机电传动控制课件 第9章.ppt

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1、第9章电力电子技术本章重点：1.常见的电力半导体器件的基本工作原理和特性2.调压和变频的基本原理3.脉宽调制的工作原理9.1电力半导体器件常用的电力半导体器件按控制方式来分类：不可控器件半可控器件全可控器件。不可控器件整流二极管快速恢复二极管肖特基二极管半可控器件普通晶闸管高频晶闸管双向晶闸管光控晶闸管全可控器件功率晶体管（BJT）功率场效应管（PowerMOSFET）绝缘栅双极型晶体管（IGBT）静电感应晶体管（SFT）可关断晶闸管（GTO）静电感应晶闸管（SITH）9.1.1晶闸管晶闸管（thyristor）是硅晶体闸流管的简称，是一种大功率半可控元件，俗称可

2、控硅（siliconcontrolledrectifier，简称SCR）。晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。晶闸管的结构晶闸管是三端（阳极A、阴极K、门极G）四层半导体开关器件晶闸管的工作原理图9-2晶闸管的导通关断实验电路（1）晶闸管的导通条件。在晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，同时在它的门极和阴极同也加正向电压，两者缺一不可。（2）晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，因此门极所加的触发电压一般为脉冲电压。晶闸管从阻断变为导通的过程称为触发导通。（3）晶闸管的关断条件。使流过晶闸管的阳极电流小于维持电流IH。维持电流IH是保持晶闸管导通的最小电

3、流。图9-3晶闸管工作原理示意图晶闸管的伏安特性图9-4晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的主要参数（1）额定电压UR通常按照电路中晶闸管正常工作峰值电压的2～3倍的电压值选定为晶闸管的额定电压，以确保用电安全。（2）通态峰值电压UTM规定为额定电流时的管压降峰值，一般为1.5～2.5V，且随阳极电流的增大而略微增加。额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。（3）额定电流IR在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额定电流。（4）浪涌电流ITSM晶闸管在规定的极短时

4、间内所允许通过的冲击电流值，通常ITSM比额定电流IR大4π倍。例如额定电流为100A的元件，其值为（1.3～1.9）kA。（5）维持电流IH在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流IH，一般为几十mA～一百多mA，（6）擎住电流IL晶闸管在触发电流作用下被触发导通后，只要晶闸管中的电流达到某一临界值时，就可以把触发电流撤除，这时晶闸管仍自动维持通态，这个临界电流值称为擎住电流IL。通常擎住电流IL要比维持电流IH大2～4倍。9.1.2其它电力半导体器件1.双向晶闸管（TRIAC）双向晶闸管的外形与普通晶闸管类似，可直接工作于交流电源，

5、其控制极对于电源的两个半周均有触发控制作用，即双方向均可由控制极触发导通，它相当于两只普通的晶闸管反并联，故称为双向晶闸管或交流晶闸管。图9-5双向晶闸管电路符号与等效电路2.可关断晶闸管（GTO）图9-6GTO的结构与电路符号3.电力晶体管（GTR）电力晶体管是一种双极性大功率高反压晶体管，可在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为电力晶体管，也称功率晶体管或巨型晶体管，简称GTR。GTR大多采用NPN型。电力晶体管在应用中多数作为功率开关使用，主要要求其有足够的容量（高电压、大电流）、适当的增益、较高的工作速度和较低的功率损耗等。当GTR饱和导通时，其正向压降为

6、（0.3～0.8）V，而晶闸管一般为1V左右。4.电力场效应晶体管（电力MOSFET）场效应管有三个电极，栅极G、漏极D和源极S。由栅极控制漏极和源极之间的等效电阻，使场效应管处于截止或导通状态。场效应管可分为结型场效应管和绝缘栅型场效应管两大类。(a)结构(b)N沟道(c)P沟道图9-7MOSFET基本结构、图形符号及外接电路5.绝缘栅双极晶体管（IGBT）IGBT从结构上可以看做是一种复合器件，图形符号和内部结构等效电路如图9-8所示。其输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型三极晶体管，因此兼有MOSFET和GTR的优点，即高输入阻抗、电压控制、驱动功率

7、小、开关速度快、工作频率高、饱和压降低、电压电流容量较大、安全工作区域宽等特点。（a）结构（b）等效电路图9-8IGBT符号及内部结构等效电路9.2电力半导体器件的驱动电路9.2.1半控型电力半导体器件的驱动电路对于触发电路的要求如下：（1）为了使器件可靠地被触发导通，触发脉冲的数值必须大于门极触发电压UCT和门极触发电流ICT，即具有足够的触发功率。但其数值又必须小于门极正向峰值电压UCM和门极正向峰值电流ICM以防止晶闸管门极的损坏。（2）为了保证控制的规律性，各晶闸管的触发电压与其主电压之间具有较严格的相位关系，即保持同步。（3）为了实现变流电路输出的电压连

8、续可调，触