶閘管反向阻斷 圖圖65 65 晶閘管正向阻斷晶閘管正向阻斷圖圖66 66 晶閘管導(dǎo)通晶閘管導(dǎo)通 圖圖67 67 晶閘管維持導(dǎo)通晶閘管維持導(dǎo)通6.1.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) 額定正向平均電流額定正向平均電流IT（A V） 額定電壓額定電壓Un 正向阻斷峰值電壓正向阻斷峰值電壓UFRM 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM 正向平均電壓正

4、向平均電壓UF（A V） 維持電流維持電流IH 6.1.4 給晶閘管做體檢給晶閘管做體檢 【極性的判斷】【極性的判斷】 將萬用表置于將萬用表置于“R R1k”1k”或或“R R100”100”擋，如果測得其中兩個電極的正向電阻擋，如果測得其中兩個電極的正向電阻較小，而交換表筆后測得反向電阻很大，那么以阻較小，而交換表筆后測得反向電阻很大，那么以阻值較小的一次為準(zhǔn)，黑表筆所接的就是門極值較小的一次為準(zhǔn)，黑表筆所接的就是門極G G，而紅，而紅表筆所接的就是陰極表筆所接的就是陰極K K，剩下的電極便是陽極，剩下的電極便是陽極A A。 【質(zhì)量的判斷】【質(zhì)量的判斷】 將萬用表置于將萬用表置于“R R10

5、”10”擋，黑擋，黑表筆接陽極，紅表筆接陰極，指針應(yīng)接近表筆接陽極，紅表筆接陰極，指針應(yīng)接近，短接，短接陽極和門極，表針應(yīng)指向很小的阻值，約為陽極和門極，表針應(yīng)指向很小的阻值，約為6060200200，表明單向晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通；斷開，表明單向晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通；斷開S S，表針，表針回不到回不到，表明晶閘管是正常的，表明晶閘管是正常的 6.1.5 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 【晶閘管對觸發(fā)電路的要求】【晶閘管對觸發(fā)電路的要求】 1 1觸發(fā)電路輸出的脈沖必須具有足夠的功率。觸發(fā)電路輸出的脈沖必須具有足夠的功率。2 2觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的主電壓保持同步。觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的主電壓保持同步。

6、3 3觸發(fā)脈沖能滿足主電路移相范圍的要求。觸發(fā)脈沖能滿足主電路移相范圍的要求。4 4觸發(fā)脈沖要具有一定的寬度，前沿要陡。觸發(fā)脈沖要具有一定的寬度，前沿要陡?！居|發(fā)電路的分類】【觸發(fā)電路的分類】 觸發(fā)電路通常以組成的主要元件名稱分類，可分為觸發(fā)電路通常以組成的主要元件名稱分類，可分為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路觸發(fā)器、計算機控制數(shù)字觸發(fā)電路等。觸發(fā)器、計算機控制數(shù)字觸發(fā)電路等。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路特點單結(jié)晶體管觸發(fā)電路特點 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡，單結(jié)晶體管觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試

7、方便，廣泛應(yīng)用于抗干擾能力強，運行可靠，調(diào)試方便，廣泛應(yīng)用于對中小容量晶閘管的觸發(fā)控制。對中小容量晶閘管的觸發(fā)控制。 單結(jié)晶體管外形及結(jié)構(gòu)如圖單結(jié)晶體管外形及結(jié)構(gòu)如圖69所示。所示。 圖圖69 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及其符號單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及其符號 單結(jié)晶體管自激振蕩電路單結(jié)晶體管自激振蕩電路 利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性和利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性和RC電路的充放電電路的充放電特性，可以組成單結(jié)晶體管自激振蕩電路。如圖特性，可以組成單結(jié)晶體管自激振蕩電路。如圖611所示。所示。 圖圖611 自激振蕩電路及其波形自激振蕩電路及其波形 6.2 可控整流電路可控整流電路 6.2.1 6.2.1 單相半波可控整

8、流電路單相半波可控整流電路 圖圖6-12a 是單相半波電阻性負(fù)載可控整流電路，是單相半波電阻性負(fù)載可控整流電路，其觸發(fā)電路是加了同步環(huán)節(jié)的單結(jié)晶體管振蕩電路。其觸發(fā)電路是加了同步環(huán)節(jié)的單結(jié)晶體管振蕩電路。圖圖6-12 具有同步環(huán)節(jié)的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路具有同步環(huán)節(jié)的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 相關(guān)電量計算相關(guān)電量計算 1 1）負(fù)載上直流平均電壓）負(fù)載上直流平均電壓Ud與平均電流與平均電流Id 2 2）晶閘管兩端可能承受的最大正反向電壓）晶閘管兩端可能承受的最大正反向電壓UTM UTM= 2cos145. 02UdUdddRUI22U6.2.2 6.2.2 單相全控橋整流電路單相全控橋整流電路 圖圖6-1

