電子技術(shù)基礎(chǔ)-第8章_電力電子學(xué)基礎(chǔ).

1、Chap第第8章章電力電子學(xué)基礎(chǔ)電力電子學(xué)基礎(chǔ)成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系自動(dòng)化工程系 雷永鋒雷永鋒2013Chap第第8 8章章 電力電子學(xué)基礎(chǔ)電力電子學(xué)基礎(chǔ)8.1 晶閘管晶閘管(可控硅可控硅)8.2 可控整流電路可控整流電路8.3 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路8.4 晶閘管逆變電路晶閘管逆變電路8.5 功率功率(電力電力)半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件電力電子學(xué)：介于電力電力電子學(xué)：介于電力, 電子電子, 控制之間的邊緣學(xué)科控制之間的邊緣學(xué)科Chap8.1 晶閘管晶閘管(可控硅可控硅)8.1.1 晶閘管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一起種大功率

2、半導(dǎo)體器件。它具有三個(gè)PN結(jié)和四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，由四層半導(dǎo)體的兩端及中間層各引出陽(yáng)極陽(yáng)極A、陰極、陰極K和控極和控極G。 螺栓式晶閘管, 平板式的晶閘管 導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件： UAK 0 VG 0 (導(dǎo)通后可去掉導(dǎo)通后可去掉)晶閘管是一個(gè)可控的單向?qū)щ婇_關(guān) 與二極管比: 正向?qū)щ娛芸刂茦O電流的控制 與三極管比: 陽(yáng)極電流與控制極不成比例關(guān)系)(121CBO2CBO1G2AIIII 晶體管T2處于正向偏置，控制極與陰極間的電壓產(chǎn)生控制極電流IG, 就是T2的基極電流IB2，經(jīng)過(guò)T2管的電流放大作用，T2的集電極電流， 而IC2又是T1的基極電流，經(jīng)過(guò)T1管的電流放大作用，T1的集電極電流 ，該電流又

3、流入T2的基極再一次放大。這樣，形成了強(qiáng)烈的電流正反饋，使T1、T2迅速飽和導(dǎo)通， GII2C2GCIII2121C1Chap控制極未加正向電壓時(shí)控制極未加正向電壓時(shí)導(dǎo)通時(shí)的特性導(dǎo)通時(shí)的特性控制極加正向電壓時(shí)控制極加正向電壓時(shí)沒有導(dǎo)通時(shí)的特性沒有導(dǎo)通時(shí)的特性+_+_8.1.2 晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性 （1）當(dāng)控制極UG=0，IG=0時(shí)，陽(yáng)極和陰極之間加正向電壓，此時(shí)晶閘管的三個(gè)PN結(jié)因有一個(gè)PN結(jié)處于反向偏置，其中只有很小的電流流過(guò)，這個(gè)電流稱為正向漏電流正向漏電流，處于截止?fàn)顟B(tài)。（2）當(dāng)陽(yáng)極正向電壓U增加到某一數(shù)值時(shí)，正向漏電流突然增大，晶閘管不需觸發(fā)電流就迅速?gòu)淖钄酄顟B(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀

4、態(tài)。此時(shí)的陽(yáng)極電壓稱為正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。這種使晶閘管容易造成正向擊穿，而使該元件損壞，不允許這種導(dǎo)通方式。(3）當(dāng)控制極和陰極之間加上正向UG時(shí)，有控制電流通過(guò)，若此時(shí)在陽(yáng)極加正向電壓，晶閘管就會(huì)在低于正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的某個(gè)值，由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。 晶閘管導(dǎo)通后，通過(guò)很大的電流，這時(shí)管壓降很小，只有1V左右，因此特性曲線靠近縱軸且陡直，與二極管的正向特性相似。在晶閘管導(dǎo)通后，若減小正向電壓，正向電流就逐漸減少。當(dāng)電流減小到某一數(shù)值時(shí)，晶閘管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的最小電流稱為維持電流維持電流IH。（4）當(dāng)晶閘管陽(yáng)極加反向電壓，其反向特性亦與一般二極管相似，只有

5、很小的反向漏電流，當(dāng)反向漏電流急劇增大時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電壓稱為反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR，Chap8.1.3 晶閘管的主要參數(shù)晶閘管的主要參數(shù) （1）斷態(tài)正向不重復(fù)峰值電壓UDSM控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時(shí)，不允許重復(fù)加在晶閘管兩端的陽(yáng)極電壓稱為斷態(tài)正向不重復(fù)峰值電壓，該電壓略小于正向轉(zhuǎn)折電壓。（2）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，稱為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，該電壓取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM的80%。（3）反向不重復(fù)峰值電壓URSM控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時(shí)，不允許重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極的反向電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓。

