第10章 半控型電力電子器件及其應(yīng)用

第十章半控型電力電子器件及其應(yīng)用

第一節(jié)晶閘管第二節(jié)單相可控整流電路第三節(jié)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路第四節(jié)三相可控整流電路第五節(jié)雙向晶閘管及應(yīng)用返回主目錄第一節(jié)晶閘管

晶閘管原稱可控硅。它是一種較理想的大功率變流器件。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理1．晶閘管的結(jié)構(gòu)大功率晶閘管的外形結(jié)構(gòu)有螺栓式和平板式兩種，晶閘管的外形和圖形符號(hào)如圖10-1所示。三個(gè)電極：陽(yáng)極A，陰極K和門極G。四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）元件。等效電路1：三個(gè)PN結(jié)串聯(lián)等效，如圖10-2b所示。等效電路2：晶體管互補(bǔ)電路等效，如圖10-2c所示。三個(gè)PN結(jié)：。如圖10-2所示。

圖10-1晶閘管的外型和符號(hào)塑封式螺栓式平板式圖10-2晶閘管的內(nèi)部芯片及等效電路芯片原理結(jié)構(gòu)PN結(jié)等效電路互補(bǔ)晶體管等效電路2．晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件實(shí)驗(yàn)電路如10-3所示

a)圖10-3晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極接電源正極，門極開路，燈不亮

b）圖10-3晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)陽(yáng)極接電源正極，門極接正電壓，燈亮

c）圖10-3晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)導(dǎo)通后斷開門極，燈仍亮實(shí)驗(yàn)總結(jié)：1）不加門極電壓，即使陽(yáng)極加正電壓，管子也不能導(dǎo)通。2）只有在陽(yáng)極加正電壓，同時(shí)門極也加正電壓，管子才導(dǎo)通。3）一旦晶閘管導(dǎo)通，門極將失去作用。結(jié)論：晶閘管的導(dǎo)通條件：陽(yáng)極加正電壓，同時(shí)門極也加正電壓。晶閘管的關(guān)斷條件是：正向陽(yáng)極電壓降低到一定值（或者在晶閘管陽(yáng)、陰極間施加反向電壓）使流過晶閘管的電流小于維持電流。3．晶閘管的工作原理瞬時(shí)使互補(bǔ)晶體管達(dá)到飽和導(dǎo)通，即晶閘管由正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)；3）當(dāng)管子一旦導(dǎo)通，如斷開S，晶閘管仍能繼續(xù)導(dǎo)通的原因是強(qiáng)烈的正反饋電流取代了的作用。晶閘管的工作原理如圖10-4所示。原理分析：1）陽(yáng)極加正向電壓，使互補(bǔ)晶體管有正確接法的工作電源；

2）開關(guān)S閉合，給N1P2N2型晶體管的基極輸入電流，經(jīng)過強(qiáng)烈的正反饋即強(qiáng)烈正反饋圖10-4晶閘管的工作原理二、晶閘管的伏安特性晶閘管的正向伏安特性如圖10-5右側(cè)所示。正向阻斷：時(shí)，結(jié)處于反向偏置，管子只有很小的正向漏電流。硬導(dǎo)通：時(shí)，結(jié)被擊穿，電流突然上升，管子由阻斷狀態(tài)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)，管子導(dǎo)通是不可控的，多次硬導(dǎo)通會(huì)損壞管子。正向?qū)ǎ洪T極有適當(dāng)?shù)牧魅耄构茏诱驅(qū)?。反向阻斷：結(jié)反偏，晶閘管只流過很小的反向電流。反向擊穿：當(dāng)反向電壓增大到反向擊穿電壓時(shí)，結(jié)被擊穿，管子反向?qū)?，此時(shí)功耗很大，可能損壞。晶閘管的反向伏安特性如圖10-5左側(cè)所示。圖10-5晶閘管的伏安特性

