电力电子器件教学课件PPT.ppt

第19章 电力电子器件,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,*19.5 直流斩波电路,19.1 电力电子器件,19.1.1 电力电子器件的分类,(1)不控器件：导通和关断无可控的功能,(2)半控器件：通过控制信号只能控制其导通而不能控制其关断,(3)全控器件：通过控制信号既能控制其导通又能控制其关断,19.1.2 晶闸管,晶闸管，又称可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier），是在晶体管基础上发展起来的一种大功 率半导体器件。,主要用于可控整流、逆变、调压及开关等方面。,常用晶闸管的外形图,一、基本结构,晶闸管是具有三个PN结的四层结构。,结构图,外形,二、工作原理,开关S断开，灯不亮,开关S合上，灯亮 这时再断开S，灯仍亮,无论开关S断开还是合上，灯都不亮,1、晶闸管的等效电路,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,2、晶闸管导通原理,形成正反馈过程,在极短时间内使两个晶体管均饱和导通，此过程称触发导通。,2、晶闸管导通原理,形成正反馈过程,晶闸管导通后，去掉UG，依靠管子本身的正反馈，仍可维持导通状态。,3、晶闸管导通条件：,(1) 晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压； (2) 控制极电路加适当的正向电压(一般为正触发脉冲信号)。,晶闸管导通后，控制极便失去了控制作用。,4、晶闸管关断条件：,必须使阳极电流减小到不能维持正反馈过程。,或者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。,三、伏安特性,在不同的IG值的条件下，IA= f (UA),正向特性,正向转折电压,(导通压降约1V左右),IG1,IG2,IG2 IG1 IG0,反向特性,反向转折电压,维持电流,四、主要参数,UDRM:,正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。,IH: 维持电流 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。,五、晶闸管的型号和含义,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,用百位数或千位数表示，取UDRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A，额定电压为700V 的晶闸管。,练习：,(3) 晶闸管导通后，其正向压降约等于（ ）。 (a) 0 (b) 0.3V (c) 1V左右,c,(1) 晶闸管导通后，若仅使控制极电流消失，则晶闸管处于（ ）。 (a) 导通状态 (b) 关断状态 (c) 放大状态,a,(2) 晶闸管导通后，其阳极电流的大小（ ）。 (a) 受控制电流控制 (b) 受控制电压控制 (c) 不受控制极控制，即控制极失去控制作用,c,(4) 一般晶闸管导通后，要使其阻断，则必须（ ）。 (a) 去掉控制极的正向电压 (b) 使阳极与阴极之间的正向电压降到零或加反向 电压 (c) 控制极加反向电压,b,19.2 可控整流电路,整流电路：将交流电能变换成直流电能的电路。,可控整流电路：将交流电能变换成可调的直流电能。,常见的可控整流电路,单相可控半波整流,单相可控桥式整流,三相可控桥式整流,19.2.1 可控整流电路,(1) 电路结构,当u 0 时： 若uG= 0，晶闸管不导通,当u 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通,一、单相半波可控整流电路,1、电阻性负载,uo= 0， uT= u,uo= u， uT = 0,uo = 0，uT = u ，故称可控整流。,(2) 工作原理,t1,当u 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通,当u 0时:,在(0 t1)，uG= 0，晶闸管不导通,uo= 0， uT= u,在t1，uG加触发脉冲，晶闸管导通,uo = u，uT 0,uo = 0，uT = u,(3) 工作波形,O,控制角,t1,t2,2,导通角, = 180-,(4) 整流输出电压及输出电流的平均值,改变控制角，可改变输出电压Uo,当 = 0时，Uo=0.45U，即为单相半波整流电压。,当 = 180时，Uo=0，晶闸管全关断。,输出电压的范围为： 0 Uo 0.45U,例1：,单相半波可控整流电路，已知交流电压有效值U=220V，输出电压平均值 UO=90V ，输出电流平均值IO=45A。计算： (1) 晶闸管的导通角。 (2) 通过晶闸管的平均电流。 (3) 晶闸管承受的最高正向，反向电压。,解：(1),晶闸管的导通角,(3)晶闸管最高正向电压UFM、最高反向电压URM均为,(2) 通过晶闸管的平均电流,*2、电感性负载(未接续流二极管),(1) 电路结构,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势，电流不能跃变，将由零逐渐上升。