本书从变频器使用者的角度出发, 从理论到实践, 由浅入深地阐述了变频调速的基础知识、常用电力电子器件介绍和选用、变频器的基本组成原理、电动机变频调速机械特性、变频器的控制方式、变频调速系统主要电器的选用; 重点阐述了变频器的操作、运行、安装、调试、维护及抗干扰, 变频器在风机、水泵、中央空调、空气压缩机、提升机等方面的应用实例等。
第2章 电力电子器件
* 常用电力电子器件的结构和工作原理。
* 常用电力电子器件的应用特点。
* 智能电力模块及其应用。
* 会分析常用电力电子器件的特性曲线。
* 掌握常用电力电子器件的测试方法。
* 会利用相关设备做电力电子器件的试验。
2.1 电力二极管
电力二极管(Power Diode，PD)是指可以承受高电压、大电流，具有较大耗散功率的二极管，它与其他电力电子器件相配合，作为整流、续流、电压隔离、钳位或保护元件，在各种变流电路中发挥着重要的作用。
电力二极管与小功率二极管的结构、工作原理和伏安特性相似，但它的主要参数的规定、选择原则等不尽相同，使用时应当引起注意。
2.1.1 结构与伏安特性
1．结构
电力二极管的内部结构也是一个PN结，其面积较大，最新研制出的特殊二极管(如快速恢复二极管)，在制作工艺上有新的突破，使开关时间大为减少。
电力二极管引出两个极，分别称为阳极A和阴极K，使用的符号也与中、小功率二极管一样，如图2.1所示。由于电力二极管的功耗较大，它的外形有螺旋式和平板式两种。螺旋式二极管的阳极紧拴在散热器上。平板式二极管又分为风冷式和水冷式，它的阳极和阴极分别由两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。
2．伏安特性
电力二极管的阳极和阴极间的电压和流过的电流之间的关系称为伏安特性，如图2.2所示。当从零逐渐增大二极管的正向电压时，一开始，阳极电流很小，这一段特性曲线很靠近横坐标轴。当正向电压大于0.5V时，正向阳极电流急剧上升，二极管正向导通，如果电路中不接限流元件，二极管将被烧毁。
(a) 外形 (c) 电气图形符号
图2.1 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
图2.2 电力二极管的伏安特性
当二极管加上反向电压时，起始段的反向电流也很小，而且随着反向电压的增大，反向电流只略有增加，但当反向电压增加到反向不重复电压值时，如图2.2中的URSM所示，反向漏电流开始急剧增加。同样，如果对反向电压不加限制的话，二极管将被击穿而损坏。
2.1.2 主要参数
1．额定电流(正向平均电流)IF
在规定的环境温度为40℃和标准散热条件下，元件PN结的温度稳定且不超过140℃时，允许长时间连续流过50Hz正弦半波的电流平均值，取规定系列的电流等级，即为元件的额定电流。
2．反向重复峰值电压URRM
在额定结温条件下，取元件反向伏安特性不重复峰值电压值URSM(见图2.2)的80%，称为反向重复峰值电压URRM。将URRM值取规定的电压等级，就是该元件的额定电压。
3．正向平均电压UF
在规定的环境温度40℃和标准散热条件下，元件通过50Hz正弦半波额定正向平均值电流时，元件阳极和阴极之间的电压的平均值，取规定系列组别，称为正向平均电压UF，简称管压降，范围一般为0.45~1V。
4．最高工作结温TJM
结温是指管芯PN结的平均温度，用TJM表示。最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM的范围通常为125~175℃。
2.1.3 电力二极管的参数选择及使用注意事项
1．参数选择
(1) 额定正向平均电流IF的选择原则。在规定的室温和冷却条件下，额定正向平均电流IF可按式(2-1)计算后取相应标准系列值，即：
(2-1)
式中IDM为流经二极管的最大电流有效值。考虑到元件的过载能力较小，因此选择时考虑1.5~2倍的安全余量。
(2) 额定电压URRM的选择原则。选择电力二极管的反向重复峰值电压URRM的原则是，电力二极管所工作的电路中可能承受的最大反向瞬时值电压UDM的2~3倍，即：
(2-2)
使用时取相应系列值。
2．电力二极管使用时的注意事项
(1) 必须保证规定的冷却条件，如强迫风冷。如不能满足规定的冷却条件，必须降低使用的容量。如规定风冷元件使用在自冷条件时，只允许用到额定电流的1/3左右。
(2) 平板形元件的散热器一般不应自行拆装。
(3) 严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查整机的耐压，应将元件短接。
