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文檔簡介
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如圖10-1所示。三個電極:陽極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PN結(jié):。如圖10-2所示。
圖10-1晶閘管的外型和符號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,即使陽極加正電壓,管子也不能導(dǎo)通。2)只有在陽極加正電壓,同時門極也加正電壓,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:陽極加正電壓,同時門極也加正電壓。晶閘管的關(guān)斷條件是:正向陽極電壓降低到一定值(或者在晶閘管陽、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,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,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,結(jié)被擊穿,管子反向?qū)ǎ藭r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,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陽極電壓的峰值電壓(V)。(2)通態(tài)平均電壓晶閘管導(dǎo)通時管壓降的平均值,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是計算系數(shù),見表10-1。(2)維持電流在室溫和門極開路時,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,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正向陽極電壓時,使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必須的最小門極電流。對應(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(如100V為1級,700V為7級等)∣∣∟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命名含義如下:1)選擇晶閘管的額定電壓、額定電流時,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、晶閘管的測試與使用1.萬用表測試法根據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ娦裕萌f用表歐姆檔測試晶閘管三個電極之間的電阻,就可初步判斷管子的好壞。好的管子,陽極與陰極之間的電阻很大(接近無窮大),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,晶閘管不導(dǎo)通,=0;
t1時刻給門極加入一個適當(dāng)?shù)挠|發(fā)電壓,則晶閘管導(dǎo)通,
=0時,流過晶閘管的電流小于維持電流,晶閘管關(guān)斷<0時,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,
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,
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)無關(guān)。VT1、VT2的工作情況:當(dāng)>0時,VD1導(dǎo)通,VT1、VT2同時加入觸發(fā)電壓時,VT1導(dǎo)通,當(dāng)<0時,
VD2導(dǎo)通,VT1、VT2同時加入觸發(fā)電壓時,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,由于電感有儲能,晶閘管VT1導(dǎo)通后,在電源電壓過零時不會被關(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,會發(fā)生正在導(dǎo)通的晶閘管一直導(dǎo)通,兩個二極管仍輪流導(dǎo)通的現(xiàn)象。此時觸發(fā)信號對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。,,試求時的、、,并選擇晶閘管的型號。(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,應(yīng)考慮在時,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)晶體管簡介外形內(nèi)部等效圖圖形符號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,單結(jié)晶體管截止。當(dāng)時,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,單結(jié)晶體管截止。≥
時,單結(jié)晶體管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。圖10-12三、單結(jié)晶體管的自勵振蕩電路當(dāng)<時,單結(jié)晶體管截止,電容C充電當(dāng)>時,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,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,電容C的充電時間常數(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.對觸發(fā)電路的要求3.不同控制角時的波形4.輸出電壓與輸出電流的計算三相電壓介紹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電壓過零時自然關(guān)斷。②加反偏電壓關(guān)斷。當(dāng)觸發(fā)延遲角≤時,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,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,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δ茉?,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,電感儲能,其兩端電壓上正下負(fù);當(dāng)時,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)含有反電動勢的大電感負(fù)載圖10-19三相半波反電動勢負(fù)載可控整流電路(3)含有反電動勢的大電感負(fù)載圖10-19三相半波反電動勢負(fù)載可控整流電路≤≤時,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)各電量計算輸出平均電壓的計算波形連續(xù),波形不連續(xù),<(4)各電量計算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,不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況時輸出平均電壓和平均電流。(1)
不接續(xù)流管時,據(jù)圖10-17可知,此時電壓波形連續(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,不接續(xù)流管與接續(xù)流管兩種情況時輸出平均電壓和平均電流。不接續(xù)流管時根據(jù)圖10-17可知,此時(2)
接續(xù)流管時,據(jù)圖10-18可知,此時電壓波形不連續(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.對觸發(fā)電路的要求三相全控橋的特點(diǎn):任何時刻都必須有兩晶閘管同時導(dǎo)通,且一只在共陰極組,另一只在共陽極組。對觸發(fā)電路的要求兩組中應(yīng)導(dǎo)通的兩只晶閘管同時加觸發(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是直流電動機(jī)電樞反電動勢;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)光臺燈、吊扇無級調(diào)速等多采用塑封型。外部結(jié)構(gòu)1.基本結(jié)構(gòu)圖形符號圖
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