第8章 电力半导体器件.docx
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第8章电力半导体器件
第8章电力半导体器件及其应用
电力半导体器件是进行电力变换和控制的大功率器件。
它主要用于整流器(把交流电压变为固定的或可调的直流电压)、逆变器(把直流电压变为固定的或可调的交流电压)、斩波器(把固定的直流电压变为可调的直流电压)、交流调压器(把固定的交流电压变为可调的交流电压)等方面。
这些电能的变换技术称为半导体变流技术,通过弱电对强电的控制,实现电能的变换与控制。
半导体变流技术已被广泛地应用于工农业生产、国防、交通等各个领域。
本章介绍一些常用的电力半导体器件和变流电路。
8.1晶闸管
电力半导体器件的虽然种类很多,但目前制造技术最为成熟,可变换或控制的功率最大,应用最广泛的电力半导体器件仍是晶体闸流管。
晶体闸流管简称晶闸管(原名可控硅),是一种工作在开关状态下的大功率半导体电子器件。
它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便、寿命长等许多优点;但过载能力差、抗干扰能力差、控制比较复杂,这是它的主要缺点。
晶闸管主要用于整流、逆变、调压、开关等方面。
其中晶闸管整流已广泛应用于直流电动机的调速、电解、电镀、电焊、蓄电池充电及同步电机励磁等方面。
8.1.1晶闸管的结构与符合
晶闸管与二极管相比,它的单向导电能力还受到控制极上的信号控制。
晶闸管内部结构示意图如图8-1(a),它由PNPN四层半导体交替叠合而成,中间形成三个PN结。
阳极A从上端P区引出,阴极K从下端N区引出,又在中间P区上引出控制极(或称门极)G。
图8-1(b)是晶闸管的符号。
晶闸管中通过阳极的电流比控制极中的电流大得多,所以一般晶闸管控制极的导线比阳极和阴极的导线要细。
在通过大电流时,都要带上散热片。
8.1.2晶闸管的工作原理
在图8-2晶闸管的导通试验中,可以反映出晶闸管的导通条件及关断方法。
图8-2(a)
中,晶闸管阳极经灯泡接电源正极,阴极接电源负极。
当控制极不加电压时,灯泡不亮,说明晶闸管没有导通。
如果在控制极上加正电压[即图8-2(b)中合上开关S]则灯亮,说明晶闸管导通。
然后将开关S断开,如图8-2(c)所示,去掉控制极上的电压,灯继续亮。
若要熄灭灯,可以减小阳极电流,或阳极加负电压,如图8-2(d)所示。
通过这些试验可得出以下结论:
1.晶闸管导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压,同时控制极和阴极之间加适当的正向电压(实际工作中,控制极加正触发脉冲信号)。
2.导通以后的晶闸管,关断的方法是在阳极上加反向电压或将阳极电流减小到足够小的程度(维持电流IH以下)。
(a)(b)(c)(d)
图8-2晶闸管导通试验
晶闸管的这种特性可以用图8-3来解释。
因为晶闸管具有三个PN结,所以可以把晶闸管看成由一只NPN三极管与一只PNP三极管组成,在阳极A和阴极K之间加上正向电压以后,T1、T2两只三极管因为没有基极电流,所以三极管中均无电流通过,此时若在T1管的基极G(即晶闸管的控制极)加上正向电压,使基极产生电流IG,此电流经晶体管T1放大以后,在T1的集电极上就产生β1IG电流,又因为T1的集电极就是T2的基极,所以经过T2再次放大,在T2集电极上的电流达到β1β2IG。
而此电流重新反馈到T1基极,又一次被T1放大,如此反复下去,T1与T2之间因为强烈的正反馈,使两只三极管迅速饱和导通。
此时,它的压降约1V左右。
以后由于T1基极上已经有正反馈电流,所以即使取掉T1基极G上的正向电压,T1与T2仍能继续保持饱和导通状态。
8.1.3晶闸管的伏安特性
晶闸管的阳极电压VA与阳极电流IA之间的关系曲线称为晶闸管的伏安特性曲线,如图8-4所示。
控制极上的电压称为晶闸管的触发电压,触发电压可以是直流、交流或脉冲信号。
