1、第8章 电力电子学基础,8.1 晶闸管(可控硅),8.2 可控整流电路,8.3 晶闸管触发电路,8.4 晶闸管逆变电路,8.5 功率(电力)半导体器件,电力电子学：介于电力, 电子, 控制之间的边缘学科,8.1 晶闸管(可控硅),8.1.1 晶闸管的基本结构和工作原理,晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一起种大功率半导体器件。它具有三个PN结和四层半导体结构，由四层半导体的两端及中间层各引出阳极A、阴极K和控极G。,螺栓式晶闸管, 平板式的晶闸管,导通条件： UAK 0VG 0 (导通后可去掉),晶闸管是一个可控的单向导电开关与二极管比: 正向导电受控制极电流的控制与三极管比: 阳极电流与控制极
2、不成比例关系,晶体管T2处于正向偏置，控制极与阴极间的电压产生控制极电流IG, 就是T2的基极电流IB2，经过T2管的电流放大作用，T2的集电极电流， 而IC2又是T1的基极电流，经过T1管的电流放大作用，T1的集电极电流 ，该电流又流入T2的基极再一次放大。这样，形成了强烈的电流正反馈，使T1、T2迅速饱和导通，,8.1.2 晶闸管的伏安特性,（1）当控制极UG=0，IG=0时，阳极和阴极之间加正向电压，此时晶闸管的三个PN结因有一个PN结处于反向偏置，其中只有很小的电流流过，这个电流称为正向漏电流，处于截止状态。 （2）当阳极正向电压U增加到某一数值时，正向漏电流突然增大，晶闸管不需触发电
3、流就迅速从阻断状态变为导通状态。此时的阳极电压称为正向转折电压UBO。这种使晶闸管容易造成正向击穿，而使该元件损坏，不允许这种导通方式。,(3）当控制极和阴极之间加上正向UG时，有控制电流通过，若此时在阳极加正向电压，晶闸管就会在低于正向转折电压UBO的某个值，由阻断状态转入导通状态。晶闸管导通后，通过很大的电流，这时管压降很小，只有1V左右，因此特性曲线靠近纵轴且陡直，与二极管的正向特性相似。在晶闸管导通后，若减小正向电压，正向电流就逐渐减少。当电流减小到某一数值时，晶闸管从导通状态转变为阻断状态，此时所对应的最小电流称为维持电流IH。,（4）当晶闸管阳极加反向电压，其反向特性亦与一般二极管
4、相似，只有很小的反向漏电流，当反向漏电流急剧增大时，所对应的电压称为反向击穿电压UBR，,8.1.3 晶闸管的主要参数,（1）断态正向不重复峰值电压UDSM 控制极断路，晶闸管的结温为额定值时，不允许重复加在晶闸管两端的阳极电压称为断态正向不重复峰值电压，该电压略小于正向转折电压。 （2）断态重复峰值电压UDRM 控制极断路，晶闸管的结温为额定值时，允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为断态重复峰值电压，该电压取断态不重复峰值电压UDSM的80%。 （3）反向不重复峰值电压URSM 控制极断路，晶闸管的结温为额定值时，不允许重复加在晶闸管阳极的反向电压称为反向不重复峰值电压。该电压略小于U
5、DSM。 （4）反向重复峰值电压URRM 控制极断路，晶闸管的结温为额定值时，允许重复加在晶闸管的反向峰值电压。该电压取反向不重复峰值电压URSM的80%。 UDRM和URRM在数值上一般很相近，统称为晶闸管的峰值电压。通常把两者较小的那个数值作为该元件的额定电压。 （5）额定通态平均电流IT 在规定的标准散热条件下和环境温度下，晶闸管的阳极和阴极间可以连续通过工频正弦半波电流的平均值，称为额定通态平均电流，通常所讲多少安的晶闸管，就是指这个电流。 （6）维持电流IH 在规定的环境温度下，控制极断路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流，当晶闸管的正向电流小于IH时候，晶闸管将自动判断。
6、 （7）通态平均电压UT 在规定条件下，通过正弦半波的额定电流时，晶闸管的阳极与阴极间的电压的平均值。该值大约1V。,8.2 可控整流电路,8.2.1、单相半波可控整流电路,1、电阻性负载,控制角：正向电压不导通的范围 导通角：正向电压导通的范围,特点： 电路简单，调节方便整流电压脉动大，电流小,输出电压的平均值,负载电阻RL中整流电流的平均值,2、电感性负载,生产上有很多负载，如电机的绕组、电感线圈都是电感性负载，它们既含有电感，又含有电阻。有的虽然不是电感性负载，但由于电路中接入了电感滤波器，因此亦在为电感性电路。,电感反电动势 EL = -L dio/dt 波形：负载两端电压出现负值,在
7、负半波, 二极管导通,反电动势eL 产生电流经过 二极管形成回路，消除负载两端电压的负值,续流二极管,负载上的感应电动势产生的电流经过二极管形成回路。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断，负载上的电压平均值与相同导通角时的纯电阻负载一样。,8.2.2、单相半控桥式整流电路,例8.2.1:电 路如图 1 所示，交流电压的波形如图 所示 ，画出当控制角= 90 时，负载电阻两端电压的波形。,8.3 晶闸管触发电路,8.3.1、单结晶体管触发电路,1、单结晶体管,双基极二极管：有一个发射极和二个基极 伏安特性： (等效电路),为单结晶体管的分压比，大约在0.30.9之间,截止区：,负
