電工電子第十二章課件

第十二章現(xiàn)代電力電子技術(shù)12.1常用電力電子器件

12.2晶閘管可控整流電路

12.3直流斬波器和交流調(diào)壓器

12.4電力電子器件應(yīng)用實(shí)例

12.5變頻器及其應(yīng)用

電力電子技術(shù)包括電力電子器件、變流電路和控制電路三個(gè)部分。12.1常用電力電子器件

電力電子器件適用于高壓、大電流場合，主要以開關(guān)方式工作。電力電子器件是電力電子技術(shù)的核心。常用的電力電子器件有：普通晶閘管（SCR）、雙向晶閘管、功率場效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等。1．晶閘管的結(jié)構(gòu)一、晶閘管

三個(gè)電極分別為陽極A、陰極K和控制極（門極）G.晶閘管的封裝形式與晶閘管容量有關(guān)額定電流小于10A:壓膜塑封式大功率晶閘管:螺栓式和平板式兩種額定電流在200A以下:螺栓式大于200A:平板式晶體閘流管簡稱晶閘管(Thyristor),也稱硅可控元件(SCR),是由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件,多用于可控整流、逆變、調(diào)壓等電路,也作為無觸點(diǎn)開關(guān).SCR為英文(SiliconConcrolledRectifier)2．晶閘管的工作原理圖12-2晶閘管的工作原理圖a）反向阻斷b）正向阻斷c）觸發(fā)導(dǎo)通d）除去控制極信號仍導(dǎo)通

結(jié)論：1）晶閘管導(dǎo)通必須具備兩個(gè)條件：①晶閘管的陽極與陰極間加正向電壓，即UAK＞0。②控制極與陰極之間加足夠正向電壓，即UGK＞0。2）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。3）要使晶閘管關(guān)斷，必須使晶閘管的陽極電流降到維持電流IH以下。此時(shí)晶閘管只有重新觸發(fā)才能再次導(dǎo)通。3．晶閘管的伏安特性指晶閘管陽極電壓UAK與陽極電流IA之間的函數(shù)關(guān)系。圖12-3晶閘管的伏安特性

4．主要參數(shù)1）額定電壓UTn

2）額定電流IT（AV）

3）維持電流IH

4）控制極觸發(fā)電壓UG和觸發(fā)電流IG

5）通態(tài)平均電壓UT（AV）

5．晶閘管判別1）晶閘管電極的判別2）晶閘管好壞的判別6)正向重復(fù)峰值電壓UDRM7)反向重復(fù)峰值電壓URDM2．雙向晶閘管的觸發(fā)方式表12-1四種觸發(fā)方式

四種觸發(fā)方式中的靈敏度各不相同，其中Ⅲ+方式靈敏度最低，因此在實(shí)際應(yīng)用中只采用（Ⅰ-，Ⅲ-）和（Ⅰ+，Ⅲ-）兩種觸發(fā)方式。三、功率場效應(yīng)晶體管

功率場效應(yīng)晶體管，簡稱功率MOSFET，它是一種單極型電壓控制器件，具有自關(guān)斷能力，且輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度快，工作頻率可達(dá)到1MHZ，不存在二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等主等優(yōu)點(diǎn)。MOSFET屬現(xiàn)代電力電子器件，因其電壓和電流容量較小，故在高頻中小功率的電力電子裝置如開關(guān)電源、機(jī)床伺服、汽車電子化等方面得到廣泛應(yīng)用。1．功率MOSFET的結(jié)構(gòu)根據(jù)載流子的性質(zhì)可分為P溝道和N溝道兩種類型.2．工作原理功率MOSFET的工作原理與傳統(tǒng)的MOS器件基本相同，柵源極加正向電壓（UGS＞0）使MOSFET內(nèi)溝道出現(xiàn)，電子從源極移動(dòng)到漏極形成漏極電流ID，器件導(dǎo)通；反之，當(dāng)柵源極加反向電壓（UGS＜0）溝道消失，器件關(guān)斷。3．功率MOSFET的主要特性功率MOSFET的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，靜態(tài)特性主要指MOSFET的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性，動(dòng)態(tài)特性主要指MOSFET的開關(guān)特性。1）輸出特性輸出特性也稱漏極特性曲線，是以柵源極電壓UGS為參變量，反映漏極電流ID與漏極電壓UDS間關(guān)系的曲線族。圖12-6靜態(tài)特性a）輸出特性b）轉(zhuǎn)移特性

