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1、第6章 电力电子技术基础,6.2 可控整流电路,6.3 交流调压器与直流斩波器,6.4 直流电动机PMW调速系统,6.1 电力电子器件,6.5 变频与逆变电路,6.6 异步电动机的变频调速,概述,电子技术包括两大分支：信息电子技术电力电子技术,电力有直流和交流两种，电力变换可分为四大类：交流变直流整流ACDC（可控、不可控）直流变交流逆变DCAC（V或/和F可变）直流变直流将一种电压（或电流）的直流，变为另一种电压（或电流）的直流。交流变交流可以是电压或电力的变换，称为交流电力控制，也可以是频率或相数的变换。,概述,变流技术电力电子器件的应用技术，它包括用电力电子器件构成各种电力变换电路和对这
2、些电路进行控制的技术，以及由这些电路构成电力电子装置和电力电子系统的技术。,电力电子技术分为：电力电子器件制造技术变流技术,6.1 电力电子器件,电力电子器件具有弱电控制强电输出的特点。依据其弱电对强电通断的控制能力，可分为：（1）不可控器件 通常是二端器件，通过控制器件两端间的电压极性控制其开通和关断，如整流二极管等。（2）半控型器件 通常为三端器件，通过控制信号只能控制其开通而不能控制其关断。普通晶闸管及其派生器件属于这一类。（3）全控型器件 为三端器件，通过控制信号既可控制其开通又能控制其关断，也称之为自关断器件。,6.1 电力电子器件,根据控制信号的形式将其分为两类：（1）电流控制型
3、普通晶闸管（SCR）电力晶体管（GTR）可关断晶闸管（GTO）（2）电压控制型 电力场效应晶体管（VDMOS）绝缘栅双极晶体管（IGBT）MOS控制晶闸管（MCT）,普通晶闸管简称晶闸管，又称为可控硅，是一种大功率的可控型半导体器件，主要用于可控整流、逆变、调压及开关等方面。,6.1.1 普通晶闸管,外形,1.基本结构,结构,晶闸管相当于PNP型和NPN型两个晶体管的组合,2.工作原理,2.工作原理,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。,形成正反馈过程,G,EA 0、EG 0,2.工作原理,晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,正反馈使两个晶体管很快达到饱和
4、状态，即晶闸管导通。,G,EA 0,T1,T2,A,K,EA,+,_,R,晶闸管导通的条件：,（1）晶闸管阳极电路(阳极A与阴极之间K)施加正向电压；（2）晶闸管控制电路(控制极G与阴极之间K)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G便失去控制作用。去掉控制极电压，依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。因此控制极G一般加正向脉冲电压。,2.工作原理,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，或在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。,3.伏安特性,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平
5、均电流,维持电流,I=f（U）曲线,4.主要参数,1）正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM,晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM=80%UBO，普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V。,控制极开路时，允许重复作用在晶闸管两端的反向峰值电压。一般取 URRM=80%UBR，普通晶闸管 URRM为100V3000V。,2）反向重复峰值电压URRM,4.主要参数,3）额定正向平均电流 IF,环境温度不高于40C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。普通晶闸管IF 为1A-1000A。,在规定的环境和控制
6、极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十 一百多毫安。,4）维持电流 IH,正弦半波电流的最大值,普通晶闸管IF 为1A-1000A。）,5）通态平均电压UT 晶闸管压降。在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴两极间的电压平均值。一般为1V左右。）,在室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一 般UG为15V，IG为几十到几百毫安。,6）控制极的触发电压和电流UG、IG,5.型号命名,导通时平均电压组别,额定电压（用百位或千位数表示，取UFRM或URRM较小者）,额定正向平均电流(IF),晶闸管,普通型,例：KP200-
7、18F 表示额定正向平均电流为200A，额定电压 为1800V，正向平均管压降为0.80.9V的普通晶闸管。,6.1.2 两种特殊晶闸管,1.可关断晶闸管（GTO-Gate Turn Off thyristor),可关断晶闸管的伏安特性、触发导通与普通晶闸管相同。不同之处：普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。,6.1.2 两种特殊晶闸管,2.双向晶闸管（TRIAC),基本结构,图形符号,等效电路,通过控制电压的控制可实现双向导通：,6.1.2 两种特殊晶闸管,2.双向晶闸管（TRIAC),UA1UA2时，控制极相对于A2 加正脉冲，晶闸管正向
