电力电子技术

1. 普通晶闸管
(1) 基本结构
A 阳极
晶闸管是具有三个 PN结的四层结构, 其 结构及符号如图所示。
A
P1
四 层 半 导 体
三 个
PN
N1 P2 N2
(a) 结构 K 阴极
结
GG 控制极
G K (b) 符号
晶闸管的结构及符号
A
A
+
A
P1 N1
G
P N
G
N P N
G IG
IA P1 N1 T1 P2 P2 N1 T2 N2 IK
1. 晶闸管的过电流保护 (1) 快速熔断器保护
电路中加快速熔断器。当电路发生过电流故障时 , 它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以 保证晶闸管的安全。 快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。
接在 输出 端 与晶闸 管串联
接在 输入 端
~
在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流 继电器，当电路发生过电流故障时，继电器动作，使 电路自动切断。
O
D2
b
T2
RL
D1
此时，T1和D2均承受反向电压而截止。
(3) 工作波形
u
O

2
t
uG
O
t t t
uO uT1
O
(4) 输出电压及电流的平均值
1 U O u d t πα
π
1 U O 2U sin t d( t ) πα 1 cos α 0.9U 2 UO U 1 cos α IO 0.9 RL RL 2
如果正弦半波电流的最大值为Im, 则
1 Im IF I m sin td(t ) 2π 0 π
i
IF
O
π

2
t
普通晶闸管IF为1~1000A。 ④ 维持电流 IH 在规定的环境温度和控制极断路时，晶闸管维持 导通状态所必须的最小电流。
晶闸管型号及其含义 K P
导通时平均电压组别 共九级, 用字母A~I表示0.4~1.2V 额定电压,用其百位数或千位数 表示，取UDRM或URRM较小者 额定正向平均电流(IF) 普通型 (晶闸管类型) P普通晶闸管 K快速晶闸管 S双向晶闸管 晶闸管 如KP57表示额定正向平均电流为5A, 额定电压为700V。
C R ~ R R
(2) 硒碓保护
硒碓保护 (硒整流片)
晶闸管元件 的阻容保护
19.2.3 单结晶体管触发电路 1. 单结晶体管 (1) 结构
B2 第二基极 发射极E
P
B2 E B1
欧姆接触 电阻
PN结 N型硅片
N
第一基极 B1 (a) 结构示意图
19.2.2 晶闸管的保护 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是 它的主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦发生过 电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元 件内部断炉或开路。例如一只100A的晶闸管过电流 为 400A 时，仅允许持续 0.02 s，否则将因过热而损 坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反 向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正 向电压超过转折电压，则晶闸管误导通，导通后的 电流较大，使器件受损。
为保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通 常根据下式选取晶闸管的UDRM和URRM 。 UDRM≥(2 ~ 3)UFM = (2 ~ 3) 310V = (620 ~ 930) V URRM≥(2 ~ 3)URM = (2 ~ 3) 310V = (620 ~ 930) V 因此，晶闸管可选用 KP5 7 型, 二极管可选用 2CZ5/300 型。
π
例 1 ：有一纯电阻负载，需要可调的直流电源： 电压 UO = 0 ~ 180 V，电流 IO = 0 ~ 6 A。现采用单相 半控桥式整流电路，试求交流电压的有效值，并选择 整流元件。 解：设晶闸管导通角 为 180(控制角 = 0 ) 时，UO = 180 V，IO = 6 A，交流电压有效值
(1) 结构
2. 双向晶闸管
N
A2
P N N
A2 第二电极 T G控制极 A1 第一电极
N P N
G
符号 (2)工作原理 UA2>UA1时 UA2<UA1时 控制极相对于A1加正脉 控制极相对于A1加负脉 冲，uGA1> 0，晶闸管正向 冲，uGA1< 0，晶闸管反向 导通，电流从A2流向A1。 导通，电流从A1流向A2。
A1
特点： 相当于两个 晶闸管反向并 联，两者共用 一个控制极。 晶闸管双向 触发导通。
3. 可关断晶闸管
符号
G
A
GTO K
iA
A G R EA
特点： 控制极加正触发信号， 晶闸管导通； 控制极加负触发信号， 晶闸管关断。 iG iA
iG
K
GTO全控示意图
19.1.3 功率晶体管、功率场效晶体管和绝缘栅双极型
电力电子器件的符号 A A A
C B G
D G
C
G K D K T
G K GTO E GTR
S VDMOS
E IGBT
电力电子器件的主要性能指标：电压、电流、工作 频率。
19.1.2 晶闸管 晶闸管(Silicon Controlled Rectifier)是在晶体管 基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现 使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性, 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。 优点： 体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、 操作方便、寿命长、 容量大(正向平均电流达千安、 正向耐压达数千伏)。
第19章 电力电子技术
19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 电力电子器件 可控整流电路 逆变电路 交流调压电路 直流斩波电路(略)
19.1 电力电子器件
19.1.1 电力电子器件的分类
1. 不控器件 器件的导通和关断无可控功能。如整流二极管(D)。 2. 半控器件 器件的导通可控,但关断不可控。如普通晶闸管(T)。 3. 全控器件 器件的导通和关断均具可控的功能。如可关断晶闸 管(GTO) 、功率晶体管(GTR) 、功率场效晶体管 (VDMOS)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等。
P2 N2
K
P
K 晶闸管相当于PNP型和NPN型两个晶体管的组合。
_K
1. 普通晶闸管
(1) 基本结构
晶闸管的结构和外形
(2) 工作原理
形成正反馈过程
AHale Waihona Puke β 1β 2 iGi B 2 iG
R
β 2 iG
T1
iC 2 2 iG iB1
iC1 β1iC2
iG
EG
iB 2
T2 EA
1 2 iG iB 2
π
改变控制角，可改变输出电压UO。
(2) 电感性负载与续流二极管

