电工电子第十二章

1、 电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。 12.1 常用电力电子器件常用电力电子器件 电力电子器件适用于高压、大电流场合，主要以开关方式工作。电力电子器件是电力电子技术的核心。 常用的电力电子器件有： 普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）等。 1晶闸管的结构 一、晶闸管一、晶闸管 三个电极分别为阳极A、阴极K和控制极（门极）G. 晶闸管的封装形式与晶闸管有关 额定电流小于10A: 压膜塑封式 大功率晶闸管: 螺栓式和平板式两种 额定电流在200A以下: 螺栓式 大于200A: 平板式 晶体闸流管简称晶闸管(Thyris

2、tor),也称硅可控元件(SCR),是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件,多用于可控整流、逆变、调压等电路,也作为无触点开关.SCR为英文(Silicon Concrolled Rectifier)图图12-1 晶闸管的结构晶闸管的结构a）图形符号）图形符号 b）塑封式）塑封式 c）螺栓式）螺栓式 d）平板式）平板式 e）内部结构图）内部结构图 从内部结构看晶闸管有P1N1P2N2四层半导体，形成J1、J2、J3三个PN结.从P1层引出阳极A，从N2层引出阴极K，从P2层引出控制极G。加在晶闸管阳极与阴极之间的电压称为，加在晶闸管控制极与阴极之间称为。 2晶闸管的工作原理 图图12-2 晶

3、闸管的工作原理图晶闸管的工作原理图a）反向阻断）反向阻断 b）正向阻断）正向阻断 c）触发导通）触发导通 d）除去控制极信号仍导通）除去控制极信号仍导通 结论： 1）晶闸管导通必须具备两个条件： 晶闸管的阳极与阴极间加正向电压，即UAK0。控制极与阴极之间加足够正向电压，即UGK0。 2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸 管为半控型器件。 3）要使晶闸管关断，必须使晶闸管的阳极电流降到 维持电流IH以下。此时晶闸管只有重新触发才能 再次导通。 3晶闸管的伏安特性 指晶闸管阳极电压UAK与阳极电流IA之间的函数关系。 图图12-3 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 4主要参数 1）额定

4、电压UTn 2）额定电流IT（AV） 3）维持电流IH 4）控制极触发电压UG和触发电流IG 5）通态平均电压UT（AV） 5晶闸管判别 1）晶闸管电极的判别 2）晶闸管好坏的判别 6) 正向重复峰值电压UDRM7) 反向重复峰值电压URDM二、双向晶闸管二、双向晶闸管 1双向晶闸管结构 塑封式、螺栓式和平板式。 a） b） c）图图12-4 双向晶闸管双向晶闸管a）结构）结构 b）等效图）等效图 c）符号）符号 内部是五层半导体（NPN PN），引出三个电极，分别为第一阳极（T1）第二阳极（T2）和门极（G） 常用于交流调压的场合。 2双向晶闸管的触发方式 表表12-1 四种触发方式四种触发

5、方式 四种触发方式中的灵敏度各不相同，其中+方式灵敏度最低，因此在实际应用中只采用（-，-）和（+，-）两种触发方式。 3参数选择 1）额定电压UTn 2）额定电流T（RMS） 3）换向能力的选择 4双向晶闸管的判别 1）T2极的判别 2）T1和G极的判别 三、功率场效应晶体管三、功率场效应晶体管 功率场效应晶体管，简称功率MOSFET，它是一种单极型电压控制器件，具有自关断能力，且输入阻抗高、驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到1MHZ，不存在二次击穿问题、安全工作区宽等主等优点。MOSFET属现代电力电子器件，因其电压和电流容量较小，故在高频中小功率的电力电子装置如开关电源、机床伺服、汽

6、车电子化等方面得到广泛应用。 1功率MOSFET的结构 根据载流子的性质可分为P沟道和N沟道两种类型 . a） b） c）图图12-5 MOSFET管符号和结构管符号和结构a）图形符号）图形符号 b）实用图形符号）实用图形符号 c）内部结构）内部结构提高功率MOSFET管的功率是通过： 1）将若干个单元MOSFET并联而成为功率MOSFET，实现了大电流。 2）它的高掺杂N+硅片衬底，提高了器件的耐压能力。 漏极漏极源极源极栅极栅极2工作原理 功率MOSFET的工作原理与传统的MOS器件基本相同，栅源极加正向电压（UGS0）使MOSFET内沟道出现，电子从源极移动到漏极形成漏极电流ID，器件导

