電子技術(shù)新第5章現(xiàn)代電力電子技術(shù)課件

第5章現(xiàn)代電力電子電路第5章晶閘管電路第1節(jié) 功率電子器件第2節(jié) 可控橋式整流電路第3節(jié) 晶閘管觸發(fā)電路第4節(jié) 調(diào)壓、變頻、逆變和斬波技術(shù)第5節(jié) 功率電子器件的保護(hù)電路第6節(jié) 晶閘管交流開(kāi)關(guān)電路實(shí)例第5章重點(diǎn)晶閘管工作原理單相可控整流電路別名：可控硅（SCR)

（SiliconControlledRectifier）

是一種大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于70年代。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。 體積小、重量輕、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。

特點(diǎn)第1節(jié)功率電子器件一、基本結(jié)構(gòu)A（陽(yáng)極）P1P2N1三個(gè)

PN結(jié)N2四層半導(dǎo)

體K（陰極）G（控制極）第節(jié)晶閘管符號(hào)AKGPPNNNPAGK二、工作原理結(jié)構(gòu)示意圖GKP1P2N1N2AAAPPNNNPGK工作原理分析IG?IG??IGKAGV1V2IG?IG??IGKAGV1V2工作原理分析2、UGK>0且UAK>0時(shí)（正向電壓），V1導(dǎo)通V2導(dǎo)通V1進(jìn)一步導(dǎo)通，形成正反饋晶閘管迅速導(dǎo)通。IB1=IGIC1=IG=IB2IC2=IB2=

IG=IB1維持電流IC2=IGIG?IG??IGKAGV1V2A3、UGK<0時(shí)，UAK>0或UAK<0，均不能導(dǎo)通。GKP1P2N1N2AJ1J2J3工作原理分析導(dǎo)通條件（導(dǎo)通狀態(tài)）：1、陽(yáng)極與陰極間加正向電壓；2、控制極與陰極間加正向觸發(fā)電壓；3、陽(yáng)極電流不小于維持電流。截止條件（阻斷狀態(tài)）：1、晶閘管開(kāi)始工作時(shí)，UAK加反向電壓，或不加觸發(fā)信號(hào)（即UGK=0）；2、晶閘管正向?qū)ê?，令其截止，必須減小UAK，或加大回路電阻，使晶閘管中電流的正反饋效應(yīng)不能維持。三、特性與參數(shù)1、特性UIURSMUFSMURRMIHUFRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1>>正向反向UFRM：正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。（晶閘管耐壓值。一般取UFRM=80%UFSM。普通晶閘管UFRM為100V~3000V）URRM：反向重復(fù)峰值電壓。（控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)作用在晶閘管上的反向重復(fù)電壓。一般取URRM=80%URSM。普通晶閘管URRM為100V~3000V）IF：額定通態(tài)平均電流。（環(huán)境溫度為40OC時(shí),在電阻性負(fù)載、單相工頻正弦半波、導(dǎo)電角不小于170o的電路中，晶閘管允許的最大通態(tài)平均電流。普通晶閘管IF為1A~1000A。）2、主要參數(shù)UD:

額定電壓。

URRM

與UFRM中較小的一個(gè)。IF含義說(shuō)明it2IFIH：維持電流。(在室溫下，控制極開(kāi)路、晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般為幾十到一百多毫安。）UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流。（在室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流。一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。）晶閘管電壓、電流級(jí)別額定通態(tài)電流（IF）通用系列為1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14種規(guī)格。額定電壓（UD）通用系列為：1000V以下的每100V為一級(jí)，1000V到3000V的每200V為一級(jí)。通態(tài)平均電壓（UF）等級(jí)一般用A~I字母表示，由0.4~1.2V每0.1V為一級(jí)。四、特殊晶閘管1、可關(guān)斷晶閘管（GTO-GataTurnOffthyristor）

可關(guān)斷晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通與普通晶閘管相同。不同之處在于：普通晶閘管的關(guān)斷不能控制，只能靠減小陽(yáng)極電壓或工作電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。普通晶閘管屬半控器件；而可關(guān)斷晶閘管可在控制極上加負(fù)觸發(fā)信號(hào)將其關(guān)斷，因此它屬全控器件。

2、雙向晶閘管

特點(diǎn)：相當(dāng)于兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個(gè)控制極。

