电力电子技术

电力电子技术第一页，共59页。什么是电力电子学？电力电子技术(PowerElectronics)：应用于电力领域的电子技术，以电力电子器件为核心，对强电电路进行变换和控制的技术。

整流逆变直流斩波交流变频、变相电力变换第二页，共59页。电力电子技术的发展阶段电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的晶闸管问世(1957年)IGBT出现功率集成器件晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生第三页，共59页。电力电子技术主要应用领域一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置第四页，共59页。电力电子学的本质根本目的：为了更好地使用电能（节能）根本手段：电力电子技术是使用功率半导体器件对电能进行变换具体方法：包括电压、电流、频率和波形等方面的交换通过电能变换，以达到使电能更好地符合各种不同用电设备的要求。它以实现“高效率用电和高品质用电”为目标第五页，共59页。19.1电力电子器件的分类不控器件：导通和关断都不可控，如整流二极管D半控器件：导通可控、关断不可控，如硅整流管和晶闸管(T或SCR)全控器件：导通和关断都可控，可关断晶闸管(GTO)、如功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管（VDMOS）和绝缘栅双极晶体管(IGBT)等现代电力电子器件：高频化、标准模块化、集成化和智能化。功率集成电路(PIC)分为智能功率集成电路(SPIC)和高压集成电路(HVIC)两类第六页，共59页。19.2晶闸管（SiliconControlledRectifier）又称可控硅，是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。

体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。

优点：第七页，共59页。G控制极19.2.1基本结构K阴极G阳极

AP1P2N1N2四层半导体晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。(c)结构KGA(b)符号(a)外形三个

PN

结第八页，共59页。S断开，晶闸管关断，灯泡灭S闭合，晶闸管导通，灯泡亮。S断开后，晶闸管继续导通。加反向电压时，晶闸管关断，灯泡灭。19.2.2工作原理第九页，共59页。P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGKBECBEC第十页，共59页。T1T219.2.2工作原理A在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。形成正反馈过程KGEA>0、EG>0EGEA+_R+_第十一页，共59页。晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。19.2.2工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反馈过程第十二页，共59页。晶闸管导通的条件：1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。

晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：

1.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。

2.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。第十三页，共59页。正向特性反向特性URRMUDRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向转折电压IHoUAIAIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U19.2.3伏安特性截止导通第十四页，共59页。19.2.4主要参数UDRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UDRM

=80%UB0

。普通晶闸管UDRM

为100V—3000V反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。一般取URRM

=80%UBR

普通晶闸管URRM为100V—3000VURRM：第十五页，共59页。正向平均电流环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时，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。

IF：IFt2如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。第十六页，共59页。UF:

通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。IH:

维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十~一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。第十七页，共59页。晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V额定电压,用百位或千位数表示取UDRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管S--双向晶闸管

晶闸管KP普通型第十八页，共59页。19.3可控整流电路19.3.1单相半波可控整流

1.电阻性负载(1)电路

u

>0时：若ug=0，晶闸管不导通，u

<0时:控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，uuoRL+–+uT+––Tio晶闸管承受反向电压不导通,uo=0,uT=u，故称可控整流。第十九页，共59页。(2)工作原理t12u

<

0时:晶闸管承受反向电压不导通加触发信号，晶闸管承受正向电压导通tOu

>0时:tOtO第二十页，共59页。tO控制角t1tOtOt22tO导通角(3)工作波形第二十一页，共59页。(4)整流输出电压及电流的平均值Uo，Io由公式可知：改变控制角，可改变输出电压Uo。第二十二页，共59页。2.电感性负载与续流二极管(1)电路

当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。uuoR+–+uT+––T⃝LeL⃝在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。第二十三页，共59页。tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加续流二极管)第二十四页，共59页。uuoR+–+uT+––LTioDiou>0时：