7、通；反之，当栅源极加反向电压（UGS0）沟道消失，器件关断。 3功率MOSFET的主要特性 功率MOSFET的特性可分为和，静态特性主要指MOSFET的和，动态特性主要指MOSFET的。 1）输出特性 输出特性也称漏极特性曲线，是以栅源极电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏极电压UDS间关系的曲线族。 图图12-6 静态特性静态特性a）输出特性）输出特性 b）转移特性）转移特性 可调电可调电阻区阻区线性放线性放大区大区击穿区击穿区晶体管的击穿现象： 从晶体管的输出特性曲线可知，对于某一条输出特性曲线，当c-e之间电压增大到一定数值时，晶体管将产生击穿。 一次击穿： 而且IB愈大，击穿电压愈

8、低，称这种击穿为“一次击穿”。 二次击穿： 晶体管一次击穿后，集电极电流会聚然增大，若不加以限制，则晶体管的工作点变化到临界点A时，工作点将以高速从A点到B点，此时电流猛增，而管压降却减小，称“二次击穿”。如图所示。 晶体管经过二次击穿后，性能将明显下降，甚至造成永久性损坏。 二次击穿临界曲线： IB不同时二次击穿的临界点不同，将它们连接起来，便得到二次击穿临界曲线，简称S/B曲线。 击穿防止方法： 在功放管c-e之间加稳压管，就可防止其一次击穿，并限制其集电极电流，就可避免二次击穿。 2）转移特性 转移特性是在以漏源极电压UDS为参变量，输入栅源电压UGS与输出漏极电流ID之间的关系如图12

9、-6，功率MOSFET的漏极电流ID和栅极电压UGS的关系曲线，如图所示。该特性反映了功率MOSFET的栅源电压UGS对漏极电流ID的控制能力。 3）开关特性 功率MOSFET是单极型电压控制器件，依靠多数载流子导电，没有少数载流子的存储效应，与关断时间相联系的存储时间大大减小，因而具有开关速度快的特点。 4功率MOSFET的主要参数 1）通态电阻Ron 在确定栅源电压UGS下，功率MOSFET由可调电阻区进入线性放大区时的漏、源极间直流电阻为通态电阻。 在同样的温度条件下，耐压等级愈高的器件通态电阻越大，且器件的通态压降越大. 2）开启电压（UT） 开启电压又称阈值电压，是转移特性曲线与横坐

10、标交点处的电压值。 3）跨导gm 跨导gm和晶体管的相似，表示功率MOSFET管的栅、源电压对漏极电流的控制能力。 gm=ID/UGS 单位为西门子，简称西（S）。 4）漏、源击穿电压UBDS 漏源击穿电压UBDS是功率MOSFET的最高工作电压，它是为了避免器件进入击穿区而设的极限参数。 6）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM 5）栅、源击穿电压UBDS 栅、源击穿电压UBDS是为了防止静电使栅、源电压过高而发生绝缘栅层介质击穿而设定的参数，其极限值一般规定为20V。 漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM表征功率MOSFET的电流容量，它们主要受器件沟道宽度限制。当MOSFET管工作在开关

11、状态时，IDM约为ID的24倍。 四、绝缘栅双极晶体管四、绝缘栅双极晶体管 简称为IGBT，是单极和双极技术的混合物. 它既有单极型器件的输入阻高、工作速度快、热稳定性好和驱动电路简单的特点，又有双极型器件电压低、耐压高和承受电流大等优点。 1IGBT的结构 a） b） c）图图12-7 IGBT的结构与符号的结构与符号a）图形符号）图形符号 b）内部结构）内部结构 c）简化电路）简化电路 IGBT是以晶体管为主导元件、MOSFET为驱动元件的达林顿结构器件。 2工作原理 IGBT是全控型器件它的开通和关断是由栅极电压来控制的。 3IGBT主要特性 IGBT的特性可分为静态特性和动态特性，静态

