电力电子资料PPT课件

1、基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。以半导体PNPN结为基础。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。 图功率二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构 b）外形 c）电气图形2.功率二极管第1页/共65页2.功率二极管功率二极管（1 1）功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性 当外加正向电压大于U UTOTO（门槛电压）即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到U UB B（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流I IRRRR剧增，导致二极管击穿损坏。第2页/共

2、65页 （2 2）功率二极管主要参数）功率二极管主要参数1. 额定正向平均电流I IF F（额定电流） 有效值为1.5IF2. 反向重复峰值电压U URRMRRM（额定电压） URRM=2/3UB3. 门槛电压U UTOTO4. 击穿电压U UB B5. 正向平均电压U UF F6. 反向漏电流I IRRRR 第3页/共65页（1 1）关断特性：功率二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。v 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。一、定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。图功率二极

3、管开关过程中电压、电流波形（3 3）功率二极管的开关特性）功率二极管的开关特性第4页/共65页 功率二极管的正向压降先出现一个过冲U UFPFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间t tfrfr。v 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。v 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，U UFPFP越高 。功率二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。图功率二极管开关过程中电压、电流波形v（2 2）开通特性：第5页/共65页 延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2-

4、t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复系数（亦称柔度系数），反映特性的软硬度，用sr表示。0112ttttSr第6页/共65页（1 1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在ss以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2 2）快恢复二极管：反向恢复时间在ss以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFast Recovery Diode简称FDRFDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者

5、反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns100ns以下，其容量可达1200V/200A1200V/200A的水平, , 多用于高频整流和逆变电路中。 （3 3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.40.6V0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。功率二极管的主要类型：第7页/共65页第二节第二节 晶闸管晶闸管 晶闸管就是硅晶体闸流管，简称SCR。目前晶闸管的容量水平已达到8KV/6KA.一、晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管的结构与工作原

6、理 晶闸管的外形与符号：第8页/共65页 晶闸管的结构和等效电路： 晶闸管的管芯由四层半导体（P1N1P2N2）组成，形成三个PN结（J1J2J3）。特性：单向导电特性 正向阻断特性 可控特性关断条件：Ia 170)，在稳定的额定结温时所允许的最大通态平均电流。 晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示:第19页/共65页 通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为： Kf:波形系数 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。第20页/共65页(3)

7、门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。(4) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。(5) 通态平均电压UT(AV) 在规定环境温度和标准散热条件下，管子流过额定正弦半波电流时，阳、阴极之间的平均电压。也简称管压降。管压降越小，管子功耗也就越小。(6) 维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳极电流。(7) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去

8、触发信号之后，要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同一晶闸管来说，擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。第21页/共65页例 1-1 两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值 IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2第22页/共65页第23页/共65页三、国产晶闸管的型号KP10012G表示额定电流为100A，额定电压为1200V。第24页/共65页第三节第三节 单相相控整流电路单相相控整流电路一、单相半波相控整流电路一、单相半波相控整流电路（一）电阻性负载（一）电阻性负载1. 1. 工作原理

9、工作原理 在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比，波形相同并且同相位，电流可以突变。首先假设以下几点： (1) 开关元件是理想的，即开关元件(晶闸管)导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大； (2) 变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。第25页/共65页单相半波相控整流电路和工作波形图(电阻性负载)第26页/共65页 变压器T起变换电压和隔离的作用，在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在t=处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上的电压等于变压器输出电压u2。在t=时刻，电源电压过零，晶闸管电流小于维持

10、电流而关断，负载电流为零。 第27页/共65页 在电源电压负半波，晶闸管承受反向电压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有输出电压，直到电源电压u2的下一周期，直流输出电压ud和负载电流id的波形相位相同。 通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然=180时，Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通，输出电压ud为极性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。第28页/共65页(1) (1) 触发角触发角与导通角与导通角触发角：也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向 电压开始到导通时止之间的电角度。导通角：是指晶闸管在一周期内处

11、于通态的电角度。(2) (2) 移相与移相范围移相与移相范围移相：是指改变触发脉冲Ug出现的时刻，即改变控制角的大 小。移相范围：是指触发脉冲Ug的移动范围，它决定了输出电压的变 化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范 围是0180。第29页/共65页2.2.基本数量关系基本数量关系（1 1）直流输出电压平均值）直流输出电压平均值U Ud d（2 2）直流输出电流平均值）直流输出电流平均值I Id d（3 3）直流输出电压有效值）直流输出电压有效值U U（4 4）直流输出电流有效值）直流输出电流有效值I I第30页/共65页(5)(5)晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值晶闸管电流

12、有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流过相同的电流，故其有效值相等，即：(6)(6)功率因数功率因数 功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值。(7)(7)晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压UmUm 晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。第31页/共65页例1-21-2 已知单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出平均电流为20A。试计算：(1) 晶闸管的控制角。(2) 输出电流有效值。(3) 电路功率因数。(4) 晶闸管的额定电压和额定电流。第32页/共65页第33