6、該電壓略小于UDSM。（4）反向重復(fù)峰值電壓URRM控制極斷路，晶閘管的結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在晶閘管的反向峰值電壓。該電壓取反向不重復(fù)峰值電壓URSM的80%。UDRM和URRM在數(shù)值上一般很相近，統(tǒng)稱為晶閘管的峰值電壓。通常把兩者較小的那個(gè)數(shù)值作為該元件的額定電壓。（5）額定通態(tài)平均電流IT在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下和環(huán)境溫度下，晶閘管的陽(yáng)極和陰極間可以連續(xù)通過(guò)工頻正弦半波電流的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，通常所講多少安的晶閘管，就是指這個(gè)電流。（6）維持電流IH在規(guī)定的環(huán)境溫度下，控制極斷路時(shí)，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，當(dāng)晶閘管的正向電流小于IH時(shí)候，晶閘管將自動(dòng)判斷。

7、（7）通態(tài)平均電壓UT在規(guī)定條件下，通過(guò)正弦半波的額定電流時(shí)，晶閘管的陽(yáng)極與陰極間的電壓的平均值。該值大約1V。Chap8.2 可控整流電路 變流電路有四種基本類型： 整流（ACDC)、逆變（DCAC)、直流調(diào)壓（DCDC)、交流調(diào)壓及變頻（ACAC) 可控整流電路的主電路結(jié)構(gòu)形式： 單相半波、單相橋式、三相半波、三相橋式等 可控整流電路的功能： 將交流電變換成電壓大小可調(diào)的直流電Chap8.2.1、單相半波可控整流電路、單相半波可控整流電路1、電阻性負(fù)載、電阻性負(fù)載控制角：正向電壓不導(dǎo)通的范圍導(dǎo)通角：正向電壓導(dǎo)通的范圍特點(diǎn)：特點(diǎn)： 電路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便電路簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便 整流電壓脈動(dòng)大，電流小

8、整流電壓脈動(dòng)大，電流小2cos145. 0)cos1 (22)(sin2212220UUttdUULLRURUI2002cos145. 0輸出電壓的平均值負(fù)載電阻RL中整流電流的平均值Chap2、電感性負(fù)載、電感性負(fù)載 生產(chǎn)上有很多負(fù)載，如電機(jī)的繞組、電感線圈都是電感性負(fù)載，它們既含有電感，又含有電阻。有的雖然不是電感性負(fù)載，但由于電路中接入了電感濾波器，因此亦在為電感性電路。 電感反電動(dòng)勢(shì)電感反電動(dòng)勢(shì) EL = -L dio/dt波形：負(fù)載兩端電壓出現(xiàn)負(fù)值波形：負(fù)載兩端電壓出現(xiàn)負(fù)值在負(fù)半波, 二極管導(dǎo)通,反電動(dòng)勢(shì)eL 產(chǎn)生電流經(jīng)過(guò)二極管形成回路，消除負(fù)載兩端電壓的負(fù)值續(xù)流二極管續(xù)流二極管 負(fù)

9、載上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)二極管形成回路。這時(shí)負(fù)載兩端電壓近似為零，晶閘管因承受反向電壓而關(guān)斷，負(fù)載上的電壓平均值與相同導(dǎo)通角時(shí)的純電阻負(fù)載一樣。 Chap8.2.2、單相半控橋式整流電路、單相半控橋式整流電路2cos19 . 0)cos1 (2)(sin212220UUttdUULLRURUI2002cos19 . 022UURRM2LTII整流輸出電壓的平均值為電流平均值為晶閘管承受反向電壓的最大值通過(guò)晶閘管的平均電流Chap例8.2.1:電 路如圖 1 所示，交流電壓的波形如圖 所示 ，畫出當(dāng)控制角= 90 時(shí)，負(fù)載電阻兩端電壓的波形。D1D2D3D4uOt2Uu023uTRL 圖

10、2 圖 1t23u00Chap8.3 晶閘管觸發(fā)電路晶閘管觸發(fā)電路8.3.1、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1 1、單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管雙基極二極管雙基極二極管：有一個(gè)發(fā)射極和二個(gè)基極：有一個(gè)發(fā)射極和二個(gè)基極伏安特性伏安特性： (等效電路等效電路)BBBBBBBBUURRRU2111 為單結(jié)晶體管的分壓比，大約在0.30.9之間 截止區(qū)：截止區(qū)：負(fù)阻區(qū)：負(fù)阻區(qū)：飽和區(qū)：飽和區(qū)： UV = 2 5V 谷點(diǎn)電壓谷點(diǎn)電壓DBBPUUUDBBEUUUDBBEUUU峰點(diǎn)電壓峰點(diǎn)電壓UE UP 導(dǎo)通，導(dǎo)通， UE UV 截止截止 大大, UV低低, IV大大,增大輸出胚脈沖幅度增大輸出胚脈沖幅度

