晶闸管可控整流电路精品ppt课件.pptx

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1、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

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2.1 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

3、闸管规定的维持电流持电流I IH H 。关断实现的方式：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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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。

9、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

10、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

11、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，有中间抽头，晶闸管承受变压器二次侧全部电压晶闸管承受变压器二次侧全部电压；桥式桥式整流需四只晶闸管整流需四只晶闸管，变压器不需抽头，两种电路输出直变压器不需抽头，

12、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 4VTVT1 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 )ttt000i2udi

13、db)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2cos19 . 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

14、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，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)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdId

15、IdiVT2,3iVT1,4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

16、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

17、负各的波形为正负各180 的矩形波，其相位的矩形波，其相位由由a角决定，有效值角决定，有效值I2=Id。Ta(1.5 2)(1.5 2)0.451.57TdIIIddT707. 021III晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U数量关系(三三)反电动势负载反电动势负载反电动势负载有如下特点：反电动势负载有如下特点： 只有整流电压只有整流电压ud的瞬时值大于负载电动势的瞬时值大于负载电动势E时，整流时，整流桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有电流电流id输出，当晶闸管导通时，输出，当晶闸管导通时， u

18、d=u2=E+id0；当晶闸管；当晶闸管关断时关断时ud=E。因此，在反电动势负载时，电流不连续，负。因此，在反电动势负载时，电流不连续，负载端直流电压载端直流电压d升高。升高。图图13 单相全控桥式整流反电动势负载单相全控桥式整流反电动势负载 电路结构电路结构 单相全控桥中，每个单相全控桥中，每个导电回路中有导电回路中有2 2个晶闸管，个晶闸管，1 1个晶闸管可以用二极管代个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。替，从而简化整个电路。如此即成为如此即成为单相半控桥式单相半控桥式整流电路整流电路。 ( (一一) )电阻负载电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时半控电路与全控电路在电阻负载

19、时的工作情况相同。的工作情况相同。图图14 14 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路(二) 带感性负载的工作情况n 在在u2正半周，正半周，u2经经VT1和和VD2向负载供电。向负载供电。n u2过零变负时，因电感作用电流不再流经过零变负时，因电感作用电流不再流经 变压器二次绕组，而是由变压器二次绕组，而是由VT1和和VD1续流。续流。n 在在u2负半周触发角负半周触发角a时刻触发时刻触发VT2，VT2导通导通 VT1关断，关断， u2经经VT2和和VD1向负载供电。向负载供电。n u2过零变正时，过零变正时，VD2导通，导通，VD1关断。关断。VT2和和 VD2续流，续流，ud又为零。

20、又为零。图图15 单相桥式半控整流电路带感性负载时波形单相桥式半控整流电路带感性负载时波形i2并联续流二极管时的单相桥式并联续流二极管时的单相桥式半控整流电路感性负载时波形半控整流电路感性负载时波形图图16 单相半控桥带感性负载单相半控桥带感性负载接续流二极管时电路及波形接续流二极管时电路及波形 续流二极管的作用n避免可能发生的失控现象避免可能发生的失控现象 若无续流二极管，则当若无续流二极管，则当突然增大至突然增大至180 或触发脉冲丢或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使情况，这使ud成为正弦半波，其平

21、均值保持恒定，称为成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控失控。n有续流二极管有续流二极管VDR时，续流过程由时，续流过程由VDR完成，避免了失完成，避免了失控的现象。控的现象。n续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。耗。 电路的特点：电路的特点：n变压器二次侧接成星形得到零线，变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免而一次侧接成三角形避免3 3次谐波次谐波流入电网。流入电网。n三个晶闸管分别接入三个晶闸管分别接入a a、b b、c c三相三相电源，其阴极连接在一起电源，其阴极连接在一起共共阴极接法阴极接法 。 图图17 1

22、7 三相半波可控整流电路共阴极接三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及法电阻负载时的电路及=0=0 时的波形时的波形 自然换相点自然换相点：n把晶闸管换成二极管时，二极管换相把晶闸管换成二极管时，二极管换相时刻为时刻为自然换相点自然换相点，是各相晶闸管能，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角各晶闸管触发角的起点，即的起点，即=0 。b)c)d)e)f)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)( (一一) )电阻负载电阻负载n =0 时的工作原理分析时的工作原理分析n变压

23、器二次侧变压器二次侧a相绕组和晶闸管相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。组电流有直流分量。n晶闸管的电压波形，由晶闸管的电压波形，由3段组成。段组成。n=30 的波形（图的波形（图18-a） 特点：负载电流处于连续和断续特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。之间的临界状态。n30 的情况（图的情况（图18-b） 特点：负载电流断续，晶闸管导特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于通角小于120 。a)b)c)d)e)f)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttt 图图17 17 三相半波可

24、控整流电路共阴极接三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及法电阻负载时的电路及=0=0 时的波形时的波形 图图18-a =30=30 时的波形时的波形 图图18-b 3030 时的波形时的波形 n当当=0时整流电压最大时整流电压最大,增大增大,整流电压便减小。整流电压便减小。n当当=150时时,整流电压为零整流电压为零,所以电阻负载时所以电阻负载时,移向范围为移向范围为0150。n当当30时时,负载电流连续负载电流连续,各相晶闸管每周期导电各相晶闸管每周期导电120,即导通角即导通角=120。n当当30时时,负载电流断续负载电流断续,各晶闸管导电时间小于各晶闸管导电时间小于120, 即

25、导通角即导通角=150-。(二)感性负载 图图19 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路带带阻感阻感负载时的电路及负载时的电路及a =60 时的波形时的波形n特点：感性负载，特点：感性负载，L值很大，值很大，id波形基本平直。波形基本平直。na30 时：整流电压波形与电时：整流电压波形与电阻负载时相同。阻负载时相同。na30 时（如时（如a=60 时的波形时的波形如图所示）如图所示）。pu2过零时，过零时，VT1不关断，直到不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。波形中出现负的部分。pid波形有一定的脉动，但为简化波形有一定的脉动，但为简化分析及定

26、量计算，可将分析及定量计算，可将id近似为近似为一条水平线。一条水平线。n感性负载时的移相范围为感性负载时的移相范围为90 。udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOttt三相桥式电路三相桥式电路实质实质:是三相半波共阴与共是三相半波共阴与共阳极组的串联。阳极组的串联。 三相桥式全控整流电路对触发脉冲有特定要求。为了使六个三相桥式全控整流电路对触发脉冲有特定要求。为了使六个晶闸管的触发导通顺序符合自然顺序，在三相电源正序情况下，晶闸管的触发导通顺序符合自然顺序，在三相电源正序情况下，编号为编号为VTVT1 1、VTVT4 4管分别接管分别接A A相相(A(A相可任意指定但相序不能反相可任意指定但相序不能反) )，VTVT3 3、VTVT6 6接接B B相，相，VTVT5 5、VTVT2 2接接C C相，这样触发脉冲与管子导通的顺序为相，这样触发脉冲与管子导通的顺序为123456123456，间隔为，间隔为6060o o。 图图20 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 图图21 三相桥式全控整流三相桥式全控整流电路波形电路波形(=0)n移相范围移相范围090。n 90时，负载端电压时，负载端电压连续连续， Ud=2.34U2cos n三相全控桥负载端电压三相全控桥负载端电压为线电压。为线电压。