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1、第八章 电力电子学晶闸管及其基本电路,机电传动控制,第八章 电力电子学晶闸管及其基本电路系统,本章主要内容,掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；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。,第八章 电力电子学晶闸管及其基本电路系统,电力电子技术与信息电子技术,信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换,模拟电子技术,电子技术,信息电子技术,电力电子技术,数字电子技术,电力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，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，
2、故也称电力半导体器件。 电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小到数W甚至mW级。,第八章 电力电子学晶闸管及其基本电路系统,电力电子器件制造技术*电力电子技术的基础，理论基础是半导体物理变流技术（电力电子器件应用技术）*用电力电子器件构成电力变换电路和对其进行控制的技术，以及构成电力电子装置和电力电子系统的技术。*电力电子技术的核心，理论基础是电路理论。,电力电子技术研究内容,第八章 电力电子学晶闸管及其基本电路系统,电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流,电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流,电力变换的种类,
3、进行电力变换的技术称为 变流技术,7,变流技术,电力电子器件的分类,根据不同的开关特性，电力电子器件可分为如下三类：,（1）不控器件：这种器件的导通和关断无可控的功能，如整流二极管等。,（2）半控器件：这种器件通过控制信号只能控制其导通，而不能控制其关断，如普通晶闸管等。,（3）全控器件：这种器件通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关断，如可关断晶闸管，功率晶体管、功率场效晶体管等。,8.1 电力半导体器件,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管1957年
4、美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品1958年商业化开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代20世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸管广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件,8.1 电力半导体器件,优点 ：,(1) 用很小的功率(电流约几十毫安一百多毫安，电压约24V)可以控制较大的功率(电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍；,(2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；,(3) 损耗小、效率高，晶闸管本身的
5、压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右；,(4) 体积小、重量轻。,8.1 电力半导体器件,缺点：,(1) 过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；,(2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；,(3) 导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；,(4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。,8.1 电力半导体器件,其中：A阳极，K阴极，G控制极。,结构示意图,表示符号,4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3
6、个PN结,晶闸管的外形和结构图分别如图所示 ：,8.1 电力半导体器件,螺栓型晶闸管外观,8.1 电力半导体器件,螺栓型晶闸管外观,8.1 电力半导体器件,平板型晶闸管外观,8.1 电力半导体器件,平板型晶闸管外观,8.1 电力半导体器件,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,8.1 电力半导体器件,晶闸管的工作原理,（1）在0t1之间: 开关S未合上，ug=0，尽管uAK0，但ud=0，即晶闸管未导通；,（2）在t1t2之间: uAK0 ，由于开关S合上，使ug0，晶闸管导通；,（3）在 t2t3 之间， uAK0，但 ud=0，即晶闸管关断；,（4）在 t3t4 之间， uAK0，
7、这时ug0 ,而 ，所以，晶闸管又导通；,（5）当 t=t4 时， ug=0 ，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；,（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。,8.1 电力半导体器件,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，
8、或反向）。,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。,8.1 电力半导体器件,晶闸管的伏安特性,晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。,8.1 电力半导体器件,正向( uAK 0 ),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。,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
9、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： ug0， 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。,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。,8.1 电力半导体器件,晶闸管的主要参数,为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。,1. 断态