在无触发信号时,如果在阳极和阴极之间加上额定的正向电压,则在晶闸管内只有很小的正向漏电流通过,它对应特性曲线的oa段,以后逐渐增大阳极电压到b点,此时晶闸管会从阻断状态突然转向导通状态。
b点所对应的阳极电压称为无触发信号时的正向转折电压(或称“硬开通”电压),用VBO表示。
晶闸管导通后,阳极电流IA的大小就由电路中的阳极电压VA和负载电阻来决定。
如果晶闸管上实际承受的阳极电压大于“硬开通”电压,就会使晶闸管的性能变坏,甚至损坏晶闸管。
在工作时,这种导通是不允许的。
晶闸管导通后,减小阳极电流IA,并使IA 在正常导通时,阳极电流必须大于维持电流IH。 当晶闸管的控制极上加上适当大小的触发电压VG(触发电流IG)时,晶闸管的正向转折电压会大大降低,如图8-5中IG1、IG2所示。 触发信号电流越大,晶闸管导通的正向转折电压就降的越低。 例如某晶闸管在IG=0时,正向转折电压为800V,但是当IG=5mA时,导通需要的正向转折电压就下降到200V;在IG=15mA时,导通需要的正向转折电压就只有5V。 晶闸管的反向特性与二极管十分相似。 当晶闸管的阳极和阴极两端加上不太大的反向电压时,管中只有很小的反向漏电流通过,如图中oc段所示,这说明管子处在反向阻断状态。 如果把反向电压增加到d点时,反向漏电流将会突然急剧增加,这个反向电压称为反向击穿电压VBR(或称为反向转折电压)。 8.1.4晶闸管的主要参数 为了正确地选择和使用晶闸管,还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。 晶闸管的主要参数有以下几项: 1.额定正向平均电流IF 在规定的散热条件和环境温度及全导通的条件下,晶闸管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,称为正向平均电流IF,例如50A晶闸管就是指IF值为50A。 如果正弦半波电流的最大值为Im,则 然而,这个电流值并不是一成不变的,晶闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每个周期的导电次数等因素的影响。 工作中,阳极电流不能超过额定值,以免PN结的结温过高,使晶闸管烧坏。 2.维持电流IH 在规定的环境温度和控制极断开情况下,维持晶闸管导通状态的最小电流称维持电流IH。 在产品中,即使同一型号的晶闸管,维持电流也各不相同,通常由实测决定。 当正向工作电流小于IH时,晶闸管自动关断。 3.正向重复峰值电压VFRM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压,称为正向重复峰值电压,用VFRM表示。 按规定此电压为正向转折电压VBO的%80。 4.反向重复峰值电压VRRM 在额定结温和控制极断开时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压,用VRRM表示。 按规定此电压为反向转折电压VBR的%80。 5.控制极触发电压VG和电流IG 在晶闸管的阳极和阴极之间加6V直流正向电压后,能使晶闸管完全导通所必须的最小控制极电压和控制极电流。 6.浪涌电流IFSM 在规定时间内,晶闸管中允许通过的最大正向过载电流,此电流应不致使晶闸管的结温过高而损坏。 在元件的寿命期内,浪涌的次数有一定的限制。 目前国产的晶闸管的型号为KP□—□□,其中K为晶闸管;P为普通型;第一个□为额定正向平均电流;第二个□为额定电压,用其百位数或百位数及千位数表示,它为VFRM和VRRM中较小的一个;第三个□为导通时平均电压组别(小于100A不标),共九级,用A~I字母表示0.4~1.2V。 例如KP200—18F表示额定平均电流为200A、额定电压为1800V,管压降为0.9V的普通晶闸管。 近年来,晶闸管制造技术已有很大提高。 在电流、电压等指标上有了重大突破,已制造出千安以上、电压达到上万伏的晶闸管,使用频率也已高达几十千赫。 8.2可控整流电路 可控整流电路是利用晶闸管的单向导电可控特性,把交流电变成大小能控制的直流电的电路,通常称为主电路。 