电工学第七版（下）电子技术第19章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,返回,第19章 电力电子技术,19.1 电力电子器件,19.2 可控整流电路,19.3 逆变电路,19.4 交流调压电路,本章要求：,1.了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线,和主要参数；,2.了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压,与电流的波形，了解单结晶闸管及其触发电路；,第19章 电力电子技术,19.1 电力电子器件,(1) 不控器件,器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管(D)。,(2) 半控器件,器件的导通可控,但关断不可控。如普通晶闸管(T)。,(3) 全控器件,器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断晶闸管,(GTO),、功率晶体管,(GTR),、功率场效应晶体管,(VDMOS),及绝缘栅双极晶体管,(IGBT),。,19.1.1 电力电子器件的分类,电力电子器件的符号,电力电子器件的主要性能指标,电压、电流、工作频率。,K,G,A,T,K,A,D,K,G,A,GTO,G,S,D,VDMOS,B,E,C,GTR,G,E,C,IGBT,19.1.1 电力电子器件的分类,19.1.2 晶闸管,晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。,晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。,优点：,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,G,控制极,1. 基本结构,K,阴极,阳极,A,P1,P2,N1,N2,晶闸管具有三个PN结。,(c) 结构,K,G,A,(b) 符号,(a) 外形,四 层 半 导 体,三,个,PN,结,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,P1,P2,N1,N2,K,G,A,P,P,N,N,N,P,A,G,K,+,K,A,T,2,T,1,_,P,2,N,1,N,2,I,G,I,A,P,1,N,1,P,2,I,K,G,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,2.工作原理,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,E,A, 0、,E,G, 0,A,K,G,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,_,+,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,A,_,+,K,晶闸管导通后，去掉,E,G,，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,2.工作原理,E,A, 0、,E,G, 0,形成正反馈过程,G,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,晶闸管导通的条件：,(1)晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。,(2)晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向,脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。,依靠正反馈，,晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,(1),必须使可控硅阳极电流减小，直到,正反馈,效应不能,维持。,(2),将阳极电源断开或者在晶闸管的,阳极和阴极间加反,向电压。,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,正向特性,反向特性,U,RRM,U,FRM,I,G2,I,G1,I,G0,U,BR,I,F,U,BO,正向转折电压,I,H,O,U,I,I,G0,I,G1,I,G2,+,_,+,_,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,U,3.伏安特性,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,4.主要参数,(1)正向重复峰值电压,U,FRM,晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,可以重复加在晶闸,管两端的正向峰值电压。,一般,U,DRM,比正向转折电压,U,BO,低100V 。,(2)反向重复峰值电压,U,RRM,晶闸管控制极开路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰,值电压。一般,U,RRM,比反向转折电压,|,U,BO,|,低100V 。,(3)正向平均电流,I,F,环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导,通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,I,F,t,2,如果正弦半波电流的最大值为,I,m, 则,普通晶闸管,I,F,为,1A 1000A。,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,(4)维持电流,I,H,在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所,必须的最小电流。,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别,共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示,取,U,FRM,或,U,RRM,较小者,额定正向平均电流(,I,F,),（晶闸管类型）,P-,普通晶闸管,K-,快速晶闸管,S-,双向晶闸管,晶闸管,K,P,普通型,如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,19.1.2 晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,双向晶闸管,特点：,相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。