11、和移相范圍和移相范圍Chap2、單結(jié)晶體管馳張振蕩器、單結(jié)晶體管馳張振蕩器 脈沖波形： 周期性尖脈沖脈沖電壓頻率：調(diào)節(jié)Rp (充電)脈沖電壓寬度：=R1C (放電)溫度補(bǔ)償電阻：R2K合合C充電充電 UC UP 導(dǎo)通導(dǎo)通 RB1 截止截止 UC UV C放電放電Chap3、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路控制角 ：由移相電位器Rp控制 Rp， 由UG第一個(gè)尖脈沖決定穩(wěn)壓管：為單結(jié)馳張振蕩的電源消波作用每半周第一 個(gè)脈沖的時(shí)間不受 電源電壓波動(dòng)的影響同步變壓器：保證每半周第一個(gè)脈沖的時(shí)間保持不變Chap1、雙向觸發(fā)二極管觸發(fā)電路、雙向觸發(fā)二極管觸發(fā)電路1、雙向觸發(fā)二極管DIAC 端電壓(正或

12、負(fù))高于轉(zhuǎn)折電壓Us時(shí)，電流急劇增加，電壓降低，顯示出雙向負(fù)阻特性正半周： 電容C1充電 Uc1=Us放電形成尖脈沖負(fù)半周：電容C1充電 Uc1=Us放電形成負(fù)尖脈沖 2、觸發(fā)電路雙向觸發(fā)二極管DIAC與雙向可控硅(TRIAC，能承受大電壓/電流)配合使用最好雙向可控波形8.3.2 其它其它常見的常見的晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 ChapV1、V2構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)。脈沖變壓器TM和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 2. 脈沖變壓器觸發(fā)電路脈沖變壓器觸發(fā)電路 V1、V2導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。 3. 典型的直接耦合式典型的直接耦合式GTO驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路 直接

13、耦合式驅(qū)動(dòng)電路可避免電路內(nèi)部的相互干擾和寄生振蕩，可得到較陡的脈沖前沿。目前應(yīng)用較廣，但其功耗大，效率較低。 Chap8.4 8.4 晶閘管逆變電路晶閘管逆變電路1. 初始狀態(tài)：T1,T2截止, Uc=02. 觸發(fā)T1通N1,N2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 電容充電Uc=2E N3感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E3=EN3/N1 產(chǎn)生電流IL3. 觸發(fā)T2通電容電壓反向加到 T1 T1止 電容反向充電 N1,N2感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) - E N3電動(dòng)勢(shì) - E3 電流 - IL4. 直流變?yōu)榻涣鳎航惶嬗|發(fā)T1,T25. 交流變頻：調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的頻率8.4.1、逆變電路逆變電路將直流電變?yōu)榻涣麟妼⒅绷麟娮優(yōu)榻涣麟? 把逆流得到的交流電直

14、接供給負(fù)載使用， 主要用作不同頻率的交流電源1、無(wú)源逆變、無(wú)源逆變Chap2、有源逆變、有源逆變有源逆變條件：有源逆變條件： 外接電源EM 輸出電壓平均值Uo, 變流器控制角=90 - 180 , 使Uo0 把直流變成同一頻率的交流電反送給交流電網(wǎng)，主要用作直流電機(jī)可逆調(diào)速，交流繞線式異步電機(jī)的串級(jí)調(diào)速1. 重物提升，變流器工作在整流狀態(tài)重物提升，變流器工作在整流狀態(tài) 輸出電壓 cos9 . 0)(sin21220UttdUU電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)EM，其極性亦為上正下負(fù)。因U0EM,所以變流器輸出功率。此時(shí)，輸出電流為I0=（U0-EM）/R （R為電路總有效電阻） 2. 重物下降，變流器工作在

15、逆變狀態(tài)重物下降，變流器工作在逆變狀態(tài) I0=(- U0 - EM)/ R = (EM - U0 )/R 輸出電流由于晶閘管具有單向?qū)щ娦?，電流I0方向不變，EM是產(chǎn)生I0的電源，而U0起著反電勢(shì)的作用，電動(dòng)機(jī)由重物下降帶動(dòng)，發(fā)出直流電功率，變流器作為負(fù)載吸取功率，將直流電功率逆變?yōu)?0Hz交流電功率發(fā)送到交流電網(wǎng)中。 Chap 將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電。應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)將一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電。應(yīng)用于交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、中頻電源、高頻電源等領(lǐng)域。的調(diào)速、中頻電源、高頻電源等領(lǐng)域。變頻方式：變頻方式：直接變頻直接變頻交交直直交方式交方式兩種變頻電源ACDCAC整流