12、特性主要指IGBT的伏安特性、转移特性，动态特性主要指IGBT的开关特性。 1）伏安特性 在UCE不变的条件下，输出电流由栅极电压控制，栅极电压越大，电流IC越大。 它和晶体管伏安特性相似。可分为饱和区，放大区和击穿区。 当以栅源电压UGs为参变量时，IGBT的集电极电流IC和集、射极电压UCE的关系曲线，叫做IGBT的伏安特性。 2）转移特性 IGBT的转移特性是描述集电极电流IC与栅极、发射极之间的电压UGE的关系曲线 . a） b）图图12-8 静态特性静态特性a）伏安特性）伏安特性 b）转移特性）转移特性 3）动态特性 IGBT的动态特性也称开关特性，它包括开通过程和关断过程。 4IG

13、BT的主要参数 图图12-9 动态特性动态特性 1）集电极发射极击穿 电压UCEM 2）开启电压UGE（th） 3）通态压降UCE（on） 4）最大栅射极电压UGEM 5）集电极连续电流IC和 峰值电压ICM 12.2 晶闸管可控整流电路晶闸管可控整流电路 整流是把大小和方向都随时间变化的交流电变为单方向脉动直流电的变流过程。 如果采用功率二极管作为整流元件，则可获得大小固定的直流电压，这种整流方式称为。如果采用晶闸管作为整流器件，则可以通过控制门极触发脉冲施加的时刻来控制输出整流电压的大小，这种整流称为。 可控整流电路包括可控整流的主电路和触发电路两部分。 一、主电路一、主电路 可控整流电路

14、主电路结构形式视用电负载容量大小不同而定，通常小容量（4kW以下）的负载供电采用单相可控整流，它具有电路简单、投资省、维护方便等优点；对于容量较大的负载，采用三相可控整流电路易于满足负载对高电压大电流的需求，同时也保证负载上的直流电压脉动小，供电的交流电网三相平衡。 1单相半波可控整流电路 1）电阻性负载 图图12-10 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形a）电阻性负载电路）电阻性负载电路 图图12-10 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形b）波形图）波形图 在单相半波电路中，晶闸管从开始承受正向电压起至开始导通时刻为止的电角度称为控制角或移相角，以 表示

15、. 2cos145. 02 UUd2cos145. 02 ddddRURUI（12-2） （12-1） 为了使整流输出电压波形稳定，每个周期内的控制角 应相同,这种触发信号和电源电压在频率和相位的配合关系称为同步。 例12-1 有一单相半波可控整流电路，变压器副边电压 U2=120V，负载电阻Rd=25，控制角 =30.试求输出 电压和电流的平均值。 解： V50V2cos112045. 02cos145. 02 UUdA2A2550dddRUI2）电感性负载 工业中需要直流供电的电机励磁、滑差电机的电磁离合器励磁线圈以及输出串接电抗器的负载等均可用电阻Rd和电感Ld的串联电路来等效。 图图1

16、2-11 有续流管的单相半波可控整流电路及波形有续流管的单相半波可控整流电路及波形 dddRUI2cos145. 02 UUd式中: 图图12-11 有续流管的单相半波可控整流电路及波形有续流管的单相半波可控整流电路及波形 ddTII 2dTII 2ddDII2dDII22单相半控桥式整流电路 图图12-12 单相半控桥带电感性负载单相半控桥带电感性负载a）电路图）电路图 若将单相桥式整流中的四只二极管全部换成晶闸管，就组成单相全控桥式电路。但实用中多采用图12-12所示电路，这里只用了两只晶闸管，另两只仍用二极管，故称单相半控桥式整流电路。 图图12-12 单相半控桥带电感性负载单相半控桥带

