2022年电力电子技术电子教案 .pdf
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1、第一次课内容绪论1.电力电子技术的发展概况(1)电力电子技术的定义(2)电力半导体器件第一阶段是以整流管、晶闸管为代表的发展阶段; 第二阶段是以 GTO、 GTR等全控型器件为代表的发展阶段; 第三阶段是以功率MOSFET、IGBT 等电压型全控器件为代表的发展阶段 ; 第四阶段是以 SPIC、HVIC 等功率集成电路为代表的发展阶段,目前正处在发展初期。(3)电力半导体变流技术第一阶段是电子管、离子管(闸流管、汞弧整流器、高压汞弧阀)的发展与应用阶段,此时的变流技术属于整流变换,只是变流技术的一小部分。第二阶段是硅整流管、晶闸管的发展与应用阶段,主要指晶闸管的应用阶段。这一时期,随着整流管特
2、别是晶闸管制造水平的不断提高, 半导体变流技术所涉及的应用领域不断扩展. 第三阶段是全控型电力半导体器件的发展与应用阶段,是半导体电力变流器向高频化发展的阶段,也是变流装置的控制方式由移相控制向时间比率控制发展的阶段。第三阶段的发展是随着全控型器件的发展而逐渐展开的。时至? |? ? ? ? ? | ? ? ? ? ? ? D ? ? ? ? ? t? 2? 1? D ya? 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 26 页 - - - - - - - - - 今
3、日,晶闸管应用领域的绝大部分已经或即将被功率集成器件所取代。只是在大功率、特大功率的电化、电冶电源与电力系统有关的高压直流输电(HVDC ) 、 静止式动态无功功率补偿装置 (SVC) 、串联可控电容补偿装置(SCC)等应用领域,晶闸管暂时还不能被取代。2.电力电子技术的应用(1)整流: 实现 AC.DC 的变换。(2)逆变: 实现 DC.AC 的变换。(3)变频: 实现 AC.DC.AC (AC.AC)的变换。(4)交流调压 : 把不变的交流电压变换成电压有效值可调的交流电压。(5)斩波: 实现 DC.DC(AC.DC.DC)的变换。(6)静止式固态断路器 : 实现无触点的开关、断路器的功能
4、。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 26 页 - - - - - - - - - 3.课程性质和学习方法(1)高职高专电气工程类专业主干课程(2)掌握基本物理概念与分析方法,注重理论联系实际(3)抓住电力电子器件导通与截止的变化过程(4)掌握器件选择、电量测量、电路调整、故障分析等方面的实践技能第 1 章电力电子器件1.1 普通晶闸管1. 晶闸管的结构阳极 A 和阴极 K,门极 G(也称控制极)。常用的晶闸管有螺栓式和平板式两种外形。2. 晶闸管的工作原理名
5、师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 26 页 - - - - - - - - - 晶闸管导通必须同时具备两个条件: (1)晶闸管主电路加正向电压。(2)晶闸管控制电路加合适的正向电压。图 1-3 晶闸管工作原理等效电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 26 页 - - - - - - - - - 第二次课内容晶闸管的特性一、晶
6、闸管的伏安特性晶闸管阳极与阴极间的电压UA 和阳极电流 IA 的关系称为晶闸管伏安特性。图 2-1 晶闸管伏安特性曲线承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通;晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用;要使晶闸管关断,只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值 IH 以下 。iG=0 时,器件两端施加正向电压, 正向阻断状态, 只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通;随着门极电流幅值的增大,正名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
7、- - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 26 页 - - - - - - - - - 向转折电压降低;导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿;晶闸管本身的压降很小,在1V 左右;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。晶闸管上施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性;晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管,从阴极流出阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端;门极触发电流也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;晶闸管的门极和阴极之间是PN 结 J
8、3,其伏安特性称为门极伏安特性。为保证可靠、安全的触发,触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。晶闸管的动态特性1 0 0 %9 0%1 0%uA KttO0tdtrtrrtg rUR R MIR MiA名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 26 页 - - - - - - - - - 二、 晶闸管的主要参数1. 电压定额1) 断态不重复峰值电压Udsm即断态最大瞬时电压2) 断态重复峰值电压Udrm在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上
9、的正向峰值电压。一般为Udsm 的。3) 反向不重复峰值电压Ursm即反向最大瞬态电压4) 反向重复峰值电压Urrm 在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。 一般为 Ursm 的。5) 通态峰值电压UTm晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。6) 通常取晶闸管的Udrm 和 Urrm 中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时,额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受的重复峰值电压23 倍。即()m 式中:m正常工作时晶闸管所承受的(断态或反向)重复峰值电压。2. 电流定额1) 通态平均电流ITa额定电流 晶闸管在环境温度为40