8、阻区：,饱和区： UV = 2 5V 谷点电压,峰点电压,UE UP 导通， UE UV 截止 大, UV低, IV大,增大输出胚脉冲幅度 和移相范围,2、单结晶体管驰张振荡器,脉冲波形： 周期性尖脉冲 脉冲电压频率：调节Rp (充电) 脉冲电压宽度：=R1C (放电) 温度补偿电阻：R2,K合C充电 UC UP 导通 RB1 截止 UC UV C放电,3、单结晶体管触发电路,控制角 ：由移相电位器Rp控制 Rp，由UG第一个尖脉冲决定 稳压管：为单结驰张振荡的电源消波作用每半周第一 个脉冲的时间不受电源电压波动的影响 同步变压器：保证每半周第一个脉冲的时间保持不变,1、双向触发二极管触发电路
9、,1、双向触发二极管DIAC端电压(正或负)高于转折电压Us时，电流急剧增加，电压降低，显示出双向负阻特性,正半周： 电容C1充电 Uc1=Us放电形成尖脉冲 负半周：电容C1充电 Uc1=Us放电形成负尖脉冲,2、触发电路 双向触发二极管DIAC与双向可控硅(TRIAC，能承受大电压/电流)配合使用最好双向可控波形,8.3.2 其它常见的晶闸管的触发电路,V1、V2构成脉冲放大环节。 脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。,2. 脉冲变压器触发电路,V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸 管的门极和阴极之间输出触发脉冲。,3. 典型的直接耦合式GTO驱动电路,直接耦合式驱动电路可避免电路
10、内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。,8.4 晶闸管逆变电路,1. 初始状态：T1,T2截止, Uc=0 2. 触发T1通N1,N2感应电动势E 电容充电Uc=2E N3感应电动势 E3=EN3/N1 产生电流IL 3. 触发T2通电容电压反向加到 T1 T1止电容反向充电 N1,N2感应电动势 - E N3电动势 - E3 电流 - IL 4. 直流变为交流：交替触发T1,T2 5. 交流变频：调节触发脉冲的频率,8.4.1、逆变电路,将直流电变为交流电, 把逆流得到的交流电直接供给负载使用，主要用作不同频率的交流电源,1、无源逆变,2、有源逆
11、变,有源逆变条件：外接电源EM 输出电压平均值Uo, 变流器控制角=90 - 180 , 使Uo0,把直流变成同一频率的交流电反送给交流电网，主要用作直流电机可逆调速，交流绕线式异步电机的串级调速,1. 重物提升，变流器工作在整流状态,输出电压,电动机产生反电动势EM，其极性亦为上正下负。因U0EM,所以变流器输出功率。此时，输出电流为 I0=（U0-EM）/R （R为电路总有效电阻）,2. 重物下降，变流器工作在逆变状态,I0=(- U0 - EM)/ R = (EM - U0 )/R,输出电流,由于晶闸管具有单向导电性，电流I0方向不变，EM是产生I0的电源，而U0起着反电势的作用，电动机
12、由重物下降带动，发出直流电功率，变流器作为负载吸取功率，将直流电功率逆变为50Hz交流电功率发送到交流电网中。,将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电。应用于交流电动机的调速、中频电源、高频电源等领域。,变频方式：,两种变频电源,1. 交直交方式,8.4.2 逆变电路应用,直接将工频交流电变换成所需频率的交流电。,单相单相直接变频电路,2. 直接变频,8.5 功率(电力)半导体器件,按照器件能够被控制的程度，分为以下三类： 半控型器件（Thyristor）,通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。如晶闸管。 全控型器件（IGBT,MOSFET）, 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断
13、，又称自关断器件 不可控器件(Power Diode), 不能用控制信号来控制其通断, 不需要驱动电路。如电力二极管。 按照驱动电路信号的性质，分为两类： 电流驱动型, 通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。 电压驱动型, 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。,8.5.1 电力电子器件,前面已论述。晶闸管的派生器件有快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST）,高频晶闸管, 双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）, 逆导晶闸管（Reve
14、rse Conducting ThyristorRCT）,光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）,1. 半控型器件电力二极管,电力二极管基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。如图8.5.2所示。 电力二极管主要有快恢复二极管(Fast Recovery DiodeFRD)和以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）两类。,2. 不可控器件晶闸管,4.典型全控型器件,(2) 电力晶体管(GT
