《电力电子技术》课件.ppt

18 1 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 4交流调压电路 18 2 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 3 了解交流调压电路的工作原理和应用 第19章电力电子技术 18 3 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 18 4 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 18 5 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 SiliconControlledRectifier 18 6 1 基本结构 晶闸管具有三个PN结 c 结构 a 外形 晶闸管的外形 结构及符号 18 7 晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合 18 8 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 EA 0 EG 0 A K G 18 9 晶闸管导通后 去掉EG 依靠正反馈 仍可维持导通状态 2 工作原理 EA 0 EG 0 G 18 10 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 18 11 正向特性 反向特性 IG2 IG1 IG0 正向转折电压 反向转折电压 正向平均电流 维持电流 3 伏安特性 18 12 4 主要参数 1 正向重复峰值电压UDRM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UDRM比正向转折电压UBO低100V 2 反向重复峰值电压URRM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URRM比反向转折电压 UBO 低100V 3 正向平均电流IF环境温度为40 C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 18 13 如果正弦半波电流的最大值为Im 则 普通晶闸管IF为1A 1000A 4 维持电流IH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 18 14 晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别共九级 用字母A I表示0 4 1 2V 额定电压 用百位或千位数表示取UFRM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 18 15 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 UA2 UA1时控制极相对于A1加正脉冲 uGA1 0 晶闸管正向导通 电流从A2流向A1 UA2 UA1时控制极相对于A1加负脉冲 uGA1 0 晶闸管反向导通 电流从A1流向A2 工作原理 18 16 可关断晶闸管 符号 特点 控制极加正触发信号 晶闸管导通 控制极加负触发信号 晶闸管关断 GTO全控示意图 18 17 19 2可控整流电路 19 2 1可控整流电路 1 单相半波可控整流电路 1 电阻性负载 u 0时 若uG 0 晶闸管不导通 u 0时 晶闸管承受反向电压不导通 uO 0 uT 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 18 18 工作原理 t1 u2 0时 可控硅承受反向电压不导通 即 晶闸管反向阻断 加触发信号 晶闸管承受正向电压导通 u2 0时 18 19 O 接电阻负载时单相半波可控整流电路电压 电流波形 控制角 t1 t2 2 导通角 18 20 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UO 18 21 2 单相半控桥式整流电路 1 电路 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 电流的通路为 a 电压u为正半周时 此时 T 和D 均承受反向电压而截止 18 22 T2和D1承受正向电压 T2控制极加触发电压 则T2和D1导通 电流的通路为 电压u为负半周时 b 此时 T1和D2均承受反向电压而截止 18 23 3 工作波形 2 18 24 4 输出电压及电流的平均值 18 25 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 18 26 电路特点 1 电路接入电感性负载时 二极管D1 D2起续流作用 2 由于T1的阳极和T2的阴极相连 两管控制极必须加独立的触发信号 2 18 27 19 2 3单结晶体管触发电路 1 单结晶体管 PN结 N型硅片 a 示意图 单结晶体管结构示意图及其表示符号 b 符号 1 结构 18 28 2 工作原理 UE UBB UD UP时 PN结反偏 IE很小 PN结正向导通 IE迅速增加 分压比 0 5 0 9 测量单结晶体管的实验电路 由图可求得 RE 18 29 3 单结晶体管的伏安特性 Ip IV UE UP后 大量空穴注入基区 致使IE增加 UE反而下降 出现负阻 负阻区 18 30 1 UE UP时单结管截止 UE UP时单结管导通 UE UV时恢复截止 单结晶体管的特点 2 晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比 有关 峰点电压UP或分压比 不同 则峰值电压UP不同 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 常选用 稍大一些 UV稍小的单结晶体管 以增大输出脉冲幅度和移相范围 18 31 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 18 32 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逐渐升高 当uC UP时 单结管导通 电容C放电 R1上得到一脉冲电压 电容放电至uC Uv时 单结管重新关断 使uO 0 18 33 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 b 电压波形 18 34 3 单结管触发的半控桥式整流电路 18 35 1 整流削波 削波 整流 18 36 2 触发电路 UZ t 3 输出电压uL 18 37 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 18 38 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