電力電子技術(shù)19課件

第19章電力電子技術(shù)19.1電力電子器件19.2可控整流電路19.3逆變電路19.4交流調(diào)壓電路本章要求：1.了解晶閘管的基本構(gòu)造、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)；2.了解單相可控整流電路的可控原理和整流電壓與電流的波形，了解單結(jié)晶閘管及其觸發(fā)電路；3.了解逆變電路、變頻電路和交流調(diào)壓電路及斬波電路的工作原理和應(yīng)用。第19章電力電子技術(shù)電力電子器件的符號電力電子器件的主要性能指標(biāo)電壓、電流、工作頻率。KGATKADKGAGTOGSDVDMOSBECGTRGECIGBT19.1.2晶閘管

晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關(guān)等方面。優(yōu)點(diǎn)：

體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。（Silicon

ControlledRectifier）G控制極1.基本結(jié)構(gòu)K陰極陽極

AP1P2N1N2晶閘管具有三個PN結(jié)。(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號四層半導(dǎo)體三個

PN

結(jié)2.工作原理在極短時(shí)間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程EA>0、EG>0AKGEA+_RT1T2EG_+EA+_RT1T2EGA_+K晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。2.工作原理EA>0、EG>0形成正反饋過程G晶閘管導(dǎo)通的條件：(1)晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。(2)晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：

(1)必須使可控硅陽極電流減小，直到正反饋效應(yīng)不能維持。

(2)將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓。4.主要參數(shù)(1)正向重復(fù)峰值電壓UDRM晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般UDRM

比正向轉(zhuǎn)折電壓UBO低100V。(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM晶閘管控制極開路時(shí),可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。一般URRM

比反向轉(zhuǎn)折電壓|UBO|低100V。(3)正向平均電流IF環(huán)境溫度為40°C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。IFt2如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。(4)維持電流

IH在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。晶閘管型號及其含義導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P--普通晶閘管K--快速晶閘管S--雙向晶閘管晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V?？申P(guān)斷晶閘管符號：KGAGTO特點(diǎn)：控制極加正觸發(fā)信號，晶閘管導(dǎo)通；控制極加負(fù)觸發(fā)信號，晶閘管關(guān)斷。GTO全控示意圖KGAiGiAREAiGiA19.1.3功率晶體管、功率場效應(yīng)晶體管

和絕緣柵雙極晶體管1.功率晶體管2.功率場效應(yīng)晶體管3.絕緣柵雙極晶體管這種晶體管主要作為功率開關(guān)使用。這種場效應(yīng)管的漏極電流較大，可達(dá)幾百A；耐壓較高，漏-源電壓可達(dá)千伏；效率較高、速度較快。這種晶體管綜合了功率晶體管和功率場效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的電壓與電流和工作頻率，其關(guān)斷時(shí)間可縮短到40ns。19.2可控整流電路19.2.1可控整流電路

1.單相半波可控整流電路(1)電阻性負(fù)載

u

<0時(shí)：若uG=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時(shí):晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uO=0,uT=u，故稱可控整流。控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，uuoRL+–+uT+––TiotOtO接電阻負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1tOt22tO導(dǎo)通角整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓UO。(2)電感性負(fù)載與續(xù)流二極管

當(dāng)電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔?。uuOR+–+uT+––T?LeL?在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。u>0時(shí)：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時(shí)：

D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uO波形與電阻性負(fù)載相同(見波形圖)。電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)uuOR+–+uT+––LTioDio+–tO工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO22.單相半控橋式整流電路(1)電路(2)工作原理T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b電壓u為正半周時(shí)：此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuOD1D2au+–btOttOtO(3)工作波形2(4)輸出電壓及電流的平均值兩種常用可控整流電路電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2.晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4uORLD3+-+-電路特點(diǎn)1.電路接入電感性負(fù)載時(shí)，二極管D1、D2起續(xù)流作用。2.由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號。(2)T1T2D1D2uuORL+-+-19.2.2晶閘管的保護(hù)

晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點(diǎn)。

晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部斷爐或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞；

晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。1.晶閘管的過流保護(hù)(1)快速熔斷器保護(hù)電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時(shí)，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。與晶閘管串聯(lián)接在輸入端接在輸出端快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。~(2)過流繼電器保護(hù)(3)過流截止保護(hù)在輸出端(直流輸)或輸入端(交流側(cè))接入過電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過流故障時(shí)，繼電器動作，使電路自動切斷。在交流側(cè)設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時(shí)，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。~RLCR(2)硒碓保護(hù)2.晶閘管的過壓保護(hù)(1)阻容保護(hù)