13、页/共65页第34页/共65页（二）电感性负载（二）电感性负载1.1.工作原理工作原理 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的减小，输出电压、电流有相位差。第35页/共65页单相半波相控整流电路和工作波形图单相半波相控整流电路和工作波形图( (电感性负载电感性负载) )第36页/共65页2.2.数量关系数量关系直流输出电压平均值直流输出电压平均值U Ud d： 从Ud的波形

14、可以看出，由于电感负载的存在，电源电压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。第37页/共65页（二）电感性负载加续流二极管（二）电感性负载加续流二极管单相半波相控整流电路和工作波形图单相半波相控整流电路和工作波形图( (电感性负载加续流二极电感性负载加续流二极管管) )第38页/共65页1.工作原理工作原理 电源电压正半波u20，晶闸管电压uAK0。在t=处触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流，续流二极管VDR承受反向电压

15、而处于断态。 电源电压负半波u20，通过续流二极管VDR使晶闸管承受反向电压而关断。电感的感应电压使VDR承受正向电压导通续流，负载两端的电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使id连续。 由以上分析可以看出，电感性负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，续流二极管可以起到提高输出电压的作用。在大电感负载时负载电流波形连续且近似一条直线，流过晶闸管的电流波形和流过续流二极管的电流波形是矩形波。 对于电感性负载加续流二极管的单相半波可控整流器移相范围与单相半波可控整流器电阻性负载相同为0180，且有+=180。第39页/共65页第40页

16、/共65页第41页/共65页第42页/共65页小 结 单相半波可控整流器的优点是电路简单，调整方便，容易实现。但整流电压脉动大，每周期脉动一次。变压器二次侧流过单方向的电流，存在直流磁化、利用率低的问题，为使变压器不饱和，必须增大铁心截面，这样就导致设备容量增大。第43页/共65页二、单相全控桥式相控整流电路二、单相全控桥式相控整流电路（一）谐波分析：（一）谐波分析：1 1。谐波的危害。谐波的危害(1)谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输 电及用电效率，大量的3次谐波流过中线会使线路过热甚至发生火灾。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局

17、部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。(3)谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述(1)和(2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。第44页/共65页2.2.谐波的概念谐波的概念 当正弦波电压施加在线性无源器件电阻、电感和电容上时，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，但仍为同频的正弦波。但如果正弦波电压施加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦波电流

18、在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦波电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。第45页/共65页3.3.整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析 整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：(1)m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk(k=1，2，3.) 次，即 m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压的谐波决定，也为 mk次。(2)当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最 低次(m次)谐波是最主要的，其他次数的谐波相对较少。当 负载中有电感时，负载电流谐波

19、幅值dn的减小更为迅速。(3)m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹 波因数迅速下降。第46页/共65页（二）单相桥式全控整流电路电阻负载（二）单相桥式全控整流电路电阻负载1. 1. 整流电路和工作波形图整流电路和工作波形图第47页/共65页 单相桥式整流器电阻性负载时的移相范围是0180。=0时，输出电压最高；=180时，输出电压最小。晶闸管承受最大反向电压Um是相电压峰值，晶闸管承受最大正向电压Um是=90时。 负载上正负两个半波内均有相同方向的电流流过，从而使直流输出电压、电流的脉动程度较前述单相半波得到了改善。变压器二次绕组在正、负半周内均有大小相等、方向相反的电流流过，

20、从而改善了变压器的工作状态并提高了变压器的有效利用率。第48页/共65页第49页/共65页第50页/共65页第51页/共65页（三）单相桥式全控整流电路电感性负载（三）单相桥式全控整流电路电感性负载1. 1. 整流电路和工作波形图整流电路和工作波形图( (无续流二极管无续流二极管) )从波形可以看出=90输出电压波形正负面积相同，平均值为零，所以移相范围是090。控制角在090之间变化时，晶闸管导通角，导通角与控制角无关。晶闸管承受的最大正、反向电压第52页/共65页第53页/共65页第54页/共65页2. 2. 整流电路和工作波形图整流电路和工作波形图( (有续流二极管有续流二极管) )第5

21、5页/共65页（四）单相桥式全控整流电路反电动势负载（四）单相桥式全控整流电路反电动势负载第56页/共65页第57页/共65页图单相全控桥式整流电路带反电势负载电路与波形图3反电势负载工作原理 反电动势负载：对于可控整流电路来说，被充电的蓄电池、电容器、正在运行的直流电动机的电枢（电枢旋转时产生感应电动势E）等本身是一个直流电压的负载。dddREui dddRiEu 第58页/共65页第59页/共65页3 3反电势负载参数计算l1）整流器输出端直流电压平均值 l2）整流电流平均值 )()cos(cos21)()sin2(122 EUEtdEtUEUd EU )cos(cos2212 dddREtUtdiIsin21)(