电力电子培训.

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1、1,Power Electronics,直流设备检修培训,电力电子技术,2,电力电子技术,1、概述 2、电力电子器件 3、二极管整流电路 4、晶闸管可控整流电路 5、晶闸管的保护和串并联使用 6、晶闸管的触发电路 7、晶闸管整流装置的逆变工作状态,Power Electronics,3,直 流,电 力,交 流,Power Electronics,概 述,电力电子技术 利用电力电子器件实现电能形态变换和控制的一门技术。,4,电力变换的种类,交流,输入,输出,直流,直流,交流,整流,直流斩波,交流电力变换 （变频、调压）,逆变（有源逆变） （无源逆变）,Power Electronics,电力变换

2、的技术变流技术,概 述,5,Power Electronics,1.控制方式,不能用控制信号控制 其通断，不需要驱动电路,电力二极管,不控型器件,主 电 路,通 断,电 流,电 压,只有两个端子,电力电子器件,一、分类：,6,Power Electronics,1.控制方式,半控型器件,通过控制信号可控制 其导通但不能控制其关断,晶闸管 及其派生器件,关 断,主 电 路,电 流,电 压,电力电子器件,一、分类：,7,Power Electronics,1.控制方式,全控型器件,通过控制信号既可控制 其导通又能控制其关断,绝缘栅双极晶体管 电力场效应晶体管 电力晶体管,自关断器件,门极可关断晶闸

3、管,驱 动 电 路,通 断,电 流,电 压,电力电子器件,一、分类：,8,Power Electronics,2.驱动信号的性质,电流驱动型,电压驱动型,控 制 端,通 断,注 入 电 流,抽 出 电 流,电压信号,公 共 端,控 制 端,电力电子器件,一、分类：,9,Power Electronics,3.导电方式,单极型器件,只有一种载流子（多数）参与导电,双极型器件,电子和空穴两种载流子同时参与导电,复合型器件,单极型器件和双极型器件集成混合而成,一、分类：,电力电子器件,10,Power Electronics,结构：一个PN结和两端引线及封装组成。 外形：螺栓型、平板型。 工作原理：

4、与小功率二极管相同。,电力电子器件,二、电力二极管,（功率二极管）,11,Power Electronics,静态特性,电力二极管 静态特征,伏安特征,电力电子器件,二、电力二极管,动态特性,反映通态和断态之间转换过程开关特性,12,Power Electronics,主要参数,正向平均电流IF(AV) 在规定的管壳温度和散热条件下，所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,正向压降UF 在规定的温度下，通过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。,电力电子器件,二、电力二极管,反向重复峰值电压URRM 允许重复施加在电力二极管两端的最高反向峰值电压。,13,Power Electronic

5、s,A,G,K,晶闸管外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)结构 c)图形符号,a),c),b),外形：螺栓型 平板型,电力电子器件,三、晶闸管,（控制极）,14,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,15,晶闸管的导通和关断条件,实验电路,16,导通条件：,阳极与阴极之间加正向电压，同时门极与阴极之间 也加正向电压。,关断条件：,阳极电流IA小于维持电流IH,晶闸管的导通和关断条件,实现方法：1）减小阳极电源电压 2）增大阳极回路电阻 3）将阳极电源反向,触发,对晶闸管的驱动,17,1） 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶 闸管都不可能导通。 2） 承

6、受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下 晶闸管才能开通。 3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 4）要使晶闸管关断，只能使晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流 。,晶闸管正常工作时的基本特性：,归 纳,18,Power Electronics,晶闸管的伏安特性,IH,晶闸管的基本特性,静态特性,19,Power Electronics,晶闸管的基本特性,动态特性,反映晶闸管在开通和关断时的动态工作过程。,晶闸管的开通时间约为几微秒 关断时间约几百微秒,开关时间：开通时间 ton 关断时间 toff,20,Power Electronics,晶闸管的主要参数,断态重复峰值电压UDRM 在门极

7、断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。,取晶闸管的UDRM和 URRM中较小的标值作 为该器件的额定电压。,电压定额,额定电压的选取要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。,即 UTn=（23）UTM,UTM 为晶闸管在实际工作中所承受的最大正反向电压,21,Power Electronics,通态平均电流IT(AV) 在规定的条件下，晶闸管所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。,电流定额,维持电流 IH 维持晶闸管继续导通所必需的最小阳极电流。 擎住

8、电流IL（掣住电流） 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的24倍。,晶闸管的主要参数,22,Power Electronics,正弦半波电流波形,通态平均电流IT(AV),正弦半波电流的有效值,波形系数Kf,则 正弦半波电流,或 ITn=1.57IT(AV),即 100A的晶闸管允许通过的电流有效值为157A,晶闸管的主要参数,电流定额,23,Power Electronics,注意：管子的发热与有效值有关，要求实际电流有效值IT一定不能大于额定电流有效值ITn。,IT ITn=1.57IT(AV),故,额定电流的选取要留有一

