第八章-电力电子学-晶闸管及其基本电路

第八章电力电子学－晶闸管及其基本电路机电传动控制Page2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。Page3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，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。Page4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Page5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进行电力变换的技术称为变流技术输出输入直流交流交流整流交流电力控制变频、变相直流直流斩波逆变7变流技术Page6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Page7晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）1956年美国贝尔实验室（BellLab）发明了晶闸管1957年美国通用电气公司（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Page8优点：(1)用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)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Page9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Page10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Page11螺栓型晶闸管外观8.1电力半导体器件Page12螺栓型晶闸管外观8.1电力半导体器件Page13平板型晶闸管外观8.1电力半导体器件Page14平板型晶闸管外观8.1电力半导体器件Page15P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合PPNNNPAGK8.1电力半导体器件Page16晶闸管的工作原理（1）在0~t1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t1~t2之间:uAK0，由于开关S合上，使ug0，晶闸管导通；（3）在t2~t3之间，uAK0，尽管ug0，但ud=0，即晶闸管关断；（4）在t3~t4之间，uAK0，这时ug0,而，所以，晶闸管又导通；2uud（5）当t=t4时，ug=0，但uAK0，，即晶闸管仍处于导通状态；2uud（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Page17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，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Page18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Page19正向(uAK0)正向阻断状态:当ug=0，uAKUDSM，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，uAK0，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(uAK0)反向截止状态:当uAKURSM，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Page20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（2~3）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-1008.1电力半导体器件Page213.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IH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mA8.1电力半导体器件Page22其他半控功率器件--双向晶闸管8.1电力半导体器件Page23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Ｉ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（SolidStateRelay——SSR）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Page24门极可关断晶闸管——在晶闸管问世后不久出现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Page25门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—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Page26术语用法：功率晶体管（GiantTransistor——GTR，直译为巨型晶体管）耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT），英文有时候也称为PowerBJT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Page27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Page28也分为结型和绝缘栅型（类似小功率FieldEffectTransistor——FET）但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）简称功率MOSFET（PowerMOSFET）结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（StaticInductionTransistor——SIT）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Page29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Page30绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——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Page31IGBT功率模块外观8.1电力半导体器件Page32IGBT功率模块外观（侧面）8.1电力半导体器件Page33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（PowerIntegratedCircuit——PIC）功率模块和功率集成电路8.1电力半导体器件Page34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不可控可控不可控可控8.2可控整流电路Page358.2.1单相半波可控整流电路u2－输入电压；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