電力電子技術(shù)第二次課課件

1、由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。是允許電流較大電壓較高的二極管從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。圖1-1 功率二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào) a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號(hào)一、 功率二極管的結(jié)構(gòu)和工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK門檻電壓UTO，正向電流IF開(kāi)始明顯增加所對(duì)應(yīng)的電壓。正向?qū)ê髩航祷静蛔兂惺芊聪螂妷簳r(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流，當(dāng)反向電壓增加到UF 時(shí)，反向漏電流劇增，管子擊穿。圖1-2 功率二極管的伏安特性1.1 功率二極管的伏安特性額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(A

2、V)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來(lái)定義的，使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。1.2 功率二極管的主要參數(shù)1) 正向平均電流IF(AV)其電流平均值為：其電流有效值為： 當(dāng)正弦半波電流的峰值為Im時(shí)，二極管電流定額的含義如手冊(cè)上某功率二極管的額定電流為100A，說(shuō)明：允許通過(guò)平均值為100A的正弦半波電流；允許通過(guò)正弦半波電流的幅值為314A；允許通過(guò)任意波形的有效值為157A的電流；在以上所有情況下其功耗發(fā)熱不超過(guò)允許值。選擇二極管電流定額的過(guò)程：求出電路中二極管電流的有效值IFrms ；求二極管電流定額IFR，等于有效值IFrms 除以1.57；將選定的定額放大1.5到2

3、倍以保證安全。指管子反向能重復(fù)施加的最高峰值電壓按通常取擊穿電壓UB的2/3使用時(shí)，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。1.2 功率二極管的主要參數(shù)2) 反向重復(fù)峰值電壓URRM3) 正向平均電壓UF在指定溫度下，流過(guò)額定正弦 半波電流時(shí)對(duì)應(yīng)的正向壓降。4) 反向漏電流 IRR對(duì)應(yīng)于反向重復(fù)峰值電壓時(shí)的漏電流。1.3 功率二極管的關(guān)斷特性和開(kāi)通特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt延遲時(shí)間：td= t1- t0, 電流下降時(shí)間：tf= t2- t1反向恢復(fù)時(shí)間：trr= td+ tf恢復(fù)特性的軟度：下降時(shí)間與延遲時(shí)間 的比值tf /td，或稱恢復(fù)系數(shù)，用Sr表示。

4、關(guān)斷過(guò)程須經(jīng)過(guò)一段短暫的時(shí)間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過(guò)沖。 用在高頻場(chǎng)合下的二極管要求反向恢復(fù)時(shí)間短,才能保證在導(dǎo)通與阻斷間快速切換. 。正向壓降先出現(xiàn)一個(gè)過(guò)沖UFP，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個(gè)值（如 2V）。正向恢復(fù)時(shí)間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V開(kāi)通過(guò)程 開(kāi)通過(guò)程： 用在高頻場(chǎng)合下的二極管要求使用快恢復(fù)二極管! 高頻全波整流中,若選用反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的普通二極管,會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)輸出電壓為0的情況!正向恢復(fù)過(guò)程中,二極管上會(huì)有很大的正向動(dòng)態(tài)壓降,也會(huì)使輸出電壓下降.換相時(shí)

5、變壓器會(huì)短路,發(fā)熱嚴(yán)重功率二極管的基本應(yīng)用 整流續(xù)流二、晶閘管2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和結(jié)構(gòu)模型 晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。 具有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié)。 A-陽(yáng)極 G-門極 K-陰極2.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管的等效電路(二極管等效電路)AKGJ1J2J3A-K間加正壓時(shí)，J2反向阻斷，管子不導(dǎo)通。A-K間加反壓時(shí)，J1、J3反向阻斷，管子也不導(dǎo)通。在門極（G）斷開(kāi)時(shí)，晶閘管的等效電路(三極管等效電路)晶閘管的工作原理當(dāng)合上S時(shí)，有足夠的門極電流流入，通過(guò)兩管的電流放大立即形成強(qiáng)烈的正反饋，瞬間就可使兩管飽和導(dǎo)通

