電子技術基礎與技能助教課件第6章電力電子器件及應用

1、第第6章章 電力電子器件及應用電力電子器件及應用知識目標知識目標 1. 了解晶閘管的結構、工作原理及伏安特性，會用萬了解晶閘管的結構、工作原理及伏安特性，會用萬用表對晶閘管進行測試和判別。用表對晶閘管進行測試和判別。 2. 掌握晶閘管的導通條件和關斷條件。掌握晶閘管的導通條件和關斷條件。 3. 了解雙向晶閘管的結構和工作原理，會用萬用表對了解雙向晶閘管的結構和工作原理，會用萬用表對雙向晶閘管進行測試和判別。雙向晶閘管進行測試和判別。 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，會安裝調試簡單可控整流電路。調試簡單可控整流電路。 5. 了解其他常用電力

2、電子器件應用。了解其他常用電力電子器件應用。技能目標技能目標 1. 會識別晶閘管、單結晶體管；會識別晶閘管、單結晶體管； 2. 會用萬用表測試晶閘管、單結晶體管；會用萬用表測試晶閘管、單結晶體管； 3. 會安裝、調試調光臺燈電路。會安裝、調試調光臺燈電路。6.1 晶閘管晶閘管6.1.1 晶閘管的結構與外形晶閘管的結構與外形 1.晶閘管的外形晶閘管的外形 2. 晶閘管的結構晶閘管的結構 a) 結構結構 b) 等效電路等效電路 圖圖63 晶閘管的結構與等效電路晶閘管的結構與等效電路6.1.2 晶閘管的導通與關斷條件晶閘管的導通與關斷條件 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兩兩端也加有適當正向觸發(fā)電壓，晶閘管才能導通。端也加有適當正向觸發(fā)電壓，晶閘管才能導通。晶閘管一旦導通后，門極就失去了控制作用，晶閘管一旦導通后，門極就失去了控制作用，維持導通。維持導通。 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 晶閘管導通晶閘管導通 圖圖67 67 晶閘管維持導通晶閘管維持導通6.1.3 晶閘管的主要參數晶閘管的主要參數 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 反向重復峰值電壓反向重復峰值電壓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，黑表筆所接的就是門極值較小的一次為準，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。 【質量的判斷】【質量的判斷】 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，指針應接近表筆接陽極，紅表筆接陰極，指針應接近，短接，短接陽極和門極，表針應指向很小的阻值，約為陽極和門極，表針應指向很小的阻值，約為6060200200，表明單向晶閘管能觸發(fā)導通；斷開，表明單向晶閘管能觸發(fā)導通；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，可分為單結晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路單結晶體管觸發(fā)電路、晶體管觸發(fā)電路、集成電路觸發(fā)器、計算機控制數字觸發(fā)電路等。觸發(fā)器、計算機控制數字觸發(fā)電路等。單結晶體管觸發(fā)電路特點單結晶體管觸發(fā)電路特點 單結晶體管觸發(fā)電路結構簡單，輸出脈沖前沿陡，單結晶體管觸發(fā)電路結構簡單，輸出脈沖前沿陡，抗干擾能力強，運行可靠，調試

7、方便，廣泛應用于抗干擾能力強，運行可靠，調試方便，廣泛應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。 單結晶體管外形及結構如圖單結晶體管外形及結構如圖69所示。所示。 圖圖69 單結晶體管的結構及其符號單結晶體管的結構及其符號 單結晶體管自激振蕩電路單結晶體管自激振蕩電路 利用單結晶體管的負阻特性和利用單結晶體管的負阻特性和RC電路的充放電電路的充放電特性，可以組成單結晶體管自激振蕩電路。如圖特性，可以組成單結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載可控整流電路，是單相半波電阻性負載可控整流電路，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)的單結晶體管振蕩電路。圖圖6-12 具有同步環(huán)節(jié)的單結晶體管觸發(fā)電路具有同步環(huán)節(jié)的單結晶體管觸發(fā)電路 相關電量計算相關電量計算 1 1）負載上直流平均電壓）負載上直流平均電壓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的正負半周里，的正負半周里，VT1、VT3和和VT2、VT4兩組晶閘管輪流被觸發(fā)導通，兩組晶閘管輪流被觸發(fā)導通，將交流電轉變成脈動的直流電。改變將交流電轉變成脈動的直流電。改變 角的角的大小，負載電壓大小，負載電壓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改變。直流電壓平均值均相應改變。相關電量計算相關電量計算 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壓雙向晶閘管及交流調壓 6.3.1 6.3.1 雙向晶閘管雙向晶閘管 雙向晶閘管的結構和符號如圖雙向晶閘管的結構和符號如圖6-176-17所示。所示。 圖圖6-17 6-17 雙向晶閘管的結構和符號雙向晶閘管的結構和符號 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)”導通。導通。 雙向晶閘管的主要參數雙向晶閘管的主要參數 只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數定只有額定電流與普通晶閘管有所不同，其他參數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：在標準散熱條件下，當器件的單向導通角定義為：在標準散熱

