项目2 常用电力电子器件与电路

《常用电力电子器件与电路》

——PPT项目2项目2常用电力电子器件与电路【教学目标】知识目标：1.熟悉电力二极管、普通晶闸管的结构和特性2.了解晶闸管的派生器件3.熟悉电力MOS场效应晶体管的结构、特性4.熟悉绝缘栅双极晶体管的结构、特性5.熟悉常用变流与触发电路技能目标：1.能正确鉴别常用电力电子器件的好坏2.能正确测试SCR、MOSFET、GTR、IGBT的特性和参数3.能正确使用MOSFET、GTR、IGBT驱动与保护电路4.能熟练应用整流与逆变电路任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件2.1.1不可控器件——电力二极管电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的，从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。正向：门槛电压约0.7伏反向：电阻无穷大注意：SCR的极限能力任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件2.1.2半控型器件——晶闸管晶闸管（Thyristor）又称晶体闸流管或可控硅整流器（SCR）外形有螺栓型和平板型两种封装；引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便；平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件

（1）晶闸管的触发电流从门极G流入，从阴极K流出，往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的，所以晶闸管是一种电流控制型器件。（2）阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端，主电路的电流只能从阳极A流向阴极K，只有当UAK为正而且大于1伏左右时才能导通；2.1.2半控型器件——晶闸管任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件

（3）当UAK

﹥1V时，若IG=0，晶闸管也是不导通的，只有很小的正向漏电流流过；而一旦在G、K两端施加一定的触发信号（UGK﹥0.7V）,晶闸管就能保持导通状态，此时晶闸管本身的压降很小，在1V左右。（4）晶闸管在导通状态下，IG就失去了控制作用，所以晶闸管又是一种半控器件。（5）导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流，一般的晶闸管为10mA左右，在实际应用中为了使晶闸管可靠关断，一般要求UAK≦0V。2.1.2半控型器件——晶闸管

（5）导通期间，阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。IH称为维持电流，一般的晶闸管为10mA左右，在实际应用中为了使晶闸管可靠关断，一般要求UAK≦0V2.1.2半控型器件——晶闸管主要参数：任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件（1）额定电压（2）额定电流1)通态平均电流IT(AV)

（额定电流）晶闸管在环境温度为40oC和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定值所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，应留一定的裕量，一般取1.5-2倍。2)维持电流IH使晶闸管维持导通所必需的最小电流，IH一般为十几毫安，与结温有关，结温越高，则IH越小。3)擎住电流IL4)浪涌电流ITSM（3）动态参数任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件（2）双向晶闸管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，在交流调压电路、固态继电器和交流电机调速等领域应用较多，以双向晶闸管调光电路为例。双向晶闸管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。2.1.3晶闸管的派生器件（1）

快速晶闸管

其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善，普通晶闸管关断时间数百微秒，而快速晶闸管可达数十微秒，高频晶闸管10μs左右。任务2.1熟悉电流控制型电力电子器件（3）逆导晶闸管（4）光控晶闸管（5）门极可关断晶闸管（6）电力晶体管电力晶体管（GiantTransistor—GTR，直译为巨型晶体管），是一种耐高电压、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。任务2.2熟悉电压控制型电力电子器件

电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型（类似小功率FET），但通常主要指绝缘栅型中的MOS型，简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。结型电力场效应晶体管一般称作为静电感应晶体管（SIT），其特点是：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。2.2.1全控型器件——电力场效应晶体管任务2.2熟悉电压控制型电力电子器件（1）截止状态在漏极D与源极S之间加正向电压，栅极G与源极S间的电压若为零，漏源极之间无电流流过。（2）导电状态当UGS大于UT（开启电压或阈值电压）时，漏极和源极导电。2.2.1全控型器件——电力场效应晶体管电力MOSFET一般工作在开关状态，在实际应用中，为了保证可靠地截止与导通，应避开放大区，关断状态要求UGS小于或等于零；导通状态一般要求UGS大于10V但不能超过20V。MOSFET漏源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时寄生二极管导通。（2）动态特性任务2.2熟悉电压控制型电力电子器件2.2.1全控型器件——电力场效应晶体管开通过程：关断过程：（3）电力MOSFET的主要参数：