—正向轉(zhuǎn)折電壓

—斷態(tài)正向不重復(fù)峰值電壓

—斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓

—反向擊穿電壓

—斷態(tài)反向不重復(fù)峰值電壓

—斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓三、晶閘管的主要參數(shù)1．電壓定額（1）斷態(tài)正向重復(fù)峰值電壓和反向重復(fù)峰值電壓（）是門極開路而元件的結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在元件上的正（反）向峰值電壓。（10-1）（3）額定電壓指元件的標(biāo)稱電壓。選用公式為式中，是晶閘管正常工作時(shí)陽(yáng)極電壓的峰值電壓（V）。（2）通態(tài)平均電壓晶閘管導(dǎo)通時(shí)管壓降的平均值，一般在0.4~1.2V之間，管壓降愈小，元件功耗愈小。2．電流定額（10-2）（1）額定電流（元件的額定通態(tài)平均電流）指晶閘管在規(guī)定的環(huán)境溫度及散熱條件下，允許通過的正弦半波電流的平均值。選用公式為式中，是可控整流電路輸出電流平均值的最大值（A）；K是計(jì)算系數(shù)，見表10-1。（2）維持電流在室溫和門極開路時(shí)，晶閘管從通態(tài)到斷態(tài)的最小電流，稱為維持電流。當(dāng)＜時(shí)，管子關(guān)斷。（3）擎住電流

晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)，去掉門極電壓，并使其保持導(dǎo)通所需的最小電流。3．門極定額（2）門極反向峰值電壓

一般門極所加反向電壓應(yīng)小于其允許電壓峰值，通常安全電壓為5V左右。（1）門極觸發(fā)電壓和電流是指在室溫下，晶閘管施加6V正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必須的最小門極電流。對(duì)應(yīng)于的門極電壓，稱為門極觸發(fā)電壓。KP□—□□∣∣∣∟通態(tài)平均電壓組別，（小于100A可不標(biāo)）∣∣∣∟額定電壓等級(jí)（如100V為1級(jí)，700V為7級(jí)等）∣∣∟額定電流系列∣∟表示普通型（K-快速型，S-雙向型，N-逆導(dǎo)型）∟表示晶閘管普通晶閘管型號(hào)命名含義如下：1）選擇晶閘管的額定電壓、額定電流時(shí)，應(yīng)留有足夠的安全余量。2）要有過電壓、過電流保護(hù)措施。3）嚴(yán)格按規(guī)定散熱。4)嚴(yán)禁用兆歐表檢查晶閘管的絕緣情況。四、晶閘管的測(cè)試與使用1．萬(wàn)用表測(cè)試法根據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ娦裕萌f(wàn)用表歐姆檔測(cè)試晶閘管三個(gè)電極之間的電阻，就可初步判斷管子的好壞。好的管子，陽(yáng)極與陰極之間的電阻很大（接近無(wú)窮大），門極與陰極之間的電阻應(yīng)小于或接近于其反向電阻。2．晶閘管的使用注意事項(xiàng)圖10-6可控整流裝置原理框圖第二節(jié)

單相可控整流電路整流變壓器

同步變壓器圖10-7一、單相半波可控整流電路1.電路組成及工作原理當(dāng)＞0，晶閘管承受正壓，=0時(shí)，晶閘管不導(dǎo)通，=0；

t1時(shí)刻給門極加入一個(gè)適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電壓，則晶閘管導(dǎo)通，

=0時(shí)，流過晶閘管的電流小于維持電流，晶閘管關(guān)斷＜0時(shí)，晶閘管承受反壓，保持關(guān)斷。只要晶閘管不導(dǎo)通，=0

觸發(fā)延遲角（亦稱移相角）:從晶閘管承受正向電壓到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)所經(jīng)歷的電角度。導(dǎo)通角：晶閘管在一周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度

