电工学-电力电子技术原理

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1、 下一页返回上一页退出章目录 第第1919章章 电力电子技术电力电子技术 19.119.1 电力电子器件电力电子器件 19.219.2 可控整流电路可控整流电路 19.319.3 逆变电路逆变电路 19.419.4 交流调压电路交流调压电路 下一页返回上一页退出章目录 本章要求：本章要求： 1. 1. 了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线 和主要参数；和主要参数； 2. 2. 了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压 与电流的波形，了解单结晶闸管及其触发电路；与电流的波形，了解单结晶闸管及其触发电路； 3. 3

2、. 了解逆变电路、变频电路和交流调压电路及斩了解逆变电路、变频电路和交流调压电路及斩 波电路的工作原理和应用。波电路的工作原理和应用。 第第1919章章 电力电子技术电力电子技术 下一页返回上一页退出章目录 19.119.1 电力电子器件电力电子器件 (1) (1) 不控器件不控器件 器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管( (D)D)。 (2) (2) 半控器件半控器件 器件的导通可控器件的导通可控, ,但关断不可控。如普通晶闸管但关断不可控。如普通晶闸管( (T T) )。 (3) (3) 全控器件全控器件 器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断

3、晶闸管器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断晶闸管 ( (GTOGTO) ) 、功率晶体管、功率晶体管( (GTRGTR) ) 、功率场效晶体管、功率场效晶体管 ( (VDMOSVDMOS) )及绝缘栅双极晶体管及绝缘栅双极晶体管( (IGBTIGBT) )。 19.1.1 19.1.1 电力电子器件的分类电力电子器件的分类 下一页返回上一页退出章目录 电力电子器件的符号电力电子器件的符号 电力电子器件的主要性能指标电力电子器件的主要性能指标 电压、电流、工作频率。电压、电流、工作频率。 K K GG A A T T K K A A D D K K GG A A GTOGTO G S D V

4、DMOSVDMOS B E C GTRGTR G E C IGBTIGBT 下一页返回上一页退出章目录 19.1.2 19.1.2 晶闸管晶闸管 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率大功率 半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩 展到强电领域。展到强电领域。 晶闸管晶闸管也像半导体二极管那样具有也像半导体二极管那样具有单向导电性，单向导电性， 但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、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。调压及开关等方面。 优点：优点： 体积小、重量轻、效率

5、高、动作迅速、维修简单体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单 、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达容量大（正向平均电流达 千安、正向耐压达数千伏）。千安、正向耐压达数千伏）。 （S Siliconilicon C Controlled ontrolled R Rectifierectifier） 下一页返回上一页退出章目录 GG 控制极控制极 1. 1. 基本结构基本结构 K K 阴极阴极 阳极阳极 A A P1 P2 N1 N2 晶闸管具有三个晶闸管具有三个PNPN结。结。 (c) (c) 结构结构 K K GG A A (b) (b) 符号符号(a) (a)

6、外形外形 晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号 四四 层层 半半 导导 体体 三三 个个 PNPN 结结 下一页返回上一页退出章目录 P1 P2 N1 N2 K G A 晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNP和和NPNNPN型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合 P P N N N P A G K + + K A T2 T1 _ P2 N1 N2 IG IA P1 N1 P2 IK G 下一页返回上一页退出章目录 2. 2. 工作原理工作原理 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。 形成正反馈过程形成正反馈过程 E E A A 0 0、E EG G 0 0 A A

7、KK GG EA + _ R T1 T2 EG _ + 下一页返回上一页退出章目录 EA + _ R T1 T2 EG A A _ + KK 晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去 掉掉E EG G ， ， 依靠正反馈，依靠正反馈， 仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。 2. 2. 工作原理工作原理 E E A A 0 0、E EG G 0 0 形成正反馈过程形成正反馈过程 G 下一页返回上一页退出章目录 晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件： (1) (1)晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路( (阳极与阴极之间阳极与阴极之间) )施加正向施加正向 电压。电压。 (2)(2)晶闸管控制电路晶闸管控制电路(

8、(控制极与阴极之间控制极与阴极之间) )加正向加正向 电压或正向脉冲电压或正向脉冲( (正向触发电压正向触发电压) )。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正依靠正 反馈，反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。 晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： (1)(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)(2)将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极 阳极和阴极 间加反向电压。间加反向电压。 下一页返回上一页退出章目录 正向特性正向特性反向特性反向特性 URRM UFRM IG2 IG1 IG0 UBR IF UBO 正向转折电

