4-电力电子器件

• 功率二极管的伏安特性
1.2 晶闸管
晶闸管(Thyristor)就是硅晶体闸流管，普通 晶闸管也称为可控硅SCR,普通晶闸管是一 种具有开关作用的大功率半导体器件。目 前，晶闸管的容量水平已达8kV／6kA。
1. 晶闸管的结构
晶闸管是具有四层PNPN结构、三端引出线 (A、K、G)的器件。常见晶闸管的外形有两 种：螺栓型和平板型。
1. 根据开关器件是否可控分类
2.
3.
(1) 不可控器件：二极管VD是不可控器件。
(2) 半控器件：普通晶闸管SCR是半控器件。
(3) 全控器件：GTO、BJT、功率MOSFET、IGBT等。
2. 根据门极(栅极)驱动信号的不同
(1) 电流控制器件：驱动功率大，驱动电路复杂，工作 频率低。该类器件有SCR、GTO、BJT。
U
1 2π
2U 2 sint 2 dt U 2
1 sin 2 π
4π
2π
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输出电流有效值I:
I U U2 1 sin 2 π
R R 4π
2π
(3) 晶闸管电流有效值和变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：
电力电子器件中电压，电流额定值从高往低的器 件是SCR、GTO、IGBT、BJT和功率MOSFET。
工作频率从高往低的器件是功率MOSFET、IGBT、 BJT、GTO和SCR。
1.1 功率二极管
1. 功率二极管的结构
2. 功率二极管的工作原理 由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正 方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。
变换器共有四种类型：
交流-直流(AC-DC)变换：将交流电转换为直流电。 直流-交流(DC-AC)变换：将直流电转换为交流电。
这是与整流相反的变换，也称为逆变。当输出接 电网时，称之为有源逆变；当输出接负载时，称 之为无源逆变。 交-交(AC-AC)变换，将交流电能的参数(幅值或频 率)加以变换。其中：改变交流电压有效值称为交 流调压；将工频交流电直接转换成其他频率的交 流电，称为交-交变频。 直流-直流(DC-DC)变换，将恒定直流变成断续脉 冲输出，以改变其平均值。
(1) 直流输出电压平均值Ud与输出电流平均 值Id
直流输出电压平均值Ud:
Ud
1 2π
2U 2 sintdt
2U 2 π
1 cos
2
0.45U 2
1 cos
2
输出电流平均值Id:
Id
Ud R
0.45 U2 R
1 cos
2
(2) 输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U:
(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。
2. 双向晶闸管
双向晶闸管不论从结构还是从特性方面来 说，都可以看成是一对反向并联的普通晶 闸管。在主电极的正、反两个方向均可用 交流或直流电流触发导通。
第三节 晶闸管电路应用实例
晶闸管在 电工设备中的应用，大致分为可控 整流、无触点开关、交流调压、逆变与变频几 大类。
I
IT
I2
U2 R
1 sin 2 π
4π
2π
1. 无触点开关
让晶闸管工作在全导通和截止两种极限状态，用微 弱信号去迅速接通和切断大电流胡电子开关。
用在交流电路中的叫做交流无触点开关，用在直流 电中的叫做直流无触点开关或直流断续器。
• 工频可控整流器
2.2 单相半波可控整流器
• 单相半波可控整流器图和工作波形(电阻性负载)
2. 基本数量关系
晶闸管的结构和等效电路如图1-4 所示，晶 闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形 成3个PN结J1、J2和J3。
(1) 欲使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， 故晶闸管为半控型器件。
(2) 电压控制器件：驱动功率小，驱动电路简单可靠， 工作频率高。该类器件有功率MOSEET、IGBT。
3. 根据载流子参与导电情况之不同，开关器件又可 分为单极型器件、双极型器件和复合型器件。
(1) 单极型器件 功率MOSFET 。 (2) 双极型器件 二极管、SCR、GTO、BJT。 (3) 复合型器件 IGBT，是电力电子器件发展方向。
电力电子技术
1. 电力电子技术的内容
电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。 它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力 电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完 成对电能的变换和控制。
它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领 域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电 流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结 合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电 力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学 科。