第8章 电力电子电路

第8章电力电子电路8.1概述8.2晶闸管的结构和工作原理8.3单向可控整流8.4触发电路8.5应用举例8.1概述8.1.1什么是电力电子技术电子电力技术（PowerElectronics）是研究采用半导体器件对电能进行电压、电流、频率和波形等方面的控制和变换的科学，它是一门应用于电力技术领域中的电子学，称为电子电力技术，电子电力技术研究领域实际上既是电子学在强电或电工领域的一个分支，又是电工学在弱点或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的学科。它是建立在电子技术（电子器件、电子电路）、电力技术（电力设备、电力网络）和控制技术（连续控制、离散控制）三个学科理论基础之上。下一页返回8.1概述8.1.2电子电力技术与其他学科之间的关系1.电子电力技术与电子技术的关系电力电子器件的制造技术和电子器件的制造技术的理论基础是一样的，其大多数工艺也是相同的。2.电子电力技术与电力技术的关系3.电子电力技术与控制技术的关系电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口，控制理论是实现弱电与强电结合的强有力纽带。上一页下一页8.1概述8.1.3电力电子技术的发展史和发展趋势1.电力电子技术的发展史1）第一阶段：功率整流管与晶闸管为代表的发展阶段。2）第二阶段：以门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和功率场效应晶体管（MOSFET）为代表的全控器件发展阶段。上一页下一页8.1概述3）第三阶段：以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、MOS门极晶闸管（MCT）等为代表的复合型器件发展阶段。4）第四阶段：以SPIC、HVIC等功率集成电路为代表的发展阶段。2.电力电子技术的发展趋势砷化镓二极管具有比硅二极管优越的高频开关特性，但是由于工艺技术等方面的原因，砷化镓二极管的耐压较低，实际应用受到局限。上一页下一页8.1概述8.1.4电力电子技术的应用领域（1）一般工业中的电气自动化是电力电子技术最活跃最能体现技术水平的领域，也是电力电子技术渗透最深的工业自动化、机器人控制等领域中的一个。（2）交通运输领域的电气化铁道中广泛采用电力电子技术。（3）电力系统中的直流输电、柔性交流输电、无功补偿和谐波抑制都要采用电力电子技术。（4）在通信系统和计算机系统中使用的工作电源也都采用高频开关电源。（5）照明在家用电器中占有十分突出的地位。上一页返回8.2晶闸管的结构和工作原理8.2.1晶闸管的结构目前大功率晶闸管常用的外形结构有螺栓式和平板式，它具有三个PN结的四层结构，其外形、结构和图形符号如图8-1所示。晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。由最外的P1层和N2层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间的P2层引出的电极是门极G（也称控制极）。四个区形成J1、J2、J3三个PN结。下一页返回图8-1返回8.2晶闸管的结构和工作原理8.2.2晶闸管的工作原理由电源Us、白炽灯、晶闸管的阳极、阴极组成晶闸管主线路。电源Uc、开关S、晶闸管门极和阴极组成控制电路也称触发电路。（1）欲使晶闸管导通必须同时具备两个条件：①晶闸管的阳极A和阴极K之间加上正向电压；上一页下一页8.2晶闸管的结构和工作原理②晶闸管的门极G与阴极K之间也加上合适的正向电压和电流。（2）晶闸管一旦导通后，门极就失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。（3）为使晶闸管关断，必须使其阳极A电流降低到零或某一数值以下，这可以采用将阳极A电压减小到零或者给阳极施加反向电压。上一页下一页8.2晶闸管的结构和工作原理8.2.3晶闸管的伏安特性和主要参数1.晶闸管的伏安特性2.晶闸管的主要参数1）额定电压UTn2）额定电流IT(AV)3）维持电流IH维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般上一页下一页8.2晶闸管的结构和工作原理为几十到几百毫安。4）擎住电流ILIL是晶闸管从阻断状态转为导通状态时移除触发信号后，要保持器件维持导通所需要的最小阳极电流。5）门极触发电流IGTIGT是在室温且晶闸管阳极电压为6V直流电压时，使器件从阻断到完全导通所必需的最小门极直流电流。上一页下一页8.2晶闸管的结构和工作原理8.2.4晶闸管的型号及简单测试方法1.晶闸管的型号按国家JB1144-75规定，普通硅晶闸管型号及其含义如图8-6所示。2.晶闸管电极的判定和简单测试方法1）晶闸管电极的判定2）晶闸管的简单测试上一页返回图8-6返回8.3单向可控整流8.3.1电阻性负载的单相半控桥式整流电路1.电路的工作原理将单相桥式整流电路中一对二极管换成两个晶闸管，就构成单相桥式半控整流电路，如图8-10（a）所示。电路由两个晶闸管、两个整流二极管和负载电阻Rd组成。晶闸管VT1和VT2组成一对桥臂。单相桥式整流电路的工作特点是晶闸管触发导通，而整流二极管在阳极电压高于阴极电压时自然导通。2.数值关系下一页返回图8-10（a）返回8.3单向可控整流8.3.2大电感负载的单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路带大电感负载时的工作特点是：晶闸管在触发时刻换流，二极管则在电源电压过零时换流；由于自然续流的作用，整流输出电压ud的波形与全控桥式整流电流带电阻性负载相同，α的移相范围为0～180°，Ud、Id的计算公式和半控桥带电阻性负载时相同；流过晶闸管和二极管的电流都是宽度为180°的方波与α无关，交流侧电流为正负对称的交变方波。上一页返回8.4触发电路8.4.1单结晶体管单结晶体管也称为双基极二极管，它分别有一个发射极e、第一基极b1和第二基极b2。触发电路常用的单结晶体管型号有BT33和BT35两种，其结构、等效电路、符号、外形和引脚如图8-13所示。其中B表示半导体，T表示特种半导体，第二位数字3表示300mW，5表示500mW。当b2、b1间加入正向电压后，发射极e、b1间成高阻特性。但是当e的电位达到b2、b1间电压的某一比值时，e、b1间立刻变成低电阻，这是单结晶体管最基本的特点。下一页返回图8-13返回8.4触发电路8.4.2单结晶体管的触发电路1.晶闸管对触发电路的要求2.单结晶体管的自激振荡电路3.单结晶体管触发电路1）同步电源2）移相控制3）脉冲输出上一页返回8.5应用举例调光灯电路工作原理：整流装置的输入端一般接在交流电网上。为了适应负载对电源电压大小的要求，或者为了提高可控整流装置的功率因数，一般在主电路输入端接整流变压器，把一次侧电压U1，变成二次侧电压U2。由晶闸管等组成的可控整流主电路，其输出端的负载往往要求整流能输出在一定范围内变化的直流电压。为此，只要改变触发电路所提供的触发脉冲送出的时刻，就能改变晶闸管在交流电压u2一周期内导通时间，这样负载上直流电压的平均值就可以得到控制。返回