A2A1G符號(hào)PNNNNNPGA2A1結(jié)構(gòu)3、逆導(dǎo)晶閘管

特點(diǎn)：相當(dāng)于一個(gè)晶閘管與一個(gè)二極管反向并聯(lián)。正向特性相當(dāng)于晶閘管，反向特性相當(dāng)于二極管。

AKGAKG符號(hào)等效電路4、快速晶閘管

特點(diǎn)：開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間短。適于高頻場(chǎng)合。工作波形tu2tuGtuLtuT（2）：控制角：導(dǎo)通角輸出電壓及電流的平均值Uo=Io=（3）晶閘管的選擇器件的損壞，取決于電流的熱效應(yīng)，而熱效應(yīng)與電流的有效值相關(guān)。因此電路設(shè)計(jì)中，晶閘管電流的選擇，必須依據(jù)電流的有效值，而不能依據(jù)平均值（IF）。電流波形為正弦半波的情況下，有效值與平均值的區(qū)別計(jì)算如下：（4）電流的選擇晶閘管電流選擇步驟計(jì)算給定下的通態(tài)電流平均值IT查表（或計(jì)算）相應(yīng)的電流有效值ItIT’K（K為保險(xiǎn)系數(shù)）計(jì)算

It對(duì)應(yīng)的正弦半波電流平均值IT’

(IT’=)選晶閘管的額定值×晶閘管電壓選擇步驟根據(jù)電源電壓的峰值（U2M）,計(jì)算正、反向重復(fù)峰值電壓。一般取：UFRM

=URRM=（1.5~2）U2M其中1.5~2為安全系數(shù)根據(jù)UFRM、URRM選取晶閘管電壓的額定值計(jì)算舉例設(shè)則（V）=37.2V2、電感性負(fù)載（1）電路及工作原理設(shè)u1為正弦波

u2正半周時(shí)晶閘管導(dǎo)通，u2過(guò)零后，由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一定時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩稱(chēng)為續(xù)流二極管,加入V的目的就是消除反電動(dòng)勢(shì)的影響。VAuLGuTRu1u2KL（2）工作波形（不加續(xù)流二極管）tu2tuGtuLtuT工作波形（加續(xù)流二極管后）tu2tuGtuTuLtiLT（3）電壓與電流的計(jì)算（加入續(xù)流二極管后的情況）ULT=ILT負(fù)載中的電壓及電流當(dāng)L>>R時(shí)，ILT在整個(gè)周期中可近似看做直流。IT=晶閘管的中電流IT=平均值:有效值:晶閘管的選擇晶閘管電壓>（1.5~2）U2M晶閘管電流>（1.5）×二、單相橋式半控整流電路1、電阻性負(fù)載橋式可控整流電路（1）電路及工作原理u2>0的導(dǎo)通路徑：u2

(A)V1RLV4u2

(B)V1、V2--晶閘管V3、V4--晶體管V1V2V3V4RLuLu2AB+-V2RLV3u2

(A)u2

(B)u2<0的導(dǎo)通路徑：V1、V2--晶閘管V3、V4–二極管V1V2V3V4RLuLu2AB+-（2）工作波形tu2tuGtuLtuT1輸出電壓及電流的平均值ULT=ILT=（3）2、電感性負(fù)載橋式可控整流電路該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負(fù)載上的電流、電壓和電阻性負(fù)載類(lèi)似，請(qǐng)自行分析。u2V1V2V3V4VuLRL兩種常用可控整流電路的特點(diǎn)（1）電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無(wú)反向電壓。晶閘管和負(fù)載上的電流相同。u2VV2V1V4uLRLV3（2）電路特點(diǎn)該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，V2、V4

便起續(xù)流二極管作用。由于V1的陽(yáng)極和V3的陰極相連，兩管控制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。V1V3V2V4u2uLRL思考帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的可控整流電路該電路的工作過(guò)程。畫(huà)出uL、iL的工作波形。V1V2V3V4RuLu2E+-觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖須滿足下列要求：1、足夠的功率；2、一定的寬度；3、與主電路同步；4、一定的移相范圍。第3節(jié)晶閘管觸發(fā)電路產(chǎn)生的方式：1、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路；2、集成觸發(fā)電路。一、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路等效電路EB2B1RB2RB1管內(nèi)基極體電阻E（發(fā)射極）B2（第二基極）B1（第一基極）NPPN結(jié)EB2B1基本結(jié)構(gòu)符號(hào)1、單結(jié)晶體管工作原理UAUE

