资源预览内容
第1页 / 共39页
第2页 / 共39页
第3页 / 共39页
第4页 / 共39页
第5页 / 共39页
第6页 / 共39页
第7页 / 共39页
第8页 / 共39页
第9页 / 共39页
第10页 / 共39页
亲,该文档总共39页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
- 347 -第十二章 现代电力电子技术电力电子技术是电力、电子、控制三大领域的交叉学科,是目前最活跃、发展最快的一门新兴学科。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分。本章首先介绍电力电子器件的结构、工作原理和主要参数。接着以电力电子器件为核心,通过对各种不同电路的控制,实现电能的转换和调节,具体介绍整流电路、斩波电路、交流调压电路,以及各种电路的应用。最后以典型器件变频器为例,分析无源逆变器的工作原理和变频器应用等内容。第一节 常用电力电子器件电力电子器件适用于高压、大电流场合,主要以开关方式工作。电力电子器件是电力电子技术的核心。目前,常用的电力电子器件有:普通晶闸管(SCR) 、双向晶闸管、功率场效应管(MOSFET) 、绝缘栅双极晶体管(IGBT )等。这些器件各有自己的特点和应用范围。一、晶闸管晶闸管原称为可控整流器(SCR) ,它是目前半导体从弱电进入强电领域,制造技术最成熟,应用广泛的器件之一。它既具有二极管的单向导电性,又具有正向导通的可控特性。因而在调速系统、变频电源,无触点开关等方面得到了广泛的应用。1晶闸管的结构晶闸管的三个电极分别为阳极 A、阴极 K 和控制极(门极)G,其图形符号如图 12-1a所示。晶闸管的封装形式与晶闸管容量有关,对于额定电流小于 10A 的小功率管常用压膜塑封式,如图 12-1b 所示;对于大功率晶闸管,有螺栓式和平板式两种:额定电流在 200A 以下的晶闸管采用螺栓式,如图 12-1c 所示。大于 200A 的采用平板式,如图 12-1d 所示。从内部结构看晶闸管有 P1N1P2N2 四层半导体,形成 J1、 J2、J 3 三个 PN 结,如图 18-1e所示。从 P1 层引出阳极 A,从 N2 层引出阴极 K,从 P2 层引出控制极 G。加在晶闸管阳极与阴极之间的电压称为阳极电压,加在晶闸管控制极与阴极之间称为控制极电压。2晶闸管的工作原理晶闸管工作原理可用图 12-2 所示实验电路加以说明。- 348 -图 12-1 晶闸管的结构a)图形符号 b)塑封式 c)螺栓式 d)平板式 e)内部结构图图 12-2 晶闸管的工作原理图a)反向阻断 b)正向阻断 c)触发导通 d)除去控制极信号仍导通(1)反向阻断如图 12-2a 所示,晶闸管阳极与阴极之间加反向电压即晶闸管阳极电压小于零,此时无论是否给控制极加电压,灯泡不发光,晶闸管不导通,这种状态称为反向阻断状态。(2)正向阻断如图 12-2b 所示,晶闸管阳极电压大于零,但由于控制极无电压信号,灯泡不发光,晶闸管不导通,这种状态称为正向阻断。- 349 -(3)触发导通如图 12-2c 所示在晶闸管阳极和阴极加正向电压的基础上,给控制极和阴极间加足够的正向电压即控制极电压大于零,此时灯发光,晶闸管导通,这种状态称为触发导通。在晶闸管导通后若除去控制极上的电压,灯仍发光,如图 12-2d 所示,表示晶闸管仍导通。可见晶闸管一旦导通后,控制极就失去控制作用。要使已导通的晶闸管恢复阻断,可降低或增大负载电阻使流过晶闸管电流小于维持电流 IH,元件就关断了。从上述实验可以看出:1)晶闸管导通必须具备两个条件:晶闸管的阳极与阴极间加正向电压,即 UAK0。控制极与阴极之间加足够正向电压,即 UGK0。2)晶闸管一旦导通,门极即失去控制作用,故晶闸管为半控型器件。3)要使晶闸管关断,必须使晶闸管的阳极电流降到维持电流 IH 以下。此时晶闸管只有重新触发才能再次导通。3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是指晶闸管阳极电压 UAK 与阳极电流 IA 之间的函数关系。