【正文】 1 第 1章 晶閘管及可控整流電路 半控型器件 —— 晶閘管 單相橋式可 控整流電路 三相橋式可控整流電路 反電勢負(fù)載的特點 本章作業(yè) 2 電子技術(shù)的基礎(chǔ) ——— 電子器件：晶體管和集成電路 電力電子電路的基礎(chǔ) ——— 電力電子器件 本章主要內(nèi)容： 概述電力電子器件的 概念 、 特點 和 分類 等問題。 介紹常用電力電子器件的 工作原理 、 基本特性 、 主要參數(shù) 以及選擇和使用中應(yīng)注意問題。 第 1章 引言 3 一 電力電子器件的概念和特征 二 應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成 三 電力電子器件的分類 引言 電力電子器件概述 4 1）概念 : 電力電子器件 （ Power Electronic Device） —— 可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。 主電路（ Main Power Circuit） —— 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。 2）分類 : 電真空器件 (汞弧整流器 ) 半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅） 仍然 一 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件 5 能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。 電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。 電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。 電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。 一 電力電子器件的概念和特征 3）同處理信息的電子器件相比的一般特征： 6 通態(tài)損耗 是器件功率損耗的主要成因。 器件開關(guān)頻率較高時， 開關(guān)損耗 可能成為器件功率損耗的主要因素。 主要損耗 通態(tài)損耗 斷態(tài)損耗 開關(guān)損耗 關(guān)斷損耗 開通損耗 一 電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗 7 電力電子系統(tǒng) ：由 控制電路 、 驅(qū)動電路 、 保護電路 和以電力電子器件為核心的 主電路 組成。 圖 11 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成 控 制 電 路 檢測 電路 驅(qū)動 電路 R L 主電路 V 1 V 2 保護電路 在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行 二 應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成 電氣隔離 控制電路 8 半控型器件（ Thyristor） —— 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。 全控型器件（ IGBT,MOSFET) —— 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。 不可控器件 (Power Diode) —— 不能用控制信號來控制其通斷 , 因此也就不需要驅(qū)動電路。 三 電力電子器件的分類 按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類： 9 電流驅(qū)動型 —— 通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。 電壓驅(qū)動型 —— 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 三 電力電子器件的分類 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類： 10 普通晶閘管 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 晶閘管的基本特性 晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管的派生器件 11 半控器件 — 晶閘管 引言 1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管 。 1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品 。 1958年商業(yè)化 。 開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代 。 20世紀(jì) 80年代以來 ， 開始被全控型器件取代 。 能承受的電壓和電流容量最高 ， 工作可靠 ， 在大容量的場合具有重要地位 。 晶閘管 （ Thyristor） ：晶體閘流管 ， 可控硅整流器 （ Silicon Controlled Rectifier—— SCR） 12 圖 12 晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 外形有 螺栓型 、 平板型 和 模塊型 三種封裝 。 有三個聯(lián)接端 。 螺栓型封裝 ， 通常螺栓是其陽極 ， 能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便 。 平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間 。 AAGGKKb) c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J313 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 常用 晶閘管的結(jié)構(gòu) 螺栓型晶閘管 晶閘管模塊 平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) 14 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 式中 ?1和 ?2分別是晶體管 V1和 V2的共基極電流增益； ICBO1和 ICBO2分別是 V1和 V2的共基極漏電流。由以上式可得 ： 圖 13 晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理 a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按 晶體管的工作原理 ，得： 111 C B OAc III ?? ?222 C B OKc III ?? ?GAK III ??21 ccA III ??（ 12） （ 11） （ 13） （ 14） )(1 21C B O 2C B O 1G2A ???????? IIII （ 15） 15 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 在低發(fā)射極電流下 ? 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， ? 迅速增大。 阻斷狀態(tài) ： IG=0， ?1+?2很小 。 流過晶閘管的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和 。 開通狀態(tài) ： 注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致 ?1+?2趨近于 1的話 ， 流過晶閘管 的電流 IA， 將趨近于無窮大 ， 實現(xiàn)飽和導(dǎo)通 。 IA實際由外電路 決定 。 16 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理 陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng) 陽極電壓上升率 du/dt過高 結(jié)溫較高 光觸發(fā) 光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中 ， 稱為 光控晶閘管 （ Light Triggered Thyristor—— LTT） 。 只有門極觸發(fā)是最精確 、 迅速而可靠的控制手段 。 其他幾種可能導(dǎo)通的情況 ： 17 晶閘管的基本特性 承受反向電壓時 ， 不論門極是否有觸發(fā)電流 ， 晶閘管都不會導(dǎo)通 。 承受正向電壓時 ， 僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通 。 晶閘管一旦導(dǎo)通 ， 門極就失去控制作用 。 要使晶閘管關(guān)斷 ， 只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下并承受反壓 。 晶閘管正常工作時的特性總結(jié)如下： 18 晶閘管的基本特性 （ 1） 正向特性 IG=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。 正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓 Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。 隨著門極電流幅值的增大 ，正向轉(zhuǎn)折電壓降低 。 晶閘管本身的壓降很小 ，在 1V左右 。 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM 1） 靜態(tài)特性 圖 14 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 19 晶閘管的基本特性 反向特性類似二極管的反向特性 。 反向阻斷狀態(tài)時 ， 只有極小的反相漏電流流過 。 當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后 ， 可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞 。 圖 14 晶閘管的伏安特性 IG2IG1IG 正向 導(dǎo)通 雪崩 擊穿 O + U A U A I A I A I H I G2 I G1 I G = 0 U bo U DSM U DRM U RRM U RSM （ 2） 反向特性 20 晶閘管的基本特性 1) 開通過程 延遲時間 td (~?s) 上升時間 tr (~3?s) 開通時間 tgt以上兩者之和 ， tgt=td+ tr （ 16） 100% 90% 10% u AK t t O 0 t d t r t rr t gr U RRM I RM i A 2) 關(guān)斷過程 反向阻斷恢復(fù)時間 trr 正向阻斷恢復(fù)時間 tgr 關(guān)斷時間 tq以上兩者之和tq=trr+tgr （ 17) 普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒 2） 動態(tài)特性 圖 15 晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形 21 晶閘管的主要參數(shù) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 UDRM —— 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時 ， 允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓 。 反向重復(fù)峰值電壓 URRM —— 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時 ， 允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓 。 通態(tài) （ 峰值 ） 電壓 UT —— 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓 。 通 常 取 晶 閘 管 的UDRM和 URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的 額定電壓 。 選用時 ， 一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓 2~3倍 。 使用注意： 1） 電壓定額 22 晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)平均電流 IT(AV） —— 在環(huán)境溫度為 40?C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的 最大工頻正弦半波電流的平均值 。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。 —— 使用時應(yīng)按 有效值相等的原則 來選取晶閘管。 2） 電流定額 vti tI m ?sinvti23 晶閘管的主要參數(shù) 通態(tài)平均電流 IT的計算 22s i n4121212121)s i n(2100220mmmmNItItdtc o nItdtII?????????????????? ?????????????????????????mmmmvtTItc o nIttdIttdITiI?????? ???0020)(2s i n21s i n2124 晶閘管的主要參數(shù) TNmmTNIIIIII