电力电子技术9

1、第8章 电力电子技术学习要求: 掌握晶闸管的基本结构、工作原理、特性和主要参数的含义； 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；熟悉PWM控制技术前 言 电力电子学的任务：利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 电力半导体器件弱电控制强电输出8.1 电力半导体器件 8.1.1 不可控型开关器件 整流二极管(大功率二极管)V：加正向电压时导通，压降1V左右，相当于开关闭合；加反向电压时截止(关断)，相当于开关断开。 半导体电力二极管： 可视为一个正向单向导通、反向阻断的 静态单向电力电子开关。一、晶闸管（Silicon Contro

2、lled Rectifier） 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）。 优点： 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。8.1.2 半控型开关器件 G控制极1. 基本结构K 阴极G阳极 AP1P2N1N2四 层 半 导 体 晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。(c) 结构K GA(b) 符号(a) 外形晶闸管的外形、结构及符号三 个P

3、N 结P1P2N1N2K GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T22. 工作原理A 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:KGEA 0、EG 0EGEA+_R 晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反馈过程晶闸管导通的条件： 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

4、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相电压。正向特性反向特性URRMUDRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U3. 伏安特性正向( uAK 0 ) 正向阻断状态: 当ug=0， uAK 0， uAK 0，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向( uAK 0 ) 反向截止状态: 当 uAK 0，但ud=0，即晶闸管未导通； （2）在t1t2之间: uAK0 ，由于

5、开关S合上，使ug0，而 ， 即晶闸管导通； （3）在 t2t3 之间， uAK0，但 ud=0，即晶闸管关断； （4）在 t3t4 之间， uAK0，这时ug0 ,而 ，所以，晶闸管又导通； （5）当 t=t4 时， ug=0 ，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；（6）当 t=t5 时，uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 结论 （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；正向电压+

6、控制电压 （3）晶闸管导通后可通过很大的电流，因此它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。6. 晶闸管的优点 (1) 用很小的功率可以控制较大的功率，功率放大倍数可以达到几十万倍； (2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级； (3)晶闸管本身的压降很小，损耗小，效率高。 (4) 体积小、重量轻。路灯自动控制7. 晶闸管的实际应用常规快速 晶闸管高频 晶闸管所有为快速应用而设计的晶闸管与普通晶闸管相比快速晶闸管关断时间为十几微秒高频晶闸管关断时间为几微妙应用于400Hz和1

7、0kHz以上的斩波或逆变电路中二、快速晶闸管不足：电压和电流定额不易做高是一对反并联结的普通晶闸管的集成。 有两个主电极MT1和MT2，一个门极G。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。三、双向晶闸管 对交流电源的两个半周均有触发作用：可双向触发导通特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。符号：A1A2G控制极第一电极第二电极通过控制电压的控制可实现双向导通。工作原理UA1UA2时，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2。UA2UA1时，控制极加正极性或负极性信号，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。IU0I

8、 =0GAKG 它是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。 不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。与普通晶闸管相比正向压降小关断时间短高温特性好额定电流晶闸管电流反并联的二极管的电流a)电气图形符号 b) 伏安特性 a)b)四、逆导晶闸管五、光控晶闸管a)电气图形符号 b) 等值电路 c)伏安特性 以光照或激光为触发，使得晶闸管内部在正反馈作用下，由断态转为通态。1. G极可控制元件导通与关断（不同极性正负脉冲或电平）2.触发电流(20mA)比普通晶闸管大(30uA）3.动态特性好(关断1us)，而晶闸管需(5-30us)4.应用在直流调压和开关电路。一、门极可关

9、断晶闸管GTO结构与符号8.1.3 全控型开关器件特点：1. G极加正电压或正脉冲触发后导通，撤销控制信号，仍保持导通。2. G极加负电压或负脉冲后关断，不需要外部电路强迫阳极电流减小而使之关断。GTO的基本电路耐高电压、大电流的双极结型晶体管 与普通的晶体管基本原理是一样的。 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。二、电力晶体管 GTR 达林顿接法使得很小的外加驱动电流IB，可控制很大的集电极电流。属于电流控制型开关器件。a)达林顿晶体管 b) 双管模块 电力晶体管的工作电路电力晶体管是用基极电流