10、重复峰值电压UDRM,晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压 。,UDRM=UDSM -100,在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般： 晶闸管的UDRM 应等于所承受的正向电压的（23）倍。,2. 反向重复峰值电压URRM,晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压 。,URRM=URSM -100,8.1 电力半导体器件,3. 额定通态平均电流（额定电流）IT,在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。,4. 维持电流 I
11、H,在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA一百多mA,8.1 电力半导体器件,其他半控功率器件-双向晶闸管,8.1 电力半导体器件,可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成有两个主电极T1和T2，一个门极G正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性与一对反并联晶闸管相比是经济的，且控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器（Solid State RelaySSR）和交流电机调速等领域应用较多通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,双向晶闸管的特点,8.1 电力半导体器件,门极可关断晶闸管在晶闸管
12、问世后不久出现20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合高频化、全控型、采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术又带入了一个崭新时代典型代表门极可关断晶闸管、功率晶体管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管,典型全控功率器件,8.1 电力半导体器件,门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO）晶闸管的一种派生器件可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断GTO的电压、电流容量较大，与普通晶闸管接近，因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用,门极可关断晶闸管,8.1 电力半导体器件,术语用法：功率晶体管（Giant Trans
13、istorGTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT在电力电子技术的范围内，GTR与BJT这两个名称等效应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代,功率晶体管,8.1 电力半导体器件,GTR的结构和工作原理与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的主要特性是耐压高、电流大、开关特性好通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成,8.1 电力半导体器件,也分为结型和绝缘栅型（类似小功率
14、Field Effect TransistorFET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称功率MOSFET（Power MOSFET）结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction TransistorSIT）特点用栅极电压来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小开关速度快，工作频率高热稳定性优于GTR电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置,功率场效应晶体管,8.1 电力半导体器件,GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功
15、率大，驱动电路复杂 MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单 两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件,绝缘栅双极晶体管,8.1 电力半导体器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor IGBT或IGT）GTR和MOSFET复合，结合二者的优点， 具有好的特性1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位,绝缘栅双极晶体管,8.1 电力半导体器件,IGBT功率模块外观,8.1 电力半导体
16、器件,IGBT功率模块外观（侧面）,8.1 电力半导体器件,20世纪80年代中后期开始，模块化趋势，将多个器件封装在一个模块中，称为功率模块可缩小装置体积，降低成本，提高可靠性对工作频率高的电路，可大大减小线路电感，从而简化对保护和缓冲电路的要求将器件与逻辑、控制、保护、传感、检测、自诊断等信息电子电路制作在同一芯片上，称为功率 集成电路（Power Integrated CircuitPIC）,功率模块和功率集成电路,8.1 电力半导体器件,整流将交流电变为直流电的过程；,整流电路将交流电变为直流电的电路；,整流,单相,三相,8.2 可控整流电路,8.2.1 单相半波可控整流电路,u2输入电
17、压 ；,ud输出电压 ；,控制角 ；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。,导通角 ；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。,对单相半波可控整流电路：,一、带电阻性负载的可控整流电路,的范围,8.2 可控整流电路,输入电压：,负载电压：,负载电流：,晶闸管承受的最大正反向电压：,8.2 可控整流电路,二、带电感性负载的可控整流电路,单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。,8.2 可控整流电路,三、续流二极管的作用 T8-9.SWF,为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取负载两端并联一只二极管措施
18、，如图所示。,晶闸管电流平均值：,续流二极管的电流平均值：,8.2 可控整流电路,8.2.2 单相桥式整流电路,晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。,(a) 单相桥式整流电路,(b)电阻性负载时的电压电流波形,8.2 可控整流电路,(a) 单相桥式整流电路,(b)电阻性负载时的电压电流波形,1. 电阻性负载,负载电压：,负载电流：,晶闸管承受的最大正反向电压：,8.2 可控整流电路,2. 电感性负载,如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。T8-11.SWF,有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。,如图
