配套课件:电力电子技术及应用.ppt
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1、第1章 电力电子器件 1.1 整流器件的应用 1.2 晶闸管(SCR)1.3 电力晶体管和电力场效应晶体管 1.4 绝缘栅双极型晶体管 1.5 其他电力电子器件 习题与思考题 1.1 整流器件的应用 1.1.1 功率二极管的基本特性 功率二极管又称为电力二极管,可以承受高电压大电流且具有较大的耗散功率,是由一个面积较大的PN结和两端引线封装组成的,引出的两个电极分别称为阳极A和阴极K。功率二极管与中小功率二极管的结构、工作原理和伏安特性相似。图11所示为功率二极管的结构和图形符号。当二极管处于正向电压作用下,管子两端正偏压很小(约为1 V左右)时,PN结导通,正向管压降(正向平均电压UF,约为
2、0.451 V左右)很小;反之,若二极管处于反向电压作用下(应小于击穿电压),PN反向,二极管处于阻断状态,仅有极小的可忽略的漏电流流过。由于二极管的导通速度和反向恢复时间相对于电力电路的暂态变化过程快得多,因此,可以把二极管看成是理想开关。图11 功率二极管的结构和图形符号 功率二极管主要参数的选择原则与普通二极管有所不同。在规定的环境温度和标准散热条件下,元件允许长时间连续流过50 Hz正弦半波的电流平均值,将此电流值取规定系列的电流等级,作为元件的额定正向平均电流IF,简称额定电流。其有效值应大于管子在工作中可能流过的最大电流有效值IDM。考虑到元件的过载能力较小,因此选择时一般选择1.
3、52倍的安全裕量,即按照 57.1)25.1(DMIIF(1-1)取相应标准系列值。在额定结温条件下,取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM的80%称为反向重复峰值电压URRM,将URRM值取规定的电压等级作为该元件的额定电压。反向重复峰值电压URRM 的选择原则应为管子所工作的电路中可能承受到的最大反向瞬时值电压UDM 23倍,即 DMRRMUU)32((1-2)取相应标准系列值。1.整流二极管整流二极管的特点是通态正向压降很低,反向阻断电压和工作电流可以高达几千伏和几千安,但反向恢复时间较长。整流二极管多用于开关频率不高的场合,一般开关频率在1 kHz以下使用。2.快速恢复二极管快速恢
4、复二极管的特点是恢复时间短,尤其是反向恢复时间短,一般在5 s以内,多用于与可控开关配合的高频电路中。3.肖特基二极管肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管,其反向恢复时间更短,一般为几十ns。它适用于较低输出电压和要求较低正向管压降(典型值为0.3 V)的换流电路中。1.1.2 二极管的基本应用1 续流如图12(a)所示,为防止在开关器件S切断电感电路时,电感产生的反向电势与电源叠加很大而对开关器件造成损坏,特接入二极管,给电感电流提供一个继续流动的回路,以保证开关管S在关断时其两端电压不超过电源电压US,从而有效地避免因电感关断而在开关器件两端出现的高压。2限幅如图1-2
5、(b)所示,当输入信号US变化范围很大时,利用二极管可以使信号电压的幅值限制在某个范围之内。设二极管的阈值电压为Uth,当US Uth时二极管导通,二极管被限制为正向导通电压。硅管的导通电压为0.7V,锗管的导通电压为0.3V。通过把几个二极管串联起来就可以得到不同的限副值。3钳位如图1-2(c)所示,当负载RL改变时,只要二极管处于正偏导通时,则输出电压将UO等于电源电压Us和二极管UF的压降之和,与负载RL无关。即被钳位到。当二极管反偏截止,将随RL的改变而改变,钳位电路失去作用。4稳压稳压管的正常工作区是在反向击穿区,当二极管被反向击穿后,反向端电压基本不变。如图1-2(d)所示,当电源
6、电压改变时,通过稳压二极管的反向电流改变,使串联电阻R上的压降改变,而使负载电压UO基本不变。图12 二极管的续流、限幅、钳位、稳压应用(a)续流;(b)限幅;(c)钳位;(d)稳压 5 整流利用二极管正偏时导通、反偏时截止的特性可实现整流变换。由于二极管的通断只能由电源控制,因此,二极管称为不可控器件。图13所示为二极管组成的半波整流电路。图中T为电源变压器,VD为整流二极管,RL代表负载,u1、u2分别为变压器的一次、二次正弦波电压,uo是负载输出电压,uD是二极管两端的电压。当u2为正半周时,二极管承受正向电压而导通,负半周承受反向电压而截止忽略二极管正向导通时的压降,半波整流电路各处波
7、形图如图14所示。根据波形,可以得到输出的直流平均电压Uo=0.45U2,流过二极管的电流平均值为负载电流的平均值,即 LLOODRURUII245.0二极管承受的最大反向电压为变压器二次电压的峰值,22UURM图1-3 半波整流电路 图1-4 半波整流电路波形图 图1-5所示为二极管所组成的桥式整流电路,通常有三种画法。在u2正半周时,VD1、VD2导通,VD3、VD4截止,而在u2负半周时,VD1、VD2截止,VD3、VD4导通,电路各处电流、电压波形如图1-6所示。由波形可知,其输出电压为,流过二极管的电流为29.0 UUOLLOODRURUII245.05.05.0二极管承受的最大反向
