聊城大学机械与汽车工程学院机电传动第8章1

1、第第8章章 电力电子学基础电力电子学基础l掌握晶闸管掌握晶闸管和全控型开关器件和全控型开关器件的基本工作原理的基本工作原理及及特性特性，了解其驱动电路和保护措施；，了解其驱动电路和保护措施；l掌握可控整流电路、逆变电路、斩波电路与掌握可控整流电路、逆变电路、斩波电路与PWM控制技术的基本工作原理。控制技术的基本工作原理。 半导体器件的发展半导体器件的发展 学）电力电子学（强电子电力半导体器件方面）微电子学（弱电子学集成电路方面电力电子学的任务电力电子学的任务 利用电力半导体器件（如：晶闸管）和线路来实现利用电力半导体器件（如：晶闸管）和线路来实现电功电功率率的变换和控制。的变换和控制。 晶闸管

2、（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier简称简称SCR，1957年）年）在在弱电控制弱电控制与与强电输出强电输出之间起桥梁作用。之间起桥梁作用。电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电电力电子学的发展电力电子学的发展 1957年晶闸管问世、电力电子技术诞生年晶闸管问世、电力电子技术诞生 20世纪世纪80年代中期，出现了第二代电力电年代中期，出现了第二代电力电子器件子器件GTR、GTO、IGBT 20世纪世纪90年代末至今，电力电子器件进入年代末至今，电力电子器件进入第四代，主要在第四代，主要在IGBT 、GTO的基础上朝的基础上朝高电压、大容量、集成模块化方向发展

3、。高电压、大容量、集成模块化方向发展。电力电子器件的发展电力电子器件的发展 20世纪世纪90年代，第三代电力电子器件成为年代，第三代电力电子器件成为制造变频器的主流产品制造变频器的主流产品电力电子器件的分类电力电子器件的分类根据导通与关断的可控性分为三类：根据导通与关断的可控性分为三类：（1） 不可控型器件：不可控型器件：导通与关断都不能控制。导通与关断都不能控制。整流二极管整流二极管（2） 半可控型器件：半可控型器件：只能控制其导通，不能控制其关断只能控制其导通，不能控制其关断的器件。的器件。 普通晶闸管（普通晶闸管（SCR）及其派生器件。）及其派生器件。 （3） 全控型器件：全控型器件：导

4、通与关断都可以控制的器件。导通与关断都可以控制的器件。 GTR（电力晶体管）、（电力晶体管）、GTO（门极可关断晶闸管）、（门极可关断晶闸管）、P-MOSFET（电力场效应晶体管）、（电力场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅（绝缘栅双极晶体管）双极晶体管）全控型器件的分类全控型器件的分类按结构和工作原理分为：按结构和工作原理分为：双极型、单极型双极型、单极型和和混合型混合型。双极型：双极型：器件内部的电子和空穴同时参与导电的器件。器件内部的电子和空穴同时参与导电的器件。GTR、GTO等。等。特点：特点：容量大。但工作频率较低，且有二次击穿现象。容量大。但工作频率较低，且有二次击穿现象。单极型：单极

5、型：器件内部只有一种载流子。器件内部只有一种载流子。P-MOSFET特点：特点：工作频率高，无二次击穿现象。但容量不如双极型。工作频率高，无二次击穿现象。但容量不如双极型。混合型：混合型：双极型与单级型器件的集成混合。双极型与单级型器件的集成混合。特点：特点：兼备了二者的优点，最具发展前景。兼备了二者的优点，最具发展前景。IGBT电力变换电路电力变换电路由电力电子器件与相应控制电路组成的电路由电力电子器件与相应控制电路组成的电路（1）可控整流电路：）可控整流电路：把固定频率、电压的交流电变成固定的或把固定频率、电压的交流电变成固定的或可调的直流电。可调的直流电。（2）交流调压电路：）交流调压电

6、路：把固定频率、电压的交流电变成可调电压把固定频率、电压的交流电变成可调电压的交流电。的交流电。（3）逆变电路：）逆变电路：把直流电变成频率固定或可调的交流电。把直流电变成频率固定或可调的交流电。（4）变频电路：）变频电路：把固定频率的交流电变成频率可调的交流电。把固定频率的交流电变成频率可调的交流电。（5）斩波电路：）斩波电路：把固定的直流电压变成可调的直流电压。把固定的直流电压变成可调的直流电压。（6）电子开关：）电子开关：功率半导体器件工作在开关状态，可以代替接功率半导体器件工作在开关状态，可以代替接触器、继电器用于频繁开合的场合。触器、继电器用于频繁开合的场合。8.1 电力半导体器件电

