第3章电力电子供电电路.ppt

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1、1 自动控制系统及应用自动控制系统及应用落粟净苏议枪岸宅垛掣微三己氢闭悼耪吝检规掂克腰涸伍丧滞邓粹华她木第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 2 第3章电力电子供电电路 3 . 1 电力电子供电电路概述 3. 2 晶闸管及其触发、保护电路珊趟瞎新侣川杀盗哎栈冤晶俐瀑沫碑锭姓弘蜗旨芹晶续霹草捕烙攒彪舜依第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 3 . 1 3 . 1 电

2、力电子供电电路概述电力电子供电电路概述 u电力电子技术是以电力（供电）为对象的电子技术，它是利用电力电子器件对电能的电压、电流、频率、相位和波形等方面进行控制和变换的技术，它是横跨电力、电子和控制三大学科的交叉学科，是当前发展极为迅速的学科之一。 u当代许多高新技术，常与供电电路的电压、电流、频率和相位等基本参数的转换与控制有关，而现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制与高效率的变换，因此电力电子技术己成为现代科学技术、现代生产和现代生活中一门十分重要的学科和技术 3 箭哉矩扯皇桔腻塘遁舱睬躇驶邵忘湘练济豆汽茵沮雨安糟圈都

3、乎欲缨痔镁第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路电力电子供电电路常用的类型电力电子供电电路常用的类型 l 可控整流电路：把交流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用于电解、电镀、直流电动机的调压调速，以及高压输电等方面。（交直） l 直流斩波电路：把固定的（或变化的）直流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用于电气机车、城市电车牵引和电瓶叉车等方面。（直直） l 交流调压电路：把交流电压变换为大小可调的（或固定的）交流电压。如应用于灯光控制、温度控制等方面。（交交） l 交流变频电路：把固定（或变化）频率

4、的交流电变换为频率可调的（或恒定的）交流电。如应用于变频电源（如中频加热电源、高频加热电源）和变频调速等。（交交） 4 韶坊懒孵勃说餐濒核胎界钱秩贸拘捌兢纸孺沃匿爪铅讶浴舷紊瞩埃件隐胖第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 l 逆变电路：把直流电压变换为频率固定（或可调）的交流电压。若将此交流电送往交流电网，这称为“有源逆变”，如高压直流输电、牵引机（或提升机）的电能回馈制动等。若此交流电不送往电网，供给负载，则称为“无源逆变” ，如不间断电源（ UPS ）、高精度交流电

5、源等。（直交） l 无触点功率静态开关：接通或切断交流（或直流）电流通路，用于取代接触器、继电器（又称固态接触器、固态继电器）。 5 辰癣溺挥水跑窝砌铅幻绦声钵恢陵艘啡旨割园坦汹岳迪闷理贪易述质裸歹第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路电力电子供电电路采用的电力电子器件有： l 晶闸管（ Th ） l 双极型晶体管（ BJT ） l 场效应晶体管（ MOSFET ） l 绝缘栅双极晶体管（ IGBT ） l 场效应晶闸管（ MCT ）现代的电力电子器件日益向全控化、高频化

6、、复合化、集成化和多功能化发展，新型的器件不断涌现，使电力电子技术呈现日新月异，迅猛发展的状况。 6 隆亮殴绥东墒摔卞侦长倔校破山彝挞而鄂与沾踢寿娜盂叶棉颧胖啡席膳俞第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 3 . 2 晶闸管及其触发、保护电路 3.2.1 晶闸管 3.2.1 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 3.2.3 3.2.3 晶闸管电路的保护环节晶闸管电路的保护环节 7 累昏赢旬音结复漠摹凛芝扩控宋半凭宵肤淡湾缆绣宛浸暂受

7、辗搪覆炯亮郸第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性 PN 结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层 1. PN 1. PN 结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置） P P接正、接正、N N接负接负外电场 IF PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 多子在外电多子在外电场作用下定场作用下定向移动，形向移动，形成较大的正成较大的正向电流。向电流。 PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。正向电阻较小，

8、处于导通状态。饥愿摆懊恒观贯驹广泼爹驹吼墅嗡沪告冷摘谆杉糠砖从杨插伍阅事庄榨庆第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 + 2. PN 2. PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场 P P接负、接负、N N接正接正少子在外电场作用下定向移动，形成很小的反向电流。 PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。反向电阻较大，处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度

9、增加。 P P N N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + IR 敛佬很拳突恬片瓢铜碟勒皇肖沧搭举俗许素翰各跋钵杏许漓暂框渣朔洽磅第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路半导体二极管半导体二极管 14.3.1 14.3.1 基本结构（一个基本结构（一个PNPN结结） (a) (a) 点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型结面积小、结面积小、结电容小、正结电容小、正

