电工学(第七版)_秦曾煌_全套课件_19.电力电子技术-1

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io RL + uo –
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 。
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。
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π
改变控制角，可改变输出电压UO。
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(2) 电感性负载与续流二极管
T
+
u
+ uT –
+ 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势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。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。
π
O

t
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,用百位或千位数表示取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KP5-7表示额定正向平均电流为5A, 额定电压为700V。
K
EA > 0、EG > 0
(2) 工作原理 A
β 1β 2 iG
形成正反馈过程
T1
G
R
β 2 iG
iC 2 2 iG iB1
iC1 β1iC2
i B 2 iG
iG
iB 2
+ _
EG
T2 EA
+ _
1 2 iG iB 2
晶闸管导通后，去掉EG ，依靠正反馈, 仍可维持导通状态。
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3. 绝缘栅双极型晶体管这种晶体管综合了功率晶体管和功率场效晶体管的优点，具有较高的电压与电流和工作频率，其关断时间可缩短到 40 ns。
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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
T + u – + uT –
工作原理
u
ug
O
O
t1
2
t
t u2 > 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 。
u2 < 0 时: 可控硅承受反向电压不导通 uO 0 , uT u 。即：晶闸管反向阻断
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(3) 伏安特性
I f (U )曲线
正向平均电流维持电流
UBR URRM 反向转折电压 IH O
I
IF
+
_
IG2 > IG1 > IG0 IG2 IG1 IG0 U
UDRM UBO U
正向转折电压正向特性
_
+
反向特性
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(4) 主要参数 ① 正向重复峰值电压 UDRM 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般UDRM 比正向转折电压UBO低100V 。 ② 反向重复峰值电压 URRM 晶闸管控制极开路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。一般URRM 比反向转折电压|UBR|低100V 。 ③ 正向平均电流 IF 环境温度为40°C及标准散热条件下, 晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。
uO 0, uT u 。
u
O
ug
t1
2
t2
t
uO
O
t t
导通角
uT
O
O
t
接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形
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控制角

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 cosα IO 0.45 RL RL 2
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工作波形
u
O
ug uO
O
t1
2
t2
t
t
t
uT
O
O

t
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电感性负载(加续流二极管)
T
io +
L D
+ –
+ + uT – u – io
uO –
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(见波形图)。
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19.1.3 功率晶体管、功率场效晶体管和绝缘栅双极
晶体管 1. 功率晶体管这种晶体管主要作为功率开关使用。 2. 功率场效晶体管这种场效晶体管的漏极电流较大，可达几百A; 耐压较高，漏源电压可达千伏；效率较高、速度较快。
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UFM URM 2U 1.41 220 310 V 1 6 IT I D IO 3 A 2 2
为保证晶闸管在出现过电压时不致损坏，通常根据下列选取晶闸管的UDRM和URRM 。
U DRM (2 ~ 3)UFM (2 ~ 3) 310V (620 ~ 930) V
U RRM (2 ~ 3)U RM (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。
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T2 RL
–
b a
u
D1
+ + u – –
O
D2
b
T2
RL
D1
此时，T1和D2均承受反向电压而截止。
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(3) 工作波形
u
O

2
t
ug
O
t t t
uO
uT1
O
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(4) 输出电压及电流的平均值
1 U O u d t πα
io a
+ –
b
b
T1
T2 RL
u
D1
+ + u – –
O
D2
T1、T2 晶闸管 D1、D2晶体管
此时，T1和D2均承受反向电压而截止。
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电压u 为负半周时： T2和D1承受正向电压。 T2控制极加触发电压, 则T2和D1导通，电流的通路为
io a
+

T1
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2. 双向晶闸管 A2 (1) 结构
N P N N P N N
A2第二电极
T G控制极 A1第一电极符号
G
(2)工作原理 UA2>UA1时控制极相对于A1加正脉冲，uGA1> 0，晶闸管正向导通，电流从A2流向A1。
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。
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工作波形(加续流二极管)
u
O
ug uO
O
t1
2
t2
t
t t t
uT
O
O

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2. 单相半控桥式整流电路 (1) 电路 (2) 工作原理电压u 为正半周时： T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压, 则T1和D2导通, 电流的通路为 a T1 RL D2
π
1 U ο 2U sin t d( t ) πα 1 cosα 0.9U 2 U U 1 cosα IO 0.9 Rο RL 2
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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 U O 180 U 200 V 0.9 0.9 考虑到电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了 180 等因素，交流电压要比上述计算值适当加大 10% 左右，可取 220 V，因此可不用整流变压器，直接接到 220 V 的交流电源上。
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电力电子器件的符号
A A G K D K T A B G K GTO E GTR C G S VDMOS D G E IGBT C
电力电子器件的主要性能指标电压、电流、工作频率。
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（Silicon Controlled Rectifier） 19.1.2 晶闸管晶闸管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)。
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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 2 普通晶闸管IF为1A — 1000A。 ④ 维持电流 IH 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。
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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 必须使可控硅阳极电流减小,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。
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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)及绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
A
A
+
P1 N1
G
P N
G
A
N P N
K
IA P1 N1 T1 P2 G IG P2 N1 T2 N2 IK
P2 N2
K
P
_K
晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合
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1. 普通晶闸管 (1) 基本结构
晶闸管的构造和外形
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(2) 工作原理
A
形成正反馈过程
β 1β 2 iG
T1
G
i B 2 iG
R
iC 2 2 iG iB1
iC1 β1iC2
iG
iB 2
β 2 iG
T2 EA
+
+ _
1 2 iG iB 2
在极短时间内使两个三极管均饱和导通, 此过程称触发导通。
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_
EG
UA2<UA1时控制极相对于A1加负脉冲，uGA1< 0，晶闸管反向导通，电流从A1流向A2。
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3. 可关断晶闸管符号：
G K A GTO
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
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1. 普通晶闸管 (1) 基本结构晶闸管是具有三个PN 结的四层结构, 其外形、四结构及符号如图。层 A 半导体 G
K (b) 符号
A 阳极
P1 N1 P2 N2
(a) 结构 K 阴极
三个
PN
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GG 控制极
晶闸管的结构及符号
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