7、力半导体器件8.1.1 不可控型开关器件不可控型开关器件 大功率二极管（整流二极管）大功率二极管（整流二极管）8.1.2 半控型开关器件半控型开关器件1. 普通（逆阻型）晶闸管普通（逆阻型）晶闸管 晶闸管晶闸管（TH）、晶体闸流管、可控硅整流器（）、晶体闸流管、可控硅整流器（SCR）、可控硅。）、可控硅。 是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型大功率半导体是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型大功率半导体器件，具有三个器件，具有三个PN结和四层半导体结构。结和四层半导体结构。 A：阳极：阳极(anode) ; K：阴极：阴极(cathode); G：控制极：控制极 (gate)，也称门

8、极，也称门极符号跟二极管很像，多了一个门极符号跟二极管很像，多了一个门极晶闸管的外形晶闸管的外形螺栓型螺栓型平板型平板型KAG固定在固定在散热器上散热器上KAG用两个散热器将其夹住，用两个散热器将其夹住，散热效果好。散热效果好。晶闸管的结构与符号晶闸管的结构与符号控制极接入控制极接入Eg，当开关，当开关S接通，控制极电压为接通，控制极电压为ug ，主电路加交流电压主电路加交流电压u2 ，电阻电阻RL 上压降为上压降为ud ， 开始，开始，S断开，不论断开，不论u2为正还是为负，晶闸管均为正还是为负，晶闸管均不导通，具有不导通，具有正、反向阻正、反向阻断能力断能力； t=t1时，开关时，开关S合

9、上，阳合上，阳极、控制极对阴极电压极、控制极对阴极电压均为正，晶闸管导通；均为正，晶闸管导通；1）晶闸管的工作原理）晶闸管的工作原理 t=t3时，时，U2从零变正，从零变正，阳极对阴极又开始承受阳极对阴极又开始承受正向电压，控制极对阴正向电压，控制极对阴极有正电压极有正电压ug=Eg，晶闸，晶闸管又导通。管又导通。t=t2时，时，U2=0，晶闸管，晶闸管关断，此后一直承受反关断，此后一直承受反向电压，直到向电压，直到t=t3， t=t4时，时，Ug=0，但此时，但此时晶闸管处于导通状态，晶闸管处于导通状态，维持导通。维持导通。 t=t5时，时，U2=0，晶闸管，晶闸管处于截止状态。处于截止状态

10、。 导通后，控制极就失导通后，控制极就失去控制作用去控制作用，要，要恢复阻恢复阻断断，必须把，必须把阳极正向电阳极正向电压降低到一定值压降低到一定值(或或断开断开，或或反向反向)。 为什么会出现这种特性？为什么会出现这种特性？ 阳极和控制极同时加阳极和控制极同时加正向电压正向电压，导通。即导，导通。即导通必须同时具备两个条通必须同时具备两个条件。件。晶体管的可控单向导电晶体管的可控单向导电性。性。可把晶闸管看成可把晶闸管看成PNP和和NPN两只晶体管的两只晶体管的组合组合。 当阳极当阳极A与阴极与阴极K间加间加正向电压，则正向电压，则VT1和和VT2都承受正向电压。都承受正向电压。 当在控制极

11、当在控制极G加对加对K为正的电为正的电压，则有控制电流压，则有控制电流Ig流过。流过。VT2集电极电流集电极电流Ic2=2Ig=VT1基极电流。基极电流。VT1集电极电流集电极电流Ic1= 1 2Ig VT2基极，再次放基极，再次放大，大，形成强烈正，形成强烈正反馈，在几微秒，元件反馈，在几微秒，元件全部导通，全部导通，控制极即使控制极即使去掉电压，晶闸管仍可去掉电压，晶闸管仍可保持导通。保持导通。当当A和和K间加反向电压，间加反向电压，VT1和和 VT2都处于反向电压，没有放都处于反向电压，没有放大作用，不能导通。大作用，不能导通。若起始时没加若起始时没加ug，则不产生，则不产生Ig，即使阳

12、极加正向电压，晶闸，即使阳极加正向电压，晶闸管也不能导通。管也不能导通。结结 论：论：（1）开始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压）开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，说明晶闸管具有正、还是反向电压，晶闸管均不导通，说明晶闸管具有正、反向截止能力；反向截止能力；（2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才导通，这是晶闸管导通必须具备的条件；导通，这是晶闸管导通必须具备的条件；（3）晶闸管导通后，控制极就失去控制作用，欲使晶闸）晶闸管导通后，控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复截止状态，必须把阳极正向

