第一章晶闸管可控整流电路名师编辑PPT课件.ppt

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1、按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：(2)半控型器件半控型器件控制信号可以控制导通而不能控制关断控制信号可以控制导通而不能控制关断晶闸管（晶闸管（Thyristor）(3)全控型器件全控型器件既可控制其导通又可控制其关断既可控制其导通又可控制其关断绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（MOSFET）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）(1)不可控器件不可控器件工作原理同普通二极管工作原理同普通二极管电力二极管（电力二极管（Power Diode）定义:电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子

2、器件。(Power Electronic Device)其基本模型：图电力电子器件的理想开关模型图电力电子器件的理想开关模型第一章第一章 电力电子器件知识电力电子器件知识电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件的开关状态由外电路（驱动电路）来控制。在工作中器件的功率损耗（通态、断态、开关损耗）很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A）、阴极（K）、门极（G），常用的有螺栓式与平板式。A N N P KG P J1J2J3 AGK图图2 晶闸管的图形符号和内部结构晶闸管的图形符号和内部结构2

3、.1 2.1 晶闸管的结构晶闸管的结构常用常用晶闸管的外形结构晶闸管的外形结构螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式晶闸管模块晶闸管模块小电流塑封式小电流塑封式晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管1（112）与V2（N122）的组成。图图4 晶闸管工作原理晶闸管工作原理晶闸管的工作原理：晶闸管的工作原理：可控的单向导电性。可控的单向导电性。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：流过晶闸管的阳极电流流过晶闸管的阳极电流I Ia a小于晶闸管规定的维小于晶闸管规定的维持电流持电流I IH H 。关断实现的方式：

4、关断实现的方式：减小阳极电压减小阳极电压 增大负载电阻增大负载电阻 加反向阳极电压加反向阳极电压 (1)正向特性 1)IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。2)正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。3)随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。4)晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UBOUDSMUDRMURRMURSM图图5晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG2.3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性(静态特性静态特性)1)反向特性类似二极管的反向特性。2)反向阻断状

5、态时，只有极小的反相漏电流流过。3)当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM(2)反向特性反向特性图图5晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性IG2IG1IG晶闸管型号 K P 表示闸流特性表示闸流特性普通反向阻断型普通反向阻断型额定通态平均电流额定通态平均电流正反向重复峰值电压等级正反向重复峰值电压等级通态平均电压组别通态平均电压组别如如KP10012G表示额表示额定电流为定电流为100A,额定电额定电压为压为1200V,管压降管压降(通通态平均电压态平均电压)为为1V的普的普通型晶

6、闸管通型晶闸管.整流电路整流电路单相单相单相半波单相半波单相全波单相全波单相桥式单相桥式三相三相三相半控三相半控三相全控三相全控负载性质：负载性质：电阻性电阻性 电感性电感性 反电势性反电势性（一）电阻性负载（一）电阻性负载图图6 6 单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形n单相变压器二次侧电压单相变压器二次侧电压U2为为50HZ正弦波正弦波;变压器起变换变压器起变换电压和电气隔离的作用。电压和电气隔离的作用。n电路输出电压电流平均值下标均用电路输出电压电流平均值下标均用d表示。表示。n晶闸管晶闸管VT,当在电源正半周内且在门极加触发脉冲时导当在电源正半周内且在门极加触发脉冲时导

7、通通.VT导通时，导通时，Ud=U2,截止时截止时Ud=0。n电阻负载的特点：电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。电压与电流成正比，两者波形相同。V VT T的的 移相范围为移相范围为0 0180180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为小的方式称为相位控制方式相位控制方式，简称，简称相控方式相控方式。首先，引入两个重要的基本概念：首先，引入两个重要的基本概念：n控制角控制角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度脉冲止的电角度,用用 表示表示,也称也称触发角或触

8、发延迟角。触发角或触发延迟角。n导通角导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用用 表示表示 。直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为2cos145.0)cos1(22)(sin221222dUUttdUU阻感负载的特点阻感负载的特点：电感对电流变化有抗拒作用，使得电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发生突变。流过电感的电流不发生突变。延迟了晶闸管的关断时延迟了晶闸管的关断时刻，使刻，使Ud波形上出现了负值。波形上出现了负值。(二二)电感性负载电感性负载 整流电路直流负载的感抗整流电路直流负载的感抗Ld和电阻和电阻Rd的大小相的大小

9、相比不可忽略时，这种负载称为比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。电感性负载。图图7 7 带电感性负载的带电感性负载的单相半波可控整流电路及波形单相半波可控整流电路及波形(二二)电感性负载电感性负载在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电源电压源电压U2负半周时，使晶闸管负半周时，使晶闸管VT承受反压而关断。解承受反压而关断。解决的办法是在决的办法是在负载两端并联一个二极管负载两端并联一个二极管。加了续流二极管以后，输出直流电压加了续流二极管以后，输出