的變化范圍為0～π，且

由圖10-7得2．各電量的計(jì)算（10-3）

（10-4）

（2）晶閘管兩端承受的最大正反向電壓

（1）輸出平均電壓和平均電流

由圖10-7得（10-5）

圖10-8二、單相半控橋可控整流電路1．電阻性負(fù)載

VD1、VD2的工作情況：當(dāng)＞0時(shí)，

VD1正偏導(dǎo)通，VD2反偏截止，所以，將流過很小的反向截止電流；當(dāng)＜0時(shí)，

VD2正偏導(dǎo)通，VD1反偏截止。結(jié)論：VD1、VD2的工作狀態(tài)只與電源有關(guān)，而與VT1、VT2的工作狀態(tài)無(wú)關(guān)。VT1、VT2的工作情況：當(dāng)＞0時(shí)，VD1導(dǎo)通，VT1、VT2同時(shí)加入觸發(fā)電壓時(shí)，VT1導(dǎo)通，當(dāng)＜0時(shí)，

VD2導(dǎo)通，VT1、VT2同時(shí)加入觸發(fā)電壓時(shí)，VT2導(dǎo)通，

2.接續(xù)流管的大電感負(fù)載圖10-9電路分析1）電路本身有續(xù)流作用2）電路的失控現(xiàn)象在直流側(cè)并聯(lián)續(xù)流二極管VD當(dāng)電路不接VD時(shí)，由于電感有儲(chǔ)能，晶閘管VT1導(dǎo)通后，在電源電壓過零時(shí)不會(huì)被關(guān)斷，VD2導(dǎo)通后，輸出電壓為零這就是電路本身的續(xù)流作用。VT1管只有VT2導(dǎo)通后才會(huì)因承受反壓而關(guān)斷。所以，晶閘管的導(dǎo)通角為180o。而二極管VD總是在電源電壓過零時(shí)關(guān)斷和導(dǎo)通，導(dǎo)通角也為180o。當(dāng)突然把觸發(fā)延遲角增大到180o以上或突然切斷觸發(fā)電路時(shí)，會(huì)發(fā)生正在導(dǎo)通的晶閘管一直導(dǎo)通，兩個(gè)二極管仍輪流導(dǎo)通的現(xiàn)象。此時(shí)觸發(fā)信號(hào)對(duì)輸出電壓失去了控制作用，我們把這種現(xiàn)象稱為失控。電路波形圖10-9電路分析3）防止失控的方法由圖10-8、圖10-9得3．各電量的計(jì)算（10-6）

（10-7）

（1）輸出平均電壓和平均電流

（2）晶閘管、二極管兩端承受的最大正反向電壓、

由圖10-8、圖10-9得某單相半控橋整流電路如圖10-9。，，試求時(shí)的、、，并選擇晶閘管的型號(hào)。（1）

（2）晶閘管的選擇

據(jù)式（10-1）

據(jù)晶閘管的系列值，選700V的晶閘管。例10-1解選擇晶閘管電流時(shí)，應(yīng)考慮在時(shí)，最大據(jù)式（10-2）

取K=0.5，故根據(jù)晶閘管的電流系列值，選擇30A的晶閘管即可。故應(yīng)選兩只型號(hào)為KP30—7的晶閘管。圖10-10第三節(jié)

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管簡(jiǎn)介外形內(nèi)部等效圖圖形符號(hào)第一基極第二基極發(fā)射極二、單結(jié)晶體管的伏安特性圖10-111.截至區(qū)2.負(fù)阻區(qū)3.飽和區(qū)閾值電壓

設(shè)，當(dāng)＜時(shí)，單結(jié)晶體管截止。當(dāng)時(shí)，單結(jié)晶體管就由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。分壓比η常選0.5～0.8

為負(fù)值谷點(diǎn)V峰點(diǎn)P當(dāng)減小到最小值，再增大發(fā)射極電流，單結(jié)晶體管進(jìn)入飽和。結(jié)論：＜時(shí)，單結(jié)晶體管截止?！?/p>

