-電子技術(shù)新課件第5章現(xiàn)代電力電子技術(shù)

1、第 5 章現(xiàn)代電力電子電路第5章 晶閘管電路第 1 節(jié)功率電子器件第 2 節(jié)可控橋式整流電路第 3 節(jié)晶閘管觸發(fā)電路第 4 節(jié)調(diào)壓、變頻、逆變和斬波技術(shù)第 5 節(jié)功率電子器件的保護電路第 6 節(jié)晶閘管交流開關(guān)電路實例第5章 重點晶閘管工作原理單相可控整流電路別名：可控硅（SCR) （Silicon Controlled Rectifier） 是一種大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于70年代。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域 。 體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、 容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏）。 特點第1節(jié) 功率電子器件應(yīng)用領(lǐng)域： 逆變 整流 （交流直流）斬波（直流交流）變頻（

2、交流交流）（直流直流）此外還可作無觸點開關(guān)等一、基本結(jié)構(gòu)A（陽極）P1P2N1三 個 PN結(jié)N2四 層 半 導(dǎo) 體K（陰極）G（控制極）第節(jié) 晶閘管符號AKGPPNNNPAGK二、工作原理結(jié)構(gòu)示意圖GKP1P2N1N2AAAPPNNNPGK工作原理分析IGIGIGKAGV1V2GKP1P2N1N2AA1、UGK=0時，UAK0或UAK0且UAK0時（正向電壓）， V1導(dǎo)通V2導(dǎo)通V1進一步導(dǎo)通，形成正反饋晶閘管迅速導(dǎo)通。IB1 = IGIC1 = IG = IB2IC2 = IB2 = IG = IB1維持電流IC2=IGIGIGIGKAGV1V2A3、UGK0或UAK正向反向UFRM：正向斷

3、態(tài)重復(fù)峰值電壓。（晶閘管耐壓值。一般取 UFRM = 80% UFSM 。普通晶閘管UFRM 為 100V3000V）URRM：反向重復(fù)峰值電壓。（控制極斷路時， 可以重復(fù)作用在晶閘管上的反向重復(fù)電 壓。一般取URRM = 80% URSM。普通晶 閘管URRM為100V3000V） IF：額定通態(tài)平均電流。（環(huán)境溫度為40OC時,在 電阻性負載、單相工頻 正弦半波、導(dǎo)電角不小于170o的電路中，晶閘管允許的最大通態(tài)平均電流。普通晶閘管IF為1A1000A。）2、主要參數(shù)UD: 額定電壓。 URRM 與UFRM中較小的一個。IF含義說明it2IFIH：維持電流。(在室溫下，控制極開路、晶閘管

4、被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最 小電流。一般為幾十到一百多毫安。）UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流。（在室溫下， 陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導(dǎo)通 所必須的最小控制極直流電壓、電流 。一 般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。）晶閘管型號通態(tài)平均電壓（UF）額定電壓級別（UD）額定通態(tài)平均電流（IF）晶閘管類型P-普通晶閘管K-快速晶閘管S -雙向晶閘管晶閘管KKP 100-3晶閘管電壓、電流級別額定通態(tài)電流（IF）通用系列為1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14種規(guī)格。額定電壓（UD）通用系列為：1000V以下的

5、每100V為一級，1000V到3000V的每200V 為一級。通態(tài)平均電壓（UF）等級一般用A I字母表示，由 0.4 1. 2V每 0.1V 為一級。四、 特殊晶閘管1、可關(guān)斷晶閘管（GTO- Gata Turn Off thyristor ） 可關(guān)斷晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通與普通晶閘管相同。不同之處在于：普通晶閘管的關(guān)斷不能控制，只能靠減小陽極電壓或工作電流來實現(xiàn)。普通晶閘管屬半控器件；而可關(guān)斷晶閘管可在控制極上加負觸發(fā)信號將其關(guān)斷，因此它屬全控器件。 2、雙向晶閘管 特點：相當于兩個晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個控制極。 A2A1G符號PNNNNNPGA2A1結(jié)構(gòu)3、逆導(dǎo)晶閘管 特點：相當于一個晶

6、閘管與一個二極管反向并聯(lián)。正向特性相當于晶閘管，反向特性相當于二極管。 AKGAKG符號等效電路4、快速晶閘管 特點：開通和關(guān)斷時間短。適于高頻場合。第2節(jié) 可控整流電路一、單相半波可控整流電路1、電阻性負載電路及工作原理設(shè)u1為正弦波 u2 0 時，加上觸發(fā)電壓 uG ，晶閘管導(dǎo)通 。且 uL 的大小隨 uG 加入的遲早而變化； u2 R時， ILT在整個周期中可近似看做直流。IT =晶閘管的中電流IT =平均值:有效值:晶閘管的選擇晶閘管電壓 （1.5 2）U2M晶閘管電流 （1.5）二、單相橋式半控整流電路1、電阻性負載橋式可控整流電路（1）電路及工作原理u2 0的導(dǎo)通路徑：u2 (A)

7、V1RLV4u2 (B)V1、V2 -晶閘管V3、V4 -晶體管V1V2V3V4RLuLu2AB+-V2RLV3u2 (A)u2 (B)u2 0的導(dǎo)通路徑：V1、V2 -晶閘管V3、V4 二極管V1V2V3V4RLuLu2AB+-（2）工作波形tu2tuGtuLt uT1輸出電壓及電流的平均值ULT = ILT =（3）2、電感性負載橋式可控整流電路 該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負載上的電流、電壓和電阻性負載類似，請自行分析。u2V1V2V3V4VuLRL兩種常用可控整流電路的特點（1）電路特點該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。晶閘管和負載上的電流相同。u2VV2V1V4uLRL

