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1、第3章电力电子供电电路第1页，本讲稿共35页2第第3章章 电力电子供电电路电力电子供电电路3.1 电力电子供电电路概述电力电子供电电路概述3.2 晶闸管及其触发、保护电路晶闸管及其触发、保护电路第2页，本讲稿共35页3.1 电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力电子器件对电能的电压、电流、频率、相位和波形电压、电流、频率、相位和波形等方面进行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
2、学科，是当前发展极为迅速的学科之一。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、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现代生产和现代生活中一门十分重要的学科和技术3第3页，本讲稿共35页电力电子供电电路常用的类型l可控整流电路：可控整流电
3、路：把交流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用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。于电解、电镀、直流电动机的调压调速，以及高压输电等方面。（交交直直）l直流斩波电路：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。面。（直（直直）直）l交流调压电路：交流调压电路：把交流电压变换为大小可调的（或固定的）交流把交流电压变换为大小可调的（或固定
4、的）交流电压。如应用于灯光控制、温度控制等方面。电压。如应用于灯光控制、温度控制等方面。（交（交交）交）l交流变频电路：交流变频电路：把固定（或变化）频率的交流电变换为频率可调的把固定（或变化）频率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（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。加热电源）和变频调速等。（交（交交）交）4第4页，本讲稿共35页l逆变电路：逆变电路：把直流电压变换为频率固定（或可调）的交流电压。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，这称为若将此交流电送往交流电网，这
5、称为“有源逆变有源逆变”，如高压直流，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，则称为往电网，供给负载，则称为“无源逆变无源逆变”，如不间断电源（，如不间断电源（UPS）、高精度交流电源等。）、高精度交流电源等。（直（直交）交）l无触点功率静态开关：无触点功率静态开关：接通或切断交流（或直流）电流通路，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）。用于取代接触器、继电器（又称固态接触器、固态继电器）。5第5页，本讲稿共35页电力电子供电电路采用的电力电子器
6、件有：电力电子供电电路采用的电力电子器件有：晶闸管（晶闸管（Th）双极型晶体管（双极型晶体管（BJT）场效应晶体管（场效应晶体管（MOSFET）绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）场效应晶闸管（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、复合化、集成化现代的电力电子器件日益向全控化、高频化、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。月异，迅猛发展的状况。6第6页，本讲稿共35页3.2 晶闸管及其触发、保护电路晶闸管及其触发、保护电路3.2.1 晶闸管晶闸管3
7、.2.1 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路3.2.3 晶闸管电路的保护环节晶闸管电路的保护环节7第7页，本讲稿共35页PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN 结：结：P型半导体和型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层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结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）P P接正、接正、接正、接正、N N接负接负接负接负 外电场外电场IFPN+多子在外电多子在外电多子在外电多子在外电场作用下定场作用下定场作用下定场作用下定向移动，形向移动，形向移动，形向移动，形成较大的正成较大的正成较大的正成较大的正向电流
8、。向电流。向电流。向电流。PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，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，处于导通状态。正向电阻较小，处于导通状态。正向电阻较小，处于导通状态。第8页，本讲稿共35页+2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 少子在外电场作用下少子在外电场作用下定向移动，形成很小定向移动，形成很小的反向电流。的反向电流。PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电
9、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。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，反向电流将随温度增加。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，反向电流将随温度增加。P PN N+IR第9页，本讲稿共35页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（一个基本结构（一个基本结构（一个PNPN结）结）结）结）(a)(a)点接触型点接触型点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型面接触型面接触型 结面积小、结面积小、结面积小、结面积