13、电压降低到一定值管恢复截止状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开、反向）。（或断开、反向）。2） 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性Ig=0，当阳极电压加大到UDSM时，晶闸管突然由阻断转为导通，该电压叫断态不重复峰值电压或正向转折电压UBO 。Ig0时，正向转折电压变小反向转折(击穿)电压UBR （1）断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM在控制极断路和晶闸管正向截止的条件下，可以重复加在控制极断路和晶闸管正向截止的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，规定其值比正向转折电压小在晶闸管两端的正向峰值电压，规定其值比正向转折电压小100V。（2）反向重复峰值电压反向重复峰值电压U

14、RRM在控制极断路时，可以在晶闸管两端重复加上的反向峰在控制极断路时，可以在晶闸管两端重复加上的反向峰值电压，规定其值比反向击穿电压小值电压，规定其值比反向击穿电压小100V。晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数（3）额定通态平均电流额定通态平均电流（额定正向平均电流）（额定正向平均电流） IT在环境温度不高于在环境温度不高于40和标准散热及全导通条件下，晶和标准散热及全导通条件下，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）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）的平均值，简称的平均值，简称额定电流额定电流。通常所说的多少安的晶闸管，就是指这个电流。通常所说的多少安的晶

15、闸管，就是指这个电流。正弦半波正弦半波电流的电流的平均值平均值 0)(sin21mmTIttdII有效值有效值 2)(sin21022mmeIttdII晶闸管发热由电流有效值晶闸管发热由电流有效值Ie 决定决定二者之比二者之比 57. 12/2/mmTeIIKII式中，式中，K波形系数。波形系数。 Ie 1.57IT 为确保安全，按下式选晶闸管为确保安全，按下式选晶闸管 57. 1)25 . 1 (eTII式中，式中，eI实际通过晶闸管的电流有效值。实际通过晶闸管的电流有效值。（4）维持电流维持电流IH 在规定的环境温度和控制极断路时，在规定的环境温度和控制极断路时， 维持器件继续导维持器件继

16、续导通的最小电流通的最小电流。一般为几十。一般为几十mA一百多一百多mA，数值与温，数值与温度成反比。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸度成反比。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。管将自动关断。 (5) 导通时间导通时间Ton与关断时间与关断时间Toff导通时间导通时间:晶闸管从断态到通态的时间，一般为几微秒；晶闸管从断态到通态的时间，一般为几微秒；关断时间：关断时间：晶闸管从通态到断态的时间，一般为几微秒晶闸管从通态到断态的时间，一般为几微秒到几十微秒。到几十微秒。(6) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt与通态电流临界上升与通态电流临界上升率率di/dt4

17、） 晶闸管的优点：晶闸管的优点： 用用很小的功率可以控制很小的功率可以控制较大的功率较大的功率，功率放大倍数，功率放大倍数可以达到几十万；可以达到几十万； 损耗小、效率高损耗小、效率高，晶闸管，晶闸管本身的压降仅本身的压降仅1V左右，很小，左右，很小，总效率可达总效率可达97.5，而一般，而一般机组效率仅为机组效率仅为85左右。左右。 控制控制灵敏、反应快灵敏、反应快，晶闸，晶闸管的导通和截止时间都在微管的导通和截止时间都在微秒级；秒级； 体积小、重量轻体积小、重量轻。 过载能力弱过载能力弱，在过电流、，在过电流、过电压情况下很容易损坏，过电压情况下很容易损坏，控制电路中要采取保护措施；控制电

18、路中要采取保护措施； 导致导致电网电压波形畸变电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周高次谐波分量增加，干扰周围的电器设备；围的电器设备； 抗干扰能力差抗干扰能力差，易受冲击电，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；容易产生误动作； 控制电路比较复杂控制电路比较复杂，对维修，对维修人员的技术水平要求高。人员的技术水平要求高。 5）晶闸管的缺点：）晶闸管的缺点： 6） 如何如何判别管子的好坏判别管子的好坏 阳极阳极A与阴极与阴极K之间应为之间应为高阻值高阻值，而，而GK间的间的逆向电阻比逆向电阻比顺向电阻越大顺向电阻越大，晶闸管性能越良好。，晶闸管性

19、能越良好。 7） 晶闸管的型号及其含义晶闸管的型号及其含义3CT/ N型硅材料型硅材料可控整流元件可控整流元件额定电流额定电流CT型晶闸管格式：型晶闸管格式：三个电极三个电极额定电压额定电压KP型晶闸管格式：型晶闸管格式：KP - 晶闸管晶闸管普通型（普通型（S：双极型，：双极型，G：可关断型，：可关断型，N：逆导型）：逆导型）额定电流额定电流额定电压的等级额定电压的等级额定电压的组别额定电压的组别双向双向晶闸管晶闸管(TRIAC)：其控制极对于电源的其控制极对于电源的两两个半周均有触发控制作个半周均有触发控制作用用，即双方向均可由控，即双方向均可由控制极触发导通，相当于制极触发导通，相当于两