17、电感性负载b）波形图）波形图 按图示的波形进行计算可得: 2cos19 . 02 UUd2cos19 . 02 ddddRURUIddTII 2dTII 2ddDII dDII 例12-2 某电感性负载采用带续流管的单相半控桥电路 供电，如图12-12a所示。已知：电感线圈的内阻Rd=5， 输入交流电压U2=220V，控制角a=60。试求晶闸管与 续流管的电流平均值及有效值。 解: 首先求整流输出电压平均值 V149V260cos12209 . 02cos19 . 02aUUd求负载电流平均值 A30A5149/dddRUI流过晶闸管与整流二极管的电流平均值与有效值 A10A303606018

18、0360180ddTIaIA3036060180360180dTIaIA3 .17 流过续流二极管的电流平均值与有效值 A10A3018060ddDIaIA3018060dDIaIA3 .17二、触发电路二、触发电路 晶闸管由阻断转入导通，除阳极要承受正向电压外，还需在门极和阴极间加适当的正电压，改变触发脉冲的输出时刻，即可改变控制角 大小，从而达到改变输出电压平均值的目的。这种控制晶闸管导通的电路称为触发电路。 1）触发电路输出的脉冲必须有足够大的电压和功率。2）触发脉冲必须与晶闸管的主电压保持同步。3）脉冲的前沿要陡，宽度应满足要求。4）满足主电路移相范围的要求。 为了保证晶闸管整流电路准

19、确无误工作，对触发电路有以下要求： 1单结晶体管 图图12-13 单结晶体管单结晶体管a）结构示意图）结构示意图 b）电路模型）电路模型 c）图形符号）图形符号 d）外形及管脚）外形及管脚 单结晶体管b1与b2极之间正反向电阻相等约为310K。而e和b1极或e和b2之间的正向电阻小于反向电阻，且rb1rb2。正常工作时rb1的阻值随发射极电流Ie的变化而变化，故等效为一个可变电阻。 图图12-14 图12-14是单结晶体管的实验电路，由图可得其特性。 当UeUA时 VD截止，Ie=0，单结晶体管关断。 称为单结晶体管的分压比，其值约为0.30.85。 当Ue上升到UeUbb+UD时，VD由截止

20、转入导通，此时电压Ue=Up，Up为峰值电压。电流Ie流过rb1，rb1立即减小至十几欧姆，此时UA对应的电压称为谷点电压UV，若减少Ue使UeUV管子将截止。 2单结晶体管振荡电路 图图12-15 单结晶体管自激振荡电路单结晶体管自激振荡电路 改变电阻Re的大小，就可改变电容充电的快慢，改变尖脉冲输出的时间间隔。输出脉冲宽度取决于R1的大小，一般取50200。 3单结晶体管同步触发电路 图图12-16 单结晶体管同步触发电路单结晶体管同步触发电路 图12-16是单结晶体管同步触发电路，它与主电路同用一个交流电源u1。由梯形波同步电压形成、阻容移相和触发脉冲输出三个环节组成。 图图12-17a

21、 单结晶体管实用电路单结晶体管实用电路 上述触发器电路每个周期只能产生一个有用的触发脉冲，由Re直接改变控制信号，控制灵敏度低，且不能实现自动控制。因此目前应在较广泛的触发电路如图12-17a所示。 图图12-17b 单结晶体管实用电路单结晶体管实用电路 12.3 直流斩波器和交流调压器直流斩波器和交流调压器 是接在恒定直流电源与负载之间的直流调压器，也称为直流直流（DC-DC）变换器。现被广泛应用于开关电源和直流电动机驱动中，如不间断电源（UPS）、无轨电车、电力机车、地铁和电动汽车等。 是一种调节交流电压的变换装置，称为交流交流（AC-AC）变换器。现广泛用于交、直流开关及交流调压中，如调

22、光、温控、小容量电动机的调速及大容量异步电动机的软启动等。 一、斩波器一、斩波器 图图12-18 基本的斩波电路及波形基本的斩波电路及波形 其实质是由电力电子器件构成的开关，通过连续地接通和断开开关，使直流电源断续地接在负载上，使负载上获得一串电压脉冲。 负载电压的平均值UO为 U0= Ud=kUd Tton占空占空比比 通过对斩波器导通时间ton和工作周期T的控制来变电源输出的电压值。这种控制方法称为。 时间比控制有以下三种方式： 脉宽控制方式、频率控制方式和综合控制。 1降压式斩波器 图图12-19 带电感负载的斩波电路带电感负载的斩波电路 图图12-20 降压式斩波器的电路工作状态降压式