10、小、结电容小、正结电容小、正结电容小、正结电容小、正向电流小。用向电流小。用向电流小。用向电流小。用于检波和变频于检波和变频于检波和变频于检波和变频等高频电路。等高频电路。等高频电路。等高频电路。结面积大、结面积大、结面积大、结面积大、正向电流大、正向电流大、正向电流大、正向电流大、结电容大，用结电容大，用结电容大，用结电容大，用于工频大电流于工频大电流于工频大电流于工频大电流整流电路。整流电路。整流电路。整流电路。(c)(c)平面型平面型平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。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，结
11、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。用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。第10页，本讲稿共35页阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D第11页，本讲稿共35
12、页3.2.1 晶闸管晶闸管l晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅）：晶体闸流管，可控硅整流器（整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。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。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。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。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。年代以来，开始被全控型器件取代。能能承承受受的的电电压压和和电电流流容容量量最最高高
13、，工工作作可可靠靠，在在大大容容量量的场合具有重要地位。的场合具有重要地位。12第12页，本讲稿共35页1-13小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式小电流螺旋式大大电流电流螺旋式螺旋式大电流平板式大电流平板式图形符号图形符号晶闸管的外形晶闸管的外形一一.认识晶闸管认识晶闸管第13页，本讲稿共35页14KP螺旋式螺旋式螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形平板型晶闸管外形及结构及结构晶闸管模块晶闸管模块常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构第14页，本讲稿共35页15晶闸管的散热片晶闸管的散热片自冷式自冷式风冷式风冷式水冷式水冷式第15页，本讲稿共35页16晶闸管的散热片晶闸管的散热片水冷式水冷式风
14、冷式风冷式自冷式自冷式第16页，本讲稿共35页1晶闸管的结构晶闸管的结构J1J2J3GP1N1N2N2P2AK 晶闸管是晶闸管是PNPN四层半导体结构。四层半导体结构。具有具有J1、J2、J3三个三个PN结。结。可用三个二极管或两个三极管等效。可用三个二极管或两个三极管等效。P1N1P2N2AGK阳极阳极二二.晶闸管的内部结构原理晶闸管的内部结构原理第17页，本讲稿共35页18三、晶闸管导通关断实验三、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当晶闸管的阳极与阴极间加上正向或反向电压时，总有向电压时，总有PN结处于反偏状态；因结处于反偏状态；因此，晶闸管也处于正向或反向阻断状态。
15、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阻断状态转变为正向导通状态呢?在什在什么条件下又从导通状态恢复为阻断么条件下又从导通状态恢复为阻断状态呢状态呢?l下面进行晶闸管的导通关断实验进行分下面进行晶闸管的导通关断实验进行分析析P1N1P2N2AGK阳阳极极第18页，本讲稿共35页191.Q1于中间，于中间，Q2置于左、中、右，灯均灭；置于左、中、右，灯均灭；2.Q1置于左，置于左，Q2置于左、中、右，灯均灭；置于左、中、右，灯均灭；3.Q1置于右，置于右，Q2置于左、中，灯均灭；置于左、中，灯均灭；Q2
16、置于右，灯亮置于右，灯亮Q1、Q2双向开关双向开关第19页，本讲稿共35页20灯亮后做实验灯亮后做实验:扳动扳动Q2，Q2置于中、左时，灯仍亮。置于中、左时，灯仍亮。扳动扳动Q1，Q1置于中、左时，灯灭。置于中、左时，灯灭。第20页，本讲稿共35页21四、实验现象与结论：四、实验现象与结论：u阳极电压阳极电压Ua反向时，无论反向时，无论 Ug为何种电压，晶闸管都处为何种电压，晶闸管都处于关断状态，灯不亮。于关断状态，灯不亮。u只有当阳极电压只有当阳极电压Ua和门极电压和门极电压Ug同为正向电压时，晶同为正向电压时，晶闸管才能导通，灯亮。闸管才能导通，灯亮。u晶闸管导通后，无论晶闸管导通后，无论
17、 Ug为何种电压，晶闸管仍然导为何种电压，晶闸管仍然导通，门极就失去控制作用。通，门极就失去控制作用。u晶闸管在导通状态时，阳极电源晶闸管在导通状态时，阳极电源Ea减小到接近零时晶减小到接近零时晶闸管关断，灯不亮。闸管关断，灯不亮。第21页，本讲稿共35页22实验结论实验结论 l晶闸管象二极管一样，具有晶闸管象二极管一样，具有单向导电特性单向导电特性。l晶闸管不同于二极管，还具有晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性正向导通的可控特性。要。要使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向电压时，同时使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向电压时，同时还在门极与阴极之间加上一定的正向门极电压还在门极与阴极之
18、间加上一定的正向门极电压UgUg才能才能导通，这就是晶闸管导通的必要条件。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。之为触发电压。门极无法控制晶闸管的关断。第22页，本讲稿共35页23实验结论实验结论 l当门极断开
19、时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流叫维持电流叫维持电流 (I IH H)。l要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源EaEa或增大负或增大负载电阻，使阳极电流载电阻，使阳极电流IaIa I IH H 或在阳极加上反向电压，晶或在阳极加上反向电压，晶闸管就自行关断了。闸管就自行关断了。第23页，本讲稿共35页2020承承受受反反向向电电压压时时，不不论论门门极极是是否否有有触触发发电流，晶闸管都不会导通。电流，晶闸管都不会导通。承承受受正正向向电电压压时时，仅仅在在门门极极有有触触发发电电流流的情况下晶闸
