电力电子技术高效应用

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1、第第1919章章 电力电子技术电力电子技术 19.1 19.1 晶闸管晶闸管 19.2 19.2 可控整流电路可控整流电路 19.3 19.3 晶闸管的保护晶闸管的保护 19.4 19.4 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 第19章 目录 晶闸管晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率的半 导体器件。 分类：有普通型、双向型和可关断型。 它的出现，使半导体器件进入强电领域。 优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护 简单、操作方便，寿命长等； 缺点：过载能力差，抗干扰能力差、控制比较复杂。 概述 用途: 整流、逆变、调压、开关 19.1 19.1 晶闸管晶闸管 A G K J1 J2

2、J3 A K G P N P N 阳极 阴极 控制极 符号符号 19.1.1 19.1.1 晶闸管的结构和符号晶闸管的结构和符号 结构结构 晶闸管是一种 大功率的半导 体器件。其内 部结构为： 四层半导体， 三个 PN结。 文字符号为 T T 第19章 19.1 19.1.2 19.1.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 第19章 19.1 1、晶闸管的导通关断条件 导通条件： 晶闸管阳极与阴极间加正向电压、控制极电路加 正向电压。二个条件必须同时具备。 关断条件： 将阳极电流减小到维持电流以下，或者在阳极与 阴极间加反向电压。二个条件具备一个即可。 注意：晶闸管一但导通，控制极便失去作用。

3、注意：晶闸管一但导通，控制极便失去作用。 P N P N K G A A (PNP) (NPN) K G T2 T1 A P N P N P N K G 第19章 19.1 为了说明晶闸管的导通原理, 将晶闸管等效为由 T1 (NPN型) 和T2 (PNP型) 两个三极管联接而成 , 每个三极管的基极与另一个三极管的集电极相联。 2、晶闸管的导通原理 IG+IC2 流入T1的基极作再次放大,如此循环形成强正反馈 , 很快使T1和T2达到饱和导通。 当加入电源EA和EG后, 使晶闸管的阳极和控制极均加 正向电压,因而T1正偏导通,IG= IB1, 而IC1=1IB1即是 IB2, EG K G

4、T2 T1 A R EA IG 1IB1 12IB1 A (PNP) (NPN) K G T2 T1 第19章 19.1 此时, 若去掉触发电压, 晶闸 管仍可依靠正反馈维持晶闸管导通, 控制极失去作用。 经PNP管T2 作进一步放大, 形成集电极电流 IC2 =12IB1, IB1 19.1.3 19.1.3 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 C B A 0 IH I U 导通 IG=0IG1IG2 阻断 UBRIR IG增加 UBO 反向特性 正向特性 UBO 正向转折电压 UBR 反向转折电压 IG 触发电流 IH 维持电流 晶闸管的晶闸管的导通条件：导通条件： 阳极和阴极间加正向电压；

5、 控制极和阴极间加正向触 发电压。 两个条件必 须同时满足 第19章 19.1 规定：晶闸管阳极与阴 极间加6V直流电压，能 使元件导通的控制极最 小电流（电压）称为触 发电流（电压)。 P N P N K G A 0 I UT2T1 双向晶闸管的结构、符号和伏安特性双向晶闸管的结构、符号和伏安特性 G T1 T2 结构 双向晶闸管可等效为 两个反向并联的晶闸 管,可实现双向导通。 伏安特性 T1 T2 G 符号 第19章 19.1 I T2 T1 _ G 19.1.4 19.1.4 主要参数主要参数 第19章 19.1 1、正向重复峰值电压 控制极断路，晶闸管正向阻断条件下，可以重复加 在晶

6、闸管两端的正向峰值电压。用符号UFRM表示。 UFRM 此电压为正向转折电压的80% 2、反向重复峰值电压 URRM 控制极断路，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值 电压。用符号URRM表示。 此电压为反向转折电压的80% 3、正向平均电流IF 第19章 19.1 在环境温度不大于40C和标准散热及全导通的条件下 ，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个 周期内）的平均值，称为正向平均电流IF。 4、维持电流IH 在规定环境温度和控制极断路时，维持元件 继续导通的最小电流称为维持电流。当小于 这个电流时，晶闸管自动关断。 晶闸管的型号及含义 K P 导通时平均电压组别 （小于100A不标）

7、， 共九级，用A-I字母 表示0.2-1.2V。 额定电压，用其百分 数或千位数表示，它 即为UFRM和URRM中 较小的一个。 晶闸管 普通型 额定正向平均电流 例如KP5-7表示额定正向平均电流为 5A，额定电压为700V的晶闸管。 第19章 19.1 19.2 19.2 可控整流电路可控整流电路 第19章 19.2 19.2.1 19.2.1 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 正半周 T导通 负半周 T截止 RL T u2 u1 uG uO uG 触发电压 uO 输出电压 导通角 iO t t 触发角 t 0 uG iO 0 0 2U2 第19章 19.2 RL

8、T u2 u1 uG uO 导通角 iO t t 触发角 t 0 uG iO 0 0 2U2 单相半波可控整流电路的计算单相半波可控整流电路的计算 IO = UO /RL 输出电压、电流平均值 UO = 0.45U2 2 1+cos 晶闸管的电流平均值 和最大反向电压 IT = IO , UTRM =2 U2 2、电感性负载 第19章 19.2 T L R uo u t t t 0 uG iO 0 0 2U2 晶闸管刚导通时,电感元件 中产生阻碍电流变化的感 应电动势,电路中电流不能 跃变,由零逐渐上升。 当电流达到最大值并开始减小时，eL为下正上负，当交 流电压u达到零值之前，eL和u极性相