2.2 晶 闸 管
晶闸管(Silicon Controlled Rectifier，SCR)是硅晶体闸流管的简称，包括普通晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管、逆导晶闸管和快速晶闸管等。普通晶闸管又叫可控硅，常用SCR表示，国际通用名称为Thyristor，简写为T。
2.2.1 晶闸管的外形和图形符号
晶闸管的种类很多，从外形上看，主要有螺栓形和平板形两种，如图2.3(a)、(b)所示。3个引出端分别叫作阳极A、阴极K和门极G，门极又叫控制极。晶闸管的图形符号如图2.3(c)所示。
图2.3 晶闸管的外形和图形符号
2.2.2 晶闸管的工作原理
晶闸管是四层(P1、N1、P2、N2)的三端器件，有J1、J2、J3三个PN结，如图2.4(a)所示。如果把中间的N1和P2分为两部分，就构成了一个NPN型晶体管和一个PNP型晶体管的复合管，如图2.4(b)所示。
晶闸管具有单向导电特性和正向导通的可控性。需要导通时，必须同时具备以下两个条件。
(1) 在晶闸管的“阳极—阴极”之间加正向电压。
(2) 在晶闸管的“门极—阴极”之间加正向触发电压，且有足够的门极电流。
晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管从关断变为导通，必须使承受反向电压的PN结失去阻断作用。
如图2.4(c)所示，每个晶体管的集电极电流是另一个晶体管的基极电流。两个晶体管相互复合，当有足够的门极电流Ig时，就会形成强烈的正反馈，即：
图2.4 晶闸管的内部工作过程
这时，两个晶体管迅速饱和导通，即晶闸管饱和导通。
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。门极触发电流一般只有几十毫安到几百毫安，而晶闸管导通后，从阳极到阴极可以通过几百安、几千安的电流。要使导通的晶闸管阻断，必须将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下。
2.2.3 晶闸管的阳极伏安特性
晶闸管的阳极与阴极之间的电压和电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图2.5所示。
图2.5 晶闸管的阳极伏安特性曲线
在图2.5中，第Ⅰ象限为正向特性，当ia=0时，如果在晶闸管两端所加的正向电压ua未增加到正向转折电压UB0时，器件处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流。当ua增加到UB0时，则漏电流急剧增大，器件导通，正向电压降低，其特性与二极管的正向伏安特性相仿。通常不允许采用这种方法使晶闸管导通，因为这样重复多次会造成晶闸管损坏。一般采用对晶闸管门极加足够大的触发电流使其导通，门极触发电流越大，正向转折电压就越低。晶闸管的反向伏安特性如图2.5中第Ⅲ象限所示，处于反向阻断状态时，只有很小的反向漏电流，当反向电压超过反向击穿电压UR0后，反向漏电流急剧增大，造成晶闸管反向击穿而损坏。
2.2.4 晶闸管的参数
为了正确选择和使用晶闸管，需要理解和掌握晶闸管的主要参数。
1．额定电压UTM
由图2.5所示晶闸管的阳极伏安特性曲线可见，当门极开路，器件处于额定结温时，根据所测定的正向转折电压UB0和反向击穿电压UR0，由制造厂家规定减去某一数值(通常为100V)，分别得到正向不可重复峰值电压UDSM和反向不可重复峰值电压URSM，再各乘以0.9，即得到正向断态重复峰值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压URRM。将UDRM和URRM中较小的那个值取整后，作为该晶闸管的额定电压值。
晶闸管使用时，若外加电压超过反向击穿电压，会造成器件永久性损坏。若超过正向转折电压，器件就会误导通，经数次这种导通后，也会造成器件损坏。此外，器件的耐压还会因散热条件恶化和结温升高而降低。
因此，选择时，应注意留有充分的裕量，一般应按工作电路中可承受到的最大瞬时值电压UTM的2~3倍来选择晶闸管的额定电压，即：
=(2~3) (2-3)
2．额定电流IT(AV)
晶闸管的额定电流也称为额定通态平均电流，即在环境温度为40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170°的电阻性负载电路中，当不超过额定结温且稳定时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。将该电流按晶闸管标准电流系列取值，称为该晶闸管的额定电流。