,晶闸管双向触发导通。,U,A2,U,A1,时,控制极相对于A,1,加正脉冲，,u,GA1, 0,，,晶闸管正向导通，电流,从,A,2,流向A,1,。,U,A2,U,A1,时,控制极相对于,A,1,加,负脉冲，,u,GA1, 0,时：,若,u,G,= 0，晶闸管不导通，,u, 0,时:晶闸管承受反向电压不导通,u,O,= 0 ,u,T,=,u,，故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，,u,u,o,R,L,+,+,u,T,+,T,i,o,t,O,工作原理,t,1,2,u, 0时:,19.2.1 可控整流电路,t,O,t,O,控制角,t,1,t,O,t,2,2,t,O,导通角,19.2.1 可控整流电路,整流输出电压及电流的平均值,由公式可知：,改变控制角,，可改变输出电压,U,O,。,19.2.1 可控整流电路,(2)电感性负载与续流二极管,u,u,O,R,+,+,u,T,+,T,L,e,L,19.2.1 可控整流电路,u,正半周时晶闸管导通，,t,1,时刻加上触发脉冲,u,G,，,晶闸管T导通，,u,O,=u,u,T,=0,u,t,=u,开始,i,0,增加，,e,L,阻止其增加，直到,i,0,达最大,i,0,减小，e,L,阻止其减小。,u过零后，,晶闸管在一定时间内仍维持导通，,当i,0,减小到维持电流以下,晶闸管才关断,u,O,=u,u,T,=0,u,O,=0,t,O,t,O,t,1,t,O,t,2,2,t,O,工作波形,19.2.1 可控整流电路,u,0,时,：,D,反向截止，不影响整流电路工作。,u, 0,时：,D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件,L,释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压,u,O,波形与电阻性负载相同(见波形图)。,电感性负载(加续流二极管),u,u,O,R,+,+,u,T,+,L,T,i,o,D,i,o,+,19.2.1 可控整流电路,t,O,i,L,t,t,O,t,O,2,19.2.1 可控整流电路,2.单相半控桥式整流电路,(1)电路,(2)工作原理,T,1,和D,2,承受正向电压。 T,1,控制极加触发电压, 则T,1,和D,2,导通，电流的通路为,T,1,、T,2,晶闸管,D,1,、D,2,晶体管,a,R,L,D,2,T,1,b,电压,u,为正半周时：,此时，T,2,和D,1,均承受反向电压而截止。,i,o,+,+,T,1,T,2,R,L,u,O,D,1,D,2,a,u,+,b,19.2.1 可控整流电路,T,2,和,D,1,承受正向电压。,T,2,控制极加触发电压, 则,T,2,和,D,1,导通，电流的通路为,电压,u,为负半周时：,b,R,L,D,1,T,2,a,此时，T,1,和D,2,均承受反向电压而截止。,i,o,+,+,T,1,T,2,R,L,u,O,D,1,D,2,a,u,+,b,19.2.1 可控整流电路,t,O,t,t,O,t,O,2,19.2.1 可控整流电路,u,T2,u,T1,u,T2,u,T1,u,T2,(4) 输出电压及电流的平均值,19.2.1 可控整流电路,t,两种常用可控整流电路,电路特点:,该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。,2. 晶闸管和负载上的电流相同。,(1),u,T,D,2,D,1,D,4,u,O,R,L,D,3,+,-,+,-,19.2.1 可控整流电路,电路特点:,1. 电路接入电感性负载时，二极管D,1,、D,2,起续流作用。,2. 由于T,1,的阳极和T,2,的阴极相连，两管控制极必须加独,立的触发信号。,(2),T,1,T,2,D,1,D,2,u,u,O,R,L,+,-,+,-,19.2.1 可控整流电路,19.2.2 晶闸管的保护,主要缺点1：,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的。,晶闸管的热容量很小,，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部断炉或开路。,例如一只100A的,晶闸管,过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；,主要缺点2：,晶闸管耐受过电压的能力极差，,电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,1. 晶闸管的过流保护,(1) 快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸,管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,19.2.2 晶闸管的保护,(2)过流继电器保护,(3)过流截止保护,在输出端(直流输)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,19.2.2 晶闸管的保护,R,L,C,R,(2)硒碓保护,2.晶闸管的过压保护,(1)阻容保护,利用电容吸收过压。,其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。,硒碓保护,(硒整流片),C,R,R,C,R,C,晶闸管元件,的阻容保护,19.2.2 晶闸管的保护,19.2.3 单结晶体管触发电路,1.单结晶体管,B,2,第二基极,B,1,N,欧姆接触,电阻,P,发射极,E,第一基极,PN结,N型硅片,(a) 示意图,(b) 符号,(1)结构,B2,E,B1,(2)工作原理,B,2,B,1,U,BB,E,U,E,+,_,+,_,R,P,+,_,+,_,等效电路,测量单结晶体管的实验电路,R,E,R,B1,R,B2,A,U,BB,E,U,E,+,_,R,P,+,_,+,_,B,2,B,1,R,E,-,分压比,(0.5 0.9),由图可求得,*,U,E,U,P,后，大量空穴注入基区，致使,I,E,增加、,U,E,反而下降，出现负阻-,负阻区。,P,U,P,(峰点电压),：,单结管由截止导通所需发射极电压,。,U,V,、,I,V,(谷点电压、电流):,维持单结管导通的最小电压、,电流。