电力电子第1章电子教案.ppt

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1、电力电子第1章功率二极管的伏安特性，当外加正向电压大于（门槛电压）即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管亦称整流管，国产型号为P，主要参数说明如下：（1）额定正向平均电流F（额定电流）指管子长期运行在规定散热条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的电流等级即为管子的额定电流。F受发热限制，因此在使用中按有效值相等来选取管子电流定额。对应额定电流F，其有效值为1.57F。（2）反向重复峰值电压（额定电压

2、）指管子反向能重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压B的23。（3）正向平均电压F在规定条件下，管子流过额定正弦半波电流时，管子两端的正向平均电压亦称管压降，此值比直流压降小。（4）反向漏电流对应于反向重复峰值电压时的漏电流。系列参数。由于工作于工频，故动态参数不标出。开关二极管可分四种工作状态：静态为正向导通和反向阻断，动态为开通过程和关断过程。二极管工作状态转换的特性称为开关特性，现将关断特性与开通特性分析如下：（1）关断特性，开关二极管转换电路，当S从“1”位置立即倒向“2”时，由于PN结内存在大量载流子需要排除和复合，所以反向阻断能力的恢复需要经过一段时间，在未恢复阻断之前二极管相

3、当于短路状态。其关断过程，t f时刻开关倒向“2”，导通的二极管突加反压UR，正向电流以difd t的速率减小，to时二极管电流降为零，电流变化率的大小为URL，L为电路电感。t1时结内Q l电荷已被抽走，反向电流达最大值IRM，在此以前二极管仍为正偏，t l时刻后管子开始恢复反向阻断，反向恢复电流迅速减小，其d i r rd t值较大，在电感L中产生较高电动势，此电动势与电源电压叠加，使二极管承受很高的反向电压URM。（2）开通特性当图a开关从“”突然倒向“”时，必须先将原先变厚的空间电荷释放，当正向电压上升到门槛电压UTO以上时，结才会有正向电流流过，二极管的开通特性，在开通过程中，二极管

4、两端会出现几伏到几十伏的正向峰值电压f p,它比稳态的管压降大得多，且需要经过开通时间（正向恢复）t f r后才恢复正常，因此限制了正向电流上升率和开关速度。通常正向恢复时间t f r比反向恢复时间t r r小。第二节第二节 晶闸管晶闸管一、晶闸管的结构与工作原理晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图a为小电流塑封式，电流稍大时也需紧固在散热板上，图b、c为螺栓式，使用时必须紧栓在散热器上，图d为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。晶闸管散热器，图a适用于螺

5、栓式，图b、c用于平板式。平板式两面散热效果好，电流在200以上的管子都采用平板式结构。管芯由四层半导体（P1 N1 P2 N2）组成,形成三个PN结（1、2、3）。晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管1（112）与V2（N122）的组成。二、晶闸管的伏安特性与主要参数晶闸管伏安特性，当g=0晶闸管正向电压a增大到正向转折电压BO前，器件处于正向阻断状态，其正向漏电流随a电压增高而逐渐增大，当a达到BO时管子突然从阻断状态转为导通，导通后器件的特性与整流二极管正向伏安特性相似。晶闸管加反向阳极电压时，只流过很小的反向漏电流，当反向电压升高到RO时管子反向击穿损坏，RO称为反向击穿电

6、压。晶闸管的主要特性参数。额定电压U T n额定电流不同电流波形有不同的波形系数，四种常用电流波形的波形系数f值与额定电流为100A晶闸管在流过表中波形时允许通过的平均值。门极触发电流与门极触发电压通态平均电压UT(AV)维持电流和掣住电流晶闸管的开通时间与关断时间三、国产晶闸管的型号按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：如KP10012G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降（通态平均电压）为1V的普通型晶闸管。有的制造厂采用老型号3CT。如3CT100800表示额定电流为100A，额定电压为800V的可控硅整流元件，即现在定名的晶闸管。3CTK为快速管，3CTS为双向

