电子技术新课件第5章现代电力电子技术.ppt

第 5 章现代电力电子电路,第5章 晶闸管电路第 1 节功率电子器件第 2 节可控桥式整流电路第 3 节晶闸管触发电路第 4 节调压、变频、逆变和斩波技术第 5 节功率电子器件的保护电路第 6 节晶闸管交流开关电路实例,第5章 重点,晶闸管工作原理单相可控整流电路,别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。,体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,第1节 功率电子器件,应用领域：,逆变,整流（交流,直流）,斩波,（直流,交流）,变频,（交流,交流）,（直流,直流）,此外还可作无触点开关等,一、基本结构,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,第节 晶闸管,符号,二、工作原理,结构示意图,工作原理分析,A,1、UGK=0时，UAK0或UAK0，均不能导通。,J1,J2,J3,工作原理分析,工作原理分析,2、UGK0且UAK0时（正向电压），V1导通V2导通V1进一步导通，形成正反馈晶闸管迅速导通。,维持电流IC2=IG,A,3、UGK0或UAK0，均不能导通。,工作原理分析,导通条件（导通状态）：1、阳极与阴极间加正向电压；2、控制极与阴极间加正向触发电压；3、阳极电流不小于维持电流。,截止条件（阻断状态）：1、晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）；2、晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。,晶闸管具有单向导电性（正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号）；,晶闸管一旦导通，控制极失去作用。若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。,三、特性与参数,1、特性,IG1=0A,IG2,IG3,正向,反向,UFRM：,正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。一般取 UFRM=80%UFSM。普通晶闸管UFRM 为 100V3000V）,URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取URRM=80%URSM。普通晶 闸管URRM为100V3000V）,IF：,额定通态平均电流。（环境温度为40OC时,在 电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电角不小于170o的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管IF为1A1000A。）,2、主要参数,UD:额定电压。URRM 与UFRM中较小的一个。,IF含义说明,IH：维持电流。(在室温下，控制极开路、晶闸管 被触发导通后，维持导通状态所必须的最 小电流。一般为几十到一百多毫安。）,UG、IG：控制极触发电压和电流。（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1到5V，IG为几十到几百毫安。）,晶闸管型号,通态平均电压（UF）,额定电压级别（UD）,额定通态平均电流（IF）,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,KP 100-3,晶闸管电压、电流级别,额定通态电流（IF）通用系列为,1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14种规格。,额定电压（UD）通用系列为：,1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每200V 为一级。,通态平均电压（UF）等级一般用A I字母表示，由 0.4 1.2V每 0.1V 为一级。,四、特殊晶闸管,1、可关断晶闸管（GTO-Gata Turn Off thyristor）可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。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。,2、双向晶闸管 特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。,3、逆导晶闸管 特点：相当于一个晶闸管与一个二极管反向并联。正向特性相当于晶闸管，反向特性相当于二极管。,符号,等效电路,4、快速晶闸管 特点：开通和关断时间短。适于高频场合。,第2节 可控整流电路,一、单相半波可控整流电路,1、,电阻性负载,电路及工作原理,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 加入的迟早而变化；u2 0 时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。,（1）,工作波形,（2）,：控制角,：导通角,输出电压及电流的平均值,Uo=,Io=,（3）,晶闸管的选择,器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，晶闸管电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值（IF）。