9、同，晶闸管导通。 在单相半波可控整流电路接电感性负载时，晶闸管 导通角将变大，负载电感越大，导通角越大，在一 个周期中，负载上负电压所占的比重就越大，整流 输出电压的平均值就越小。为了使晶闸管在电源电 压为零时能及时关断，使负载上不出现负电压，必 须采取相应措施，一般可在电感性负载两端并联一 个二极管D。 第19章 19.2 当电压经过零值变负以后，只要eL大于u，晶闸 管继续承受正向电压，电流仍将继续流通， 当电流下降到维持电流以下时，晶闸管关断， 并立即承受反向电压。 iO 19.2.2 19.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 uO uG t t uO uG uG 触发电压

10、 uO 输出电压 单相半控桥式整流电路由两 个晶闸管和两个二极管组成 。 触发角 导通角 iO 正半周 T1和D2导通 负半周 T2和D1导通 D1 T1T2 D2 t 0 u2 u2 RL 0 0 第19章 19.2 u1 2U2 1. 1. 工作原理工作原理 iO 2. 2. 单相半控桥式整流电路的计算单相半控桥式整流电路的计算 uO uG t t RL 触发角 导通角 t u2 IO = UO /RL IT = ID= IO/2 , 输出电压、电流平均值 UO = 0.9U2 2 1+cos UTRM=UDRM =2U2 晶闸管、二极管的电流 平均值和最大反向电压 uO uG D1 T1

11、T2 D2 u2 iO 0 0 0 第19章 19.2 u1 2U2 19.3. 19.3. 晶闸管的保护晶闸管的保护 晶闸管的主要缺点：晶闸管的主要缺点：过载能力差！ 使用时必须加入过压和过流保护电路过压和过流保护电路。 将 RCRC电路电路 并联在晶闸管两端及负载端即是 一种常用的简单有效的过压保护措施。 RL L D R C R C R C R C 第19章 19.3 发射极 19.4.119.4.1单结晶体管单结晶体管 E PN 结 N型硅片 B1 B2 结构 符号 E B1 B2 E B1 B2 D RB2 RB1 A 等效电路 19.4 19.4 单结晶体管单结晶体管触发电路触发电

12、路 第二 基极 第一 基极 第19章 19.4 RBB= RB1+ RB2 RB2 为常数 2-15K RB1 当PN结未导通为数千 PN结导通后则下降为几十 单结晶体管的实验电路及伏安特性曲线 指UBB为常数时，IE与UE之间的关系IE = f ( UE ) UBB = 常数 (1)截止区，当UE VA+UD E B1 B2 D RB2 RB1 A RE UE UBB EE IE VA= RB1 UBB RB1RB2+ = UBB PN结反偏， IE很小 当UE增加到PN结 导通的峰点 电压 UP ，单结晶 体管将进入 导通状态。 实验电路: UV UE Up V V IEIV 截止区截止区

13、 负阻区负阻区饱和区饱和区 P P IP 第19章 19.4 E B1 B2 D RB2 RB1 A RE UE UBB EE IE VA= RB1 UBB RB1RB2+ = UBB (2)负阻区，当UE UP PN结导通， IE显著增加，同时UE 下降。 由于RB1随着PN结导通急 剧下降，故分压比也下降，又引起 维持PN结导通的UE进一步下降。 形成正反馈，一直达到谷点V。 这段曲线表现出负阻特性。 实验电路: UE Up UV V V IEIV 截止区截止区 负阻区负阻区饱和区饱和区 P P IP 第19章 19.4 E B1 B2 D RB2 RB1 A RE UE UBB EE I

14、E VA= RB1 UBB RB1RB2+ = UBB (3)饱合区，当IE IV 后RB1 不再下降， 随IE增加UE缓慢上升 。动态电阻为正值。 实验电路: 第19章 19.4 UE Up UV V V IEIV 截止区截止区 负阻区负阻区饱和区饱和区 P P IP E E D RB2 RB1 A A RE UE UBB EE UE Up UV V V IEIV 截止区截止区 负阻区负阻区饱和区饱和区 P P IP IE 2. 当发射结电压UEUP时, 单结晶体管导通； 若管子导通后UEUV时, 单结晶体管截止。 1. 在点P、V之间, 单结晶体管呈现负阻特性。 结论结论 B B1 1 B

15、 B2 2 第19章 19.4 19.4.2. 19.4.2. 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 充 电 R R2 R1 C 放 电 uGuG UBB uG uC UP UV 0 t t 当电容放电至ucUV时单结晶体管截止,电容重新 充电。 振荡振荡 原理原理 当电容充电到ucUp时,单结晶体管导通,经R1放电; 循环往复,在电阻R1上形成触发脉冲uG 。 0 第19章 19.4 R1 t t t tL Rp R D uO uc uG RL D3D4 D5D6 D2 D D1 T1T2 R2 uZ uC uZ uG uO (2) 工作波形 第19章 19.4 u1 u21 u22 DZ C t t t t 由工作波形可见： 当电压uZ过零时，电容 放电到零，使每个周期 uC都从零开始充电，因 此uZ在每个半周产生的 第一个触发脉冲的时间 均相同，可保证晶闸管 的控制角 相同。 uC uZ uG uO (3) 同步触发 第19章 19.4