7、管。晶闸管型主要特性参数。第三节第三节 单相相控整流电路单相相控整流电路一、单相半波相控整流电路（一）电阻性负载单相半波相控整流电路，整流变压器二次电压、电流有效值下标用2表示，电路输出电压电流平均值下标均用d表示。交流正弦电压波形的横坐标为电角度 t，正弦变化一周为2rad或3600电角度，也可用时间表示，50Hz的交流电一个周期为20ms。（二）电感性负载整流电路直流负载的感抗d和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。整流电路带电感性负载时的工作情况与带电阻性负载时有很大不同，为便于分析，在电路中把电感d与电阻Rd分开，其工作原理可按波形分段说明。O一t1（a期间）：晶闸管

8、虽承受正电压，但门极触发脉冲尚未出现，管子阻断承受全部电源电压。（三）续流二极管的作用在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电源电压u2负半周时，使晶闸管承受反压而关断。解决的办法是在负载两端并联一个二极管。加了续流二极管以后，输出直流电压u d的波形与电阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半周时，电流由电源经导通的晶闸管供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负载电流由两部分合成。二、单相全控桥式相控整流电路单相半波电路虽有线路简单、调整方便等优点，但只有半周工作，直流波形差、整流变压器利用率低且存在直流成分

9、的缺点，因此仅用于要求不高的小功率场合。（一）非正弦电路分析 从上面分析可见，整流电路输出的直流电压都是周期性有直流成分的非正弦时间函数，不能像正弦量那样直接计算。但是任何周期性函数都可依靠数学方法，用傅氏级数的形式分解成一系列不同频率的正弦或余弦函数。如负载是线性的，应用叠加原理对应不同频率的正弦电压，在负载中产生相应的各次谐波电流，负载电流id便是各次谐波电流的合成。单相正弦半波（a00）整流电压波形分解成傅氏级数的形式为 单相正弦全波与桥式（a00）整流电压波形分解成傅氏级数的形式为非正弦电压ud的有效值为由上式可见，任何非正弦电压的有效值是其直流平均电压平方与各次谐波有效值电压平方之和

10、的开方，有效值总是大于平均值d，只有纯粹的直流电压，才有=d。输出直流电压ud的波形是由直流分量d与交流分量u d的叠加，即从示波器中观察，u d的波形与u d相同，只是将u d波形的横轴坐标上移d值，使u d波形中一周期内剖面线部分正负面积相等，直流分量等于0。（二）单相桥式全控整流电路电阻负载全波相控整流与单相桥式全控整流电路，全波电路只需两个晶闸管，但变压器二次侧需有中间抽头，晶闸管承受变压器二次侧全部电压。桥式整流需四只晶闸管，变压器不需抽头，两种电路输出直流电压都是全波相控电压，现以桥式电路进行分析。桥式整流电阻负载时的电压、电流波形，负载d上得到全波相控直流电压，整流变压器二次电流

11、i2为正负缺角正弦波形，平均电流为零无直流分量，变压器不会直流磁化。晶闸管两端波形uT1，VT1、VT3导通时uT1=0，VT2、VT4导通时uT1承受全部反向电源电压，当a期间四管均未导通时，若管子阻断电阻均相等，则管子各自承担一半电源电压。整流输出直流电压U d由下式积分当a=00 时U d=0.9U2；a=1800时U d=0，所以晶闸管触发脉冲的移相范围为01800。整流输出直流电流（负载电流）d为负载电流有效值与交流输入（变压器二次侧）电流2相同为当a=00时c o s =1，i2波形没有畸变为完整的正弦交流。晶闸管承受的最大正向（a=900时）与反向峰值电压为电源电压峰值，（三）单

12、相桥式全控整流电路大电感负载由于Ld的作用，当交流电压u2正半周过零开始变负时，Ld感应电动势eL阻止电流下降极性为上（）下（+），只要eL在数值上大于电源负电压，已导通的VT1、VT4管仍受正压而继续导通，此时负载两端出现负电压。直到电源负半周t2时刻触发VT2、VT3管导通，VT1、VT4才会受反压关断，负载电流改由VT2、VT3导通回路供应。因此每个晶闸管始终导通1800（），晶闸管电流iT为1800底宽、高度为d的矩形波，在晶闸管触发时刻换流。变压器二次电流i2为正负对称的矩形波无直流分量，输出直流电压为移相范围为0900，负载电流Id=Ud=Rd=I，晶闸管电流平均值dT=1/2Id