23、斩波器的电路工作状态a）V开通等效电路开通等效电路 b）V关断等效电路关断等效电路 c）负载端电压）负载端电压 d）负载电流）负载电流 a）b）c）d）2升压式斩波器 在稳态工作时，电感在一个周期内的平均电压值为零， 即有Ud ton+（Ud-U0）toff=0 UdT=U0toff U0= Ud offtT显然，U0Ud，这是个。 图图12-21 升压式斩波电路及波形图升压式斩波电路及波形图 二、交流调压器二、交流调压器 是由晶闸管等电力电子器件构成的交流电压控制装置。常用的交流调压器大多采用双向晶闸管作为其主电路元件，这类调压电路线路简单、成本低，在工业加热、照明调光、风扇调速、小容量交流

24、异步电动机调速等场合得到广泛应用。 图图12-22 单相交流调压器单相交流调压器a）主电路）主电路 b）波形图）波形图 a）b）输出交流电压有效值和电流有效值为 2sin212UUR 2sin212RURUIR图图12-23 双向晶闸管调压电路双向晶闸管调压电路 图12-23是一种双向晶闸管调光电路。 12.4 电力电子器件应用实例电力电子器件应用实例 一、铅蓄电池充电电路一、铅蓄电池充电电路 图12-24是晶闸管构成的铅蓄电池充电电路。主电路是由220V工频交流电供电的单相半波可控整流电路。 触发电路采用单结晶体管触发电路，充电时Q合上，单结晶体管的两个基极间所加的电压Ubb是由220V交流

25、电源经半波整流后降压获得，如图12-24所示。由于Ubb是正弦半波，所以单结晶体管的Up与UV的变化轨迹均为不等幅的正弦半波。 图图12-24 简易晶闸管充电电源简易晶闸管充电电源a）电路）电路 b）波形）波形 二、固态开关（二、固态开关（SSS） 固态开关SSS（包括固态继电器SSR与固态接触器SSC）是一种无触点的电子开关。它是一种四端器件，其中两个端子为输入控制端，输入控制电压一般应在3V以上，6V以下；另两个端子为输出受控端，无输入控制信号时，输出端是开路的，即为常开状态，相当于继电器或接触器的一对触点，与负载串联后接至交流电源上。 图图12-25 固态开关电路图固态开关电路图a）原理

26、图）原理图 b）接线图）接线图 三、用功率三、用功率MOSFET管构成高频电源管构成高频电源 图图12-26 功率功率MOSFET构成构成的高频自激振荡器的高频自激振荡器 四、大功率晶体管构成的四、大功率晶体管构成的PWM-D伺服单元伺服单元 该电路是利用大功率晶管（GTR）V1V4作为开关器件，其开关频率为常值（通常取2K）。其电源是二极管模块提供的直流固定电压，根据控制信号的大小来改变每一个周期内“接通”和“断开”的时间长短，使直流伺服电动机上电压的“占空比”改变，从二而实现其平均电压的改变，完成电动机的转速控制。 PWM调速系统采用GTR及混合集成电路构成，体积小，结构紧凑，便于机电一体

27、化，已广泛用于数控机床上。典型产品有北京机床所开发的BS03-A、FANUC PWM-D等。 图图12-27 PWM-D伺服单元框图伺服单元框图 12.5 变频器及其应用变频器及其应用 是交流电动机驱动器，它将工频交流电变成频率可调的交流电来驱动电动机，从而实现电动机的调速。 图图12-28 变频器控制示意图变频器控制示意图 一是可以和通用的异步电动机配套使用；二是具有多种可供选择的功能，可适应各种不同的负载。 所谓“通用”包含两个方面的含义： 一、变频器的分类一、变频器的分类 第一类称为“”，也称为间接变频器，这类变频器先将频率固定的交流电整流后变成直流，再经过无源逆变电路，把直流电逆变成频率连续可调的交流电，由于把直流电逆变成交流电较易控制，因此在频率的调节范围，以及变频后电机特性的改善等方面