电力电子资料第一章

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1、第一章 功率二极管、晶阐管 及单相相控整流电路,第一节 功率二极管,PN结 概念：载流子 N型半导体 P型半导体 PN结 正向导通 反向阻断,基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。 以半导体PN结为基础。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。,图1.2.1功率二极管的外形、结构和电气图形符 a）结构 b）外形 c）电气图形,功率二极管,功率二极管 （1）功率二极管的伏安特性 当外加正向电压大于UTO（门槛电压）即克服PN结内电场 后管子才开始导通，正向导通后其压降 基本不随电流变化。反向工作时， 当反向电压增大到UB（击穿电压），

2、使PN结内电场达到 雪崩击穿强度时， 反向漏电流IRR剧增， 导致二极管 击穿损坏。,（2）功率二极管主要参数 额定正向平均电流IF（额定电流） 有效值为1.5IF 反向重复峰值电压URRM（额定电压） URRM=2/3UB 门槛电压UTO 击穿电压UB 正向平均电压UF 反向漏电流IRR,（1）关断特性：功率二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态过程。 须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。 在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。,一、定义：反映通态和断态之间的转换过程（关断过程、开通过程）。,图1.2.3 功率二极管开关过程中电压、电流波形,

3、（3）功率二极管的开关特性,功率二极管的正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。这一动态过程时间被称为正向恢复时间tfr。 电导调制效应起作用需一定的时间来储存大量少子，达到稳态导通前管压降较大。 正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高 。,功率二极管由零偏置转换为正向偏置的通态过程。,图1.2.3功率二极管开关过程中电压、电流波形,（2）开通特性：,延迟时间：td= t1- t0 电流下降时间：tf= t2- t1 反向恢复时间：trr= td+ tf 恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf /td，或称恢复

4、系数（亦称柔度系数），反映特性的软硬度，用sr表示。,（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（Rectifier Diode），多用于开关频率在KHZ以下的整流电路中，其反向恢复时间在s以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。 （2）快恢复二极管：反向恢复时间在s以下的称为快恢复二极管（Fast Recovery Diode简称FDR）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复和超快速恢复二极管。前者反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100ns以下，其容量可达1200V/200A的水平, 多用于高频整流和逆变电路中。 （3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极

5、型器件，其导通压降的典型值为0.40.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。,功率二极管的主要类型：,第二节 晶闸管,晶闸管就是硅晶体闸流管，简称SCR。目前晶闸管的容量水 平已达到8KV/6KA. 一、晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的外形与符号：,晶闸管的结构和等效电路： 晶闸管的管芯由四层半导体（P1N1P2N2）组成，形成三个PN结（J1J2J3）。 特性：单向导电特性 正向阻断特性 可控特性 关断条件：IaIH,晶闸管的工作原理： 当管子阳极加上正向电压 后，要使管子正向导通的关键 是使J2结反向失去阻挡作用，

6、 当Q打开时，V1管的集电极电 流Ic1即为V2管的基极电流Ib2； V2管集电极电流Ic2又是V1的基 极电流Ib1，当Q合上时有足够 的门极电流IG流入，通过两管 的电流放大作用，立即形成强 烈的正反馈，瞬时使两管饱和 导通。也就是晶闸管导通。,二、晶闸的伏安特性与主要参数 晶闸管的伏安特性曲线 （1）晶闸管导通需具备两个条件： 1.应在晶闸管的阳极与阴极 之间加上正向电压。 2.应在晶闸管的门极 与阴极之间也加上 正向电压和电流。 （2）晶闸管一旦导通， 门极即失去控制作用。 （3）为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到一定数值 以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现。,二、

7、晶闸管的特性与主要参数,定义：晶闸管阳极与阴极之间的电压Ua与阳极电流Ia的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。 第一象限是正向特性、第三象限是反向特性。,UDRM、URRM正、反向断 态重复峰值电压； UDSM、URSM正、反向断态 不重复峰值电压； UBO正向转折电压； URO反向击穿电压。,. 晶闸管的伏安特性 ：,晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性。 晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，外电路如无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。,（1）晶闸管的反向特性：,IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻

8、断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。 随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿。 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。 导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流。,（2）晶闸管的正向特性：,2. 晶闸管的开关特性,晶闸管的开通和关断过程电压和电流波形。,延迟时间td：门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间。 上升时间tr：阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间。 开通时间tgt：以上

9、两者之和，tgt=td+tr 普通晶闸管延迟时为0.51.5s，上升时间为0.53s。,(1) 开通过程：,正向阻断恢复时间tgr：晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间 在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通。 实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作。 关断时间tq：trr与tgr之和，即 tq =trr+tgr,(2) 关断过程,普通晶闸管的关断时间约几百微秒。,反向阻断恢复时间trr：正向电流降为零到反向恢复电流衰减至 接近于零的时间,（3）晶闸管的开通与关断时间,1）开通时间tg