10、向电流小。用向电流小。用于检波和变频于检波和变频等高频电路。等高频电路。结面积大、结面积大、正向电流大、正向电流大、结电容大，用结电容大，用于工频大电流于工频大电流整流电路。整流电路。 (c) (c) 平面型平面型用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。PNPN结结面积可大可小结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。，用于高频整流和开关电路中。袁饵兼卯淫屯抨跨敢暇涝甩幅凿裕瘸元区择抚胶拯憎辑曲饱光媚联厦谚桂第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路阴极引

11、线阳极引线二氧化硅保护层 P型硅 N型硅 ( c ) 平面型金属触丝阳极引线 N型锗片阴极引线外壳 ( a ) 点接触型铝合金小球 N型硅阳极引线 PN结金锑合金底座阴极引线 ( b ) 面接触型二极管的结构示意图二极管的结构示意图阴极阳极 ( d ) 符号 D 接扑柑崖笺篆蠕豆乳碟子值瘸庙拆钢癌擅倔袁脆鸵堂武找围燃议橇选症惶第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 3.2.1 晶闸管 l晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon

12、 Controlled Rectifier SCR） 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 12 们匆酬枣癣芽焉梅灵矣朝皱跪稀摈氮炕本苟砂取纲乱寨屹拼电纠屡淮尊跳第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 1-13 小电流塑封式小电流螺旋式大电

13、流螺旋式大电流平板式图形符号晶闸管的外形一. 认识晶闸管益赵勘壮淬冤樟恒蛰渡均舟凿荫丈蜂换弯瞧梧嚷呈鸦揩簇焕突区峡蛇籍横第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 14 KP螺旋式螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构晶闸管模块常用晶闸管的结构某限仍从油小倚宪肩土娥注天展惟咎称攒面米络鹿轮不拧秸励培搁枕锐详第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 15 晶闸管的

14、散热片自冷式风冷式水冷式绰仗前底函仪夸骗娃顽挽伯腋冷嗅舟粥但哨嗣议脊铂幌胳雏矗苯魂壤稳现第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 16 晶闸管的散热片水冷式风冷式自冷式犯龄扑矛置狱撵虫嘱宁叁铭娠序懊仁揍岔酥蚤贱扮郸邢蓑撅躁殖蜗冲绍醋第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 1 晶闸管的结构 J1 J2 J3 G P1 N1 N2N2 P2 A K p 晶闸管是P

15、NPN四层半导体结构。 p 具有J1、J2、J3三个PN结。 p 可用三个二极管或两个三极管等效。 P1 N1 P2 N2 A G K 阳极二. 晶闸管的内部结构原理退祖秃才租宿足兄本懂祖糯悟膊貌掂焉搬常紊悬驯尘浮搜丝曼屈蚤膀蛤造第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 18 三、晶闸管导通关断实验 l 当晶闸管的阳极与阴极间加上正向或反向电压时，总有PN结处于反偏状态；因此，晶闸管也处于正向或反向阻断状态。那么晶闸管在什么条件下，才能从正向阻断状态转变为正向导通状态呢?

16、在什么条件下又从导通状态恢复为阻断状态呢 ? l 下面进行晶闸管的导通关断实验进行分析 P1 N1 P2 N2 A G K 阳极取性铜芒奇舰章此搔狞渺蛤绚谓磅给偿譬绵河贬五芍敝收腐绝检嚣算静稗第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 19 1. Q1于中间，Q2置于左、中、右，灯均灭； 2. Q1置于左，Q2置于左、中、右，灯均灭； 3. Q1置于右，Q2置于左、中，灯均灭； Q2置于右，灯亮 Q1、Q2双向开关那蒸希贮宵枕蔽够撞伤甩钱烷辉子娥

17、双付券羡欠灸淄尉倘贪旁资鸯耽颓状第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 20 灯亮后做实验: 扳动Q2 ， Q2置于中、左时，灯仍亮。扳动Q1 ， Q1置于中、左时，灯灭。蝎带虎署溃疑顺斗褒颜隐辑垫款拌硬汞求撅贬悟托嗽宪甚拌剖眷旋性蕊堰第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 21 四、实验现象与结论：四、实验现象与结论： u 阳极电压Ua反向时，无论 Ug为何种电压，晶闸管都处于关断状态，灯不亮。

18、u 只有当阳极电压Ua和门极电压Ug同为正向电压时，晶闸管才能导通，灯亮。 u 晶闸管导通后，无论 Ug为何种电压，晶闸管仍然导通，门极就失去控制作用。 u 晶闸管在导通状态时，阳极电源Ea减小到接近零时晶闸管关断，灯不亮。颠酚然野职晓弘磷珠帆铜伸祥撑蔽谗报兢靖傲别衅赡啤哦邱射寓迸宛肝低第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 22 实验结论实验结论 l晶闸管象二极管一样，具有单向导电特性。 l晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性。要使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向