可調(diào)電阻區(qū)線性放大區(qū)擊穿區(qū)晶體管的擊穿現(xiàn)象：從晶體管的輸出特性曲線可知，對于某一條輸出特性曲線，當(dāng)c-e之間電壓增大到一定數(shù)值時(shí)，晶體管將產(chǎn)生擊穿。

一次擊穿：而且IB愈大，擊穿電壓愈低，稱這種擊穿為“一次擊穿”。二次擊穿：晶體管一次擊穿后，集電極電流會(huì)聚然增大，若不加以限制，則晶體管的工作點(diǎn)變化到臨界點(diǎn)A時(shí)，工作點(diǎn)將以高速從A點(diǎn)到B點(diǎn)，此時(shí)電流猛增，而管壓降卻減小，稱“二次擊穿”。如圖所示。晶體管經(jīng)過二次擊穿后，性能將明顯下降，甚至造成永久性損壞。二次擊穿臨界曲線：IB不同時(shí)二次擊穿的臨界點(diǎn)不同，將它們連接起來，便得到二次擊穿臨界曲線，簡稱S/B曲線。擊穿防止方法：在功放管c-e之間加穩(wěn)壓管，就可防止其一次擊穿，并限制其集電極電流，就可避免二次擊穿。4．功率MOSFET的主要參數(shù)1）通態(tài)電阻Ron在確定柵源電壓UGS下，功率MOSFET由可調(diào)電阻區(qū)Ⅰ進(jìn)入線性放大區(qū)Ⅱ時(shí)的漏、源極間直流電阻為通態(tài)電阻。在同樣的溫度條件下，耐壓等級愈高的器件通態(tài)電阻越大，且器件的通態(tài)壓降越大.2）開啟電壓（UT）開啟電壓又稱閾值電壓，是轉(zhuǎn)移特性曲線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)處的電壓值。3）跨導(dǎo)gm

跨導(dǎo)gm和晶體管的β相似，表示功率MOSFET管的柵、源電壓對漏極電流的控制能力。gm=△ID/△UGS

單位為西門子，簡稱西（S）。4）漏、源擊穿電壓UBDS

漏源擊穿電壓UBDS是功率MOSFET的最高工作電壓，它是為了避免器件進(jìn)入擊穿區(qū)而設(shè)的極限參數(shù)。四、絕緣柵雙極晶體管

簡稱為IGBT，是單極和雙極技術(shù)的混合物.它既有單極型器件的輸入阻高、工作速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的特點(diǎn)，又有雙極型器件電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。1．IGBT的結(jié)構(gòu)a）b）c）圖12-7IGBT的結(jié)構(gòu)與符號a）圖形符號b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)c）簡化電路

IGBT是以晶體管為主導(dǎo)元件、MOSFET為驅(qū)動(dòng)元件的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)器件。在UCE不變的條件下，輸出電流由柵極電壓控制，柵極電壓越大，電流IC越大。它和晶體管伏安特性相似?？煞譃轱柡蛥^(qū)，放大區(qū)和擊穿區(qū)。當(dāng)以柵源電壓UGs為參變量時(shí)，IGBT的集電極電流IC和集、射極電壓UCE的關(guān)系曲線，叫做IGBT的伏安特性。2）轉(zhuǎn)移特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性是描述集電極電流IC與柵極、發(fā)射極之間的電壓UGE的關(guān)系曲線.

a）b）圖12-8靜態(tài)特性a）伏安特性b）轉(zhuǎn)移特性

3）動(dòng)態(tài)特性IGBT的動(dòng)態(tài)特性也稱開關(guān)特性，它包括開通過程和關(guān)斷過程。4．IGBT的主要參數(shù)圖12-9動(dòng)態(tài)特性1）集電極—發(fā)射極擊穿電壓UCEM2）開啟電壓UGE（th）