在单相可控整流电路中,最简单的是单相半波可控整流电路,应用最广泛的是单相桥式半控整流电路。 8.2.1单相半波可控整流电路 1.电路组成 单相半波可控整流电路如图8-5(a)所示。 它与单相半波整流电路相比较,所不同的只是用晶闸管代替了整流二极管。 2.工作原理 接上电源,在电压v2正半周开始时,如果电路中a点为正,b点为负,对应在图8-5(b)的α角范围内。 此时晶闸管T两端具有正向电压,但是由于晶闸管的控制极上没有触发电压vG,因此晶闸管不能导通。 经过α角度后,在晶闸管的控制极上,加上触发电压vG,如图8-5(b)所示。 晶闸管T被触发导通,负载电阻中开始有电流通过,在负载两端出现电压vo,见图8-5(b)。 在T导通期间,晶闸管压降近似为零。 这α角称为控制角(由称移相角),是晶闸管阳极从开始承受正向电压到出现触发电压vG之间的角度。 改变α角度,就能调节输出平均电压的大小。 α角的变化范围称为移相范围,通常要求移相范围越大越好。 经过π以后,v2进入负半周,此时电路a端为负,b端为正,晶闸管T两端承受反向电压而截止,所以io=0,vo=0。 在第二个周期出现时,重复以上过程。 晶闸管导通的角度称为导通角,用θ表示。 由8-5(b)可知θ=π-α。 3.输出平均电压 当变压器次级电压为 时,负载电阻RL上的直流平均电压可以用控制角α表示,即 (8-1) 从(8-1)看出,当α=0时(θ=π)晶闸管在正半周全导通,Vo=0.45V2,输出电压最高,相当于不控二极管单相半波整流电压。 若α=π,Vo=0,这时θ=0,晶闸管全关断。 根据欧姆定律,负载电阻RL中的直流平均电流为 (8-2) 此电流即为通过晶闸管的平均电流。 例8-1在单相半波可控整流电路中,负载电阻为8Ω,交流电压有效值V2=220V,控制角α的调节范围为600~1800,求: (1)直流输出电压的调节范围。 (2)晶闸管中最大的平均电流。 (3)晶闸管两端出现的最大反向电压。 解: (1)控制角为600时,由式(8-1)得出直流输出电压最大值 V 控制角为1800时得直流输出电压为零。 所以控制角α在600~1800范围变化时,相对应的直流输出电压在74.25V~0V之间调节。 (2)晶闸管最大的平均电流与负载电阻中最大的平均电流相等,由式(8-2)得 A (3)晶闸管两端出现的最大反向电压为变压器次级电压的最大值 V 再考虑到安全系数2~3倍,所以选择额定电压为600V以上的晶闸管。 4.电感性负载和续流二极管 电感性负载可用电感元件L和电阻元件R串联表示,如图8-6所示。 晶闸管触发导通时,电感元件中存贮了磁场能量,当v2过零变负时,电感中产生感应电势,晶闸管不能及时关断,造成晶闸管的失控,为了防止这种现象的发生,必须采取相应措施。 通常是在负载两端并联二极管D(图8-6虚线)来解决。 当交流电压v2过零值变负时,感应电动势eL产生的电流可以通过这个二极管形成回路。 因此这个二极管称为续流二极管。 这时D的两端电压近似为零,晶闸管因承受反向电压而关断。 有了续流二极管以后,输出电压D的波形就和电阻性负载时一样。 值得注意的是,续流二极管的方向不能接反,否则将引起短路事故。 5.应用举例——台灯调光电路 图8-7是台灯无级调光电路。 图中灯泡负载接在交流侧,其电流大小受直流侧的晶闸管T控制,调节电阻RP就能改变晶闸管的控制角α,从而控制灯泡的亮度。 图8-7台灯调光电路 8.2.2单相桥式半控整流电路 1.电路组成 单相桥式半控整流电路如图8-8(a)所示。 其主电路与单相桥式整流电路相比,只是其 (a)电路图(b)波形图 图8-8单相桥式半控整流电路与波形 中两个桥臂中的二极管被晶闸管T1、T2所取代。 2.工作原理 接上交流电源后,在变压器副边电压v2正半周时(a端为正,b端为负),T1、、D1、处于正向电压作用下,当ωt=α时,控制极引入的触发脉冲vG使T1导通,电流的通路为: a→T1→RL→D1→b
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