20、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。要要使使晶晶闸闸管管关关断断，只只能能使使晶晶闸闸管管的的电电流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：第24页，本讲稿共35页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断态重复峰值电压UDRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额额定定值值时时，允允许许重重复复加在器件上的正向峰值电压加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在在门门极极断断路路而而结结温温为为额
21、额定定值值时时，允允许许重重复复加加在器件上的反向峰值电压。在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶晶闸闸管管通通以以某某一一规规定定倍倍数数的的额额定定通通态态平平均均电电流时的瞬态峰值电压。流时的瞬态峰值电压。通通常常取取晶晶闸闸管管的的UDRM和和URRM中中较较小小的的标标值值作作为为该该器器件件的的额额定定电压。电压。选选用用时时，一一般般取取额额定定电电压压为为正正常常工工作作时时晶晶闸闸管管所所承承受受峰峰值电压值电压23倍。倍。使用注意：使用注意：1.电压定额电压定额第25页，本讲稿共35页26通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为在环境温度
22、为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温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不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流最大工频正弦半波电流的平均值的平均值。标称其额定电流的参数。标称其额定电流的参数。使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维能维持导通所需的最小电流。持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL
23、约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流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的不重复性最大正向过载电流。2.电流定额电流定额第26页，本讲稿共35页27 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指指在在额额定定结结温温和和门门极极开开路路的的情情况况下下，不不导导致致晶晶闸闸管管从从断断态态到通到通 态转换的外加电压最大上升率。态转换的外加电压最大上升率。电电压压上上升升率率过过大大，使使充充电电电电流流足足够够大大，就就会会使使
24、晶晶闸闸管管误误导导通通。通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指指在在规规定定条条件件下下，晶晶闸闸管管能能承承受受而而无无有有害害影影响响的的最最大大通通态态电电流流上升率。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。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、动态参数第27页，本讲稿共35页晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义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导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级共九级,用字母用字母用字母用字母AIAI表示表示表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压额
25、定电压,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V。第28页，本讲稿共35页3.2.2 晶闸管的触发电路一、触发电路的组成一、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。如前所述，晶闸管的导
26、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：触发电路大致可分成四个部分：脉冲形成脉冲形成移相控制移相控制同步电路同步电路脉冲功率放大脉冲功率放大触发电路的组成参见图触发电路的组成参见图。29第29页，本讲稿共35页脉冲形成：脉冲形成：是触发电路的核心，它的功能是产生一定功率是触发电路的核心，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（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。振荡电路、单稳态触发电路和集成触发电路等。移相控制：移相控制：功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调节控功能是调节触发脉冲发生的
27、时刻（即调节控制角制角 的大小）。常用锯齿波与给定信号电压进行比较来进的大小）。常用锯齿波与给定信号电压进行比较来进行移相控制行移相控制30第30页，本讲稿共35页同步电路：同步电路：功能是使触发脉冲每次产生的时刻，都能功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准确地对应着主电路电压波形上的 时刻。通常采用的方时刻。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经过阻容移相电路）从主电路引入，来作为触发同步信号31第31页，本讲稿共35页脉冲功率放大：
28、脉冲功率放大：若触发驱动的晶闸管的容量较大，则要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率触发脉冲电源复合管组成的射极输出器或采用强功率触发脉冲电源32第32页，本讲稿共35页二、触发电路的工作原理二、触发电路的工作原理33如今触发电路常采用集成电路。如今触发电路常采用集成电路。TS为同步变压器，为同步变压器，TI1和和TI2为脉冲变压器，为脉冲变压器，R8、R9、VT2和和R10、R11、VT1构构成电压放大电路，成电压放大电路，VD1和和VD2为续流二极管，触发脉冲宽度取决于电阻为续流二极管，触发脉冲宽度取决于电阻R7和电容和电容C2，电位器，电位器RP1用于调节锯齿波斜率，电压用于调节锯齿波斜率，电压Uc为移相控制输入电压，电位器为移相控制输入电压，电位器RP2用于调节锯齿波偏置电压。用于调节锯齿波偏置电压。第33页，本讲稿共35页343.2.3 晶闸管电路的保护环节第34页，本讲稿共35页35第35页，本讲稿共35页