电力电子学-晶闸管

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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

利用开关器件 实现电力变换
④ AC/AC直接变频、变压电路
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

电力电子学
描述电力电子学的倒三角形
60年代出现, 1974年,美国的W. Newell
史前期(1957年以前)
使用水银整流器(汞整流器),其性能和晶闸管类似。
晶闸管时代(1958~70年代)
晶闸管,又称晶体闸流管或可控硅整流器(SCR),
通过门极控制开通,但不能控制关断,
属于半控型器件。
目前由于其能承受的电压电流容量仍是器件中最高的,
而且工作可靠,所以许多大容量场合仍大量使用SCR。
反向击穿:当 uAK =URSM ,晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状 态。 URSM称为反向不重复峰值电压,或用UBR表示称反向击穿电压。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

电力变换
四大类
① 交流-直流
② 直流-交流
③ 直流-直流
④ 交流-交流
这四类基本变换 可以组合成许多 复合型电力变换器
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

利用开关器件 实现电力变换
IH
-UA
O
第III
象限
雪崩 击穿
反向
特性
IG2
IG1 IG=0
UDRM Ubo +UA UDSM
IG2>IG1>IG
-IA
晶闸管阳极伏安特性
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正向( uAK >0 )
机 电 传 动 控 制
正向阻断状态: 当ug=0, uAK <UDSM ,元件中有很小的电流(正向漏电 流)流过,处于截止状态(称为正向阻断状态),简称断态。
以绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)为代表。
发展:功率模块、功率集成电路、智能功率模块等。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概述
3.电力电子技术的应用
动 控

➢ 电力电子装置提供给负载的 ➢ 是各种不同的直流电源、 ➢ 恒频交流电源和变频交流电源, ➢ 它对节省电能有重要意义, ➢ 因此电力电子技术研究的 ➢ 就是电源技术, ➢ 也被称为是节能技术。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概述Biblioteka 动 控制1. 什么是电力电子技术
2. 电力电子技术的发展史
3. 电力电子技术的应用
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

信息电子技术
电子技术
包括:模拟电子技术、 数字电子技术,
信息 电子技术
电力 电子技术
① AC/DC基本整流电路
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

利用开关器件 实现电力变换
② DC/AC基本逆变电路
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

利用开关器件 实现电力变换
③ DC/DC直流降压电路

① 掌握晶闸管的基本工作原理、 特性和主要参数的含义;
② 掌握几种单相和三相基本可控整流电路 的工作原理及其特点 (特别是在不同性质负载下的工作特点);
③ 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制; ④ 了解晶闸管工作时对触发电路的要求
和触发电路的基本工作原理。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
(6)当 t=t5 时, uAK=0 , ug=0 ,而ud=0,即晶闸管关断,晶闸管处于阻断状态。
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机 电 传 动 控 制
综上所述可得出以下结论: (1)起始时若控制极不加电压,则不论阳极加正向电压还是反向电压,晶闸管均不 导通,这说明晶闸管具有正、反向阻断能力; (2)晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通,这是晶闸管导通必须 同时具备的两个条件; (3)在晶闸管导通之后,其控制极就失去控制作用,欲使晶闸管恢复阻断状态,必 须把阳极正向电压降低到一定值(或断开,或反向)。
电 传

在家用电器中的应用
控 制
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传



在其他领域的应用
航天技术
大型计算机的UPS
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
10.1 电力半导体器件
1. 电力电子器件的分类
动 控

按照器件能够被控制的程度,分为三类:
半控型器件 通过控制信号控制其导通而不能控制其关断。 全控型器件 通过控制信号控制其导通又控制其关断。 不可控器件 不能用控制信号来控制通断,不需驱动电路。

柔性交流输电FACTS
高压直流装置HVDC
静止无功补偿器SVC
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传


在电力系统中的应用

新型能源
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
在电子装置电源中的应用
动 控

电子装置
程控交换机
微型计算机
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路

晶闸管的伏安特性曲线是非线性的。 为了正确选用晶闸管,
IA 正向
导通 第I象限
了解它的主要参数至关重要。
正向特性
断态重复峰值电压UDRM 断态不重复峰值电压UDSM 反向重复峰值电压URRM 反向不重复峰值电压URSM 通态(峰值)电压UTM 正向电流 IG 额定通态平均电流IT 维持电流 IH
URSM URRM
电子学
用倒三角形对电力电子学
进行了描述,被全世界普遍接受。
电力学
电力 电子学
电力电子技术 可看成“弱电控制强电”的技术,
连续、离散
控制 理论
是“弱电和强电的接口”,
控制理论是实现该接口的强有力纽带。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概述
2.电力电子技术的发展史
动 控

电力电子技术的发展分为四个阶段
主电路 控制电路
(触发电路)。
触发电路
晶闸管电路
①使晶闸管导通 ②晶闸管导通后
使晶闸管 恢复阻断
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
10.1 电力半导体器件
3. 晶闸管的工作原理
动 控

晶闸管是用很小的功率控制
大功率的可控整流元件,
要使晶闸管导通必须在
其阳极和控制极 同时加正向电压,

二、晶闸管的工作原理
电 传

实验电路如图(a)所示,主电路加上交流电压~u2,控制极电路接入Eg,在t1 瞬间合控 制
上开关S,在t4 瞬间拉开开关S,则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图(b)所示。
(1)在0~t1之间: 开关 S 未 合 上 , ug=0 , 尽 管 uAK>0 , 但 ud=0 , 即 晶 闸 管未导通;
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
概述
2.电力电子技术的发展史
动 控