10、t： 普通晶闸管的开通时间tgt 约为6s。 开通时间与触发脉冲的陡度与电压大小、结温以及主回路中的电感量等有关。 2）关断时间tq ： 普通晶闸管的tq 约为几十到几百微秒。 关断时间与元件结温 、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。,晶闸管的主要参数 (1) 额定电压UTn 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的那个 数值标作器件型号上的额定电压。通常选用晶闸管时，电压选择 应取(23)倍的安全裕量。UTn (23) UTM (2) 额定电流IT(AV) 在环境温度为+40和规定冷却条件下，器件在电阻性负载的 单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角 170)

11、，在稳定 的额定结温时所允许的最大通态平均电流。 晶闸管流过正弦半波电流波形如图所示:,通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间的关系表示为： 正弦半波电流的有效值为： Kf:波形系数 流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，实际应用 中，应根据电流有效值相同的原则进行换算，通常选用晶闸管 时，电流选择应取(1.52)倍的安全裕量。,(3) 门极触发电流IGT 在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从阻断到完全开通所必需的 最小门极直流电流。 (4) 门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电路给门极的电压和电流应 适当地大于所规定的UGT和IGT上限，但不

12、应超过其峰值IGFM 和 UGFM。 (5) 通态平均电压UT(AV) 在规定环境温度和标准散热条件下，管子流过额定正弦半波电流时，阳、 阴极之间的平均电压。也简称管压降。管压降越小，管子功耗也就越小。 (6) 维持电流IH 在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后，从较大的通态电流降至维持 通态所必须的最小阳极电流。 (7) 擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后，要器件维持通态所需要的最 小阳极电流。对于同一晶闸管来说，擎住电流IL约为维持电流IH的(24)倍。,例 1-1,两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所 示，分别流经晶闸管，若各波形的最大Im=100A ,试计算

13、各波形下晶闸管的电流平均值 IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值I1、I2,三、国产晶闸管的型号,KP10012G 表示额定电流为100A，额定电压为1200V。,第三节 单相相控整流电路,一、单相半波相控整流电路 （一）电阻性负载 1. 工作原理 在实际应用中，某些负载基本上是电阻性的，如电阻加热 炉、电解和电镀等。电阻性负载的特点是电压与电流成正比， 波形相同并且同相位，电流可以突变。 首先假设以下几点： (1) 开关元件是理想的，即开关元件(晶闸管)导通时，通态 压降为零，关断时电阻为无穷大； (2) 变压器是理想的，即变压器漏抗为零，绕组的电阻为 零、励磁电流为零。,单相半波相控

14、整流电路和工作波形图(电阻性负载),变压器T起变换 电压和隔离的作用， 在电源电压正半波， 晶闸管承受正向 电压，在t= 处触发晶闸管， 晶闸管开始导 通；负载上的电压 等于变压器输出 电压u2。在t=时刻，电源 电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断，负载电流为零。,在电源电压 负半波，晶闸管 承受反向电压而处 于关断状态，负载 电流为零，负载上 没有输出电压， 直到电源电压u2的下 一周期，直流输出电 压ud和负载电流id的 波形相位相同。 通过改变触发角的大小，直流输出电压ud的波形发生变 化，负载上的输出电压平均值发生变化，显然=180时， Ud=0。由于晶闸管只在电源电压正半波内导通

15、，输出电压ud为极 性不变但瞬时值变化的脉动直流，故称“半波”整流。,(1) 触发角与导通角 触发角：也称触发延迟角或控制角，是指晶闸管从承受正向 电压开始到导通时止之间的电角度。 导通角：是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。 (2) 移相与移相范围 移相：是指改变触发脉冲Ug出现的时刻，即改变控制角的大 小。 移相范围：是指触发脉冲Ug的移动范围，它决定了输出电压的变 化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范 围是0180。,2.基本数量关系 （1）直流输出电压平均值Ud （2）直流输出电流平均值Id （3）直流输出电压有效值U （4）直流输出电流有效值I,(5)晶闸管电流有效值和变

16、压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流 过相同的电流，故其有效值相等，即： (6)功率因数 功率因数是变压器二次侧有功功率与视在功率的比值。 (7)晶闸管承受的最大正反向电压Um 晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。,例1-2,已知单相半波可控整流器，电阻性负载，电源电 压U2为220V，要求的直流输出电压为50 V，直流输出 平均电流为20A。 试计算： (1) 晶闸管的控制角。 (2) 输出电流有效值。 (3) 电路功率因数。 (4) 晶闸管的额定电压和额定电流。,（二）电感性负载 1.工作原理 电感性负载通常是电机的励磁线圈和负载串联电抗器等。当流过电感的电流变化时，电感两端产生感应电势，感应 电势对负载电流的变化有阻止作用，使得负载电流不能突变。 当电流增大时，电感吸收能量储能，电感的感应电势阻止电流 增大；当电流减小时，电感释放出能量，感应电势阻止电流的 减小，输出电压、电流有相位差。,单相半波相控整流