,当电流达到最大值时，eL=0，而后电流减小，电感电动势改变极性。,当电压u过零后，由于eL的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通。,(2) 工作波形, 180-,3、电感性负载(接续流二极管),(1) 电路结构,当u 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。,(2) 工作波形(加续流二极管),iL,2,二、单相半控桥式整流电路,1、电路结构,2、工作原理,T1和D2承受正向电压。 T1控制极加触发电压, 则T1和D2导通。,a,(1)在电压u 的正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,电流通路为：,(2)在电压u 的负半周时,T2和D1承受正向电压。 T2控制极加触发电压, 则T2和D1导通。,电流通路为：,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3、工作波形,T1、D2导通,T2、D1导通,4、整流输出电压及输出电流的平均值,例2,有一纯电阻负载，需要可调的直流电源：电压Uo=0180V，电流Io=06A。现采用单相半控桥式整流电路，试求变压器二次侧电压的有效值，并选择整流器件。,解：,二极管选用2CZ56F(3A，400V)。,当晶闸管的控制角 = 0时， Uo=180V,考虑电网电压波动、管压降以及导通角等原因，通常加大10%左右，即 U=220V,晶闸管、二极管的平均电流：,晶闸管选用 KP5-7型。,晶闸管最高正向电压UFM、最高反向电压URM、二极管承受的最高反向电压均为,选取晶闸管的UDRM和URRM，通常取,*19.2.2 晶闸管的保护,主要缺点：晶闸管承受过电压、过电流的能力很差,一、晶闸管的过电流保护,快速熔断器保护,过电流继电器保护,过电流截止保护,1、快速熔断器保护,与晶闸 管串联,接在输入端,接在输出端,有三种接入方式,2. 过流继电器保护,3. 过电流截止保护,在输出端(直流侧)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。,利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，使晶闸管导通角减小或停止触发。,二、晶闸管的过压保护,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。,晶闸管元件 的阻容保护,输入端的 阻容保护,输出端的 阻容保护,19.2.2 单结晶体管触发电路,一、单结晶体管,晶体管的触发电路：产生触发电压的电路。,1、外形,(又称双基极二极管),单结晶体管的常用型号有BT31、BT33、BT35等。,N型硅片,第二基极,第一基极,P,PN结,发射极E,2、结构与符号,3、等效电路,4、工作原理,测量单结晶体管的实验电路, 分压比，约为0.5 0.9,(1)当UE UBB+UD=UP 时,PN结反偏，E与B1之间的不能导通，IE很小,(2)当UEUBB+UD=UP 时,PN结导通，IE迅速增大,UP ：峰点电压,5、单结晶体管的伏安特性,UP=UBB+UD,Ip,峰点电流,IV谷点电流,6、单结晶体管的特点,(1) UE UP时单结管截止；,UE UP时单结管导通，导通后当UE UV时恢复截止。,(2) 单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB 及分压比有关。,(3) 不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都 不一样。谷点电压大约在2 5V之间。,二、单结晶体管触发电路,1. 单结晶体管组成的张弛振荡电路,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。,2、振荡过程分析,设通电前uC =0,接通电源U, 电容C 经电阻R充电。,电容电压uC按指数规律升高。,当uCUP时，单结管导通，电容C放电，R1上得到一脉冲电压。,当放电至uCUv时，单结管重新关断，使uG0。,电源再次向电容C充电,3、振荡电压波形,三、单结管触发的半控桥式整流电路,1、电路结构,2、工作原理,(1)整流削波,削波,整流,(2) 触发电路,(3) 输出电压uL,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) 。,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。,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？,4.如何调节输出电压？,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。,改变电位器RP的电阻值即可输出电压。,晶闸管的应用调光台灯,桥式整流,单结晶体触发电路,改变晶闸管的触发角的大小，从而改变输出电压。,给晶闸管阳极和阴极间提供正向电压，同时给单结晶体管触发电路提供电源。,工作原理,接通电源后，交流电经桥式整流后给单向晶闸管阳极提供正向电压，并经过R2、R3加在单结晶体管的基极上，同