9、36-13為單相全控橋整流電路為單相全控橋整流電路。圖圖6-13 6-13 單相全控橋整流電路及波形單相全控橋整流電路及波形 在交流電源電壓在交流電源電壓u2的正負(fù)半周里，的正負(fù)半周里，VT1、VT3和和VT2、VT4兩組晶閘管輪流被觸發(fā)導(dǎo)通，兩組晶閘管輪流被觸發(fā)導(dǎo)通，將交流電轉(zhuǎn)變成脈動的直流電。改變將交流電轉(zhuǎn)變成脈動的直流電。改變 角的角的大小，負(fù)載電壓大小，負(fù)載電壓ud、電流、電流id的波形及整流輸出的波形及整流輸出直流電壓平均值均相應(yīng)改變。直流電壓平均值均相應(yīng)改變。相關(guān)電量計算相關(guān)電量計算 1) 1) 輸出直流電壓平均值輸出直流電壓平均值Ud 2)2)輸出直流電流平均值輸出直流電流平均值

10、Id 3)3)晶閘管電流平均值晶閘管電流平均值IdT 4 4）晶閘管兩端可能承受的最大正反向電壓）晶閘管兩端可能承受的最大正反向電壓UTM UTM= 2cos19 . 02dUUddd/ RUI 2cos145. 021d2ddTRUII22U6.3 6.3 雙向晶閘管及交流調(diào)壓雙向晶閘管及交流調(diào)壓 6.3.1 6.3.1 雙向晶閘管雙向晶閘管 雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號如圖雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號如圖6-176-17所示。所示。 圖圖6-17 6-17 雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號 雙向晶閘管的主電極雙向晶閘管的主電極T1T1和和T2T2無論加正向電壓還是無論加正向電壓還是反向電壓

11、，其門極反向電壓，其門極G G的觸發(fā)信號無論是正向還是反向，的觸發(fā)信號無論是正向還是反向，它都能被它都能被“觸發(fā)觸發(fā)”導(dǎo)通。導(dǎo)通。 雙向晶閘管的主要參數(shù)雙向晶閘管的主要參數(shù) 只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數(shù)定只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數(shù)定義與普通晶閘管相似。由于雙向晶閘管工作在交流義與普通晶閘管相似。由于雙向晶閘管工作在交流電路中，正反向電流都可以流過，所以它的額定電電路中，正反向電流都可以流過，所以它的額定電流不是用平均值，而是用有效值流不是用平均值，而是用有效值( (方均根值方均根值) )來表示，來表示，定義為：在標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，當(dāng)器件的單向?qū)ń嵌x為：在標(biāo)準(zhǔn)散熱

12、條件下，當(dāng)器件的單向?qū)ń谴笥诖笥?70170時，允許流過器件的最大交流正弦電流的時，允許流過器件的最大交流正弦電流的有效值，用有效值，用IT(RMS)表示。表示。6.3.2 6.3.2 交流調(diào)壓交流調(diào)壓 如圖如圖6-18所示，交流電源經(jīng)由一只雙向晶閘管連接所示，交流電源經(jīng)由一只雙向晶閘管連接電阻負(fù)載構(gòu)成主電路。電阻負(fù)載構(gòu)成主電路。 圖圖6-18 6-18 單相交流調(diào)壓電路及波形單相交流調(diào)壓電路及波形 雙向晶閘管實用調(diào)壓電路雙向晶閘管實用調(diào)壓電路 圖圖6-196-19所示為雙向晶閘管實用調(diào)壓電路，改變所示為雙向晶閘管實用調(diào)壓電路，改變RP即即可調(diào)整雙向晶閘管的控制角可調(diào)整雙向晶閘管的控制角 ，

13、達(dá)到負(fù)載電阻，達(dá)到負(fù)載電阻RL兩端兩端電壓可調(diào)。電壓可調(diào)。 圖圖6-19 6-19 雙向晶閘管調(diào)壓電路雙向晶閘管調(diào)壓電路 相關(guān)電量計算相關(guān)電量計算 輸出交流電壓有效值輸出交流電壓有效值UR和電流有效值和電流有效值I I計算公式為計算公式為 2sin21RUU2sin21RRURUI6.4 6.4 其他電力電子器件簡介其他電力電子器件簡介 6.4.1 6.4.1 可關(guān)斷晶閘管（可關(guān)斷晶閘管（GTOGTO） GTOGTO的導(dǎo)通機理與普通晶閘管完全一樣，的導(dǎo)通機理與普通晶閘管完全一樣，GTOGTO一旦導(dǎo)一旦導(dǎo)通之后，門極信號是可以撤除的，但在制作時采用通之后，門極信號是可以撤除的，但在制作時采用特殊

