第19章電力電子技術(shù)97800培訓(xùn)教材

第19章電力電子技術(shù)19.1晶閘管19.2可控整流電路19.3晶閘管的保護(hù)19.4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路第19章目錄晶閘管又稱可控硅（SCR），是一種大功率的半導(dǎo)體器件。分類：有普通型、雙向型和可關(guān)斷型。它的出現(xiàn)，使半導(dǎo)體器件進(jìn)入強(qiáng)電領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維護(hù)簡(jiǎn)單、操作方便，壽命長(zhǎng)等；缺點(diǎn)：過(guò)載能力差，抗干擾能力差、控制比較復(fù)雜。概述用途:

整流、逆變、調(diào)壓、開(kāi)關(guān)19.1晶閘管AGKJ1J2J3AKGPNPN陽(yáng)極陰極控制極符號(hào)19.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)結(jié)構(gòu)晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為：四層半導(dǎo)體，三個(gè)PN結(jié)。文字符號(hào)為

TT第19章19.1PNPNKGAA(PNP)(NPN)KGT2T1APNPNPNKG第19章19.1為了說(shuō)明晶閘管的導(dǎo)通原理,將晶閘管等效為由T1

(NPN型)

和T2(PNP型)

兩個(gè)三極管聯(lián)接而成

,每個(gè)三極管的基極與另一個(gè)三極管的集電極相聯(lián)。2、晶閘管的導(dǎo)通原理

IG+IC2流入T1的基極作再次放大,如此循環(huán)形成強(qiáng)正反饋

,

很快使T1和T2達(dá)到飽和導(dǎo)通。當(dāng)加入電源EA和EG后,

使晶閘管的陽(yáng)極和控制極均加正向電壓,因而T1正偏導(dǎo)通,IG=

IB1,

而IC1=

1IB1即是

IB2,

EGKGT2T1AREAIG

1IB1

1

2IB1A(PNP)(NPN)KGT2T1第19章19.1

此時(shí),

若去掉觸發(fā)電壓,

晶閘管仍可依靠正反饋維持晶閘管導(dǎo)通,

控制極失去作用。經(jīng)PNP管T2作進(jìn)一步放大,

形成集電極電流

IC2=

1

2IB1,IB119.1.3晶閘管的伏安特性CBA0IHIU導(dǎo)通IG=0IG1IG2阻斷UBRIRIG增加UBO反向特性正向特性UBO

—

正向轉(zhuǎn)折電壓UBR

—反向轉(zhuǎn)折電壓IG

—觸發(fā)電流IH

—維持電流晶閘管的導(dǎo)通條件：陽(yáng)極和陰極間加正向電壓；控制極和陰極間加正向觸發(fā)電壓。

兩個(gè)條件必須同時(shí)滿足第19章19.1規(guī)定：晶閘管陽(yáng)極與陰極間加6V直流電壓，能使元件導(dǎo)通的控制極最小電流（電壓）稱為觸發(fā)電流（電壓)。PNPNKGA0IUT2T1雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和伏安特性GT1T2結(jié)構(gòu)雙向晶閘管可等效為兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管,可實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?。伏安特性T1T2G符號(hào)第19章19.1IT2T1

__G19.1.4主要參數(shù)第19章19.11、正向重復(fù)峰值電壓控制極斷路，晶閘管正向阻斷條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。用符號(hào)UFRM表示。UFRM此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓的80%2、反向重復(fù)峰值電壓URRM控制極斷路，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。用符號(hào)URRM表示。此電壓為反向轉(zhuǎn)折電壓的80%3、正向平均電流IF第19章19.1在環(huán)境溫度不大于40oC和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流（在一個(gè)周期內(nèi)）的平均值，稱為正向平均電流IF。4、維持電流IH在規(guī)定環(huán)境溫度和控制極斷路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流。當(dāng)小于這個(gè)電流時(shí)，晶閘管自動(dòng)關(guān)斷。晶閘管的型號(hào)及含義KP—導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別（小于100A不標(biāo)），共九級(jí)，用A-I字母表示0.2-1.2V。額定電壓，用其百分?jǐn)?shù)或千位數(shù)表示，它即為UFRM和URRM中較小的一個(gè)。晶閘管普通型額定正向平均電流例如KP5-7表示額定正向平均電流為5A，額定電壓為700V的晶閘管。第19章19.119.2可控整流電路第19章19.219.2.1單相半波可控整流電路1、電阻性負(fù)載正半周—T導(dǎo)通負(fù)半周—T截止RLTu2u1uGuOuG—

觸發(fā)電壓uO—輸出電壓

—導(dǎo)通角iOtt—

觸發(fā)角t0uG

iO002U2第19章19.2RLTu2u1uGuO

—導(dǎo)通角iOtt—

觸發(fā)角t0uG

iO002U2單相半波可控整流電路的計(jì)算IO=UO/RL輸出電壓、電流平均值UO=0.45U221+cos

晶閘管的電流平均值和最大反向電壓IT

=IO,UTRM

=2U22、電感性負(fù)載第19章19.2TLRuouttt0uG

iO002U2晶閘管剛導(dǎo)通時(shí),電感元件中產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),電路中電流不能躍變,由零逐漸上升。當(dāng)電流達(dá)到最大值并開(kāi)始減小時(shí)，eL為下正上負(fù)，當(dāng)交流電壓u達(dá)到零值之前，eL和u極性相同，晶閘管導(dǎo)通。在單相半波可控整流電路接電感性負(fù)載時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角將變大，負(fù)載電感越大，導(dǎo)通角越大，在一個(gè)周期中，負(fù)載上負(fù)電壓所占的比重就越大，整流輸出電壓的平均值就越小。為了使晶閘管在電源電壓為零時(shí)能及時(shí)關(guān)斷，使負(fù)載上不出現(xiàn)負(fù)電壓，必須采取相應(yīng)措施，一般可在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管D。第19章19.2當(dāng)電壓經(jīng)過(guò)零值變負(fù)以后，只要eL大于u，晶閘管繼續(xù)承受正向電壓，電流仍將繼續(xù)流通，，當(dāng)電流下降到維持電流以下時(shí)，晶閘管關(guān)斷，并立即承受反向電壓。iO19.2.2單相半控橋式整流電路uOuGttuOuGuG—

