电力电子器件及其应用

第8章电力电子器件及其应用,太原理工大学电工基础教学部,第8章电力电子器件及其应用,8.1晶闸管,8.2可控硅整流电路,8.3单结晶闸管触发电路,8.4晶闸管的保护,本章要求:,1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特性和主要参数。2.理解可控整流电路的工作原理、掌握电压平均值与控制角的关系。3.了解单结晶体管及其触发电路的工作原理。,第8章电力电子器件及其应用,晶闸管（Thyristor）可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）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。,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）。,8.1晶闸管,8.1.1基本结构及工作原理,G,1.基本结构和符号,外形,结构,常用晶闸管的图片,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,2.晶闸管导通实验,(c)去掉控制极正向电压，灯泡亮。,(d)阳极加反向电压，灯泡熄灭。,(a)控制极不加电压，灯泡不亮。,(b)控制极加正向电压，灯泡亮。,晶闸管导通的条件：,晶闸管阳极与阴极之间加正向电压（UAK0）。同时晶闸管控制极与阴极之间加正向触发电压或正向触发脉冲。,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：,晶闸管阳极电流小于维持电流（IA0,EG,晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,工作原理,G,EA0、EG0,K,正向特性,反向特性,IG2IG1IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,8.1.2伏安特性及主要参数,1.伏安特性,2.主要参数,(1)正向平均电流IF：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。,如果正弦半波电流的最大值为Im,则,普通晶闸管IF为1A1000A。,(3)通态平均电压（管压降）UF:在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。,(2)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。一般IH为几十一百多毫安。,(4)正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM: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。一般取UFRM=80%UB0。普通晶闸管UFRM为100V3000V,(5)反向重复峰值电压URRM：控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。一般取URRM=80%UBR普通晶闸管URRM为100V3000V,(6)控制极触发电压和电流UG、IG：室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,(7)浪涌电流IFSM：在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。,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UFRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP200-18F表示额定正向平均电流为200A，额定电压为1800V，管压降为0.9V的普通晶闸管。,8.2可控整流电路,8.2.1单相半波可控整流1.电阻性负载,(1)电路分析,u0时：若ug=0，晶闸管不导通，,u0时：D反向截止，不影响整流电路工作。,（3）电感性负载(加续流二极管),+,工作波形(加续流二极管),iL,2,8.2.2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,(1)电压u为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,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,(2)电压u为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3.工作波形,2,4.输出电压及电流的平均值,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),电路特点,1.该电路接入电感性负载时，D1、D2便起续流二极管作用。,(2),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。,8.3单结晶体管触发电路,8.3.1单结晶体管,PN结,N型硅片,示意图,1.结构与符号,2.工作原理,UEUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。,1.UEUP时单结管导通，UEUV时恢复截止。,单结晶体管的特点,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，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电压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25V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。,8.3.2单结晶体管振荡电路,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。,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uCUP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uCUv时，单结管重新关断，使ug0。,(a),(b),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。,(c)电压波形,8.3.3单结管同步触发电路,1.电路,2.工作原理,(1)整流削波,削波,整流,(2)触发电路,t,(3)输出电压uL,O,O,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。,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,单结晶体管触发电路,输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管D1,可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。,使用脉冲变压器的触发电器,8.4晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。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，造成元件内部短路或开路。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；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。,8.4.1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。,2.过流继电器保护,3.过流截止保护,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。,在交流侧设置电流检测