漏极电压UDS——电力MOSFET电压定额；

漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM——电力MOSFET电流定额；

栅源电压UGS——栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层击穿；极间电容CGS、CGD和CDS。开通时间ton—开通延迟时间与上升时间之和关断时间toff—关断延迟时间和下降时间之和任务2.2熟悉电压控制型电力电子器件GTR和GTO的特点是：双极型，电流驱动，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的优点是：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。

绝缘栅双极晶体管（IGBT或IGT）是由GTR和MOSFET复合而成，它结合了二者的优点，所以具有良好的特性2.2.2全控型器件——绝缘栅双极晶体管IGBT是一种三端器件：栅极G、集电极C和发射极E任务2.2熟悉电压控制型电力电子器件IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定，当uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通；当栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。2.2.2全控型器件——绝缘栅双极晶体管IGBT具有很强的通流能力IGBT的开关速度低于电力MOSFETIGBT的主要参数：（1）

最大集射极间电压UCES—-由内部PNP晶体管的击穿电压确定；（2）

最大集电极电流—-包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流ICP；（3）最大集电极功耗PCM—-正常工作温度下允许的最大功耗。IGBT的主要特点：（1）

开关速度高，开关损耗小，在电压1000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当；（2）

相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力；（3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域；（4）

输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；（5）与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。任务2.2熟悉电压控制型电力电子器件2.2.2全控型器件——绝缘栅双极晶体管任务2.3熟悉可控整流电路2.3.1单相半波可控整流电路1.带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和隔离的作用

电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度，用α表示，也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度称为导通角，用θ表示。任务2.3熟悉可控整流电路直流输出电压平均值为：直流回路的平均电流为：回路中的电流有效值为：流过晶闸管的电流波形系数：电流波形系数是电流有效值与平均值之间换算的系数，在单波整流电路中，

当α=0时Kf为1.57,随着α的增大，Kf也将增大尽管是电阻负载，电源的功率因素也不为1，这是单相半波电路的缺陷。任务2.3熟悉可控整流电路2.带电感性负载的工作情况

电感性负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能发生突变。

当电压从正过零到负这一段，由于SCR还是处于导通状态，负载便出现了负电压。任务2.3熟悉可控整流电路

为了避免负载出现负电压而使平均电压Ud太小，必须在整流电路的负载两端并联续流二极管2.带电感性负载的工作情况

当u2过零变负时，续流二极管VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流期间ud为0，ud中不再出现负的部分。任务2.3熟悉可控整流电路2.3.2单相桥式可控整流电路1.单相桥式半控整流电路

为了对每个导电回路进行控制，单相桥式半控整流电路只需2个晶闸管就可以了，另2个晶闸管可以用二极管代替，从而简化了整个电路

将晶闸管全部换成电力二极管，即成为单相不可控整流电路，不可控整流电路的工作原理相当于半控整流电路当触发角α=0°时的情况，半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同任务2.3熟悉可控整流电路2.单相桥式全控整流电路由于晶闸管是交替工作的，所以流过每个晶闸管的平均电流IdT为负载平均电流的二分之一，即变压器输出电流有效值：当α为0o时，I=1.11Id流过每个晶闸管的电流有效值：将二极管都换成晶闸管负载平均电压：负载平均电流：任务2.3熟悉可控整流电路