利用電容吸收過壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。硒碓保護(hù)(硒整流片)CRRCRC晶閘管元件的阻容保護(hù)19.2.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管B2第二基極B1N歐姆接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a)示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(b)符號(1)結(jié)構(gòu)B2EB1(2)工作原理UE<

UBB+UD=UP時(shí)PN結(jié)反偏，IE很??；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。UE

UP時(shí)

–分壓比(0.5~0.9)UP

–峰點(diǎn)電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路測量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路由圖可求得RERB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1RE(3)單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點(diǎn)電壓、電流):維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點(diǎn)電壓)：

單結(jié)管由截止變導(dǎo)通

所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點(diǎn)電壓UV谷點(diǎn)電壓V負(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻-負(fù)阻區(qū)。P(1)UE<UP時(shí)單結(jié)管截止；UE>UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時(shí)恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(diǎn)(2)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關(guān)，峰點(diǎn)電壓UP或分壓比不同，則峰值電壓UP不同。(3)不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV都比一樣。谷點(diǎn)電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。B2EB12.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路(1)振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(jié)管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路。ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F(2)振蕩過程分析設(shè)通電前uC=0。接通電源U,電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。當(dāng)uC

UP時(shí),單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUVUp-UDuCtugt電容放電至uC

Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使uO0。ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。uCttuOuPuV(b)電壓波形主電路觸發(fā)電路(3)單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+1)整流削波U2M削波UZU2MtOtt整流Ru2+–+–uO+–uZ2)觸發(fā)電路UZUP-UDR1R2RPCuC+Rug+uZ+ttttUVUpRLT1D1D2T2uL+3)輸出電壓uL問題討論1.單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個變壓器上？

目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過零(即兩者同步)，使電容在每半個周期均從零開始充電，從而保證每半個周期的第一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。2.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？

穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。3.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個起作用？如何改變控制角？根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個周期中只有第一個觸發(fā)脈沖起作用。改變充電時(shí)間常數(shù)即可改變控制角?？刂平亲兓姆秶Q為移相范圍。4.電壓的調(diào)節(jié)R

電容充電速度變慢uL3.應(yīng)用舉例(1)電瓶充電機(jī)電路該電瓶充電機(jī)電路使用元件較少，線路簡單，具有過充電保護(hù)、短路保護(hù)和電瓶短接保護(hù)。TR1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1R1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1工作原理當(dāng)待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)電路獲得所需電源電壓開始工作。R2、RP、

C、T1、R3、R4

構(gòu)成了單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。

當(dāng)電瓶電壓充到一定數(shù)值時(shí)，使得單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP大于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結(jié)晶體管不能導(dǎo)通，觸發(fā)電路不再產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，充電機(jī)停止充電。R1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1R1~AVR2R4R3RPDDZC+_待充電瓶T1

觸發(fā)電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來完成的。交流電壓過零變正后D截止，電瓶電壓通過R2、RP向C充電。改變RP之值，可設(shè)定電瓶的初始充電電流。

交流電壓過零變負(fù)后，電容通過D和R1迅速放電。19.3逆變電路能夠?qū)崿F(xiàn)DC-AC變換的電路稱為逆變電路。逆變器UDDCuO

,fOAC整流器u

,fAC變頻電路的輸入與輸出均為交流，電路的輸出電壓uO的幅值和頻率fO可單獨(dú)或同時(shí)調(diào)節(jié)。變頻電路變頻器一般用作電源，用于交流調(diào)速、感應(yīng)加熱、焊接、不間斷電源及直流輸電等。逆變器可采用不同的電力電子器件，本章只介紹可關(guān)斷晶閘管逆變電路。19.3.1電壓型單相橋式逆變電路T1D1T4T3T2D4D3D2+-uoio++-UDC1.電路2.工作原理令晶閘管T1、T3和T2、T4輪流導(dǎo)通。

3.uO的波形touOUD二極管的作用:

T2T4導(dǎo)通T1T3導(dǎo)通當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，因電流io滯后于電壓uO，二極管可在晶閘管切換導(dǎo)通時(shí)將電感的儲能反饋給電源，故稱為反饋二極管。

改變晶閘管切換導(dǎo)通的時(shí)間即可改變輸出電壓的頻率fO。

19.3.2電壓型三相橋式逆變電路1.電路2.工作原理晶閘管T1~T6每隔60°依次觸發(fā)導(dǎo)通，每管導(dǎo)通180°，每一60°區(qū)間有三個晶閘管導(dǎo)通。

同一臂上的兩個晶閘管不能同時(shí)導(dǎo)通。T1D1T4T5T3D4D5D3++-UDCT6D6T2D2U1V1W1+u2-+u1-+u3-三相負(fù)載逆變電路晶閘管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通次序?qū)▍^(qū)間0~60°60~120°120~180°180~240°240~300°300~360°

晶