19、所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。T8-12.SWF,这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过V1和V2形成续流，确保VS1或VS2可靠关断，这样也就不会出现失控现象。,流过每只晶闸管平均电流：,流过续流二极管的平均电流：,流过每只晶闸管平均电流：,流过续流二极管的平均电流 ：,8.2 可控整流电路,为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。,3.反电势负载,当整流电路输出接有电势负载时,只有当电源电源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时
20、，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。,8.2 可控整流电路,a. 负载两端的电压平均值比电阻性负载时高,b. 负载电流平均值比电阻性负载时低,因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动，如图所示。,8.2 可控整流电路,8.2 可控整流电路,单相全控桥式整流电路,单相全控桥式整流电路如图所示。把半控
21、桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。,8.2 可控整流电路,8.2.3 三相半波可控整流电路,三相半波可控整流电路图如图所示。,自然换相点：,触发相序：,A,B,C,触发脉冲的相位：,1200,设输入电压为：,8.2 可控整流电路,8.2 可控整流电路,可能承受的最大反向电压为：,当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:,电感性负载,8.2 可控整流电路,电感性负载加续流二极管,8.2 可控整流电路,8.2.4 三相桥式全控整流电路,8.2 可控整流电路,8.2.4 三相桥式全控整流电路,8.2 可控整流电路,8.2.4 三相桥式全控整流电路,8.2 可控整流电路,各种整
22、流方式比较,8.2 可控整流电路,利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。,变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。,有源逆变,逆变,无源逆变,变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去。,8.3 逆变电路,无源逆变电路,无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。,1. 单相无源逆变器的简单工作原理,8.3 逆变电路,2.单相晶闸管桥式逆变器,单相无源逆变器的电压控制,1. 控制逆变器的输入直流电压,2. 在逆变器内部的电压控制,（1）脉宽控制,不改变逆
23、变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称脉宽控制。,8.3 逆变电路,若使延迟角从0变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。,（2）脉冲宽度调制（PWM）,如果使VS1与VS4，VS2与VS3通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断N次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲（称载波），如图所示（这时N=5）。,8.3 逆变电路,逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲总的导通时间与总的关断时间的比率来控制的，这有两种基本的方法：,第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数；,第二种
24、方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。,8.3 逆变电路,8.3 逆变电路,M3,Drive converter,Rectifier,Motor,2,1,Inverter,2,三相无源逆变器（变频器）,8.3 逆变电路,电压波形,电流波形,有源逆变电路：晶闸管有源逆变电路：当电机工作在制动发电状态时，把电能回馈到交流电网。晶闸管整流桥和逆变桥集成在一起，就形成了晶闸管整流回馈单元。,8.3 逆变电路,8.3 逆变电路,谐波分析,8.3 逆变电路,谐波抑制措施,IGBT整流逆变单元（AFE）,8.3 逆变电路,充电回路,LCL滤波器,IGBT整流逆变电路,IGBT整流逆变单元的电压电流
25、波形,8.3 逆变电路,IGBT有源逆变+IGBT无源逆变电路,8.3 逆变电路,LCL 滤波器去除高频和中频谐波 (高于 1 kHz)AFE逆变器去除低频谐波 (1 kHz 以下)结果: 性能远远优于多脉波二极管整流器,M,LCL 滤波器,AFE逆变器(整流桥),电机侧逆变器,电机,8.3 逆变电路,电机传动的共母线结构,向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。,（1）单结晶体管触发电路,（2）小容量晶闸管触发电路,（3）晶体管触发电路,8.5.1 晶闸管对触发电路的要求,实质：晶闸管的可靠触发,（1）触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下，如
26、图所示；,（2）触发脉冲的宽度必须在10微秒以上，如果负载是大电感，电流 上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。,（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个1V2V的负偏压；,8.5 晶闸管的触发电路,（5）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围要足够宽。,（4）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。,8.5 晶闸管的触发电路,8.5.2 单结晶体管触发电路,一、单结晶体管,单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。,8.5 晶闸管的触发电路,1. 工作特性,2. 工作特点,发射极电压大于UP时，单结晶体管导通； 导通后，发射极电压必须小于谷点电压 UV时，单结晶体管才截止。,UP峰值电压,UV谷点电压,二、单结晶体管的自振荡电路,利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路，如图所示。,8.5 晶闸管的触发电路,三、单结晶体管触发电路,E的大小对触发脉冲的影响：相位,R、C的大小对触发脉冲的影响：宽度,8.5 晶闸管的触发电路,