8、电压仍为变压器二次电压的峰值,即 22UURM图15 单相桥式整流电路 图16 桥式整流电路波形图 6 倍压整流电路半波整流电路或桥式整流电路无法得到高压直流电源,而采用倍压整流电路则可以获得。它是利用二极管的整流和导引作用,把较低的直流电压分别存于多个电容器上,然后把它们按照相同的极性串联起来,从而得到较高的直流电压。如图1-7所示为二倍压整流电路。当u2正半周时,VD1导通,VD2截止,u2向C1充电,充电至,极性如图中所示。当u2为负半周时,VD2导通,VD1截止,u2向C2充电,充电至,极性如图中所示。负载RL电压为C1、C2电压之和为,因输出电压可以达到电容滤波输出电压的二倍,所以该
9、电路称为二倍压整流电路。22U22U222U图17 二倍压整流电路 根据同样的原理,只要把更多的电容串联起来,并且增加相应的充电二极管,则可以组成多倍压整流电路。图18所示为六倍压整流电路。实际上由于存在电容的放电,使电容电压不可能始终保持最大值,而且由于电容的充放电,将使电容电压产生波动,因此存在脉动成分。负载阻抗越小,电容充放电就越快,以电压脉动成分也就越大。所以,倍压整流电路仅适用于要求输出电压较高、负载电流较小的场合。图1-8 多倍压整流电路 1.2 晶闸管(SCR)1.2.1 晶闸管的基本结构与工作原理晶闸管的外形及符号如图19所示。晶闸管的外形大致有三种:塑封形、螺栓形和平板形。额
10、定电流10 以下的多为塑封形,在10 以上至200 以下的为螺栓形,200 以上的为平板形。晶闸管的外形是为便于安装散热器而设计的,这是因为器件工作时,因损耗而产生热量,需要通过散热器来降低管芯温度。图19 晶闸管的外形及符号(a)塑封形;(b)、(c)螺栓形;(d)平板形 如图1.10所示为晶闸管的内部结构和等效电路。晶闸管是具有三个PN结的四层(1122)三端(、)器件,由最外的P1层和N2层引出两个电极,分别为阳极A和阴极K,由中间P2层引出的电极是门极G(也称控制极)。晶闸管内部具有三个结,即1、2、3,它的结构又可以等效为两个互补连接的三极管,其中1和2区既是一个三极管的集电极同时又
11、是另一个管子的基极。我们通过图1-11所示的实验线路来说明晶闸管的导通关断条件。在该电路中,由主电源EA、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极,通过双刀开关1组成晶闸管主电路;门极电路由门极电源EG、晶闸管的门极和阴极,通过双刀开关2组成,又叫控制电路,也称为触发电路。图110 晶闸管的内部结构及等效电路(a)芯片内部结构;(b)、(c)互补三极管等效示意图 图111 晶闸管的导通关断实验电路 通过以上实验结果,可得到如下结论:()晶闸管的导通条件:在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压,同时在它的门极和阴极间也加适当的正向电压,两者缺一不可。()晶闸管一旦导通,门极即失去控制作用,此时可以把门极电压撤去。因
12、此,门极电压不需保持直流电压,常采用脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通,一般门极的触发电流只有几十毫安到几百毫安,而晶闸管导通后,却可以通过几百、几千安的电流。所以说,通过晶闸管实现了弱电对强电的控制。()晶闸管的关断条件:使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流。维持电流是保持晶闸管导通的最小电流。由于门极只能控制晶闸管的导通,却无法控制其关断,所以又称晶闸管为半控型器件。晶闸管为什么有以上的导通关断特性呢?我们通过图1-12来说明。设1和2分别是1和V2的电流放大系数。当晶闸管阳极承受正向电压,门极也加正向电压时,晶体管V2处于正向偏置,EG产生的控制极电流IG就是2的基极电流IB
13、2,V2的集电极电流IC2(=2 IG)又是晶体管1的基极电流IB1,1的集电极电流IC1(=1IC2=12 IG)又流入V2的基极,再一次放大2的基极电流IB2。这样循环下去,形成了强烈的正反馈,使两个晶体管很快达到饱和导通,这就是晶闸管的导通过程。导通后,晶闸管上的压降很小,电源电压几乎全部加在负载上,晶闸管中流过的电流即负载电流与外加电压和负载有关。图1-12晶闸管工作原理示意图1.2.2 晶闸管的伏安特性晶闸管的阳极与阴极间的电压和阳极电流之间的关系,称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-13所示。图中位于第一象限的是正向特性,位于第三象限的是反向特性,其主要特性表现如下:图1-13
