晶闸管可控整流电路ppt课件

,13.1电力电子器件,13.2晶闸管可控整流电路（AC-DC）,13.3晶闸管的触发电路,利用电力电子器件实现工业规模的电能变换，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学。,作用优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等行业，都有很大的潜在节电，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施。(2)改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。,(3)电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小，响应速度达到高速化。(4)电力电子智能化的进展，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。,应用领域一般工业：交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输：电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统：高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源：为信息电子装置提供动力家用电器：“节能灯”、变频空调其他：UPS、航天飞行器、新能源、发电装置,一、电力电子器件的分类1.不控器件，如整流二极管。2.半控器件，如普通晶闸管。3.全控器件，如可关断晶闸管、功率晶闸管等。,电压、电流、工作频率,13.1电力电子器件,二、晶闸管（可控硅）-半控型器件晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,1.基本结构,G,晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。,(c)结构,(a)外形,晶闸管的外形、结构及符号,晶闸管实验,KP,2.工作原理,晶闸管导通的条件：,1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,2.工作原理分析,2.工作原理分析,A,依靠正反馈，在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,EA0、EG0,EG,T2正偏,T2进一步导通,依靠正反馈，晶闸管导通后，去掉EG，仍可维持导通状态。,2.工作原理分析,G,EA0、EG0,K,由于iB1iC2，iB2iC1，可使iG=0,3.伏安特性,正向特性,反向特性,IG2IG1IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,4.主要参数,UFRM:,正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM=80%UB0。普通晶闸管UFRM为100V3000V,如果正弦半波电流的最大值为Im,则,普通晶闸管IF为1A1000A。,UF:通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。,IH:维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十一百多毫安。,UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别共九级,用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,*二、双向晶闸管,*三、可关断晶闸管,uA0时，uG0，管子导通；uA0时，uG0，管子截止。,相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个控制极。,13.2可控整流电路,一、单相半波可控整流1.电阻性负载,(1)电路,u0时：若ug=0，晶闸管不导通，,u0时：D反向截止，不影响整流电路工作。,3.电感性负载(加续流二极管),+,(1)电路,(3)工作波形(加续流二极管),iL,2,加续流二极管整流输出电压及电流的平均值与电阻性负载相同,改变控制角，可改变输出电压Uo,移相范围,二、单相全控桥式整流电路,1.电阻负载,工作原理,T1和DT4承受正向电压。加触发电压,则T1和T4导通，电流的通路为,a,(1)电压u为正半周时,io,RL,uo,此时，T2和T3均承受反向电压而截止。,T2和T3承受正向电压。控制极加触发电压,则T2和T3导通，电流的通路为,(2)电压u为负半周时,b,此时，T1和T4均承受反向电压而截止。,3.工作波形,2,移相范围,4.输出电压及电流的平均值,（5）主要参数,UO,负载直流电压,负载直流电流,二极管和晶闸管平均电流,ID=IT=0.5IO,晶闸管反向阳极电压最大值,晶闸管正向阳极电压最大值,4.输出电压及电流的平均值,（5）主要参数,UO,负载直流电压,负载直流电流,二极管和晶闸管平均电流,ID=IT=0.5IO,晶闸管电流有效值,二极管反向阳极电压最大值,晶闸管反向阳极电压最大值,晶闸管正向阳极电压最大值,2.大电感负载P281,io,+,R,uo,a,u,+,b,L,移相范围:00900,三、单相半控桥式整流电路,1.电阻负载,工作原理,T1和D2承受正向电压。T1加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为,a,(1)电压u为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,T2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为,(2)电压u为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3.工作波形,2,2.大电感负载P283,思考：如图所示的整流电路中，增加控制角时，导通增加还是减少？负载直流电压如何变化？,【答】增大时，减小，负载直流电压UO减小。,思考：如图所示的整流电路中，=60和120时，负载电压UO的最大值是否相同?,图b,【答】负载电压UO的最大值不相同。如图b所示。,【例】,解：,=1800(=00)时，U0=180V,I0=6A,晶闸管选KP5-7型，二极管选2CZ5/300,例:有一电阻性直流负载，RL=10，要求负载的端电压UO在40120V之间可调，若采用单相半控桥式整流电路供电，求（1）U2（2）控制角的变化范围（3）画出60o时控制极电压Ug、负载端电压uo的波形。,（1）设：Uo=120V时，管子全导通，即0，则这时UO=0.9U2，故,（2）,可见得变化范围为：,例：电阻性负载两端直流电压为50V，电流为10A，变压器副边电压有效值U2=200V，试计算采用单相半控桥式整流电路时，晶闸管的导通角以及通过晶闸管中的电流平均值，并将下列单相半控桥式整流电路连接完整。,两种常用可控整流电路,电路特点,该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。,2.晶闸管和负载上的电流相同。,(1),电路特点,1.该电路接入电感性负载时，D1、D2便起续流二极管作用。,(2),2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,三、三相半波可控整流电路,1.电路,T1正向电压。T1控制极加触发电压,则T1导通，此时，T2和T3均承受反向电压而截止。,(1)a相电压瞬时值最高期间,2.工作原理,T2正向电压。T2控制极加触发电压,则T2导通，此时，T1和T3均承受反向电压而截止。,(2)b相电压瞬时值最高期间,T3正向电压。T3控制极加触发电压,则T3导通，此时，T1和T2均承受反向电压而截止。,(3)c相电压瞬时值最高期间,3.工作波形,动画,4.输出电压及电流的平均值,ug,4.输出电压及电流的平均值,ug,4.输出电压及电流的平均值,四、三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1.电路,19.3单结晶体管触发电路,一、单结晶体管1.结构,PN结,N型硅片,(a)示意图,单结晶体管结构示意图及其表示符号,2.工作原理,UEUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。,1.UEUP时单结管导通，UEUV时恢复截止。,单结晶体管的特点:,2.单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电压UP不同。,3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在25V之间。常选用稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。,二、单结晶体管触发电路,1.振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。,2.振荡过程分析,设通电前uC=0。,接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。,当uCUP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。,电容放电至uCUv时，单结管重新关断，使ug0。,(a),(b),3.电压波形,三、单结管触发的半控桥式整流电路,1.电路,2.工作原理,(1)整流削波,削波,整流,(2)触发电路,t,(3)输出电压uL,O,O,单结晶体管触发电路,输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管D1,可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。,问题讨论,1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？,目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即角一样)以使输出平均电压不变。,2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？,