T + + uT – u –
iO + uO –
L eL R
在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电 感元件上产生阻碍电流变化的感应电动势, 电流不 能跃变，将由零逐渐上升。
当电压 u 过零后,由于电感反电动势的存在，晶 闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。
uO 0, uT u
uO 0 , uT u
即晶闸管反向阻断。
u
O
uG
uO
uT
O
t1
2
t2
t
t t t
O
导通角
O

接电阻负载时 控制角 单相半波可控整流电路电压、电流波形

整流输出电压及电流的平均值
1 UO u d t 2π α
π
由公式可知：
1 2U sin t d( t ) 2π α 1 cosα 0.45U 2 UO U 1 cos α IO 0.45 RL RL 2
u < 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通 uO = 0, uT = u 故称可控整流。
工作原理
u
O
uG
O
t1
2
t
t
u > 0时: 0 ~ t1, uG 0 , 晶闸管不导通
t1 : 加触发信号，晶闸管承受正向电压导通 uO u , uT 0
u < 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通
工作波形
u
O
uG
uO uT
O O O
t1
2
t2
t
uO
iO
t t t


电感性负载(加续流二极管)

T + + uT – iO u –
iO +
D
uO –
L R
u> 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。 u < 0时： D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元 件L释放能量形成的电流经 D 构成回路(续流),负 载电压 uO波形与电阻性负载相同。
19.2 可控整流电路
19.2.1 可控整流电路 1. 单相半波可控整流电路 (1) 电阻性负载

iO T + + uT – + RL uO u – –
u > 0 时： 若uG = 0，晶闸管不导通， uO
0, uT u
控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通
uO u , uT 0
晶闸管导通后，去 掉EG， 依靠正反馈, 仍可维持导通状态。
K EA > 0、EG > 0
晶闸管导通的条件：
① 晶闸管阳极电路 (阳极与阴极之间) 施加正向电 压。 ② 晶闸管控制电路 (控制极与阴极之间) 加正向电 压或正向脉冲 (正向触发电压)。 晶闸管导通后, 控制极便失去作用。 依靠正反馈, 晶闸管仍可维持导通状态。 晶闸管关断的条件： ① 必须使晶闸管阳极电流减小,直到正反馈效应 不能维持。 ② 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间 加反向电压。