14、 晶闸管的阳极伏安特性 图中位于第一象限的是正向特性,位于第三象限的是反向特性,其主要特性表现如下:(1)在正向偏置下,当G时,如果在晶闸管两端所加正向电压末增到正向转折电压O时,元件都处于正向阻断状态,只有很小的正向漏电流。当=O时,发生转折,漏电流急剧增大,器件由阻断状态进入导通状态,正向电压降低,其特性和二极管的正向伏安特性相仿。这种由电压引起的导通称为电压触发导通,是一种硬开通,多次这样会造成晶闸管的损坏,所以通常不允许采用。(2)当采用门极触发导通方式时,门极触发电流G越大,正向转折电压O就越低。而当IG足够大时,管子就导通了,此时的晶闸管的正向转折电压O很小,压降也很小。晶闸管正向
15、导通的伏安特性与二极管的正向特性类似。晶闸管一旦触发导通后,即使去掉门极信号,器件仍能维持导通状态不变。所以,晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用。(3)导通之后,只要逐步减小阳极电流IA,使IA下降到小于维持电流IH,器件又可恢复到阻断状态。这种关断方式称为自然关断,除此之外,还可采用加反偏电压的方法进行强迫关断。(4)在反向偏置下,其伏安特性和整流管的反向伏安特性相似。处于反向阻断状态时,只有很小的反向漏电流,当反向电压超过反向击穿电压O后,反向漏电流急剧增大,造成晶闸管反向击穿而损坏。1.2.3 晶闸管主要参数1电压参数(1)额定电压Tn在门极断路和晶闸管正向阻断的条件下,可重复加在晶闸管
16、两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。一般规定此电压为正向转折电压UBO的80%。同理,在门极断路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM。此电压取反向击穿电压URO的80%。一般把UDRM和UDRM中较小的那个值按百位取整后作为该晶闸管的额定电压值。晶闸管元件的耐压会因散热条件恶化和结温升高而降低,因此选择元件的额定电压时应注意留有充分的裕量,一般应按工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压TM的23倍来选择,即 Tn()TM(1-3)(2)通态平均电压UT(A V)当流过正弦半波电流并达到稳定的额定结温时,晶闸管阳极与阴极之间电压降的平均值,称为通态平均电
17、压。额定电流大小相同的管子,通态平均电压越小,耗散功率就越小,管子质量就越好。2电流参数(1)额定电流T(A V)晶闸管的额定电流用通态平均电流来表示。在环境温度小于40和标准散热及全导通的条件下,晶闸管允许通过的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流T(A V)或正向平均电流,按晶闸管标准电流系列取值,称为该晶闸管的额定电流。通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。如果正弦半波电流的最大值为Im,则 mm0)AV(T)(sin21IttdII(1-4)额定电流有效值为IT 2)()sin(2120mmTItdtII(1-5)但是在实际使用中,对于不同的电路、不同的负载、流过晶闸管的电流波形形状
18、、波形导通角并不是一定的,各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值(一个周期内波形面积的平均值),也就有一个电流有效值(均方根值)。我们把某电流波形的有效值与平均值之比称为该电流的波形系数,用Kf表示,即 57.12)AV(TTfIIK(1-6)这说明额定电流IT(AV)=100 A的晶闸管,其额定电流有效值为。在选用晶闸管的时候,首先要根据管子的额定电流求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何,只要流过元件的实际电流最大有效值小于或等于管子的额定电流有效值,且散热冷却在规定的条件下,管芯的发热就可以限制在允许范围内。考虑到晶闸管的电流过载能力比一般电机、电器要小得多,
19、因此在选用晶闸管额定电流时,要根据实际最大的电流计算后至少要乘以1.52的安全系数,即 AIKIAVTfT157)(57.1)25.1(TT(AV)II(1-7)2)维持电流H 在室温和门极断开时,元件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为十几毫安到几百毫安。维持电流与元件容量、结温有关,元件的额定电流愈大,维持电流也愈大。而维持电流大的晶闸管更容易关断。3)掣住电流L 晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号,能使元件保持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流L。L为维持电流H的2-4倍。欲使晶闸管触发导通,必须使触发脉冲保持到阳极电流上升到掣住电流以上,否则会造成晶闸