8、V3（2）電路特點 該電路接入電感性負載時，V2、V4 便起續(xù)流二極管作用。由于V1的陽極和V3的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。V1V3V2V4u2uLRL思考帶反電動勢負載的可控整流電路該電路的工作過程。畫出uL、iL的工作波形。V1V2V3V4RuLu2E+- 觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖須滿足下列要求： 1、足夠的功率； 2、一定的寬度； 3、與主電路同步； 4、一定的移相范圍。 第3節(jié) 晶閘管觸發(fā)電路 產(chǎn)生的方式： 1、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路； 2、集成觸發(fā)電路。一、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路等效電路EB2B1RB2RB1管內(nèi)基極 體電阻E（發(fā)射極）B2（第二基極）B1（第一基極）NPPN結(jié)

9、EB2B1基本結(jié)構(gòu)符號1、單結(jié)晶體管工作原理UAUE UA+UEA = UP 時PN結(jié)反偏，IE很小；UE UP時PN結(jié)正向?qū)? IE迅速增加。 - 分壓比 (0.35 0.75)UP - 峰點電壓UEA - PN結(jié)正向 導(dǎo)通壓降B2ERB1RB2B1AUB BIEUE2單結(jié)晶體管的特性和參數(shù)IEUEUVUPIVUV、IV -谷點電壓、電流（ UEUP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負阻。UP- 峰點電壓（UEUP時單結(jié)管導(dǎo)通）B2ERB1RB2B1AUB BIEUE3、單結(jié)晶體管振蕩電路RR2R1CUucuOEB1ucttuouvup振蕩波形uE = uC UP 時，

10、單結(jié)管不導(dǎo)通，uo 0。此時R1上的電流很小，其值為：振蕩過程分析IR1R1、R2是外加的，不同于內(nèi)部的RB1、RB2。前者一般取幾十歐幾百歐； RB1+RB2一般為215千歐。uOR2R1RCUucE 隨電容的 充電，uc逐漸升高。當 uC UP 時，單結(jié)管導(dǎo)通。然后電容放電，R1上便得到一個脈沖電壓。R2R1RCUucEuOR2起溫度補償作用ucUpUvuoUp-UDUP、UV- 峰點、谷點電壓UD -PN結(jié)正向?qū)▔航底⒁猓篟值不能選的太小，否則單結(jié)管不能 關(guān)斷，電路亦不能振蕩。 電容放電至 uc uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使 uo0。脈沖寬度的計算：Tuoucupuvtw振蕩周期的計算：

11、4、單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路主電路u1V1V2V3V4uLRLu3觸發(fā)電路R1aR2RPCucu2RbcdeV（1）電路波形關(guān)系u2uabU2MU2Mubc削 波整 流UZ（2）波形關(guān)系（1）au2RbcVUZ波形關(guān)系（2）UZ削 波ucbudbUpUvueb電容充、放電UP-UD觸 發(fā) 脈 沖UZR1R2RPCuccdeVb波形關(guān)系（3）uLu3ueb觸發(fā)脈沖輸出電壓u3V1V2V3V4uLRLbe5、晶閘管的保護 晶閘管的過流、過壓能力很差，是它的主要缺點。晶閘管的熱容量很小，一旦過流，溫度急劇上升，器件被燒壞。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將被燒壞

12、；晶閘管承受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，會產(chǎn)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。過流保護快速熔斷器：電路中加快速熔斷器;過流繼電器：在輸出端裝直流過電流繼電器;過流截止電路：利用電流反饋減小晶閘管的 導(dǎo)通角或停止觸發(fā)，從而切斷過流電路。保護措施 接在輸出端 接在輸入端和晶閘管串聯(lián)阻容吸收硒整流堆過壓保護（利用電容吸收過壓。即 將過電壓的能量變成電 場能量儲存到電容中， 然后由電阻消耗掉。）（硒堆為非線性元件， 過壓后迅速擊穿，其 電阻減小，抑制過壓 沖擊。）CRRCRC硒堆第4節(jié) 調(diào)壓、變頻、逆變和斬波技術(shù)一、 交流調(diào)壓觸

13、發(fā) 電 路u1u主 電 路 V1V2RLuLu2RRE2R1RST1T2RE1RC1USuG1uG2 主電路的兩只晶閘管不共陰極，兩者的控制極必須由兩個獨立的觸發(fā)脈沖觸發(fā)，才能正常工作。因此，觸發(fā)電路中脈沖變壓器的副邊有兩個線圈，分別為兩只晶閘管提供觸發(fā)信號。電路特點 主電路的兩只晶閘管，分別在交流電源的正負半周內(nèi)觸發(fā)導(dǎo)通，從而實現(xiàn)交流調(diào)壓的目的。波形關(guān)系uuG1uG2uL輸出電壓的調(diào)節(jié)usuL二、 單相無源逆變器濾波電容變壓器直流電源具有中心抽頭的電感+-EL1L2V1V2C1C2RLV1V2T工作原理 工作時， 兩晶閘管由頻率一定、相位差為180o的兩個脈沖信號交替作用在它們的控制極上。從而由直流電源提供能量，在負載上得到交流電壓。當觸發(fā)脈沖作用于V1的控制極上時，V1導(dǎo)通，直流電源給電容C1充電，其方向如圖中虛線所示。充電電流通過變壓器T給負載提供一定的電壓；V1V2+-EL1L2C1C2RLT+-UL當觸發(fā)脈沖作用于V2的控制極時，V2導(dǎo)通，電容C1通過V2放電，其方向如圖中虛線所示。放電電流通過變壓器T給負載提供與上方向相反的電壓。 電容放電時，放電電流在電感L2上產(chǎn)生感應(yīng)電