8、导通，电流从A1流向A2；UA2UA1时，控制极相对于A2 加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。,图形符号,6.1.3 电力场效应晶体管,电力MOSFET也是多元集成的，一个器件由许多MOSFET元组成，有横向导电型（LDMOS）和垂直导电型（VDMOS）两种结构。,1.结构与电气符号,VDMOS场效应管结构,等效电路,符号,2.电力场效应晶体管的导电机理,当漏极D接电源正端，源极S接负端，栅源间电压为0，漏源间无电流流过；如果栅源间加一正向电压UGS，并不会有栅极电流流过，但随着UGS增加，当大于UGS(th)时，形成反型层，漏极和源极导电。,注意：,由于VDMOS结构本身形成的寄
9、生二极管的存在，使得它无反向阻断能力，即具有逆导特性。当漏源之间加反向电压时，器件必定导通。,（1）垂直安装漏极，实现垂直导电，这不仅使硅片面积得以充分利用，而且可获得大的电流容量；（2）设置了高电阻率的N-区以提高电压容量；（3）短沟道(1 2m)降低了栅极下端SiO2层的栅沟本征电容和沟道电阻，提高了开关频率；（4）载流子在沟道内沿表面流动，然后垂直流向漏极。（5）驱动电路简单，驱动功率小，开关速度快，工作频率高，且热稳定性优于GTR，但是电力MOSFET电流容量小、耐压低，一般用于功率10KW以下的装置。,3.电力场效应晶体管的特点,6.1.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）,绝缘栅双极
10、型晶体管是由双极型电力晶体管和绝缘栅MOSFET构成的新型复合器件。,结构,开通和关断由栅射间的电压UGE决定：当UGEUGE(th)时，IGBT导通；当栅极与发射极间加反压或不加信号时，IGBT关断。,等效电路,符号,6.1.5 MOS控制晶闸管（MCT）,MOS控制晶闸管是晶闸管SCR和场效应管MOSFET复合而成的新型全控型器件，其主导元件是SCR，控制元件是MOSFET。,P-MOS控制晶闸管的结构,阳极,阴极,栅极,1.结构与电气符号,等效电路 符号,导通：当栅极相对于阳极施加负脉冲电压时，ON-FET导通，其漏极电流使NPN晶体管导通，同时使PNP晶体管导通且形成正反馈触发过程，最
11、后导致MCT导通；,使MCT关断的MOSFET,使MCT导通的MOSFET,1.P-MCT的工作原理,控制信号：用双栅极控制，栅极信号以阳极为基准。,P-MOS等效电路,关断：当栅极相对于阳极加正脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管基极电流中断，破坏了使MCT导通的正反馈过程，于是MCT被关断。,（1）导通的MCT中晶闸管流过主电流，而触发通道只维持很小的触发电流。（2）使P-MCT触发导通的栅极相对阳极的负脉冲电压幅度一般为-5-15V;使其关断的栅极相对于阳极的正脉冲电压幅度一般为+10V。,P-MOS等效电路,2.P-MCT的工作原理,晶闸管的主要缺点是过流、过压能力很差。晶闸管
12、的热容量很小，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；晶闸管承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。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,6.1.6电力电子器件的保护,一、过流保护,与器件串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种。,1.快速熔断器保护,2.过流继电器保护,3.过流截止保护,在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发
13、电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,一、过流保护,二、过压保护,2.非线性元件保护,1.阻容保护,利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。,硒堆保护(硒整流片),晶闸管元件的阻容保护,1.单相半波可控整流电路,（1）电阻性负载,设u1为正弦波,u2 0 时，加上触发电压 uG，晶闸管导通。且 uL 的大小随 uG 加入的早晚而变化；u2 0 时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。,6.2.2 可控整流电路,工作波形,（2）,：控制角,：导通角,输出电压及电流的平
14、均值,（3）,Uo=,（2）电感性负载,电路及工作原理,设u1为正弦波,u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，失去单向导电作用。,D称为续流二极管，加入D的目的就是消除反电动势的影响。,2.单相桥式可控整流电路,（1）电路,（2）工作原理,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:,a,u 为正半周时：,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,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:,u 为负半周时：,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,（2）工作原理,（3）工作波形,2,（4）输出电压及电流的平均值,两种常用可控整流电路,（1）,电路特点,该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。,晶闸管和负载上的电流相同。,（2）,电路特点,该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起续流二极管作用。,由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,两种常用可控整流电路,(a)负反馈，不满足相位条件。,(b)负反馈，满足相位条件。,(c)正反馈，满足相位条件。,(d)正反馈，满足相位条件。,(e)负反馈，不满足相位条件。,(f)正反馈，满足相位条件。,