10、C和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 26 页 - - - - - - - - - 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1.52倍。2) 维持电流IH 使晶闸管维持导通所必需的最小阳极电流。一般为几十到几百毫安,与结温有关,结温越高,则IH越小。3) 掣(擎)住电流IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最
11、小阳极电流。对同一晶闸管来说,通常IL 约为 IH 的 24 倍。3. 动态参数1) 断态电压临界上升率du/dt指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。2) 通态电流临界上升率di/dt指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。4.晶闸管的型号名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 26 页 - - - - - - - - - 第三次课内容一、晶闸管的派生器件1.快速晶闸管普通晶闸管关断时间数百微秒,
12、快速晶闸管数十微秒;又可分为三种:快速开通型、快速关断型、兼顾快速开通与关断型;由于工作频率较高,选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应;应用于:逆变器、滤波器及高频变流电路(以上)。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,所以双向晶闸管在第和第III象限有对称的伏安特性;与一对反并联晶闸管相比是经济的,且控制电路简单,在交流调压电路、固态继电器(Solid State RelaySSR)和交流电机调速等领域应用较多;通常用在交流电路中,用有效值来表示其额定电流值,而不用平均值,这与晶闸管是有区别的
13、。3.逆导晶闸管将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 26 页 - - - - - - - - - 具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点;逆导晶闸管的额定电流有两个,一个是晶闸管电流,一个是反并联二极管的电流。4.光控晶闸管又称光触发晶闸管。是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管;小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子;大功率光控晶闸管则还带有光缆,光缆上装有作为触发光源的发光二极管或
14、半导体激光器;光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘,且可避免电磁干扰的影响,因此目前在高压大功率的场合,如高压直流输电和高压核聚变装置中,占据重要的地位。二、双极型全控型电力电子器件1.门极可关断晶闸管( GTO )(1)GTO 的基本工作原理门极可关断晶闸管( Gate-Turn-Off Thyristor GTO)晶闸管的一种派生器件;可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断;GTO 的电压、电流容量较大,与普通晶闸管接近,因而在兆瓦级以上的大功率场合仍有较多的应用。GTO 触发导通的条件是: 当它的阳极与阴极之间承受正向电名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - -
15、- - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共 26 页 - - - - - - - - - 压,门极加正脉冲信号(门极为正,阴极为负)时,可使1 +2 1,从而在其内部形成电流正反馈,使两个等效晶体管接近临界饱和导通状态。当 GTO 的门极加负脉冲信号 (门极为负,阴极为正 )时,门极出现反向电流, 此反向电流将 GTO 的门极电流抽出, 使电流减小1 和2 也同时下降,以致无法维持正反馈,从而使GTO关断。GTO 能够通过门极关断的原因是其与普通晶闸管有如下区别:( 1 ) 设 计2较 大 , 使 晶 体 管V2控 制 灵 敏 ,
16、 易 于GTO 关断; (2)导通时1+ 2 更接近 1( 1.05,普通晶闸管1+ 2 1.15), 导通时饱和不深,接近临界饱和,有利门极控制关断,但导通时管压降增大 ; (3)多元集成结构使GTO 元阴极面积很小,门、阴极间距大为缩短,使得 P2基区横向电阻很小,能从门极抽出较大电流。GTO 的动态特性 (开通及关断过程)Ot0t图1 - 1 4iGiAIA90%IA10%IAtttftstdtrt0t1t2t3t4t5t6名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11
17、页,共 26 页 - - - - - - - - - 2.GTO 的特定参数(1)最大可关断阳极电流IATO (2)关断增益 q (3)掣住电流 IL 2.大功率晶体管( GTR)电力晶体管( Giant TransistorGTR,直译为巨型晶体管);耐 高 电 压、 大 电 流 的 双 极 结 型 晶 体 管 ( Bipolar Junction TransistorBJT) ,英文有时候也称为Power BJT;在电力电子技术的范围内,GTR 与 BJT 这两个名称等效。与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的; 主要特性是耐压高、电流大、开关特性好; 通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法
18、组成的单元结构; 采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。2.二次击穿和安全工作区图 1-11 二次击穿示意图图 1-12 GTR 安全工作区名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页,共 26 页 - - - - - - - - - 第四次课内容一、单极型全控型电力电子器件功率场效应晶体管( PM)1.分类可分为 结型和绝缘栅型 (类似小功率 Field Effect TransistorFET)但 通 常 主 要 指 绝 缘 栅 型 中 的MOS型 ( Metal
19、Oxide Semiconductor FET)简称功率 MOSFET(Power MOSFET)2.特点: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3.功率 MOSFET 的结构和工作原理功率 MOSFET 的种类按导电沟道可分为P 沟道 和 N 沟道耗尽型 当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道增强型 对于 N(P)沟道器件,栅极电压大于 (小于)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心
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