10、来控制集电极电流的：1. 基极通入正向信号电流，集电极电流上升，进入通态；2. 给基极加一个负的电流脉冲，集电极电流一段时间后开始减小，逐渐进入断态。电力晶体管的通与断三、电力场效应管PMOSFET(Field Effect Transistor ) 电力场效应管是多元集成结构，属于绝缘栅型，有三个极：栅极G；源极S；漏极D。 工作特性：是由栅极电压来控制漏极电流的。 属于电压控制型开关器件 特点：驱动系统比较简单，工作频率高，热稳定性好；但电流容量低，耐压低。适用于功率不很高的高频电力电子装置。四、绝缘栅双极晶体管 IGBTa)简化等效电路 b) 图形符号 c)基本电路 IGBT特性的优点:

11、 IGBT的特性兼有P-MOSFET和GTR二者的优点： a.通断驱动功率小； b.开关速度快(频率高，比GTR高得多)； c.导通压降低(功率损耗小，比MOSFET小得多)； d.阻断电压高(耐压高)； e.承受电流大(容量大、功率大)。电力变换电路，按功能分： 1. 可控整流电路：把固定的交流电压变成固定或可调的直流电压。 2. 交流调压电路：把固定的交流电压变成可调的交流电压。 3. 逆变电路：把直流电变成频率固定或可调的交流电。 4. 变频电路：把固定频率的交流电变成可调频率的交流电。 5. 斩波电路：把固定的直流电压变成可调的直流电压。 6. 电子开关：功率半导体器件工作在开关状态可

12、替代接触器和继电器用于频繁开合操作场合 8.2 可控整流电路整流单相 三相 整流：将交流电变为直流电的过程；整流电路：将交流电变为直流电的电路；8.2.1 单相半波可控整流电路(1) 电路 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，uuoRL+uT+Tio 1. 电阻性负载(2) 工作原理t12u 0时: tO tO 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 tO tOt22tO导通角(3)工作波形控制角: 晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的

13、作用点之间的电角度。 导通角: 晶闸管在一周期时间内导通的电角度。 (4)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。晶闸管承受的最大正反向电压：2. 电感性负载与续流二极管(1)电路 当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。uuoR+uT+TLeL 在电感性负载中 ,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(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。 tOtO tOt1 tOt22 2) 工作波形(未加续流二极管)u 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。u /6时，整流输出电压波形是不连

14、续，当电源电压下降到零时，电流也同时下降到零，所以，导通的晶闸管关断。2. 三相半波整流电路带感性负载电感性负载时，在 VS1 管导通时，电源电压Ua 加到负载上，当 Ua= 0 时，由于自感电势的作用，电流的变化将落后于电压的变化，所以负载电流并不为零，VS1 要维持导通。如若电感 L 足够大，VS1 要一直导通至 t2 时。 电感越大，电流脉动越小，可以近为一条直线 每只晶闸管导通角为120,输出电压的平均值为： 在三相半波整流电路带电感性负载时，为保证输出电压大于零，要求触发角小于90。 三相半波可控整流电路带电感性负载时，也可加接续流二极管: 8.2.4 三相桥式全控整流电路电路桥式整

15、流电路的组成：共阴极组整流电路和共阳极组整流电路串联起来组成 桥式整流电路负载上的输出：两个极组的输出电压之和： 桥式整流电路与电动机连接时，需要串联一定得电感，以减小输出电流的脉动和保证电流连续。三相桥式半控整流电路电路T T1RLuoD3 T2T3D2D1io cbau+ 利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。 变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载 变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去有源逆变:逆变无源逆变:8.3 逆变电路即可实现整流，又可实现逆变的

16、装置称为变流器 无源逆变电路 无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。 当开关S1、S4闭合，电流从电源正极经S1、负载、S4回到电源负极；经过一定时间间隔，将开关S1、S4打开并同时将开关S2、S3闭合，则电流从电流正极经过S3、负载、S2回到电源负极。一、工作原理 改变两组开关每秒内闭合和断开的次数，就可改变输出电压的频率，这就是它的变频作用。 交流电路在工作过程中，电流不断从一个支路向另一个支路转移，即换流。 换流在逆变电路中占有重要地位，根据开关器件及其换流方式不同分为： 器件换流；电网换流；在负载换流；强迫换流。 要得到较高频率的交流电，利用有触点开关是不可能做到的，必