16、逆變1. 1. 交交直直交方式交方式8.4.2 8.4.2 逆變電路應(yīng)用逆變電路應(yīng)用Chap直接將工頻交流電變換成所需頻率的交流電。直接將工頻交流電變換成所需頻率的交流電。單相單相直接變頻電路T2iu2u2u+LuLRT1T3T42. 2. 直接變頻直接變頻Chap8.5 8.5 功率功率( (電力電力) )半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：半控型器件（Thyristor）,通過(guò)控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。如晶閘管。全控型器件（IGBT,MOSFET）, 通過(guò)控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件不可控器件(Power Diode), 不能用

17、控制信號(hào)來(lái)控制其通斷, 不需要驅(qū)動(dòng)電路。如電力二極管。按照驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的性質(zhì)，分為兩類：電流驅(qū)動(dòng)型, 通過(guò)從控制端注入或者抽出電流來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動(dòng)型, 僅通過(guò)在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。Chap8.5.1 電力電子器件電力電子器件 前面已論述。晶閘管的派生器件有快速晶閘管（Fast Switching Thyristor FST）,高頻晶閘管, 雙向晶閘管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）, 逆導(dǎo)晶閘管（Reverse Conducting ThyristorRC

18、T）,光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）1. 半控型器件電力二極管電力二極管基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。如圖8.5.2所示。電力二極管主要有快恢復(fù)二極管(Fast Recovery DiodeFRD)和以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管（Schottky Barrier Diode SBD）兩類。2. 不可控器件晶閘管Chap4.4.典型全控型器件典型全控型器件(2) 電力晶體管電力晶體管(GTR)電力晶體管（Giant

19、TransistorGTR，直譯為巨型晶體管）是耐高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有時(shí)候也稱為Power BJT。20世紀(jì)80年代以來(lái)，在中、小功率范圍內(nèi)取代晶閘管，但目前又大多被IGBT和電力MOSFET取代。電力晶體管與普通的雙極結(jié)型晶體管基本原理是一樣的。主要特性是耐壓高、電流大、開關(guān)特性好。通常采用至少由兩個(gè)晶體管按達(dá)林頓接法組成的單元結(jié)構(gòu)。采用集成電路工藝將許多這種單元并聯(lián)而成 。(1) 門極可關(guān)斷晶閘管（門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）門極可關(guān)斷晶閘管是晶閘管的一種派生器件

20、。可以通過(guò)在門極施加負(fù)的脈沖電流使其關(guān)斷。GTO的電壓、電流容量較大，與普通晶閘管接近，因而在兆瓦級(jí)以上的大功率場(chǎng)合仍有較多的應(yīng)用。Chap(3) 電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)(通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）簡(jiǎn)稱電力MOSFET（Power MOSFET）。特點(diǎn)用柵極電壓來(lái)控制漏極電流l 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率小。l 開關(guān)速度快，工作頻率高。l 熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR。電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置 。小功率MOS管是橫向?qū)щ娖骷?。電力MOSFET大都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，又稱為V

21、MOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的差異，分為利用V型槽實(shí)現(xiàn)垂直導(dǎo)電的VVMOSFET和具有垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散MOS結(jié)構(gòu)的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。Chap(4) 絕緣柵雙極晶體管絕緣柵雙極晶體管(IGBT)GTR和GTO的特點(diǎn)雙極型，電流驅(qū)動(dòng)，有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，通流能力很強(qiáng)，開關(guān)速度較低，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)單極型，電壓驅(qū)動(dòng)，開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。兩類器件取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合而成的復(fù)合器件Bi-MOS器件,絕緣柵雙極晶體管（Insulated-ga

22、te Bipolar TransistorIGBT或IGT）。1986年投入市場(chǎng)，是中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場(chǎng)控器件，通斷由柵射極電壓uGE決定。導(dǎo)通：uGE大于開啟電壓UGE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電流，IGBT導(dǎo)通。通態(tài)壓降：電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)使電阻RN減小，使通態(tài)壓降減小。關(guān)斷：柵射極間施加反壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。Chap 電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路 和以電力電子器件為核心的主電路組成, 驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)：按控制目標(biāo)的要求施加開通或關(guān)斷的信號(hào); 對(duì)半控型器件只需提供開通控制信號(hào); 對(duì)全控型器件則既要提供開通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。1. 晶閘管的觸發(fā)