如图 12-3所示。图 12-3 晶闸管的伏安特性当晶闸管外加反向电压 UAK 0 时,它的反向特性与二极管的反向特性相似。晶闸管处于反向阻断状态,当反向电压增加到电压 URO 时,晶闸管被反向击穿,导致晶闸管永久性损坏。晶闸管加正向电压且控制极开路时,晶闸管处于正向阻断状态。当 UAK 升至 UBO 时,晶闸管突然由阻断状态变为导通状态。U BO 称元件的正向转折电压,此时管子处于硬开通,多次“硬开通”会损坏管子,通常就在门极加上电压,使 Ig 足够大,此时晶闸管的正向转折电压很小,即只要很小的阳极电压晶闸管就能由阻断变为导通,晶闸管可以看成是个可控的二- 350 -极管。4主要参数(1)额定电压 UTn选用晶闸管时,其额定电压为电路中可能出现的最大瞬时电压的 23 倍。(2)额定电流 IT(AV)选晶闸管时,按式 IT(AV) =( 1.52)I/1.57 取相应的电流等级即可。式中 I 为电路中可能出现的最大电流有效值。(3)维持电流 IH控制极开路和室温条件下,晶闸管触发导通后,维持通态所必须的最小电流,一般为几十微安。(4)控制极触发电压 UG 和触发电流 IG在规定正向阳极电压下,使晶闸管等由阻断到导通所得的最小控制极电压和电流,一般门极触发电压 UG大于 3.5V,不超过 10V,I G 为几十到几百毫安。为确保触发,加到控极的触发电压和电流要比额定值大。(5)通态平均电压 UT(AV)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之间电压的平均值,该值约为 1V 左右。5晶闸管判别(1)晶闸管电极的判别塑封式普通晶闸管等可用万用表 R100 或 R1K 档来测任意两脚的正向电阻,当某次测量得的数值最小时(约为几十欧) ,此时黑表笔对应的是控制极,红表笔对应的是阴极,余下的为阳极。(2)晶闸管好坏的判别用万用表粗测其好坏的方法是:测量各极之间的正反向电阻的大小。好的管子,用表的R1K 档测量阳极与阴极间的正反电阻都很大,约几百千欧。用表的 R10 或 R100 档测量控制极与阳极间的正反向电阻,二者应有明显差别。二、双向晶闸管1双向晶闸管结构双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似,有塑封式、螺栓式和平板式。其内部是五层半导体(NPN PN) ,引出三个电极,分别为第一阳极(T 1) 、第二阳极(T 2)和门极(G) ,如图 12-4 所示。无论从结构还是特性上来看,双向晶闸管都可看成两个反并联的晶闸管(P 1N1P2N2 和 P2N1P1N4) ,因此双向晶闸管常用于交流调压的场合。2双向晶闸管的触发方式双向晶闸管正反两个方向都能导通,a) b) c)图 12-4 双向晶闸管a)结构 b)等效图 c)符号- 351 -G 相对于 T2 无论是正还是负都能触发,因此有四种触发方式,见表 12-1。表 12-1 四种触发方式四种触发方式中的灵敏度各不相同,其中 +方式灵敏度最低,因此在实际应用中只采用( -, -)和( +, -)两种触发方式。3参数选择(1)额定电压 UTn额定电压为电路中可能出现的最大瞬时电压的 23 倍。380V 电路中的交流开关,一般选用 1000V1200V 的双向晶闸管。(2)额定电流 IT(RMS)双向晶闸管多用于频繁起动和制动的场合,对于可逆运转的电机,I T(RMS) 应为电机最大额定电流的 710 倍。(3)换向能力的选择一般选用 为 220V/ s 的双向晶闸管C)(dtu4双向晶闸管的判别(1)T 2 极的判别用万用表 R1K 测 G 与 T1、T 2 中任意两个电极的正反向电阻,若测得的两个电极间的正反向电阻都很小(约 100 欧)时,则这两个电极为 G 和 T1,剩下的为 T2。大功率双向晶闸管的 T2 与散热器相连,由此确定 T2。(2)T 1 和 G 极的判别用黑表笔接假设的 T1 极,红表笔接 T2 极,此时用导线将 T2 和 G 短接,电阻应为 10 欧左右,双向晶闸管导通,除去短接线,电阻不变,双向晶闸管维持导通。