3）通態(tài)壓降UCE（on）

4）最大柵射極電壓UGEM

5）集電極連續(xù)電流IC和峰值電壓ICM12.2晶閘管可控整流電路

整流是把大小和方向都隨時(shí)間變化的交流電變?yōu)閱畏较蛎}動(dòng)直流電的變流過程。如果采用功率二極管作為整流元件，則可獲得大小固定的直流電壓，這種整流方式稱為不可控整流。如果采用晶閘管作為整流器件，則可以通過控制門極觸發(fā)脈沖施加的時(shí)刻來控制輸出整流電壓的大小，這種整流稱為可控整流?？煽卣麟娐钒煽卣鞯闹麟娐泛陀|發(fā)電路兩部分。一、主電路

可控整流電路主電路結(jié)構(gòu)形式視用電負(fù)載容量大小不同而定，通常小容量（4kW以下）的負(fù)載供電采用單相可控整流，它具有電路簡單、投資省、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；對于容量較大的負(fù)載，采用三相可控整流電路易于滿足負(fù)載對高電壓大電流的需求，同時(shí)也保證負(fù)載上的直流電壓脈動(dòng)小，供電的交流電網(wǎng)三相平衡。1．單相半波可控整流電路1）電阻性負(fù)載圖12-10單相半波可控整流電路及波形a）電阻性負(fù)載電路

圖12-10單相半波可控整流電路及波形b）波形圖

在單相半波電路中，晶閘管從開始承受正向電壓起至開始導(dǎo)通時(shí)刻為止的電角度稱為控制角或移相角，以表示.（12-2）

（12-1）為了使整流輸出電壓波形穩(wěn)定，每個(gè)周期內(nèi)的控制角應(yīng)相同,這種觸發(fā)信號和電源電壓在頻率和相位的配合關(guān)系稱為同步。[例12-1]有一單相半波可控整流電路，變壓器副邊電壓

U2=120V，負(fù)載電阻Rd=25Ω，控制角=30.試求輸出電壓和電流的平均值。解：2）電感性負(fù)載工業(yè)中需要直流供電的電機(jī)勵(lì)磁、滑差電機(jī)的電磁離合器勵(lì)磁線圈以及輸出串接電抗器的負(fù)載等均可用電阻Rd和電感Ld的串聯(lián)電路來等效。圖12-11有續(xù)流管的單相半波可控整流電路及波形

式中:圖12-11有續(xù)流管的單相半波可控整流電路及波形

2．單相半控橋式整流電路圖12-12單相半控橋帶電感性負(fù)載a）電路圖

若將單相橋式整流中的四只二極管全部換成晶閘管，就組成單相全控橋式電路。但實(shí)用中多采用圖12-12所示電路，這里只用了兩只晶閘管，另兩只仍用二極管，故稱單相半控橋式整流電路。圖12-12單相半控橋帶電感性負(fù)載b）波形圖

按圖示的波形進(jìn)行計(jì)算可得:[例12-2]某電感性負(fù)載采用帶續(xù)流管的單相半控橋電路供電，如圖12-12a所示。已知：電感線圈的內(nèi)阻Rd=5Ω，輸入交流電壓U2=220V，控制角a=60°。試求晶閘管與續(xù)流管的電流平均值及有效值。解:首先求整流輸出電壓平均值

求負(fù)載電流平均值流過晶閘管與整流二極管的電流平均值與有效值

流過續(xù)流二極管的電流平均值與有效值二、觸發(fā)電路

晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，除陽極要承受正向電壓外，還需在門極和陰極間加適當(dāng)?shù)恼妷海淖冇|發(fā)脈沖的輸出時(shí)刻，即可改變控制角大小，從而達(dá)到改變輸出電壓平均值的目的。這種控制晶閘管導(dǎo)通的電路稱為觸發(fā)電路。1）觸發(fā)電路輸出的脈沖必須有足夠大的電壓和功率。2）觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的主電壓保持同步。3）脈沖的前沿要陡，寬度應(yīng)滿足要求。4）滿足主電路移相范圍的要求。為了保證晶閘管整流電路準(zhǔn)確無誤工作，對觸發(fā)電路有以下要求：1．單結(jié)晶體管圖12-13單結(jié)晶體管a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路模型c）圖形符號d）外形及管腳