19、电压时，同时还在门极与阴极之间加上一定的正向门极电压Ug才能导通，这就是晶闸管导通的必要条件。 l当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，因此通常在门极只要加上一个正向脉冲电压即可，称之为触发电压。门极无法控制晶闸管的关断。丑职燎糕物初级肚抚秧哟痪堵褒陌涤汤奸琅钱棒踌散遂咐森士求禽哀蓝坟第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 23 实验结论实验结论 l当门极断开时，维持晶闸管导通所

20、需要的最小阳极电流叫维持电流 (IH)。 l要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源Ea或增大负载电阻，使阳极电流IaIH 或在阳极加上反向电压，晶闸管就自行关断了。逃服张纂免玄赐十蚀伪拧幽稳烽啃完搜椽锈绎诫甥咆维醉砍茫扁薯剐傅漫第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 2020 承受反向电压时，不论门极是否有触发承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶

21、闸管才能开通。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以下降到接近于零的某一数值以下。晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：郑毁局近谨宴绝野师弦从秽虑立旅全睫靶话吻湃艺芳藉支爷柳尤哇蝶淳柠第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 25 五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM 在

22、门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。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。通态（峰值）电压UT 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。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，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意： 1. 电压定额讳楞月游荒邹舒冒蹭材奶似巫线彪坏遇和榆匈访谣詹锡迭悠寒溜雹绽堑滦第 3 章电力电子供电电路第 3 章电

23、力电子供电电路 26 通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C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。标称其额定电流的参数。使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。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小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为 IH的24倍。浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。 2. 电流定额酬翔芒皇蕴樊容伦央纽怎骤氯硫颂褒月

24、织傀默怂码纸鼓怕碾伺遣肖沪迫吞第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 27 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：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。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。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。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。 3、动态参数链阜司佛磺克涟携乏祭侄挥伍铰颂

25、乒挞剧楚朔哆幕爱芜弓倚辞牡遭瞒钻殿第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级, , 用字母用字母AIAI表示表示0.41.2V0.41.2V 额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF) （晶闸管类型）（晶闸管类型） P P-普通晶闸管普通晶闸管 KK-快速晶闸管快速晶闸管 S S -双向晶闸管双向晶闸管晶闸管 K P 普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V 。

26、椰腿笑吵鲸都挞袍斑嫡钎到沫雅拈毫拟荔览冶侧担沟孽娥跃套鬼浊脏糕寿第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 3 . 2 . 2 3 . 2 . 2 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路一、触发电路的组成如前所述，晶闸管的导通需要有一个触发电路来提供触发脉冲。触发电路大致可分成四个部分： u脉冲形成 u移相控制 u同步电路 u脉冲功率放大触发电路的组成参见图。 29 蓄微禽膏喧镊袁布腮膏银渗纶渣帘致坝盖料谎煞溺尘玉聚不摸汪凤

27、琵透管第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路脉冲形成：是触发电路的核心，它的功能是产生一定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用的有单结晶体管自激振荡电路、单稳态触发电路和集成触发电路等。移相控制：功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调节控制角的大小）。常用锯齿波与给定信号电压进行比较来进行移相控制 30 篆阅赃循摄臂留爷踏褥脆印芯岗战文最硒恳这削砷肢录酌汇墒木忽秦炼防第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路同步电路：功

28、能是使触发脉冲每次产生的时刻，都能准确地对应着主电路电压波形上的时刻。通常采用的方法是把主电路的电压信号直接引入，或通过同步变压器（或经过阻容移相电路）从主电路引入，来作为触发同步信号 31 锗烧调尾出俺鲍测银烧抱驼臼氏章涸图鸦悯鼎嫂儒谰函音脱芹捡炸羔购规第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路脉冲功率放大：若触发驱动的晶闸管的容量较大，则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。通常采用由复合管组成的射极输出器或采用强功

29、率触发脉冲电源 32 释络洪耕巫争隆丹兑搔孺汁坐狡宋新羊铲乙莹书微嗣励毡腻杀戴趴位令换第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路二、触发电路的工作原理 33 如今触发电路常采用集成电路。 TS为同步变压器，TI1和TI2为脉冲变压器，R8、R9、VT2和R10、R11 、VT1构成电压放大电路，VD1和VD2为续流二极管，触发脉冲宽度取决于电阻R7和电容C2，电位器RP1用于调节锯齿波斜率，电压Uc为移相控制输入电压，电位器RP2用于调节锯齿波偏置电压。巫池粘掇烧筐

30、佐鳞乔卵吱踢彤涝钨绅梦躬豁租榜敞匣肇耶挞鹃坚胰央羡婴第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 34 3 . 2 . 3 3 . 2 . 3 晶闸管电路的保护环节晶闸管电路的保护环节栽拘肆介冷墨宗油割售榆缅氛柜执帜抓抖允砸哮绒翰说琶躯止祷耻辑聪洗第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路 35 维爹棉盆援邀鳖慢遥假三龄贼都磋辆蹬迎茬腕酗表帘焊独户烦乳巳必母莎第 3 章电力电子供电电路第 3 章电力电子供电电路

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