全控型器件时代(70年代后期)
以下列几种为代表:
可关断晶闸管(GTO)、
电力双极型晶体管(BJT) 、
电力场效应管(MOSFET)。
这些器件可以通过门极(或栅极、基极)
控制开通和关断,属于全控型器件。
复合器件时代(80年代后期)
螺栓型:螺栓是其阳极,能与散热器紧密联接且安装方便;
平板型:可由两个散热器将其夹在中间。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
10.1 电力半导体器件
3. 晶闸管的工作原理
动 控

晶闸管工作原理的实验说明
由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路;
由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路
正向击穿:当ug=0, uAK =UDSM ,晶闸管突然由阻断状态转化为导通 状 态。 UDSM称为断态不重复峰值电压,或用UBO表示称正向转折电压。
正向导通状态: ug>0, uAK >0,晶闸管导通,其电流的大小由负载 决定,阳极和阴极间的管压降很小。
反向( uAK <0 )
反向截止状态: 当 uAK <URSM ,元件中有很小的反向电流(反向漏 电流)流过,处于截止状态。
主要用于信息处理。 电力电子技术
模拟 电子技术
数字 电子技术
应用于电力领域的电子技术,
使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。
电力电子技术主要用于电力变换。
目前电力电子器件均用半导体制成,故称电力半导体器件。
电力电子装置的功率,可大到GW,小到数瓦甚至1W以下。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
晶闸管的PN结可通过几十安~几千安的电流,因此,它是一种大功率的半导体器件, 由于晶闸管导通时,相当于两只三极管饱和导通,因此,阳极与阴极间的管压降为1V左 右,而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
10.1 电力半导体器件
4. 晶闸管的基本特性
动 控
一般工业 交通运输 电力系统 电子装置电源 家用电器 其他
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传

在一般工业中的应用
控 制
轧钢机
电解铝
数控机床
冶金工业
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传



在交通运输中的应用
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传


在电力系统中的应用
电 传
概 述 1.什么是电力电子技术
动 控

电力变换
电力——交流和直流两种
四大类
从公用电网直接得到的是交流,
① 交流-直流
从蓄电池和干电池得到的是直流。
② 直流-交流
③ 直流-直流
直流 逆变 交流
④ 交流-交流
进行电力变换 的技术称为变流技术
直流 斩波
直流
调压、 变频、 变相、
交流电 力控制
整流 交流
电 传
10.1 电力半导体器件 1. 晶闸管的结构
动 控

晶闸管(SCR)引出 阳极A 阴极K
(a)晶闸管外形 (b)晶闸管结构 (c)晶闸管电气图形符号
A
门极(控制端)G 三个联接端。
外形有
K
G
K
AA
G
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K G
螺栓型和平板型
G
A K
两种封装。
4层半导体(P1、N1、P2、N2),3个PN结 其中:A—阳极,K—阴极,G—控制极。
按照驱动电路信号的性质,分为两类:
电流驱动型 通过从控制端注入或抽出电流,实现通断控制。 电压驱动型 通过在控制端施加电压信号,实现通断控制。
按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分三类:
单极型器件 由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 复合型器件 由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传
10.1 电力半导体器件
1. 电力电子器件的分类
动 控

电力电子 器件分类 “树”
单极型器件 由一种载流子参与导电的器件。 双极型器件 由电子和空穴两种载流子参与导电的器件。 复合型器件 由单极型和双极型器件集成混合而成的器件。
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
( 2 ) 在 t1~t2 之 间 : uAK>0 ,由于开关S合上,
使ug>0,而 ud u,2 即晶
闸管导通;
(3)在 t2~t3 之间, uAK<0,尽管ug>0,但 ud=0,即晶闸管关断;
(4)在 t3~t4 之间, uAK>0,这时ug>0 ,而 ud u,2 所以,晶闸管又导通;
(5)当 t=t4 时, ug=0 ,但uAK>0 ,ud u,2 即晶闸管仍处于导通状态;
晶闸管导通以后,
控制极就失去了 控制作用。
欲使晶闸管
恢复阻断状态, 则必须把阳极正向电压 降低到一定值(断开或反向)。
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1.什么是传统机械按键设计?
传 动

传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动

PCBA上的开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构
层图:

PCBA

开关 键
传统机械按键设计要点: 1.合理的选择按键的类 型,尽量选择平头类的 按键,以防按键下陷。 2.开关按键和塑胶按键 设计间隙建议留 0.05~0.1mm,以防按 键死键。 3.要考虑成型工艺,合 理计算累积公差,以防
电 传

重点
控 制
① 晶闸管的导通与关断条件,可控性; ② 晶闸管单相和三相基本可控整流电路 在不同性质负载下的工作特点; ③ 晶闸管额定通态平均电流的含义及 基本可控整流电路中的选择和额定电压的选择。
难点
① 整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况; ② 额定通态平均电流的选择; ③ 逆变器的工作原理。
目录 · 第十章
机 电


第十章 电力电子学-晶闸管
控 制
及其基本电路
➢ 10.1 电力半导体器件
➢ 10.2 单相可控整流电路
➢ 10.3 三相可控整流电路
➢ 10.4 逆变器
➢ 10.5 晶闸管的触发电路
➢ 10.6 晶闸管的串并联和保护
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第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路
电 传


基本要求
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