由于晶闸管的过载能力差，实际应用时，额定电流一般取1.5~2倍的安全裕量，即：
=(1.5~2)IT/1.57 (2-4)
式中IT为正弦半波电流的有效值。
3．通态平均电压UT(AV)
当晶闸管中流过额定电流并达到稳定的额定结温时，阳极与阴极之间电压的平均值，称为通态平均电压。当额定电流大小相同，而通态平均电压较小时，晶闸管的耗散功率也较小，该管子的质量较好。
4．其他参数
(1) 维持电流IH。在室温下，当门极断开时，器件从较大的通态电流降至维持通态所必需的最小电流称为维持电流。它一般为几毫安到几百毫安。
维持电流与器件的容量、结温有关，器件的额定电流越大，维持电流也越大。结温低时维持电流大。
(2) 擎住电流IL。晶闸管刚从断态转入通态就去掉触发信号，能使器件保持导通所需要的最小阳极电流称为擎住电流。一般擎住电流IL为维持电流IH的几倍。
(3) 通态浪涌电流ITSM。由电路异常情况引起的，并使晶闸管结温超过额定值的不重复性最大正向通态过载电流称为通态浪涌电流，用峰值表示。
(4) 断态电压临界上升率du/dt。在额定结温和门极开路情况下，不使器件从断态到通态转换的阳极电压最大上升率，称为断态电压临界上升率。
(5) 通态电流临界上升率di/dt。在规定条件下，晶闸管在门极触发导通时所能承受的不导致损坏的最大通态电流上升率，称为通态电流临界上升率。
2.2.5 晶闸管的门极伏安特性及主要参数
1．门极伏安特性
门极伏安特性是指门极电压与电流的关系，晶闸管的门极和阴极之间只有一个PN结，所以电压与电流的关系与普通二极管的伏安特性相似。门极伏安特性曲线如图2.6所示。
图2.6 晶闸管的门极伏安特性
同一型号的晶闸管，门极伏安特性曲线呈现较大的离散性，通常以高阻和低阻两条特性曲线为边界，划定一个区域，其他的门极伏安特性曲线都处于这个区域内。该区域又分为不触发区、不可靠触发区及可靠触发区。
2．门极的主要参数
(1) 门极不触发电压UGD和门极不触发电流IGD。不能使晶闸管从断态转入通态的最大门极电压，称为门极不触发电压UGD，相应的最大门极电流称为门极不触发电流IGD。显然，小于该数值时，处于断态的晶闸管不可能被触发导通，当然，干扰信号应限制在该数值以下。
(2) 门极触发电压UGT和门极触发电流IGT。在室温下，对晶闸管加上一定的正向阳极电压时，使器件由断态转入通态所必需的最小门极电流，称为门极触发电流IGT，相应的门极电压称为门极触发电压UGT。
需要说明的是，为了保证晶闸管触发的灵敏度，各生产厂家的UGT和IGT的值不得超过标准规定的数值，但对用户而言，设计的实用触发电路提供给门极的电压和电流应适当大于标准值，才能使晶闸管可靠地触发导通。
(3) 门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM。在晶闸管触发过程中，不会造成门极损坏的最大门极电压、最大门极电流和最大瞬时功率，分别称为门极正向峰值电压UGM、门极正向峰值电流IGM和门极峰值功率PGM。
2.3 门极可关断晶闸管
门极可关断(Gate Turn-Off，GTO)晶闸管，具有普通晶闸管的全部优点，如耐压高、电流大、控制功率小、使用方便和价格低等；但它具有自关断能力，属于全控器件。在质量、效率及可靠性方面有着明显的优势，成为被广泛应用的自关断器件之一。
2.3.1 GTO晶闸管的结构
门极可关断晶闸管的结构与普通晶闸管相似，也为PNPN四层半导体结构、三端(阳极A、阴极K、门极G)器件。它的内部结构、等效电路及符号如图2.7所示。
图2.7 GTO晶闸管的内部结构、等效电路及符号
2.3.2 GTO晶闸管的工作原理
为了分析GTO晶闸管的工作原理，也可将其等效为两个三极管P1N1P2与N1P2N2互补连接，设互1和和2分别为晶体管P1N1P2和晶体管N1P2N2的共基极放大系数，的1比比2小，但都是随着发射极电流Ie的增加而增加的。
当GTO晶闸管的阳极加有正向电压，门极加有正向触发电流IG时，通过N1P2N2晶体管的放大作用，使IC2和IK增加，IC2又作为晶体管P1N1P2的基极电流，经晶体管P1N1P2放大，使IC1和IA增加。IC1又作为晶体管N1P2N2的基极电流，使IC2和IK进一步增加。增强式强烈的正反馈过程，使GTO晶闸管很快饱和导通，这一过程与普通晶闸管的导通过程是一样的。
为了表征门极对GTO晶闸管关断的控制作用，引入门极控制增益晶，， 可表示为：
……
精品教材 更多