,电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：,（4）,电流的选择,平均值：,有效值：,不同 下有效值和平均值之比,晶闸管电流选择步骤,计算给定下的 通态电流平均值 IT,查表（或计算）相应的电流有效值 It,IT,K（K为保险系数）,计算 It对应的正弦半波电流平均值 IT,选晶闸管的额定值,晶闸管电压选择步骤,根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：,UFRM=URRM=（1.5 2）U2M,其中1.5 2为安全系数,根据UFRM、URRM 选取晶闸管电压的额定值,计算举例,设,则,（V）,=37.2V,22.3 1.5=33.5(A),UFRM=URRM=1.5,=233(V),可选用额定值为：300V、50A 的晶闸管,2、,电感性负载,（1）,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。,V称为续流二极管,加入V的目的就是消除反电动势的影响。,（2）工作波形（不加续流二极管）,工作波形（加续流二极管后）,（3）电压与电流的计算（加入续流二极管后的 情况）,ULT=,ILT,负载中的电压及电流,当 L R时，ILT在整个周期中可近似看做直流。,IT=,晶闸管的中电流,IT=,平均值:,有效值:,晶闸管的选择,晶闸管电压（1.5 2）U2M,晶闸管电流,（1.5）,二、单相桥式半控整流电路,1、,电阻性负载桥式可控整流电路,（1）电路及工作原理,u2 0的导通路径：,u2(A),V1,RL,V4,u2(B),V2,RL,V3,u2(A),u2(B),u2 0的导通路径：,V1、V2-晶闸管,V3、V4 二极管,（2）工作波形,输出电压及电流的平均值,ULT=,ILT=,（3）,2、,电感性负载桥式可控整流电路,该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。,两种常用可控整流电路的特点,（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，V2、V4 便起续流二极管作用。,由于V1的阳极和V3的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,带反电动势负载的可控整流电路,该电路的工作过程。,画出uL、iL的工作波形。,触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求：1、足够的功率；2、一定的宽度；3、与主电路同步；4、一定的移相范围。,第3节 晶闸管触发电路,产生的方式：1、单结晶体管触发电路；2、集成触发电路。,一、单结晶体管触发电路,符号,1、单结晶体管,工作原理,UE UA+UEA=UP 时,PN结反偏，IE很小；,UE UP时,PN结正向导通,IE迅速增加。,2,单结晶体管的特性和参数,3、单结晶体管振荡电路,振荡波形,uE=uC UP 时，单结管不导通，uo 0。此时R1上的电流很小，其值为：,振荡过程分析,R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧几百欧；RB1+RB2一般为215千欧。,随电容的 充电，uc逐渐升高。当 uC UP 时，单结管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。,R2起温度补偿作用,UP、UV-峰点、谷点电压,UD-PN结正向导通压降,注意：R值不能选的太小，否则单结管不能 关断，电路亦不能振荡。,电容放电至 uc uv时，单结管重新关断，使 uo0。,脉冲宽度的计算：,振荡周期的计算：,4、单结管触发的可控整流电路,波形关系,（2）,波形关系（1）,波形关系（2）,波形关系（3）,5、晶闸管的保护,晶闸管的过流、过压能力很差，是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，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。,过流保护,快速熔断器：电路中加快速熔断器;,过流继电器：在输出端装直流过电流继电器;,过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。,保护措施,阻容吸收,硒整流堆,过压保护,（利用电容吸收过压。即 将过电压的能量变成电 场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。）,（硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其 电阻减小，抑制过压 冲击。）,第4节 调压、变频、逆变和斩波技术,一、交流调压,触 发 电 路,主电路的两只晶闸管不共阴极，两者的控制极必须由两个独立的触发脉冲触发，才能正常工作。因此，触发电路中脉冲变压器的副边有两个线圈，分别为两只晶闸管提供触发信号。,电路特点,主电路的两只晶闸管，分别在交流电源的正负半周内触发导通，从而实现交流调压的目的。,波形关系,输出电压的调节,us,uL,二、单相无源逆变器,工作原理,工作时，两晶闸管由频率一定、相位差为180o的两个脉冲信号交替作用在它们的控制极上。从而由直流电源提供能量，在负载上得到交流电压。,当触发脉冲作用于V1的控制极上时，V1导通，直流电源给电容C1充电，其方向如图中虚线所示。充电电流通过变压器T给负载提供一定的电压；,当触发脉冲作用于V2的控制极时，V2导通，电容C1通过V2放电，其方向如图中虚线所示。放电电流通过变压器T给负载提供与上方向相反的电压。,电容放电时，放电电流在电感L2上产生感应电动势，方向如图所示。此感应电动势通过互感，在L1上产生的电压将晶闸管V1关断；同理，电容充电时L2上的感应电动势将V2关断。,思考题1、晶闸管的导通和截止条件是什么？2、有哪些特殊的晶闸管？主要应用在什么场合？3、一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围（即控制角的变化范围）有多大？4、试解释晶闸管交流调压电路的工作原理？,习题：P263 5-1 5-5 5-6 5-8,