14、的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和狀態(tài)，而不特殊的工藝使管子導(dǎo)通后處于臨界飽和狀態(tài)，而不象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣就可以用象普通晶閘管那樣處于深飽和狀態(tài)，這樣就可以用門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷，因此，門極負(fù)脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關(guān)斷，因此，在關(guān)斷機理上與晶閘管是不同的。門極加負(fù)脈沖即在關(guān)斷機理上與晶閘管是不同的。門極加負(fù)脈沖即從門極抽出電流（即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載從門極抽出電流（即抽取飽和導(dǎo)通時儲存的大量載流子），強烈的正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。流子），強烈的正反饋使器件退出飽和而關(guān)斷。作為一種全控型電力電子器件，作為一種全控型電力電子器件，GTOGTO主要用于

15、直流變換主要用于直流變換和逆變等需要元件強迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容和逆變等需要元件強迫關(guān)斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，達(dá)到兆瓦數(shù)量級。量較大，與普通晶閘管相近，達(dá)到兆瓦數(shù)量級。6.4.2 6.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR） GTR GTR的結(jié)構(gòu)與普通晶體管基本一樣，也是由三層半的結(jié)構(gòu)與普通晶體管基本一樣，也是由三層半導(dǎo)體、兩個導(dǎo)體、兩個PNPN結(jié)構(gòu)成，引出的三個電極分別為基極結(jié)構(gòu)成，引出的三個電極分別為基極B B、集電極集電極C C和發(fā)射極和發(fā)射極E E，分為，分為NPNNPN型和型和PNPPNP型兩種。型兩種。 GTRGTR具有自關(guān)斷能力，并有開關(guān)時間短、

16、飽和壓降具有自關(guān)斷能力，并有開關(guān)時間短、飽和壓降低和安全工作區(qū)寬等特點。近幾年來，由于低和安全工作區(qū)寬等特點。近幾年來，由于GTRGTR實現(xiàn)實現(xiàn)了高頻化、模塊化、廉價化，因此，被廣泛用于交了高頻化、模塊化、廉價化，因此，被廣泛用于交流電機調(diào)速、不停電電源和中頻電源等電力變流裝流電機調(diào)速、不停電電源和中頻電源等電力變流裝置中。置中。 6.4.3 6.4.3 電力電力MOSMOS場效應(yīng)晶體管（場效應(yīng)晶體管（P-MOSFETP-MOSFET） 電力電力MOSMOS場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道也分為溝道和場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)電溝道也分為溝道和溝道，柵偏壓為零時漏源之間就存在導(dǎo)電溝道的稱溝道，柵偏壓為零時漏源之間

17、就存在導(dǎo)電溝道的稱為耗盡型，柵偏壓大于零（溝道）才存在導(dǎo)電溝道為耗盡型，柵偏壓大于零（溝道）才存在導(dǎo)電溝道的稱為增強型。的稱為增強型。 目前電力目前電力MOSMOS場效應(yīng)晶體管的耐壓可達(dá)場效應(yīng)晶體管的耐壓可達(dá)1000V1000V，電流，電流為為200A200A，開關(guān)時間為，開關(guān)時間為13ns13ns，因此，它在小容量機器人，因此，它在小容量機器人傳動裝置、熒光燈鎮(zhèn)流器及各類開關(guān)電路中應(yīng)用極為傳動裝置、熒光燈鎮(zhèn)流器及各類開關(guān)電路中應(yīng)用極為廣泛。廣泛。 6.4.4 6.4.4 絕緣柵雙極型晶體管（絕緣柵雙極型晶體管（IGBTIGBT） 絕緣柵雙極型晶體管簡稱為絕緣柵雙極型晶體管簡稱為IGBT,IG

18、BT,是是8080年代中期發(fā)年代中期發(fā)展起來的一種新型復(fù)合器件。展起來的一種新型復(fù)合器件。IGBTIGBT綜合了綜合了PMOSFETPMOSFET和和GTRGTR的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓的優(yōu)點，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大的優(yōu)點。低、阻斷電壓高、承受電流大的優(yōu)點。 IGBTIGBT的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。柵極的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。柵極施以正電壓時，施以正電壓時，MOSFETMOSFET內(nèi)形成溝道，從而使內(nèi)形成溝道，從而使IGBTIGBT導(dǎo)通。導(dǎo)通。在柵極上施以負(fù)電壓時，在柵極上施以負(fù)電壓時，MOSFETMOSFET內(nèi)的溝道