20、管重新恢复阻断状态,因此触发脉冲必须具有一定的宽度。3其他参数(1)晶闸管的开通时间ton与关断时间toff晶闸管开通时间ton是指从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间,普通晶闸管的ton约为6s。为了缩短开通时间,常采用实际触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发。如果触发脉冲不够宽,晶闸管就不可能触发导通,为保证晶闸管可靠触发,要求触发脉冲的宽度稍大于ton。晶闸管的关断时间toff是把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需要的时间称为关断时间。晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的toff约
21、为几十到几百微秒。(2)门极触发电流GT和门极触发电压GT在室温下,对晶闸管加上6伏正向阳极电压时,使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流称为门极触发电流GT,相应的门极电压称为门极触发电压GT。若触发电流太小,容易受干扰而引起误触发;若触发电流太大会造成控制电路功率的负担,因此不同系列的晶闸管都规定了最大和最小触发电流、触发电压的范围。因为受温度影响很大,而元件铭牌上的数据是常温下所测,所以实际工作时的触发电压和触发电流应视具体情况而定。(3)断态电压临界上升率和通态电流临界上升率在额定结温和门极开路情况下,使元件从断态到通态所需的最低阳极电压上升率称为断态电压临界上升率。为防止晶闸管的误
22、导通,晶闸管使用中要求要求断态下阳极电压的上升速度要低于此值。可以通过在元件两端并接阻容电路,利用电容两端电压不能突变的性质来限制电压上升率。在规定条件下,晶闸管在门极触发开通时管子能够承受而不致损坏的最大通态电流上升率称为通态电流临界上升率。为限制通态电流临界上升率,可以在阳极回路中串入小电感,来对增长过快的电流进行限制。1.2.4 晶闸管的型号及简单测试方法1晶闸管的型号 晶闸管通常用两种命名标准,一种为KP型,另一种为CT型。命名如下:KP额定电流等级-额定电压等级通态平均电压组别3CT额定电流等级/额定电压其中K和3CT代表晶闸管,P代表类型为普通型,可以替换为S(双向型),G(可关断
23、型),N(逆导型)。额定电压值为额定电压等级乘以100,当额定电流小于100A时,通态平均电压组别可以不标。例如:KP100-12G,表示额定电流为100A,额定电压为1200V,通态平均电压小于1V的普通型晶闸管。又如3CT50/500V,表示额定电流为50A,额定电压为500V的普通型晶闸管。例1 一晶闸管接在220V交流回路中,通过器件的电流有效值为50,额定电压电流均考虑2倍的余量,问应选择多大的晶闸管?解:晶闸管额定电压 VVUUTMTn622220222按晶闸管参数系列取700V,即7级。晶闸管的额定电流 AAIITAVT6457.150257.12)(按晶闸管参数系列取100,所
24、以选取晶闸管型号为KP100-7。到目前为止,世界上普通晶闸管的最大额定电流可达4000A,最大额定电压可达7000V,导通压降在1000V额定电压时为1.5V,在5000V额定电压时仅为3V。2晶闸管的简单测试方法利用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值的方法,可初步判断管子是否完好。当用万用表R1k挡测量阳极A和阴极K之间电阻,若阻值在几百千欧以上,且正、反向电阻相差很小;用R10或R100挡测量门极G和阴极K之间的阻值,其正向电阻应小于或接近于反向电阻,这样的晶闸管是好的,否则晶闸管已经损坏。1.2.5 晶闸管的派生器件1 门极可关断晶闸管(GTO)门极可关断晶闸管具有普通晶闸管的全
25、部特性,如耐压高(工作电压可高达6000 V)、电流大(电流可达6000A)以及造价便宜等。GTO广泛应用于电力机车的逆变器和大功率的直流斩波器中。GTO与普通晶闸管类似,都是PNPN四层半导体器件,有阳极A、阴极K和门极G三个电极,但内部包含着数百个共阳极的小GTO单元。它的结构、等效电路和电气符号如图114所示。图114 门极可关断晶闸管的结构、等效电路和电气符号 GTO的工作原理与普通晶闸管相似。GTO触发导通的条件是:当它的阳极与阴极之间承受正向电压,门极与阴极间加正脉冲信号可以使元件导通。普通晶闸管导通时处于深度饱和状态,切断门极电流无法使其关断;但GTO采取了特殊工艺,使管子导通后
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