,19.2.3 单结晶体管触发电路,(1),U,E,U,P,时单结管导通;,U,E,U,V,时恢复截止。,单结晶体管的特点,晶体管的峰点电压,U,P,与外加固定电压,U,BB,及,分压比,有关，,峰点电压,U,P,或,分压比,不同，则峰值电压,U,P,不同。,(3) 不同单结晶体管的谷点电压,U,V,和,谷点电流,I,V,都,不一样。谷点电压大约在,2 5V,之间。常选用,稍,大一些，,U,V,稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲,幅度和移相范围。,B2,E,B1,2.单结晶体管触发电路,(1)振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及,RC,电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。,u,g,R,2,R,1,R,U,u,C,E,+,C,+,_,_,+,_,50,100k,300,0.47,F,19.2.3 单结晶体管触发电路,(2)振荡过程分析,设通电前,u,C,=0。,接通电源,U, 电容C经电阻R充电。,电容电压,u,C,逐渐升高。,当,u,C,U,P,时,单结管导通,电,容,C,放电,R,1,上得到一脉冲电压。,U,p,U,V,U,p,-,U,D,u,C,t,u,g,t,电容放电至,u,C,U,v,时，单结管重新关断，使,u,g,0。,u,g,R,2,R,1,R,U,u,C,E,+,C,+,_,_,+,_,50,100k,300,0. 47,F,19.2.3 单结晶体管触发电路,注意：,R,值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡,。,u,C,t,t,u,O,u,P,u,V,(b) 电压波形,19.2.3 单结晶体管触发电路,主电路,触发电路,(3)单结管触发的半控桥式整流电路,u,1,+,R,L,R,1,R,2,R,P,C,R,u,Z,T,1,D,1,D,2,T,2,u,2,+,u,C,+,+,R,u,L,+,u,g,+,u,+,1)整流削波,U,2M,削 波,U,Z,U,2M,t,O,t,t,整流,R,u,2,+,+,u,O,+,u,Z,19.2.3 单结晶体管触发电路,2)触发电路,U,Z,U,P,-,U,D,R,1,R,2,R,P,C,u,C,+,R,u,g,+,u,Z,+,t,t,t,t,U,V,U,p,R,L,T,1,D,1,D,2,T,2,u,L,+,3) 输出电压,u,L,问 题 讨 论,1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？,目的：,保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即,角一样),以使输出平均电压不变。,2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？,稳压管的作用：,是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。,19.2.3 单结晶体管触发电路,3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？,如何改变控制角,？,根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。,改变充电时间常数即可改变控制角,。,控制角,变化的范围称为移相范围。,4.电压的调节,R,电容充电速度变慢,u,L,19.2.3 单结晶体管触发电路,19.3,逆变电路,能够实现,DC,-,AC,变换的电路称为逆变电路。,逆变器,U,D,DC,u,O,f,O,AC,整流器,u,f,AC,变频,电路的输入与输出均为交流，电路的输出电压,u,O,的幅值和频率,f,O,可单独或同时调节。,变频电路,变频,器一般用作电源，用于交流调速、感应加热、焊接、不间断电源及直流输电等。,逆变,器可采用不同的电力电子器件，本章只介绍可关断晶闸管逆变电路。,19.3.1,电压型单相桥式逆变电路,T,1,D,1,T,4,T,3,T,2,D,4,D,3,D,2,+,-,u,o,i,o,+,+,-,U,D,C,1.,电路,2.,工作原理,令晶闸管T,1,、T,3,和T,2,、T,4,轮流导通。,3.,u,O,的,波形,t,o,u,O,U,D,二极管的作用:,T,2,T,4,导通,T,1,T,3,导通,当负载为感性时，因电流,i,o,滞后于电压,u,O,，二极管可在晶闸管切换导通时将电感的储能反馈给电源，故称为,反馈二极管,。,改变晶闸管切换导通的时间即可改变输出电压的频率,f,O,。,19.3.2,电压型三相桥式逆变电路,1.,电路,2.,工作原理,晶闸管T,1,T,6,每隔60,依次触发导通，每管导通180,，每一60,区间有三个晶闸管导通。,同一臂上的两个晶闸管不能同时导通。,T,1,D,1,T,4,T,5,T,3,D,4,D,5,D,3,+,+,-,U,D,C,T,6,D,6,T,2,D,2,U,1,V,1,W,1,+,u,2,-,+,u,1,-,+,u,3,-,三相负载,逆变电路,晶闸管在一个周期内导通次序,导通区间,060,60120,120180,180240,240300,300360,晶 闸 管 导 通 次 序,T,5,T,6,T,1,T,6,T,1,T,2,T,1,T,2,T,3,T,2,T,3,T,4,T,3,T,4,T,5,T,4,T,5,T,6,T,1,T,5,T,6,U,1,W,1,V,1,u,2,u,1,u,3,+,-,U,D,T,1,T,6,T,2,U,1,W,1,V,1,u,2,u,1,u,3,+,-,U,D,060,区间,60120,区间,负载相电压,负载相电压,3. 负载相电压与线电压,波形,t,o,u,2,t,o,u,3,t,o,u,23,t,o,u,31,t,o,u,1,2,t,o,u,12,2,相电压,线电压,相电压之间和线电压之间均相差120,。,19.3.3,正弦波脉宽调制,1.,电路,2. 工作,波形,t,o,u,C,u,S,u,G1,u,o,u,S,+,+,u,C,控制电压,调制电压,t,o,u,o,u,C,u,S,t,o,u,12,U,D,电压比较器,19.4 交流调压电路,T,1,T,2,u,+,-,u,o,+,-,R,L,t,o,u,O,t,o,u,G,t,o,u,O,1.,电路,2. 工作,波形,3. 输出电压有效值,简单的交流调压电路,双向二极管：,只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,R,C,T,u,+,_,双向二极管,