带电感性负载的工作情况:2.单相桥式全控整流电路带反电动势负载时的工作情况:带反电动势负载串平波电抗器任务2.3熟悉可控整流电路2.3.3单结晶体管触发电路

单结晶体管的外形图，可以看出，它的外形与普通三极管相似，具有三个电极，但不是三极管，而是具有三个电极的二极管，管内只有一个PN结，所以称之为单结晶体管。三个电极中，一个是发射极，两个是基极单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管任务2.3熟悉可控整流电路2.3.3单结晶体管触发电路（1）当Ve＜ηUbb时(η为单结晶体管的分压比、Ubb为电源电压)，发射结处于反向偏置，管子截止。（2）当Ve≥ηUbb+VD,VD为二极管正向压降（约为0.7伏），PN结正向导通，Ie显著增加，Rb1阻值迅速减小，ue相应下降，这种电压随电流增加反而下降的特性，称为负阻特性。管子由截止区进入负阻区的临界P称为峰点，与其对应的发射极电压和电流，分别称为峰点电压Vp和峰点电流Ip。Ip是正向漏电流，它是使单结晶体管导通所需的最小电流，显然Vp=ηUbb。（3）随着发射极电流Ie不断上升，Ve不断下降，降到V点后，Ve不再继续下降，这点V称为谷点，与其对应的发射极电压和电流，称为谷点电压，Vv和谷点电流Iv。（4）过了V点后，发射极与第一基极间半导体内的载流子达到了饱和状态，显然Vv是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，如果ue＜Vv，管子重新截止。任务2.3熟悉可控整流电路2.3.3单结晶体管触发电路

单结晶体管张弛震荡电路（蜂鸣器）典型应用实例：任务2.3熟悉可控整流电路

单相桥式半控整流电路一般由单结晶体管电路来触发，单结晶体管触发电路的特点是：触发电路简单，但导通角θ的移相范围较小。2.3.3单结晶体管触发电路任务2.3熟悉可控整流电路2.3.4三相可控整流电路1、三相半波可控整流电路变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网，三个晶闸管分别接a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接法。α=0°时，对应相电压300α≤30°时，负载电流连续，各晶闸管每周期导通1200，Ud=1.17U2cosa，其中U2为变压器二次相电压有效值，当α=0时，Ud最大，其值为Ud=1.17U2

α>30°时，负载电流断续，晶闸管导通角减小。任务2.3熟悉可控整流电路

由于晶闸管是交替工作的，所以流过每个晶闸管的平均电流IdT为负载平均电流的三分之一。

流过晶闸管的电流有效值，当α=0°时为：IT=0.588Id晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次线电压峰值，即：

2.3.4三相可控整流电路1.三相半波可控整流电路任务2.3熟悉可控整流电路2.3.4三相可控整流电路

三相桥式可控整流电路由阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）和阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）组成。若将图中的晶闸管换成电力二极管，即成为不可控整流电路，不可控整流电路的工作原理相当于可控整流电路当触发角α=0°时的情况。2.三相桥式全控整流电路任务2.3熟悉可控整流电路时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的二极管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的二极管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压UdUa-Ub=UabUa-Uc=UacUb-Uc=UbcUb-Ua=UbaUc-Ua=UcaUc-Ub=Ucb

①每个时刻都有2个功率管同时导通，形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有1个功率管导通，且不能为同相器。②按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序导通，相位依次差60°。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120°，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120°同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180°。图2.35三相桥式整流电路带电阻负载时的波形2.3.4三相可控整流电路2.三相桥式全控整流电路

三相桥式整流电路的输出电压为三相半波时的两倍：Ud=2.34U2cosa

其中U2为变压器二次相电压有效值变压器二次电流即晶闸管电流的有效值与三相半波阻感负载时相同为:

晶闸管的额定电流为：IT(AV)=IT/1.57=0.368Id任务2.3熟悉可控整流电路2.3.4三相可控整流电路2.三相桥式全控整流电路任务2.3熟悉可控整流电路2.3.5锯齿波触发电路任务2.3熟悉可控整流电路2.3.5锯齿波集成触发电路任务2.4熟悉斩波电路

直流斩波电路一般是指将固定的直流电变