單結(jié)晶體管b1與b2極之間正反向電阻相等約為3~10KΩ。而e和b1極或e和b2之間的正向電阻小于反向電阻，且rb1＞rb2。正常工作時(shí)rb1的阻值隨發(fā)射極電流Ie的變化而變化，故等效為一個(gè)可變電阻。圖12-14

圖12-14是單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路，由圖可得其特性。當(dāng)Ue＜UA時(shí)VD截止，Ie=0，單結(jié)晶體管關(guān)斷。η稱為單結(jié)晶體管的分壓比，其值約為0.3~0.85。當(dāng)Ue上升到Ue≥ηUbb+UD時(shí)，VD由截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，此時(shí)電壓Ue=Up，Up為峰值電壓。電流Ie流過rb1，rb1立即減小至十幾歐姆，此時(shí)UA對應(yīng)的電壓稱為谷點(diǎn)電壓UV，若減少Ue使Ue＜UV管子將截止。2．單結(jié)晶體管振蕩電路圖12-15單結(jié)晶體管自激振蕩電路

改變電阻Re的大小，就可改變電容充電的快慢，改變尖脈沖輸出的時(shí)間間隔。輸出脈沖寬度取決于R1的大小，一般取50~200Ω。3．單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路圖12-16單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路

圖12-16是單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路，它與主電路同用一個(gè)交流電源u1。由梯形波同步電壓形成、阻容移相和觸發(fā)脈沖輸出三個(gè)環(huán)節(jié)組成。圖12-17a單結(jié)晶體管實(shí)用電路

上述觸發(fā)器電路每個(gè)周期只能產(chǎn)生一個(gè)有用的觸發(fā)脈沖，由Re直接改變控制信號，控制靈敏度低，且不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。因此目前應(yīng)在較廣泛的觸發(fā)電路如圖12-17a所示。圖12-17b單結(jié)晶體管實(shí)用電路

12.3直流斬波器和交流調(diào)壓器

直流斬波器是接在恒定直流電源與負(fù)載之間的直流調(diào)壓器，也稱為直流—直流（DC-DC）變換器?，F(xiàn)被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源和直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)中，如不間斷電源（UPS）、無軌電車、電力機(jī)車、地鐵和電動(dòng)汽車等。

交流調(diào)壓器是一種調(diào)節(jié)交流電壓的變換裝置，稱為交流—交流（AC-AC）變換器?，F(xiàn)廣泛用于交、直流開關(guān)及交流調(diào)壓中，如調(diào)光、溫控、小容量電動(dòng)機(jī)的調(diào)速及大容量異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)等。一、斬波器

圖12-18基本的斬波電路及波形

斬波器其實(shí)質(zhì)是由電力電子器件構(gòu)成的開關(guān)，通過連續(xù)地接通和斷開開關(guān)，使直流電源斷續(xù)地接在負(fù)載上，使負(fù)載上獲得一串電壓脈沖。負(fù)載電壓的平均值UO為U0=Ud=kUd

占空比通過對斬波器導(dǎo)通時(shí)間ton和工作周期T的控制來變電源輸出的電壓值。這種控制方法稱為時(shí)間比控制。時(shí)間比控制有以下三種方式：脈寬控制方式、頻率控制方式和綜合控制。1．降壓式斬波器圖12-19帶電感負(fù)載的斬波電路圖12-20降壓式斬波器的電路工作狀態(tài)a）V開通等效電路b）V關(guān)斷等效電路c）負(fù)載端電壓d）負(fù)載電流a）b）c）d）2．升壓式斬波器在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，電感在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓值為零，即有Ud

ton+（Ud-U0）toff=0UdT=U0toffU0=Ud顯然，U0＞Ud，這是個(gè)升壓式斬波電路。圖12-21升壓式斬波電路及波形圖二、交流調(diào)壓器