12、條件下，當器件的單向導通角大于大于170170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 交流調壓交流調壓 如圖如圖6-18所示，交流電源經由一只雙向晶閘管連接所示，交流電源經由一只雙向晶閘管連接電阻負載構成主電路。電阻負載構成主電路。 圖圖6-18 6-18 單相交流調壓電路及波形單相交流調壓電路及波形 雙向晶閘管實用調壓電路雙向晶閘管實用調壓電路 圖圖6-196-19所示為雙向晶閘管實用調壓電路，改變所示為雙向晶閘管實用調壓電路，改變RP即即可調整雙向晶閘管的控制角可調整雙向晶閘管的控制角 ，

13、達到負載電阻，達到負載電阻RL兩端兩端電壓可調。電壓可調。 圖圖6-19 6-19 雙向晶閘管調壓電路雙向晶閘管調壓電路 相關電量計算相關電量計算 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 可關斷晶閘管（可關斷晶閘管（GTOGTO） GTOGTO的導通機理與普通晶閘管完全一樣，的導通機理與普通晶閘管完全一樣，GTOGTO一旦導一旦導通之后，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、的工藝使管子導通后處于臨界飽和狀態(tài)，而不特殊的工藝使管子導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脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷，因此，門極負脈沖電流破壞臨界飽和狀態(tài)使其關斷，因此，在關斷機理上與晶閘管是不同的。門極加負脈沖即在關斷機理上與晶閘管是不同的。門極加負脈沖即從門極抽出電流（即抽取飽和導通時儲存的大量載從門極抽出電流（即抽取飽和導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斷。流子），強烈的正反饋使器件退出飽和而關斷。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斷的地方，電壓、電流容和逆變等需要元件強迫關斷的地方，電壓、電流容量較大，與普通晶閘管相近，達到兆瓦數量級。量較大，與普通晶閘管相近，達到兆瓦數量級。6.4.2 6.4.2 電力晶體管（電力晶體管（GTRGTR） GTR GTR的結構與普通晶體管基本一樣，也是由三層半的結構與普通晶體管基本一樣，也是由三層半導體、兩個導體、兩個PNPN結構成，引出的三個電極分別為基極結構成，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具有自關斷能力，并有開關時間短、

16、飽和壓降具有自關斷能力，并有開關時間短、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實現實現了高頻化、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速、不停電電源和中頻電源等電力變流裝流電機調速、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場效應晶體管（場效應晶體管（P-MOSFETP-MOSFET） 電力電力MOSMOS場效應晶體管的導電溝道也分為溝道和場效應晶體管的導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電溝道的稱溝道，柵偏壓為零時漏源之間

17、就存在導電溝道的稱為耗盡型，柵偏壓大于零（溝道）才存在導電溝道為耗盡型，柵偏壓大于零（溝道）才存在導電溝道的稱為增強型。的稱為增強型。 目前電力目前電力MOSMOS場效應晶體管的耐壓可達場效應晶體管的耐壓可達1000V1000V，電流，電流為為200A200A，開關時間為，開關時間為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)流器及各類開關電路中應用極為傳動裝置、熒光燈鎮(zhèn)流器及各類開關電路中應用極為廣泛。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合器件。展起來的一種新型復合器件。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的開通和關斷是由柵極電壓來控制的。柵極的開通和關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內形成溝道，從而使內形成溝道，從而使IGBTIGBT導通。導通。在柵極上施以負電壓時，在柵極上施以負電壓時，MOSFETMOSFET內的溝道