D反向截止，不影响整流电路工作。u

<0时：

D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uo波形与电阻性负载相同(见波形图)。3.电感性负载(加续流二极管)+–(1)电路第二十五页，共59页。(3)工作波形(加续流二极管)iLttOtO2tO第二十六页，共59页。19.3.2单相半控桥式整流电路1.电路2.工作原理T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为T1、T2晶闸管D1、D2晶体管aRLD2T1b(1)电压u为正半周时io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。第二十七页，共59页。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为(2)电压u为负半周时bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。⃝··第二十八页，共59页。ttOtO3.工作波形2动画tO第二十九页，共59页。4.输出电压及电流的平均值Uo，Io第三十页，共59页。两种常用可控整流电路电路特点该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-··第三十一页，共59页。电路特点1.该电路接入电感性负载时，D1、D2

便起续流二极管作用。(2)2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-··第三十二页，共59页。【例】有一纯电阻负载，需要可调的直流电源：电压UO=0~180V，电流IO=0~6A，现采用单相半控桥式整流电路，试求交流电压的有效值，并选择整流器件。解：时，UO=180V，IO=6A则V晶闸管控制角晶闸管和二极管流过的平均电流晶闸管所承受的最高正向电压UFM、最高反向电压URM和二极管承受的最高反向电压都是则所以选用KP5-7型晶闸管和2CZ5/300型二极管输出电压的平均值UO第三十三页，共59页。19.3晶闸管的保护

晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。

晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；

晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。第三十四页，共59页。19.3.1晶闸管的过流保护1.快速熔断器保护电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。与晶闸管串联接在输入端~接在输出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。第三十五页，共59页。2.过流继电器保护3.过流截止保护在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。第三十六页，共59页。2.硒堆保护19.3.2晶闸管的过压保护1.阻容保护CR

利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。RCRC硒堆保护(硒整流片)CR~RL晶闸管元件的阻容保护第三十七页，共59页。19.4单结晶体管触发电路19.4.1单结晶体管结构及工作原理1.结构B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)示意图(b)符号B2EB1第三十八页，共59页。2.工作原理UE<

UBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小；PN结正向导通,IE迅速增加。UE

UP时

–分压比(0.5~0.9)UP

–峰点电压UD–

PN结正向导通压降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1测量单结晶体管特性的实验电路由图可求得第三十九页，共59页。3.单结晶体管的伏安特性UV、IV(谷点电压、电流):维持单结管导通的最小电压、电流。

UP(峰点电压)：

单结管由截止变导通

所需发射极电压。IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区负阻区：UE>UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、RB1减小，UE反而下降，出现负阻。P第四十页，共59页。1.UE<UP时单结管截止；UE>UP时单结管导通，UE<UV时恢复截止。单结晶体管的特点B2EB12.单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比

有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电压UP不同。3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。常选用

稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。第四十一页，共59页。19.4.2单结晶体管触发电路1.振荡电路单结晶体管弛张振荡电路单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47F第四十二页，共59页。ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F2.振荡过程分析设通电前uC=0。接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。

当uC

UP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。UpUvUp-UDuCtugt电容放电至uC

Uv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)第四十三页，共59页。注意：R值不能选的太小，否则晶闸管导通后，R流过的电流较大，UC始终大于UV

，单结管不能关断，电路亦不能振荡。upuv(c)电压波形uCttugOO第四十四页，共59页。主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+19.4.3单结管触发的半控桥式整流电路1.电路第四十五页，共59页。2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtO2tOtO第四十六页，共59页。(2)触发电路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)输出电压uLOOUZtOtO第四十七页，共59页。问题讨论1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？

目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即角一样)以使输出平均电压不变。2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？

稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。第四十八页，共59页。3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？如何改变控制角？根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。改变充电时间常数即可改变控制角。控制角变化的范围称为移相范围。4.输出电压的调节R

电容充电速度变慢uL调RP第四十九页，共59页。单结晶体管触发电路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管D1,可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。第五十页，共59页。使用脉冲变压器的触发电器第五十一页，共59页。19.5

应用举例1.电瓶充电机电路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1