20、只普通的晶闸管反并两只普通的晶闸管反并联联。在交流调压和交流。在交流调压和交流开关电路中使用可减少开关电路中使用可减少元件，简化触发电路。元件，简化触发电路。2. 双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)T2T2T1T1GGG(a)符号(b)双向开关IVT1T2T2T1Ig+-T2T1GIg+-(c)伏安特性G双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性双向晶闸管符号、等效电路和伏安特性应用应用：主要用于家用电器控制，如灯光控制，电扇、暖气：主要用于家用电器控制，如灯光控制，电扇、暖气设备、烤箱的温度控制，及容量小的机电传动控制。设备、烤箱的温度控制，及容量小的机电传动控制。 3.逆导晶闸管（逆导晶闸管（RC

21、T）GKAGKA逆导晶闸管等值电路和符号逆导晶闸管等值电路和符号4. 光控晶闸管（光控晶闸管（LCT ）GKAAGKJ2光控晶闸管符号及等值电路光控晶闸管符号及等值电路1. 门极门极可关断可关断晶闸管晶闸管(GTO)Gate-Turn-Off ThyristorGTO应用：应用：直流调压直流调压和和直流开关直流开关电路。电路。 （1）在门极在门极G上加正电压或正上加正电压或正脉冲，脉冲，GTO即导通。其后，即使即导通。其后，即使撤销控制信号，仍保持导通。撤销控制信号，仍保持导通。 GTO的工作特点：的工作特点： 8.1.3 全控型开关器件全控型开关器件 （2）在门极在门极G上加反向电压或上加反

22、向电压或较强的反向脉冲，可使较强的反向脉冲，可使GTO关断。关断。2. 电力晶体管（电力晶体管（GTR）是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管。通常采用至少是一种耐高压、大电流的双极结型晶体管。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。由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。大电流大电流GTR的的小，小，Ib过大过大为获得较大为获得较大，可将两晶体，可将两晶体管组成复合管。管组成复合管。J为两级之乘积，起到为两级之乘积，起到放大作用放大作用LUces会有一定程度的增会有一定程度的增加。加。电阻：提供反向漏电流通路，提高复电阻：提供反向漏电流通路，提高复 合管的温度稳定性。合管的温度稳定

23、性。二极管：加速二极管：加速Q1的关断。的关断。GTRGTR的主要性能参数：的主要性能参数：（1）开路关断电压）开路关断电压指基极（或发射极）开路时，另外两个极间能承受的最高指基极（或发射极）开路时，另外两个极间能承受的最高电压。电压。（2）集电极最大持续电流）集电极最大持续电流Icm指基极正向偏置时，集电极能流过的最大电流。指基极正向偏置时，集电极能流过的最大电流。是是电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开电流驱动器件，控制基极电流就可控制电力三极管的开通和关断；通和关断；开关速度较快；开关速度较快；饱和压降较低；饱和压降较低；有二次击穿现象；有二次击穿现象；能控制较大的电流和较高

24、的电压；能控制较大的电流和较高的电压；电力三极管由于结构所限其耐压难于超过电力三极管由于结构所限其耐压难于超过1500V，现今商现今商品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过品化的电力三极管的额定电压、电流大都不超过1200V、800A。应用：应用：工作频率较高、中小容量的电力电子变换装置工作频率较高、中小容量的电力电子变换装置3. 电力场效应晶体管分类：分类：节型、绝缘栅型节型、绝缘栅型通常指绝缘栅型中的通常指绝缘栅型中的MOS型。（型。（P-MOSFET）N沟道结构沟道结构由于栅极由于栅极G与其余两个电极之间是绝与其余两个电极之间是绝缘的，外加栅、源级之间的电场控制缘的，外加栅、源级之间的电场控制半导体中半导体中感应电荷量的变化感应电荷量的变化控制沟道控制沟道电导，因此称之为绝缘栅型。电导，因此称之为绝缘栅型。P沟道符号沟道符号N沟道符号沟道符号反型层反型层耗尽型耗尽型当栅极电压为零时漏源极之间就存当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，称之为在导电沟道，称之为耗尽型耗尽型。 栅极电压大于零时才存在导电沟栅极电压大于零时才存在导电沟道，称