6、。導(dǎo)通后，門極電流即使降為0或?yàn)樨?fù)，也不能使管子關(guān)斷只有設(shè)法使陽(yáng)極電流降到維持電流IH以下，使正反饋無(wú)法維持時(shí)，晶閘管才能關(guān)斷。導(dǎo)通后陽(yáng)極電流由電源和負(fù)載電阻決定,晶閘管導(dǎo)通壓降約為1.5V晶閘管通入門極電流Ig使其導(dǎo)通的過(guò)程稱為觸發(fā)管子觸發(fā)導(dǎo)通后，門極失去控制作用，這種門極可觸發(fā)導(dǎo)通但無(wú)法使其關(guān)斷的器件稱為半控器件其他可能使晶閘管導(dǎo)通的條件：陽(yáng)極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)（硬開(kāi)通）陽(yáng)極電壓上升率du/dt過(guò)高結(jié)溫較高2.3 晶閘管的伏安特性（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。

7、隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶閘管的伏安特性IG2IG1IG反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的伏安特性IG2IG1IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性承受反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開(kāi)通。

8、晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：2.4 晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)平均電壓UT（AV） 晶閘管通以額定正弦半波電流時(shí)陽(yáng)極和陰極間的平均電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓23倍。使用注意：1）電壓定額通態(tài)平均電流 IT(AV）在環(huán)境溫度為4

9、0C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)所允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來(lái)選取晶閘管。因?yàn)榫чl管電流過(guò)載能力小,選用時(shí)要留有（1.5-2）倍的裕量。2）電流定額波形系數(shù)：電流波形的有效值與平均值之比例1-1兩個(gè)不同的電流波形(陰影斜線部分)如圖所示，分別流經(jīng)晶閘管，若各波形的最大值Im=100A,試計(jì)算各波形下晶閘管的電流平均值IT(AV)1 、IT(AV)2，電流有效值IT1、IT2 ,若考慮二倍的電流安全裕量，選擇額定電流為50A的晶閘管能否滿足要求？額定電流為50A的晶閘管，其允許通過(guò)的最大電流有效值為50*1.57=78

10、.5A,考慮到2倍的電流裕量,其上有效電流不得超過(guò)39.25A,故該晶閘管在(1)和(2)中均不符合要求!三、單相相控整流電路整流電路的分類：按組成的器件可分為不可控、半控、全控三種。按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式電路和零式電路。按交流輸入相數(shù)分為單相電路和多相電路。整流電路：出現(xiàn)最早的電力電子電路，將交流電變?yōu)橹绷麟姟W(xué)習(xí)整流電路要掌握如下幾方面：結(jié)構(gòu)形式工作原理分析整流電路的工作波形各參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系3.1 單相可控整流電路 3.1.1 單相半波可控整流電路 3.1.2 單相橋式全控整流電路 3.1.3 單相橋式半控整流電路3.1.1 單相半波可控整流電路圖3-1 單相半波可控整流電路及波形一)帶電阻

11、負(fù)載的工作情況1）工作原理分析2）基本數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值Ud為與輸出電流平均值Id：直流輸出電壓有效值U為與輸出電流有效值I：功率因數(shù)：最大正反向電壓：波形系數(shù)：當(dāng)=0時(shí)：隨著增大,kf也相應(yīng)增大：解: (1)(2) 2.5 (3)(4)(5)二) 帶阻感負(fù)載的工作情況wttwwtwtwu20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)+1）工作原理分析2）基本數(shù)量關(guān)系由于電感的存在,晶閘管在U2=0時(shí)不關(guān)斷,輸出出現(xiàn)負(fù)電壓直流輸出電壓平均值Ud為：電感越大,導(dǎo)通角越大,增大會(huì)使輸出直流電壓Ud約為0在大電感情況下,無(wú)論觸發(fā)角如何變化,輸出直流電壓Ud總是很小,電路無(wú)法工作三)帶阻感負(fù)載加續(xù)流二極管的工作情況當(dāng)u2過(guò)零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷。L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過(guò)程通常稱為續(xù)流。1）工作原理分析大電感負(fù)載情況下,晶閘管電流和續(xù)流管電流均為矩形波2）基本數(shù)量關(guān)系