三、功率场效应晶体管功率场效应晶体管,简称功率 MOSFET,它是一种单极型电压控制器件,具有自关断能力,且输入阻抗高、驱动功率小,开关速度快,工作频率可达到 1MHZ,不存在二次击穿问题、安全工作区宽等主等优点。MOSFET 属现代电力电子器件,因其电压和电流容量较小,故在高频中小功率的电力电子装置如开关电源、机床伺服、汽车电子化等方面得到广泛应用。1功率 MOSFET 的结构功率 MOSFET 根据载流子的性质可分为 P 沟道和 N 沟道两种类型,符号如图 12-5a 所示,它有三个电极:栅极 G、源极 S 和漏极 D,图中箭头表示载流子移动方向。功率MOSFET 无反向阻断能力,因为当漏源极电压 UDS0 时,漏区 PN 结为正偏,漏源间流过反向电流。因此在应用时若必须承受反向电压,则 MOSFET 电路中应串入快速二极管。如- 352 -图 12-5b 所示。a) b) c)图 12-5 MOSFET 管符号和结构a)图形符号 b)实用图形符号 c)内部结构目前常用的是 N 沟道增强型垂直导电结构的 VDMOSFET,典型结构如图 12-5c 所示。这种沟道是由同一扩散窗口利用双扩散工艺产生 P 型体区和重掺杂 N+型区扩散浓度差形成的,电流在沟道内沿着表面流动,然后垂直地被漏极吸收。提高功率 MOSFET 管的功率是通过:(1)将若干个单元 MOSFET 并联而成为功率 MOSFET,实现了大电流。现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当,新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代,每平方厘米含有千万个单位 MOSFET。(2)它的高掺杂 N+硅片衬底,提高了器件的耐压能力。这种结构可使导电沟道缩短、截面积加大,因而具有较高的通流能力和功率处理能力。2工作原理功率 MOSFET 的工作原理与传统的 MOS 器件基本相同,栅源极加正向电压(U GS 0)使 MOSFET 内沟道出现,电子从源极移动到漏极形成漏极电流 ID,器件导通;反之,当栅源极加反向电压(U GS0)沟道消失,器件关断。3功率 MOSFET 的主要特性功率 MOSFET 的特性可分为静态特性和动态特性,静态特性主要指 MOSFET 的输出特性和转移特性,动态特性主要指 MOSFET 的开关特性。(1)输出特性输出特性也称漏极特性曲线,是以栅源极电压 UGS 为参变量,反映漏极电流 ID 与漏极电压 UDS 间关系的曲线族,如图 12-6 所示。功率 MOSFET 管的输出特性与场效应管的输出特性相似,它也分为三个区:可调电阻区:U GS 一定时,漏极电流 ID 与漏源极电压 UDS 几乎呈线性关系。当 MOSFET 作为开关器件应用时,工作在此区内。线性放大区:在该区中,当 UGS 不变时,I D 几乎不随 UDS 的增加而加大,I D 近似为一常数。当 MOSFET 用于线性放大时,则工作此区内。击穿区:当漏源电压 UDS 过高时,使漏极 PN 结发生雪崩击穿,漏极电流 ID 会急剧增加。在使用器件时应避免出现这种情况,否则会使器件损坏。(2)转移特性转移特性是在以漏源极电压 UDS 为参变量,输入栅源电压 UGS 与输出漏极电流 ID 之间的关系如图 12-6,功率 MOSFET 的漏极电流 ID 和栅极电压 UGS 的关系曲线,如图所示。该特- 353 -性反映了功率 MOSFET 的栅源电压 UGS 对漏极电流 ID 的控制能力。图 12-6 静态特性a)输出特性 b)转移特性由图可见,只有当 UGSU T 时,器件才导通,U T 称开启电压。它是指沟道形成区最低栅源电压,直接由掺杂浓度所决定。开启电压具有负温度系数,温度每升高 45,开启电压将下降约 10%。由于功率 MOSFET 管开启电压具有负温度系数,此特性使该管具有较好的二次击穿现象。(3)开关特性功率 MOSFET 是单极型电压控制器件,依靠多数载
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号