時(shí)，單結(jié)晶體管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。圖10-12三、單結(jié)晶體管的自勵(lì)振蕩電路當(dāng)＜時(shí)，單結(jié)晶體管截止，電容C充電當(dāng)＞時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，電容C放電調(diào)節(jié)R值，可改變振蕩頻率。當(dāng)＜時(shí)，單結(jié)晶體管截止，電容C又充電四、同步電壓為梯形波的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路圖10-131．梯形波同步電壓形成環(huán)節(jié)(1)同步環(huán)節(jié)(2)削波2．觸發(fā)脈沖移相環(huán)節(jié)3．觸發(fā)脈沖形成及輸出環(huán)節(jié)

(1)同步環(huán)節(jié)

由主變壓器TR和同步變壓器TS完成主電路與觸發(fā)電路的同步，以保證每半個(gè)周期都具有相同的移相角，使輸出電壓平穩(wěn)。1．梯形波同步電壓形成環(huán)節(jié)(圖10-13區(qū)間①)(2)削波的目的：①擴(kuò)大移相范圍；②使不同時(shí)脈沖幅值相等。2．觸發(fā)脈沖移相環(huán)節(jié)(圖10-13區(qū)間②)3．觸發(fā)脈沖形成及輸出環(huán)節(jié)(圖10-13區(qū)間③)當(dāng)增大的阻值時(shí)，電容Ｃ的充電時(shí)間常數(shù)隨之增大，移相角增大；反之，使減小。該環(huán)節(jié)由單結(jié)晶體管和輸出負(fù)載電阻等組成。第四節(jié)三相可控整流電路一、三相半波可控整流電路1.三相半波不可控整流電路2.三相半波可控整流電路二、三相全控橋整流電路1.三相全控橋的工作原理2.對(duì)觸發(fā)電路的要求3.不同控制角時(shí)的波形4.輸出電壓與輸出電流的計(jì)算三相電壓介紹U1V1W1UVW一次側(cè)△形接法二次側(cè)Y形接法VWU三相電壓波形ωtu2一、三相半波可控整流電路VD1、VD2、VD3共陰極接法，陽(yáng)極電位高者先導(dǎo)通圖10-151.三相半波不可控整流電路正半周相鄰波形的交點(diǎn)，定義為

自然換相點(diǎn)電力二極管的導(dǎo)通條件：陽(yáng)極電位高于陰極電位2、三相半波可控整流電路自然換相點(diǎn)，定義為

=0°（1）阻性負(fù)載移相范圍0～150°U1V1W1UVWVT1VT2VT3Rd波形圖10-16三相半波電阻性負(fù)載的波形（2）感性負(fù)載圖10-17三相半波大電感負(fù)載不接續(xù)流二極管的電路與波形1）不接續(xù)流二極管原理工作原理晶閘管關(guān)斷的方法：①電壓過零時(shí)自然關(guān)斷。②加反偏電壓關(guān)斷。當(dāng)觸發(fā)延遲角≤時(shí)，波形與電阻性負(fù)載一樣，但波形是一條平穩(wěn)的直線。當(dāng)觸發(fā)延遲角＞時(shí)，電阻性負(fù)載，均是電壓過零自然關(guān)斷，而在大電感不加續(xù)流二極管時(shí)，晶閘管的關(guān)斷是要靠加反偏電壓才能使晶閘管關(guān)斷。這是因?yàn)殡姼惺莾?chǔ)能元件，電感中電流的變化總是滯后于電壓的變化。如VT1正在導(dǎo)通，當(dāng)＞0時(shí)，電感儲(chǔ)能，其兩端電壓上正下負(fù)；當(dāng)時(shí)，VT1中的電流還不為零，電感由負(fù)載變成了電源，其兩端下正上負(fù)的感應(yīng)電壓使VT1繼續(xù)正偏導(dǎo)通，直到VT3的觸發(fā)脈沖到來，使VT3導(dǎo)通，一旦VT3導(dǎo)通，VT1就會(huì)因承受反偏電壓而關(guān)斷。所以，，波形出現(xiàn)了負(fù)值。電路波形VT1VT2VT3RdLd三相半波感性負(fù)載移相范圍0～90°（2）感性負(fù)載2）接續(xù)流二極管接續(xù)流二極管的大電感負(fù)載和電阻性負(fù)載的波形完全相同，而電流的波形是一條直線。因?yàn)榇箅姼挟a(chǎn)生的感應(yīng)電壓使續(xù)流二極管VD正偏導(dǎo)通，VD的導(dǎo)通，一方面給大電感電流提供了繼續(xù)流通的路徑——續(xù)流，另一方面，使VT承受零壓而關(guān)斷。圖10-18三相半波大電感負(fù)載接續(xù)流二極管的電路與波形（3）含有反電動(dòng)勢(shì)的大電感負(fù)載圖10-19三相半波反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載可控整流電路（3）含有反電動(dòng)勢(shì)的大電感負(fù)載圖10-19三相半波反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載可控整流電路≤≤時(shí)，波形不連續(xù)，＜；電阻性負(fù)載或加續(xù)流管的大電感負(fù)載，導(dǎo)通角其他情況，波形連續(xù)1）輸出平均電壓和平均電流（4）各電量計(jì)算輸出平均電壓的計(jì)算波形連續(xù)，波形不連續(xù)，＜（4）各電量計(jì)算2）晶閘管兩端承受的最大正反向電壓＝0VT1導(dǎo)通VT2導(dǎo)通VT3導(dǎo)通例10-2解已知三相半波可控整流電路大電感負(fù)載，電感內(nèi)阻為，直接由220V交流電源供電，試求時(shí)，不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況時(shí)輸出平均電壓和平均電流。（1）

