電力電子的資料

電力電子的資料第1頁/共63頁本章要求：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)第2頁/共63頁19.1

電力電子器件1.不控器件器件的導(dǎo)通和關(guān)斷無可控功能。如整流二極管(D)。2.半控器件器件的導(dǎo)通可控,但關(guān)斷不可控。如普通晶閘管(T)。3.全控器件器件的導(dǎo)通和關(guān)斷均具可控的功能。如可關(guān)斷晶閘管(GTO)

、功率晶體管(GTR)

、功率場效晶體管(VDMOS)及絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。19.1.1電力電子器件的分類第3頁/共63頁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。第4頁/共63頁19.1.2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?但它的導(dǎo)通時間是可控的，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）第5頁/共63頁陽極

AG控制極(1)基本結(jié)構(gòu)K

陰極G四層半導(dǎo)體

晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(a)結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)及符號三個

PN

結(jié)1.普通晶閘管第6頁/共63頁晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合第7頁/共63頁(1)基本結(jié)構(gòu)1.普通晶閘管晶閘管的構(gòu)造和外形第8頁/共63頁(2)工作原理

在極短時間內(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+_REG_+第9頁/共63頁

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)。EA>0、EG>0形成正反饋過程G(2)工作原理第10頁/共63頁晶閘管導(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。第11頁/共63頁正向特性反向特性URRMUDRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHOUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U(3)伏安特性第12頁/共63頁(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,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|UBR|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)通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。第13頁/共63頁t2OIF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，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。第14頁/共63頁晶閘管型號及其含義導(dǎo)通時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UDRM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。第15頁/共63頁2.雙向晶閘管特點(diǎn)：

相當(dāng)于兩個晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個控制極。

晶閘管雙向觸發(fā)導(dǎo)通。

UA2>UA1時控制極相對于A1加正脈沖，uGA1>0，晶閘管正向?qū)?，電流從A2流向A1。

UA2<UA1時

控制極相對于A1加負(fù)脈沖，uGA1<0，晶閘管反向?qū)?，電流從A1流向A2。(2)工作原理(1)結(jié)構(gòu)符號控制極第二電極TA2GA1第一電極第16頁/共63頁3.可關(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iGiA第17頁/共63頁19.1.3功率晶體管、功率場效晶體管和絕緣柵雙極

晶體管1.功率晶體管2.功率場效晶體管

這種晶體管主要作為功率開關(guān)使用。

這種場效晶體管的漏極電流較大，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。第18頁/共63頁3.絕緣柵雙極型晶體管

這種晶體管綜合了功率晶體管和功率場效晶體管的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的電壓與電流和工作頻率，其關(guān)斷時間可縮短到40ns。第19頁/共63頁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：若uG=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時:晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uO=0,uT=u，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，第20頁/共63頁tO工作原理t12u2<

0時:

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷

加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通tOu2>0時:第21頁/共63頁tOtOtO

接電阻負(fù)載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1t22tO導(dǎo)通角第22頁/共63頁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。第23頁/共63頁(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，晶閘管在一段時間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?/p>

在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，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)。uuOR+–+uT+––TLeL第24頁/共63頁tOtOtO工作波形tOt1t22第25頁/共63頁u>0時：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時：

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)第26頁/共63頁工作波形(加續(xù)流二極管)tOtOtOtOt1t22第27頁/共63頁2.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：此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。第28頁/共63頁T2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為電壓u

為負(fù)半周時：bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。第29頁/共63頁ttOtOtO(3)工作波形2第30頁/共63頁(4)輸出電壓及電流的平均值第31頁/共63頁

例1：有一純電阻負(fù)載，需要可調(diào)的直流電源：電壓UO

=0~180V，電流IO

=0~6A?，F(xiàn)采用單相半控橋式整流電路，試求交流電壓的有效值，并選擇整流元件。

解：設(shè)晶閘管導(dǎo)通角為180(控制角=0)時，UO

=180V，IO

=6A，交流電壓有效值

考慮到電網(wǎng)電壓波動、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了180等因素，交流電壓要比上述計(jì)算值適當(dāng)加大10%左右，可取220V，因此可不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。第32頁/共63頁

為保證晶閘管在出現(xiàn)過電壓時不致?lián)p壞，通常根據(jù)下列選取晶閘管的UDRM和URRM

。

因此，晶閘管可選用KP5—7型,二極管可選用2CZ5/300型。第33頁/共63頁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，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部斷路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，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，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。第34頁/共63頁1.

晶閘管的過電流保護(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)生過電流故障時,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。第35頁/共63頁(2)

過電流繼電器保護(hù)(3)

過電流截止保護(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)生過電流故障時，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)生過電流故障時，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。第36頁/共63頁CR(2)硒碓保護(hù)2.

晶閘管的過電壓保護(hù)(1)阻容保護(hù)

利用電容吸收過電壓。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)CR晶閘管元件的阻容保護(hù)第37頁/共63頁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第38頁/共63頁(2)工作原理UE<

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

UP時

–

分壓比(0.5~0.9)UP

–

峰點(diǎn)電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航档刃щ娐窚y量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路由圖可求得RE第39頁/共63頁(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)晶體管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點(diǎn)電壓)：

單結(jié)晶體管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。IpIVUP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)。PoIEUE第40頁/共63頁(1)UE<UP時單結(jié)晶體管截止；UE>UP時單結(jié)晶體管導(dǎo)通，UE<UV時恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(diǎn)(2)單結(jié)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都不一樣。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。B2EB1第41頁/共63頁2.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)晶體管的負(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。第42頁/共63頁(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,單結(jié)晶體管導(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,單結(jié)晶體管重新關(guān)斷,使ug0。第43頁/共63頁ouCttuOo

注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)晶體管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。uPuV(b)電壓波形第44頁/共63頁主電路觸發(fā)電路(3)

單結(jié)晶體管觸發(fā)的半控橋式整流電路第45頁/共63頁1)整流削波U2M削波UZU2MtOtt整流第46頁/共63頁2)觸發(fā)電路UZUP-UDttttUVUp3)輸出電壓uL第47頁/共63頁問題討論1.單結(jié)晶體管觸發(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波(即削波),使單結(jié)晶體管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上,從而保證單結(jié)晶體管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生第一脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。第48頁/共63頁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uL第49頁/共63頁3.

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)。第50頁/共63頁工作原理

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。第51頁/共63頁

當(dāng)電瓶電壓充到一定數(shù)值時,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。第52頁/共63頁

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。第53頁/共63頁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)或同時調(diào)節(jié)。變頻電路

變頻器一般作電源用，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。第54頁/共63頁19.3.1

電壓型單相橋式逆變電路1.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，因電流io滯后于電壓uO，二極管可在晶閘管切換導(dǎo)通時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)通的時間即可改變輸出電壓的頻率fO。

第55頁/共63頁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導(dǎo)通。三相負(fù)載逆變電路第56頁/共63頁晶閘管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通次序?qū)▍^(qū)間0~60°60