电力电子技术少学时课件

第19章

电力电子技术新疆农业大学电气工程教研室2023/7/171目录19.2可控整流电路19.3晶闸管的保护19.4单结晶体管触发电路19.5应用举例19.1电力电子器件19.6逆变电路2023/7/172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。2023/7/173

通过控制电力电子器件的导通和关断对强电电路进行电能的变换或控制任务的电路。大功率电力电子器件的出现，使电子技术进入了强电领域，产生了电力电子技术学科；

电力电子技术的应用——直流输电，开关电源，交直流调速，太阳能、风能发电等。

电力电子技术概述2023/7/17419.1.1电力电子器件的概念和特征主电路（mainpowercircuit）——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子器件（powerelectronicdevice）——可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。19.1电力电子器件概念：2023/7/17519.1.1电力电子器件的概念和特征(1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力，是最重要的参数。(2)电力电子器件一般都工作在开关状态。其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件。(3)实用中，电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路。特征：2023/7/176(1)

半控型器件—控制信号可以控制导通而不能控制关断。晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定19.1.2电力电子器件的分类1、按控制信号分类：2023/7/177(2)

全控型器件—既可控制其导通又可控制其关断。绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET--VDMOS）门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）电力晶体管（GiantTransistor——GTR

）19.1.2电力电子器件的分类2023/7/178(3)

不可控器件—不能用控制信号来控制其通断。电力二极管（PowerDiode）：只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。19.1.2电力电子器件的分类2023/7/1792、按照驱动信号的性质分类：电流驱动型——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。电压驱动型器件实质：通过加在控制端上的电压在器件的两个主电路端子之间产生可控的电场来改变流过器件的电流大小和通断状态，所以又称为场控器件，或场效应器件。2023/7/1710单极型器件——由一种载流子参与导电的器件。双极型器件——由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。复合型器件——由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。3、按照器件内部电子和空穴参与导电的情况分类：2023/7/171119.1.3半控器件—晶闸管(Thyristor)晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。2023/7/171219.1.3晶闸管（Silicon

ControlledRectifier）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）。

优点：2023/7/1713G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KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形、结构及符号三个

PN

结2023/7/1714P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N2N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK2023/7/1715T1T22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+_R2023/7/1716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。2023/7/1717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。2023/7/1718正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0=0UBRIFUBO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2023/7/17194主要参数UFRM: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。一般取UFRM=80%UB0。普通晶闸管UFRM

为100V—3000V反向重复峰值电压控制极开路时,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100V—3000VURRM：2023/7/1720正向平均电流环境温度为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。

IF：IFt2如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。2023/7/1721UF:

通态平均电压（管压降）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。IH:

维持电流在规定的环温和控制极断路时，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。UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，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。2023/7/1722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)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管

晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。2023/7/172319.2可控整流电路19.2.1单相半波可控整流

1.电阻性负载(1)电路uuoRL+–+uT+––Tio2023/7/1724(2)工作原理t12u

<

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tOu

>0时:tO2023/7/1725tO

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t1tOtOt22tO导通角(3)工作波形2023/7/1726(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。2023/7/17272.电感性负载与续流二极管(1)电路(无续流二极管)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)。2023/7/1728

uuoR+–+uT+––TLeL

当电压u从最大值变到零，电感电动势反向，阻碍电流的减小，晶闸管在一段时间内仍维持导通，电流逐渐减小。(见波形)㈠2023/7/1729

uuoR+–+uT+––TLeL

当电压u过零变负后，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。(见波形)。直到电流下降到维持电流以下时，晶闸管关断，u0=0，T承受反压。㈠2023/7/1730tOtOtOt1tOt22

（2）工作波形(未加续流二极管)2023/7/1731uuoR+–+uT+––LTioDiou>0时：

D反向截止，不影响整流电路工作。u

<0时：

D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uo波形与电阻性负载相同(见波形图)。3.电感性负载(加续流二极管)+–(1)电路2023/7/1732(3)工作波形(加续流二极管)iLttOtO2tO2023/7/17331.什么是传统机械按键设计？传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功能的一种设计方式。传统机械按键设计要点：1.合理的选择按键的类型，尽量选择平头类的按键，以防按键下陷。2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议留0.05~0.1mm，以防按键死键。3.要考虑成型工艺，合理计算累积公差，以防按键手感不良。传统机械按键结构层图：按键开关键PCBA19.2.2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T1、T2晶闸管D1、D2晶体管aRLD2T1b(1)电压u

为正半周时io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。2023/7/1735io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2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bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。2023/7/1736ttOtO3.工作波形2tO2023/7/17374.输出电压及电流的平均值2023/7/1738例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15~180，求输出电压平均值Uo的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压。T1T2D1D2RLuLu2AB+-UL=191V,=15=0V,=180LLLRUI==191/3=64AUDRM=22U承受的最高反向电压:=311V2023/7/1739两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)uTD2D1D4u0RLD3+-+-2023/7/1740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。T1T2D1D2uuORL+-+-2023/7/174119.3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。2023/7/174219.3.1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。2023/7/17432.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电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。2023/7/174419.3.2晶闸管的过压保护1.阻容保护CR

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。RCRCCR~RL晶闸管元件的阻容保护2023/7/17452.硒堆保护利用硒堆(硒整流片)的非线性电阻的特性吸收过电压。

19.3.2晶闸管的过压保护CRRCRC

硒堆保护(硒整流片)CR~RL2023/7/174619.4单结晶体管触发电路19.4.1单结晶体管结构及工作原理1.结构B2第二基极B1N欧姆接触电阻P发射极E第一基极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B2EB12023/7/17472.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。UEUP时

–分压比(0.5~0.9)UP

–

峰点电压UD–

PN结正向导通压降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路测量单结晶体管的实验电路由图可求得RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1IE2023/7/17483.单结晶体管的伏安特性UV、IV(谷点电压、电流):维持单结管导通的最小电压及对应该点的电流值。

UP(峰点电压)：

单结管由截止变导通

所需发射极电压。IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区负阻区：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。P2023/7/17491.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:B2EB12.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。2023/7/175019.4.2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。ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47F2023/7/1751ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F2.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。UpUvUp-UDuCtugt电容放电至uCUv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)2023/7/1752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。upuv(c)电压波形uCttugOO2023/7/175319.4.3单结管触发的可控整流电路一、电路u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3触发电路主电路2023/7/1754二、波形关系u2uabUZucb削波整流UZau2RbcDZUZ整流稳压电路部分2023/7/1755UZ削波ucbudbUPUVueb电容充、放电UP-UD触发脉冲UZR1R2RPCuccdeDZb单结晶体管电路部分2023/7/1756u3uL输出电压ueb触发脉冲可控硅桥式整流电路部分u3T1T2D1D2uLRLbeueb2023/7/17571.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？问题讨论u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu32023/