不接續(xù)流管時(shí)，據(jù)圖10-17可知，此時(shí)電壓波形連續(xù)例10-2解已知三相半波可控整流電路大電感負(fù)載，電感內(nèi)阻為，直接由220V交流電源供電，試求時(shí)，不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況時(shí)輸出平均電壓和平均電流。不接續(xù)流管時(shí)根據(jù)圖10-17可知，此時(shí)（2）

接續(xù)流管時(shí)，據(jù)圖10-18可知，此時(shí)電壓波形不連續(xù)二、三相橋式全控整流電路圖10-20二、三相橋式全控整流電路圖10-201.三相全控橋的工作原理二、三相橋式全控整流電路2.對(duì)觸發(fā)電路的要求三相全控橋的特點(diǎn)：任何時(shí)刻都必須有兩晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，且一只在共陰極組，另一只在共陽(yáng)極組。對(duì)觸發(fā)電路的要求兩組中應(yīng)導(dǎo)通的兩只晶閘管同時(shí)加觸發(fā)脈沖圖10-21VT1、VT6導(dǎo)通,VT1、VT2導(dǎo)通,VT3、VT2導(dǎo)通,電路3.不同觸發(fā)延遲角時(shí)的波形二、三相橋式全控整流電路圖10-224.輸出電壓與輸出電流的計(jì)算1)直流平均電壓由于是大電感負(fù)載，在≤≤范圍內(nèi)，負(fù)載電流是連續(xù)的，且晶閘管的導(dǎo)通角為，輸出電壓波形連續(xù)，所以的直流平均電壓為（10-13）式中，是整流變壓器TR的二次側(cè)相電壓有效值。2)直流平均電流式中，E是直流電動(dòng)機(jī)電樞反電動(dòng)勢(shì)；是電樞回路總電阻。二、三相橋式全控整流電路參考波形移相范圍0～90°第五節(jié)雙向晶閘管及其應(yīng)用

一、雙向晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和伏安特性二、雙向觸發(fā)二極管組成的觸發(fā)電路三、單相交流調(diào)壓

返回主目錄一、雙向晶閘管基本結(jié)構(gòu)與伏安特性

雙向晶閘管從外觀上看，和普通晶閘管一樣，有小功率塑封型、大功率螺栓型和特大功率平板型。一般調(diào)光臺(tái)燈、吊扇無(wú)級(jí)調(diào)速等多采用塑封型。外部結(jié)構(gòu)1.基本結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)圖