9、定裕量，一般取1.52倍。,即,IT(AV)=（1.52）,晶闸管的主要参数,电流定额,24,Power Electronics,晶闸管的主要参数,晶闸管型号的命名方法：,例如：KP100-12G,表示额定电流100A、额定电压1200V、管压降1v的普通型晶闸管。,25,Power Electronics,晶闸管的工作特点： 晶闸管具有可控的单向导电性 正向且受门极控制导通；反向阻断。 晶闸管具有开关作用 阻断开关断开；导通开关闭合。 晶闸管为半控型器件 门极只能控制其导通，无法控制其关断。,归 纳,26,Power Electronics,IGBT单管及模块,电力MOSFET,常用的典型全

10、控型器件,电力电子器件,四、全控型器件,27,Power Electronics,1）GTR的结构和工作原理,单管GTR与普通晶体管相同。 具有耐压高、电流大、开关特性好等特点。 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。 1 2 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成达林顿模块 。,电力电子器件,四、全控型器件,1.电力晶体管（GTR）（功率晶体管）,28,Power Electronics,电力电子器件,四、全控型器件,1.电力晶体管（GTR）,达林顿模块,29,Power Electronics,2） GTR的静态特性,GTR的输出特性,开关状态,工作在截止区或饱和区,开关过程

11、,在截止区或饱和区过渡时，要经过放大区,电力电子器件,1.电力晶体管（GTR）,30,Power Electronics,GTR的开关时间在几微秒以内 比晶闸管的开关时间短,3） GTR的动态特性,电力电子器件,1.电力晶体管（GTR）,开通时间ton、关断时间toff,反映GTR的开关过程,31,Power Electronics,最高工作电压 集电极最大允许电流IcM 集电极最大耗散功率PcM 最大允许结温TJM,4） GTR的极限参数,电力晶体管的最大额定值,电力电子器件,1.电力晶体管（GTR）,32,Power Electronics,一次击穿 集电极电压升高到击穿电压时，集电极电流

12、迅速增大，首先出现的雪崩击穿的现象。 二次击穿 一次击穿发生时未有效限制电流，Ic增大到某个临界点突然急剧上升，电压突然下降的现象。,5）二次击穿现象与安全工作区,二次击穿会立即导致器件的永久损坏，对GTR危害极大。,电力电子器件,1.电力晶体管（GTR）,33,Power Electronics,二次击穿临界线,最高工作电压,集电极最大电流,最大耗散功率,5） 二次击穿现象与安全工作区,安全工作区,GTR工作时不能超过,电力电子器件,1.电力晶体管（GTR）,34,Power Electronics,uGS导电沟道宽度漏极电流iD,电压驱动方式,1）结构和工作原理,栅极,漏极,源极,简称：功

13、率MOSFET（Power MOSFET）,电力电子器件,2.电力场效应晶体管,35,Power Electronics,1）结构和工作原理,电力MOSFET导通时只有一种极性的载流子参与导电,电力场效应晶体管（功率MOSFET）,电力MOSFET主要是N沟道增强型,单极型晶体管,36,Power Electronics,2）基本特性,静态特征,转移特性：,转移特性 输出特性,UT（开启电压）,电力场效应晶体管（功率MOSFET）,37,Power Electronics,2）基本特性,电力场效应晶体管（功率MOSFET）,输出特性：,38,Power Electronics,3）主要参数,最

14、大漏极电流IDM ：表征功率MOSFET电流定额 漏极电压UDS ：表征功率MOSFET电压定额 栅源电压 UGS ： UGS 20V将导致绝缘层击穿 阈值电压（开启电压）UGS（th） ：当UGS UGS（th）时，功率MOSFET导通 通态电阻Ron：反映功率MOSFET的导通损耗 主要优点：开关时间短（ns级）、工作频率高（100kHz以上）、驱动功率小、驱动电路简单、热稳定性好且不存在二次击穿现象等。 主要缺点：通流能力较差，且通态电阻值较大。,电力场效应晶体管（功率MOSFET）,39,Power Electronics,1） 结构和工作原理,内部结构断面示意图,电气图形符号,简化等

15、效电路,电力电子器件,四、全控型器件,3.绝缘栅双极晶体管（IGBT）,栅极,发射极,集电极,40,Power Electronics,2） 基本特性,静态特性,输出特性分为三个区：正向阻断区、有源区和饱和区。,转移特性IC与UGE间的关系(开启电压UGE(th),转移特性,输出特性,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,转移特性 输出特性,41,Power Electronics,动态特性,开通时间ton,关断时间toff,IGBT的开关速度低于功率MOSFET。,2） 基本特性,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,42,Power Electronics,3） 主要参数,最大集射极间电压UCES 表征I

16、GBT集电极-发射极的耐压能力。 等级：600、1000、1200、1400、1700、3300V 最大集电极电流 额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP 最大集电极功耗PCM 正常工作温度下允许的最大耗散功率,IGBT的特性和参数特点 开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当。 相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力。 通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。 输入阻抗高。,绝缘栅双极晶体管（IGBT）,43,二极管整流电路,整流电路：将交流电变换成为直流电。 整流电路的分类： 按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。 按电路结构可分为桥式电路和零式电路。 按交流输入相数分为单相电路和多相