13、，有效值IT为（四）单相桥式全控整流电路反电动势负载蓄电池充电、直流电动机等负载本身具有一定的直流电动势，对相控整流电路来说是一种反电动势性质的负载。反电动势负载有如下特点：1）只有整流电压ud的瞬时值大于负载电动势E时，整流桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有电流id输出，当晶闸管导通时，ud=u2=E+id0；当晶闸管关断时ud=E。因此，在反电动势负载时，电流不连续，负载端直流电压d升高。2）即使整流桥路直流电压平均值d小于反电动势，只要ud的峰值大于，在直流回路电阻R。很小时，仍可以有相当大的电流输出，输出电流瞬时值id为平均电流d为3）若以表示电源电压自零上升到的电角度

14、,则串联Ld不够大或负载电流d很小时的波形。由于id波形断续，断续期间使ud波形出现台阶，但电流脉动情况比不串联电抗时有很大改善。小容量直流电动机，因对电源影响较小，且电动机电枢本身的电感量较大，也可不串联电抗器。三、单相桥式半控整漉电路单相桥式半控整流电路，电阻负载时其ud、iT、i2波形与桥式全控时完全一样，大电感负载时电压、电流波形。第四节第四节 晶闸管简单触发电路晶闸管简单触发电路一、对晶闸管触发电路的要求（一）触发信号应有足够的功率（电压与电流）由于触发信号是脉冲形式，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值短时间内可大大超过铭牌规定值。（二）对触发信号的波形要求对于电阻负载脉

15、宽大于2050s，电感负载脉宽大于lms，对于三相桥式全控电路脉宽要大于600或采用双窄脉冲。为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，波形，前沿电流上升率不小于0.5A/s，强脉冲宽度t2应大于50s，脉冲持续时间t3应大于550s。（三）触发脉冲的同步及移相范围为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角触发导通，触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压也就是电源同步，并与电源波形保持固定的相位关系。为使电路在给定范围内工作，应保证脉冲能在相应范围内进行移相。（四）防止干扰与误触发晶闸管的误导通往往是由于干扰信号进入门极电路而引起，因此需要对触发电路进行屏蔽、隔离等抗干扰措施。二、

16、单结晶体管触发电路1结构单结晶体管示意性结构，在一块高电阻率的N型硅半导体基片上，引出两个电极，第一基极b1与第二基极b2，这两个基极之间的电阻Rbb即是基片的电阻约212k。在两基极之间，靠近b2极处设法掺入P型杂质引出电极称为发射极e。所以它是一种特殊的半导体器件，有三个引出端，只有一个PN结故称单结晶体管，其等效电路、符号与管脚，Rb1、Rb2分别为e极与b1、b2之间基片电阻。2特性与单结晶体管振荡电路将管子接成试验电路，Q断开时基极电压bb由Rb1、Rb2分压，管子内部A点电压为式中单结晶体管的分压比，由内部结构决定，通常在0.30.9之间。触发电路中希望选用分压比较大、谷点电压v小

17、以及v大的管子，这样可使输出脉冲幅值大、调节电阻范围宽，常用的单相晶体管的主要参数。（二）单结晶体管自激振荡电路利用单结晶体管的负阻特性与RC电路的充放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲。当加上直流电压后，一路经2、l在单结晶体管两个基极之间按分压比分压；另一路通过e对电容C充电，发射极电压ue为电容两端电压uc，按指数曲线渐渐上升。（三）单结晶体管触发电路单相半控桥单结晶体管触发电路，同步变压器、整流桥及稳压管组成同步电路，保证在每个正半周以相同的控制角时刻触发晶闸管，得到稳定的直流电压。稳压管上得到的梯形波电压u作为触发电路电源，波形。每当电源波形过零时bb=0，单结晶体管内部A点电压UA0，保证电容电荷很快放完，在下半周开始时能从零开始充电，以使各半周控制角一致。单结晶体管的实用电路，图a为单相交流调压电路，可用作调光、电熨斗、电烙铁、电炉等调温，也可用在单相交流电机的调压调速，30k电位器RP为调压旋钮，R5、R6用作范围调整，晶闸管宜选维持电流大的管子，有利关渐。图b为单结晶体管组成的用小晶闸管放大脉冲功率的触发电路，脉冲放大后再输出去触发大电流晶闸管。此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