9、压正向转折电压 IH O U I IG0IG1IG2 + + _ _ + + _ _ 反向转折电压反向转折电压 正向平均电流 维持电流维持电流 U U 3. 3. 伏安特性伏安特性 下一页返回上一页退出章目录 4 . 4 . 主要参数主要参数 (1)(1)正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDRM 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,可以重复 加在晶闸管两端的正向峰值电压。 一般UDRM 比正向转折电压UBO低100V 。 (2)(2)反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 晶闸管控制极开路时,可以重复加在晶闸管两端 的反向峰值电压。 一般URRM 比反向转折电压|UBO|低100V 。 (3)

10、(3)正向平均电流正向平均电流 I I F F 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。 下一页返回上一页退出章目录 IF t 2 如果正弦半波电流的最大值为Im, 则 普通晶闸管IF为1A 1000A。 (4)(4)维持电流维持电流 I IH H 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通 状态所必须的最小电流。状态所必须的最小电流。 下一页返回上一页退出章目录 晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别 共九级共九级, , 用字母用字母AIAI表示表示0.41.

11、2V0.41.2V 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）（晶闸管类型） P P-普通晶闸管普通晶闸管 KK-快速晶闸管快速晶闸管 S S-双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管 K P 普通型 如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。 下一页返回上一页退出章目录 双向晶闸管双向晶闸管 特点：特点： 相当于两个相当于两个 晶闸管反向并晶闸管反向并 联，两者共用联，两者共用 一个控制极。一个控制极。 晶闸管双向晶闸管双向 触发导通。触发导通。 U UA2 A2 U U A1A1时 时 控制极控制极相对于相对于A A 1 1 加

12、正脉冲，加正脉冲，u uGA1 GA1 0 0，晶闸管晶闸管正正 向导通，电流从向导通，电流从A A 2 2 流向流向A A 1 1 。 U UA2 A2 U U A1A1时 时 控制极相对于控制极相对于A A 1 1 加加负负脉冲，脉冲， u uGA1 GA1 0 0，晶闸管反晶闸管反 向导通，电流从向导通，电流从A A 1 1 流向流向A A 2 2 。 工作原理：工作原理： (a) 结构图 (b) G A1 P N P N A2 N NN (b ) 符号 控制极控制极 第二电极第二电极 T A2 G A1第一电极第一电极 下一页返回上一页退出章目录 可关断晶闸管可关断晶闸管 符号：符号：

13、 K K GG A A GTOGTO 特点：特点： 控制极加正触发信号控制极加正触发信号 ，晶闸管导通；，晶闸管导通； 控制极加负触发信号控制极加负触发信号 ，晶闸管关断。，晶闸管关断。 GTOGTO全控示意图全控示意图 K K GG A A i i GG i i A A R R E EA A i i GG i i A A 下一页返回上一页退出章目录 19.1.3 19.1.3 功率晶体管、功率场效应晶体管功率晶体管、功率场效应晶体管 和绝缘栅双极晶体管和绝缘栅双极晶体管 1. 1. 功率晶体管功率晶体管 2. 2. 功率场效应晶体管功率场效应晶体管 3. 3.绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管

14、 这种晶体管主要作为功率开关使用。这种晶体管主要作为功率开关使用。 这种场效应管的漏极电流较大，可达几百这种场效应管的漏极电流较大，可达几百A A；耐压；耐压 较高，漏较高，漏- -源电压可达千伏；效率较高、速度较快。源电压可达千伏；效率较高、速度较快。 这种晶体管综合了功率晶体管和功率场效应晶体这种晶体管综合了功率晶体管和功率场效应晶体 管的优点，具有较高的电压与电流和工作频率，其管的优点，具有较高的电压与电流和工作频率，其 关断时间可缩短到关断时间可缩短到40ns40ns。 下一页返回上一页退出章目录 19.219.2 可控整流电路可控整流电路 19.2.1 19.2.1 可控整流电路可控

15、整流电路 1. 1. 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 (1) 电阻性负载电阻性负载 u u 0 0 时：时： 若若u uG G = 0 = 0，晶闸管晶闸管不导通，不导通， u u 0 0 时时: : 晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通, , u u O O = 0, = 0, u u T T = = u u ，故称可控整流。故称可控整流。 控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压导导 通，通， u u u uo o R RL L + + u uT T + T i i o o 下一页返回上一页退出章目录 t O 工作原理工作原理 t1 2 u u2 2 0时时: : 下一页返回上一页退出章目录 tO tO 接电阻负载时接电阻负载时 单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形 控制角 t1 tO t2 2 tO 导通角 下一页返回上一页退出章目录 整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值