10、直流电压Ud的波形与电的波形与电阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半周时，电流由电源经导通的晶闸管供给；电源电压负半周时，电流由电源经导通的晶闸管供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负载周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因此，负载电流由两部分合成。电流由两部分合成。(三三)续流二极管续流二极管L储存的能量保证了电储存的能量保证了电流流id在在Ld-Rd-VD回路中回路中流通，此过程通常称为流通，此过程通常称为续流续流。图图8电感性负载接续流电感性负载接续流二极管二极管时的电路及波形时的电路及波形(三三)续

11、流二极管续流二极管3.2单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路0TRu2u2单相全波可控整流电单相全波可控整流电路采用了二次侧带有路采用了二次侧带有中心抽头的变压器，中心抽头的变压器，每个二次绕组一周期每个二次绕组一周期内只工作一半时间，内只工作一半时间，利用率低。利用率低。VTVT1 1VTVT2 2RdRdT TR Ru2u2电阻性负载电阻性负载3.2单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路图图9 9 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路 单相全波可控整流与单相桥式全控整流电路输出单相全波可控整流与单相桥式全控整流电路输出的直流电压都是全波相控电压的直流电压都是全波相控电压,在后面桥

12、式电路进行在后面桥式电路进行分析。分析。3.3单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路单相全波可控整流与单相全控单相全波可控整流与单相全控桥式桥式整流电路不同之整流电路不同之处在于处在于:全波电路只需两个晶闸管，但变压器二次侧需全波电路只需两个晶闸管，但变压器二次侧需有中间抽头，晶闸管承受变压器二次侧全部电压；桥式有中间抽头，晶闸管承受变压器二次侧全部电压；桥式整流需四只晶闸管，变压器不需抽头，两种电路输出直整流需四只晶闸管，变压器不需抽头，两种电路输出直流电压相等。流电压相等。图图10 10 单相全控单相全控桥式桥式整流电路整流电路(一一)电阻性负载电阻性负载VTVT3 3VTVT4 4VT

13、VT1 1VTVT2 2R Rd d 工作原理及波形分析工作原理及波形分析nVT1和和VT4组成一对桥臂，组成一对桥臂，在在u2正半周承受电压正半周承受电压u2，得，得到触发脉冲即导通，当到触发脉冲即导通，当u2过过零时关断。零时关断。nVT2和和VT3组成另一对桥臂，组成另一对桥臂，在在u2负半周承受电压负半周承受电压-u2，得，得到触发脉冲即导通，当到触发脉冲即导通，当u2过过零时关断。零时关断。u(i)ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4图图11 11 单相单相桥式桥式全控全控带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形a)(一一)电阻性负载电阻性负载数量关系2cos

14、19.02cos122)(dsin21222UUttUUda 角的移相范围为角的移相范围为0180。向负载输出的平均电流值为：向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：出直流平均值的一半，即：211cos0.4522UIIRd Td2cos19.02cos12222ddRURURUI t t t000i2udidb)c)d)uVT1,4流过晶闸管的电流有效值：流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流与输出直流电流I有效值相等：有效值相等：由上述两式得：由上述两式得：不考虑变压器的损耗时

15、，要变压不考虑变压器的损耗时，要变压器的容量器的容量 S=U2I2。222211(sin)d()sin2222UUIttRRT2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII12IIT选择晶闸管的额定电流为：选择晶闸管的额定电流为：(1.5 2)1.57TaIIT t t t000i2udidb)c)d)uVT1,4u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图图12单相全控桥带单相全控桥带感性负载时的电路及波形感性负载时的电路及波形 n假设电路已工作于稳态，假设电路已工作于稳态，id的平均的平均值不变。值不变。n假设负载电感

16、很大，负载电流假设负载电感很大，负载电流id连连续且波形近似为一水平线续且波形近似为一水平线。pu2过零变负时，晶闸管过零变负时，晶闸管VT1和和VT4并不关断。（由于电感的感应电动并不关断。（由于电感的感应电动势，保持两个管子开通）势，保持两个管子开通）p至至t=+时刻，晶闸管时刻，晶闸管VT1和和VT4关断，关断，VT2和和VT3两管导通。两管导通。pVT2和和VT3导通后，导通后，VT1和和VT4承受承受反压关断，流过反压关断，流过VT1和和VT4的电流的电流迅速转移到迅速转移到VT2和和VT3上，此过程上，此过程称换相，亦称换流。称换相，亦称换流。(二二)带感性负载的工作情况带感性负载的工作情况u2O tO tO tudidi2b)O tO tuVT1,4O tO tIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4cos9.0cos22)(dsin21222dUUttUU晶闸管移相范围为晶闸管移相范围为090。晶闸管导通角晶闸管导通角与与无关，均为无关，均为180180。电流的平均值和有效值：电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流变压器二次侧电流i2的波形为正负各的波形为正负各18