<

UA+UEA=UP時(shí)PN結(jié)反偏，IE很?。籙E

UP時(shí)PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。--分壓比(0.35~0.75)UP--峰點(diǎn)電壓UEA--PN結(jié)正向?qū)▔航礏2ERB1RB2B1AUBBIEUE2單結(jié)晶體管的特性和參數(shù)IEUEUVUPIVUV、IV--谷點(diǎn)電壓、電流（UE<UV時(shí)單結(jié)管截止）負(fù)阻區(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。UP--峰點(diǎn)電壓（UE>UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通）B2ERB1RB2B1AUBBIEUE3、單結(jié)晶體管振蕩電路RR2R1CUucuOEB1ucttuouvup振蕩波形uE=uC<UP時(shí)，單結(jié)管不導(dǎo)通，uo

0。此時(shí)R1上的電流很小，其值為：振蕩過(guò)程分析IR1R1、R2是外加的，不同于內(nèi)部的RB1、RB2。前者一般取幾十歐~幾百歐；RB1+RB2一般為2~15千歐。uOR2R1RCUucE

隨電容的充電，uc逐漸升高。當(dāng)

uC

UP時(shí)，單結(jié)管導(dǎo)通。然后電容放電，R1上便得到一個(gè)脈沖電壓。R2R1RCUucEuOR2起溫度補(bǔ)償作用ucUpUvuoUp-UDUP、UV--峰點(diǎn)、谷點(diǎn)電壓UD--PN結(jié)正向?qū)▔航底⒁猓篟值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。電容放電至ucuv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使

uo0。脈沖寬度的計(jì)算：Tuoucupuvtw振蕩周期的計(jì)算：4、單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路主電路u1V1V2V3V4uLRLu3觸發(fā)電路R1aR2RPCucu2RbcdeV（1）電路波形關(guān)系u2uabU2MU2Mubc削波整流UZ（2）波形關(guān)系（1）au2RbcVUZ波形關(guān)系（2）UZ削波ucbudbUpUvueb電容充、放電UP-UD觸發(fā)脈沖UZR1R2RPCuccdeVb波形關(guān)系（3）uLu3ueb觸發(fā)脈沖輸出電壓u3V1V2V3V4uLRLbe5、晶閘管的保護(hù)

晶閘管的過(guò)流、過(guò)壓能力很差，是它的主要缺點(diǎn)。晶閘管的熱容量很小，一旦過(guò)流，溫度急劇上升，器件被燒壞。例如一只100A的晶閘管過(guò)電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將被燒壞；晶閘管承受過(guò)電壓的能力極差，電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。過(guò)流保護(hù)快速熔斷器：電路中加快速熔斷器;過(guò)流繼電器：在輸出端裝直流過(guò)電流繼電器;過(guò)流截止電路：利用電流反饋減小晶閘管的導(dǎo)通角或停止觸發(fā)，從而切斷過(guò)流電路。保護(hù)措施~接在輸出端接在輸入端和晶閘管串聯(lián)阻容吸收硒整流堆過(guò)壓保護(hù)（利用電容吸收過(guò)壓。即將過(guò)電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中，然后由電阻消耗掉。）（硒堆為非線性元件，過(guò)壓后迅速擊穿，其電阻減小，抑制過(guò)壓沖擊。）CRRCRC硒堆~第4節(jié)調(diào)壓、變頻、逆變和斬波技術(shù)一、交流調(diào)壓觸發(fā)電路u1~u主電路V1V2RLuLu2RRE2R1RST1T2RE1RC1USuG1uG2主電路的兩只晶閘管不共陰極，兩者的控制極必須由兩個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)脈沖觸發(fā)，才能正常工作。因此，觸發(fā)電路中脈沖變壓器的副邊有兩個(gè)線圈，分別為兩只晶閘管提供觸發(fā)信號(hào)。電路特點(diǎn)主電路的兩只晶閘管，分別在交流電源的正負(fù)半周內(nèi)觸發(fā)導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓的目的