觸發(fā)電壓uO—輸出電壓

單相半控橋式整流電路由兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)二極管組成。—

觸發(fā)角

—導(dǎo)通角iO正半周—T1和D2導(dǎo)通負(fù)半周—T2和D1導(dǎo)通D1T1T2D2t0u2u2RL00第19章19.2u12U21.工作原理iO2.單相半控橋式整流電路的計(jì)算uOuGttRL

—

觸發(fā)角—導(dǎo)通角tu2IO=UO/RLIT

=ID=IO/2,輸出電壓、電流平均值UO=0.9U221+cos

UTRM=UDRM

=2U2晶閘管、二極管的電流平均值和最大反向電壓uOuGD1T1T2D2u2iO000第19章19.2u12U219.3.晶閘管的保護(hù)晶閘管的主要缺點(diǎn)：過(guò)載能力差！使用時(shí)必須加入過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)電路。將RC電路

并聯(lián)在晶閘管兩端及負(fù)載端即是一種常用的簡(jiǎn)單有效的過(guò)壓保護(hù)措施。RLLDRCRCRCRC第19章19.3發(fā)射極19.4.1單結(jié)晶體管EPN

結(jié)N型硅片B1B2結(jié)構(gòu)符號(hào)EB1

B2EB1B2DRB2RB1A等效電路19.4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路第二基極第一基極第19章19.4RBB=RB1+RB2RB2為常數(shù)2--15K

RB1

當(dāng)PN結(jié)未導(dǎo)通為數(shù)千

PN結(jié)導(dǎo)通后則下降為幾十

單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路及伏安特性曲線指UBB為常數(shù)時(shí)，IE與UE之間的關(guān)系IE

=f(UE)UBB=常數(shù)(1)截止區(qū)，當(dāng)UE<VA+UD

EB1B2DRB2RB1AREUEUBBEEIEVA=RB1UBBRB1RB2+=

UBBPN結(jié)反偏，IE很小當(dāng)UE增加到PN結(jié)導(dǎo)通的峰點(diǎn)電壓

UP，單結(jié)晶體管將進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)電路:UVUEUpVIEIV截止區(qū)負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)PIP第19章19.4EB1B2DRB2RB1AREUEUBBEEIEVA=RB1UBBRB1RB2+=

UBB(2)負(fù)阻區(qū)，當(dāng)UE

UP

PN結(jié)導(dǎo)通，IE顯著增加，同時(shí)UE下降。由于RB1隨著PN結(jié)導(dǎo)通急劇下降，故分壓比也下降，又引起維持PN結(jié)導(dǎo)通的UE進(jìn)一步下降。形成正反饋，一直達(dá)到谷點(diǎn)V。這段曲線表現(xiàn)出負(fù)阻特性。實(shí)驗(yàn)電路:UEUpUVVIEIV截止區(qū)負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)PIP第19章19.4EB1B2DRB2RB1AREUEUBBEEIEVA=RB1UBBRB1RB2+=

UBB(3)飽合區(qū)，當(dāng)IE

IV后RB1不再下降，隨IE增加UE緩慢上升。動(dòng)態(tài)電阻為正值。實(shí)驗(yàn)電路:第19章19.4UEUpUVVIEIV截止區(qū)負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)PIPEDRB2RB1AREUEUBBEEUEUpUVVIEIV截止區(qū)負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)PIPIE2.當(dāng)發(fā)射結(jié)電壓UE≥UP時(shí),單結(jié)晶體管導(dǎo)通；若管子導(dǎo)通后UE<UV時(shí),單結(jié)晶體管截止。1.

在點(diǎn)P、V之間,單結(jié)晶體管呈現(xiàn)負(fù)阻特性。結(jié)論B1B2第19章19.419.4.2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路充電RR2R1C放電

uGuGUBBuGuCUPUV0tt當(dāng)電容放電至uc<UV時(shí)單結(jié)晶體管截止,電容重新充電。振蕩原理當(dāng)電容充電到uc≥Up時(shí),單結(jié)晶體管導(dǎo)通,經(jīng)R1放電;循環(huán)往復(fù),在電阻R1上形成觸發(fā)脈沖uG

。0第19章19.4單結(jié)晶體管同步觸發(fā)整流電路和工作波形uOucuGuZRLLu1u21u22RpRD3D4D5D6D2DD1T1T2R2R1同步觸發(fā)：?jiǎn)谓Y(jié)晶體管觸發(fā)電路與晶閘管半控橋式整流電路由同一變壓器供電,可保證uZ與uO同時(shí)過(guò)零。調(diào)整電位器Rp,可改變電容

C

的充電時(shí)間常數(shù)即調(diào)整了主電路的控制角

。(1)電路組成第19章19.4DZCR1

t

t

t

tLRpRD

uOu