交流調(diào)壓器是由晶閘管等電力電子器件構(gòu)成的交流電壓控制裝置。常用的交流調(diào)壓器大多采用雙向晶閘管作為其主電路元件，這類調(diào)壓電路線路簡單、成本低，在工業(yè)加熱、照明調(diào)光、風(fēng)扇調(diào)速、小容量交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速等場合得到廣泛應(yīng)用。圖12-22單相交流調(diào)壓器a）主電路b）波形圖a）b）輸出交流電壓有效值和電流有效值為圖12-23雙向晶閘管調(diào)壓電路圖12-23是一種雙向晶閘管調(diào)光電路。12.4電力電子器件應(yīng)用實(shí)例一、鉛蓄電池充電電路圖12-24是晶閘管構(gòu)成的鉛蓄電池充電電路。主電路是由220V工頻交流電供電的單相半波可控整流電路。觸發(fā)電路采用單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，充電時(shí)Q合上，單結(jié)晶體管的兩個(gè)基極間所加的電壓Ubb是由220V交流電源經(jīng)半波整流后降壓獲得，如圖12-24所示。由于Ubb是正弦半波，所以單結(jié)晶體管的Up與UV的變化軌跡均為不等幅的正弦半波。圖12-24簡易晶閘管充電電源a）電路b）波形二、固態(tài)開關(guān)（SSS）固態(tài)開關(guān)SSS（包括固態(tài)繼電器SSR與固態(tài)接觸器SSC）是一種無觸點(diǎn)的電子開關(guān)。它是一種四端器件，其中兩個(gè)端子為輸入控制端，輸入控制電壓一般應(yīng)在3V以上，6V以下；另兩個(gè)端子為輸出受控端，無輸入控制信號時(shí)，輸出端是開路的，即為常開狀態(tài)，相當(dāng)于繼電器或接觸器的一對觸點(diǎn)，與負(fù)載串聯(lián)后接至交流電源上。圖12-25固態(tài)開關(guān)電路圖a）原理圖b）接線圖三、用功率MOSFET管構(gòu)成高頻電源圖12-26功率MOSFET構(gòu)成的高頻自激振蕩器四、大功率晶體管構(gòu)成的PWM-D伺服單元該電路是利用大功率晶管（GTR）V1~V4作為開關(guān)器件，其開關(guān)頻率為常值（通常取2K）。其電源是二極管模塊提供的直流固定電壓，根據(jù)控制信號的大小來改變每一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”的時(shí)間長短，使直流伺服電動(dòng)機(jī)上電壓的“占空比”改變，從二而實(shí)現(xiàn)其平均電壓的改變，完成電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。PWM調(diào)速系統(tǒng)采用GTR及混合集成電路構(gòu)成，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于機(jī)電一體化，已廣泛用于數(shù)控機(jī)床上。典型產(chǎn)品有北京機(jī)床所開發(fā)的BS03-A、FANUCPWM-D等。圖12-27PWM-D伺服單元框圖12.5變頻器及其應(yīng)用

變頻器是交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它將工頻交流電變成頻率可調(diào)的交流電來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。圖12-28變頻器控制示意圖一是可以和通用的異步電動(dòng)機(jī)配套使用；二是具有多種可供選擇的功能，可適應(yīng)各種不同的負(fù)載。所謂“通用”包含兩個(gè)方面的含義：一、變頻器的分類第一類稱為“交—直—交變頻器”，也稱為間接變頻器，這類變頻器先將頻率固定的交流電整流后變成直流，再經(jīng)過無源逆變電路，把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，由于把直流電逆變成交流電較易控制，因此在頻率的調(diào)節(jié)范圍，以及變頻后電機(jī)特性的改善等方面，都具有明顯的優(yōu)勢，目前使用最多的變頻器均屬交—直—交變頻器。在交—直—交變頻器中，按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式不同可分為電壓型和電流型。當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓平穩(wěn)，近似于恒壓源，稱為電壓型變頻器，現(xiàn)在使用的變頻器多為電壓型。若中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電壓平穩(wěn)，近似恒流源，稱為電流型變頻器。另一類稱為“交—交變頻器”也稱為直接變頻器，它是將頻率固定的交流電源直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電源，其主要優(yōu)點(diǎn)是變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的范圍較窄，一般在以1/2fN下調(diào)節(jié)，主要用于低速大容量的電力拖動(dòng)中。在交—直—交變頻器中，根據(jù)調(diào)壓的方式不同可分為脈幅調(diào)制和脈寬調(diào)制。脈幅調(diào)制指的是通過改變輸入直流電壓的大小來實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓的改變，常稱為PAM方式，這種方法已很少使用。脈寬調(diào)制是指通過改變輸出脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓的改變，常稱