15、R) 电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管）是耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。电力晶体管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 。,(1) 门极可关断晶闸管（Gate-Turn-Off Thyristor GTO） 门极可关断晶闸管是晶闸
16、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。,(3) 电力场效应晶体管(MOSFET),(通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）简称电力MOSFET（Power MOSFET）。 特点用栅极电压来控制漏极电流 l 驱动电路简单，需要的驱动功率小。 l 开关速度快，工作频率高。 l 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 。 小功率MOS管是横向导电器件。电力MOSFET大都采用垂直导电结构，
17、又称为VMOSFET（Vertical MOSFET）。按垂直导电结构的差异，分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET）。,(4) 绝缘栅双极晶体管(IGBT),GTR和GTO的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。MOSFET的优点单极型，电压驱动，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。两类器件取长补短结合而成的复合器件Bi-MOS器件,绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bip
18、olar TransistorIGBT或IGT）。1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压uGE决定。 导通：uGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。 通态压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。 关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。,8.5.2 电力电子器件驱动电路,电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成, 驱动电路的基本任务：按控制目标的要求施
19、加开通或关断的信号; 对半控型器件只需提供开通控制信号; 对全控型器件则既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。,1. 晶闸管的触发电路 前面已论述,2. 典型全控型器件的驱动电路,GTO的开通控制与普通晶闸管相似。GTO关断控制需施加负门极电流。GTO驱动电路通常包括开通驱动电路、关断驱动电路和门极反偏电路三部分，可分为脉冲变压器耦合式和直接耦合式两种类型。直接耦合式驱动电路可避免电路内部的相互干扰和寄生振荡，可得到较陡的脉冲前沿, 如图所示。目前应用较广，但其功耗大，效率较低。 开通驱动电流应使GTR处于准饱和导通状态，使之不进入放大区和深饱和区。关断GTR时，施加一定的负基极电流有利
20、于减小关断时间和关断损耗。关断后同样应在基射极之间施加一定幅值（6V左右）的负偏压。图8.5.8为GTR的一种驱动电路，包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。驱动GTR的集成驱动电路中，THOMSON公司的 UAA4002和三菱公司的M57215BL较为常见。,(1) 电流驱动型器件的驱动电路,电力MOSFET和IGBT是电压驱动型器件。为快速建立驱动电压，要求驱动电路输出电阻小。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V。 电力MOSFET的一种驱动电路如图所示, 电气隔离和晶体管放大电路两部分。专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M57918L，其输入信号电流幅值为6mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。 IGBT的驱动如图所示, 多采用专用的混合集成驱动器。常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。,(2) 电压驱动型器件的驱动电路,
