电力电子技术 第二次课

由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。是允许电流较大电压较高的二极管从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。图1-1功率二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号一、功率二极管的结构和工作原理AKAKa)IKAPNJb)c)AK门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。正向导通后压降基本不变承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流，当反向电压增加到UF时，反向漏电流剧增，管子击穿。图1-2功率二极管的伏安特性1.1功率二极管的伏安特性额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1.2功率二极管的主要参数1)正向平均电流IF(AV)其电流平均值为：其电流有效值为：当正弦半波电流的峰值为Im时，二极管电流定额的含义如手册上某功率二极管的额定电流为100A，说明：允许通过平均值为100A的正弦半波电流；允许通过正弦半波电流的幅值为314A；允许通过任意波形的有效值为157A的电流；在以上所有情况下其功耗发热不超过允许值。选择二极管电流定额的过程：求出电路中二极管电流的有效值IFrms；求二极管电流定额IFR，等于有效值IFrms除以1.57；将选定的定额放大1.5到2倍以保证安全。/1.57FRFrmsII指管子反向能重复施加的最高峰值电压按通常取击穿电压UB的2/3使用时，应当留有两倍的裕量。1.2功率二极管的主要参数2)反向重复峰值电压URRM3)正向平均电压UF在指定温度下，流过额定正弦半波电流时对应的正向压降。4)反向漏电流IRR对应于反向重复峰值电压时的漏电流。1.3功率二极管的关断特性和开通特性a)FUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt延迟时间：td=t1-t0,电流下降时间：tf=t2-t1反向恢复时间：trr=td+tf恢复特性的软度：下降时间与延迟时间的比值tf/td，或称恢复系数，用Sr表示。关断过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。用在高频场合下的二极管要求反向恢复时间短,才能保证在导通与阻断间快速切换.。正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V开通过程开通过程：用在高频场合下的二极管要求使用快恢复二极管!!高频全波整流中,若选用反向恢复时间长的普通二极管,会在一段时间内出现输出电压为0的情况!!!正向恢复过程中,二极管上会有很大的正向动态压降,也会使输出电压下降.换相时变压器会短路,发热严重功率二极管的基本应用整流续流¡«D1D2D3D4VDCVAC（a）整流（b）续流DLiSVSRR二、晶闸管2.1晶闸管的结构、符号和结构模型晶闸管是PNPN四层半导体结构。具有J1、J2、J3三个PN结。A-阳极G-门极K-阴极2.2晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构晶闸管的等效电路(二极管等效电路)AKGJ1J2J3A-K间加正压时，J2反向阻断，管子不导通。A-K间加反压时，J1、J3反向阻断，管子也不导通。在门极（G）断开时，晶闸管的等效电路(三极管等效电路)晶闸管的工作原理当合上S时，有足够的门极电流流入，通过两管的电流放大立即形成强烈的正反馈，瞬间就可使两管饱和导通。导通后，门极电流即使降为0或为负，也不能使管子关断只有设法使阳极电流降到维持电流IH以下，使正反馈无法维持时，晶闸管才能关断。导通后阳极电流由电源和负载电阻决定,晶闸管导通压降约为1.5V晶闸管通入门极电流Ig使其导通的过程称为触发管子触发导通后，门极失去控制作用，这种门极可触发导通但无法使其关断的器件称为半控器件其他可能使晶闸管导通的条件：阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应（硬开通）阳极电压上升率du/dt过高结温较高2.3晶闸管的伏安特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM晶闸管的伏安特性IG2IG1IG反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：2.4晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压URRM——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态平均电压UT（AV）——晶闸管通以额定正弦半波电流时阳极和阴极间的平均电压。通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍。使用注意：1）电压定额通态平均电流IT(AV）——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。——因为晶闸管电流过载能力小,选用时要留有（1.5-2）倍的裕量。2）电流定额波形系数：电流波形的有效值与平均值之比〖例1-1〗两个不同的电流波形(阴影斜线部分)如图所示，分别流经晶闸管，若各波形的最大值Im=100A,试计算各波形下晶闸管的电流平均值IT(AV)1、IT(AV)2，电流有效值IT1、IT2,若考虑二倍的电流安全裕量，选择额定电流为50A的晶闸管能否满足要求？额定电流为50A的晶闸管，其允许通过的最大电流有效值为50*1.57=78.5A,考虑到2倍的电流裕量,其上有效电流不得超过39.25A,故该晶闸管在(1)和(2)中均不符合要求!三、单相相控整流电路整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。学习整流电路要掌握如下几方面：结构形式工作原理分析整流电路的工作波形各参数的数学关系3.1单相可控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路3.1.2单相桥式全控整流电路3.1.3单相桥式半控整流电路3.1.1单相半波可控整流电路图3-1单相半波可控整流电路及波形一)带电阻负载的工作情况1）工作原理分析2）基本数量关系直流输出电压平均值Ud为与输出电流平均值Id：直流输出电压有效值U为与输出电流有效值I：功率因数：最大正反向电压：波形系数：)cos1(2)(22sin2cos1222sin41dfIIk57.1222fk当α=0时：随着α增大,kf也相应增大：解:(1)(2)2.5Ω(3)(4)(5)二)带阻感负载的工作情况wttwwtwtwu20wt12tug0ud0id0uVT0qb)c)d)e)f)++1）工作原理分析2）基本数量关系由于电感的存在,晶闸管在U2=0时不关断,输出出现负电压直流输出电压平均值Ud为：电感越大,导通角θ越大,θ增大会使输出直流电压Ud约为0在大电感情况下,无论触发角α如何变化,输出直流电压Ud总是很小,电路无法工作三)带阻感负载加续流二极管的工作情况当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。1）工作原理分析大电感负载情况下,晶闸管电流和续流管电流均为矩形波2）基本数量关系直流输出电压平均值Ud为与输出电流平均值Id：晶闸管电流平均值IdT与有效值IT：续流二极管电流平均值IdD与有效值ID：晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压VT的移相范围为180。简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。单相半波可控整流电路的特点