17、须采用半导体开关才能实现。二、单相晶闸管桥式逆变器 利用全控型器件的自关断能力进行换流。采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。1. 控制逆变器的输入直流电压2. 在逆变器内部的电压控制逆变器自调控方案，脉宽控制 不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压。 单相无源逆变器的电压控制交-直-交变频器中常用 可控整流方案：电源为交流，则可以通过可控整流电路，把交流变成可调的直流输入到逆变器，从而控制逆变器的输出交流电压。 斩波调压方案：若是直流电源，则可控制斩波器改

18、变直流输入电压的大小。但输出交流电压波形的谐波成分随着输出电压的减少而增加。 若使控制角从0变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。 晶闸管开关器件一旦导通，不能自行关断，要关断晶闸管，需要设置强迫关断电路，增加了成本，降低了可靠性，也限制了开关频率。绝大多数逆变器都采用全控型的电力半导体器件。 直流侧并联大电容相当于电压源，直流侧电压基本无波动。当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容还起缓冲无功能量的作用；逆变桥反并联的二极管为其反馈能量提供通道。逆变电路按直流电源的性质分为：电压型和电流型三、电压型逆变电路 有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。

19、1、单相半桥电压型逆变电路输出电压波形为矩形波，输出电流波形随负载情况而异。 IGBT为通态时，负载电流与电压同方向；二极管为通态时，两者反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈。 有四个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。 即两个半桥组合而成。 导通方式：成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通1802、单相全桥电压型逆变电路输出电压波形为矩形波，输出电流波形随负载情况而异。3、三相桥式电压型逆变电路三个单相半桥逆变电路组成任意瞬间将有三个桥臂同时导通，换流方式为纵向换流：每次换流都在同一相上下两个桥臂之间进行。 同一相的上下两个桥臂交替导通180；各相开始导通的角度依次差120

20、。电流型逆变电路主要特点 (1)直流侧串大电感，电流基 本无脉动，相当于电流源。即直流电源为电流源的逆变电路。电流型三相桥式逆变电路 (2)交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位 因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。四、电流型逆变电路 直流斩波电路：即直流直流变换器，将直流电源电压加在负载上，通过改变开关的动作频率或直流电流的流通时间比例，来改变加在负载上的电压和电流平均值的电路。8.4 斩波电路与PWM控制技术直流斩波电路分为：降压和升压1. 降压斩波电路8.4.1 斩波电

21、路 由电力半导体器件的控制极触发导通，关断时给负载中的电感电流提供通道续流二极管 减小导通占空比，输出电压随之减小，故称为降压斩波电路。 第一种 PWM：开关频率不变，改变开关管一周期内的通态时间； 第二种 PFM：改变开关频率或周期，一周期的通态时间不变； 改变开关管在一个周期中的相对导通时间，即改变导通占空比，即可调节和控制输出电压。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路有三种控制方式： 第三种 混合型：开关频率和导通占空比都变化。升压：直流输出电压高于电源电压利用电感线圈所产生的反电动势，与电源电压串联相加即可获得升压2. 升压斩波电路(直流直流升压变换器)升压电感升压斩波电路

22、的两种工作方式：电流连续和断流开关管和二极管轮流工作：电源电压加在升压电感上，积蓄能量；电容给负载供电开关管阻断时，电源功率和电感储能向负载转移，同时给电容充电如此循环升压斩波电路的关键：电感储能，使之具有电压泵升的作用；电容使输出电压得以维持 PWM控制技术就是对脉冲的宽度进行调制的技术，它通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。直流斩波电路采用的就是PWM控制技术中最为简单的一种。这种电路把直 流电压“斩”成一系列脉冲，以改变脉宽的占空比来获得所需的输出电压。改变脉冲的导通占空比就是对脉冲宽度进行调制。 只因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲既是等幅的，也是等宽的，仅仅是对脉冲的导通占空比进行控制。PWM控制技术在逆变电路中的应用广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。8.4.2 PWM控制技术1)PWM控制的基本原理:采样控制理论有一个重要的原理冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，