第一章——晶闸管可控整流电路.ppt

按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：,(2)半控型器件控制信号可以控制导通而不能控制关断晶闸管（Thyristor）,(3)全控型器件既可控制其导通又可控制其关断绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）,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。(PowerElectronicDevice)其基本模型：,图电力电子器件的理想开关模型,第一章电力电子器件知识,电力电子器件的基本特性,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。,二、晶闸管的结构与工作原理,A,图2晶闸管的图形符号和内部结构,2.1晶闸管的结构,常用晶闸管的外形结构,螺栓型晶闸管,平板型晶闸管外形及结构,大电流螺旋式,大电流平板式,晶闸管模块,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。,2.2晶闸管工作原理,图4晶闸管工作原理,晶闸管的导通条件：1、阳极与阴极之间加上正向电压；2、门极（控制极）与阴极之间加上适当的正向电压，有足够的门极电流Ig流入。,晶闸管导通后，控制极便失去作用，晶闸管维持导通状态。,晶闸管的工作原理：可控的单向导电性。,晶闸管关断的条件：流过晶闸管的阳极电流Ia小于晶闸管规定的维持电流IH。关断实现的方式：减小阳极电压增大负载电阻加反向阳极电压,(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。,图5晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,2.3晶闸管的伏安特性(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。,(2)反向特性,图5晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,晶闸管型号,KP,表示闸流特性,普通反向阻断型,额定通态平均电流,正反向重复峰值电压等级,通态平均电压组别,如KP10012G表示额定电流为100A,额定电压为1200V,管压降(通态平均电压)为1V的普通型晶闸管.,三、可控整流电路,整流电路,单相,单相半波单相全波单相桥式,三相,三相半控三相全控,负载性质：电阻性电感性反电势性,（一）电阻性负载,3.1单相半波可控整流电路,图6单相半波可控整流电路及波形,单相变压器二次侧电压U2为50HZ正弦波;变压器起变换电压和电气隔离的作用。电路输出电压电流平均值下标均用d表示。晶闸管VT,当在电源正半周内且在门极加触发脉冲时导通.VT导通时，Ud=U2,截止时Ud=0。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。,VT的移相范围为0180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相位控制方式，简称相控方式。,首先，引入两个重要的基本概念：控制角：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,用表示,也称触发角或触发延迟角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示。,直流输出电压平均值为,阻感负载的特点：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。延迟了晶闸管的关断时刻，使Ud波形上出现了负值。,(二)电感性负载,整流电路直流负载的感抗Ld和电阻Rd的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。,图7带电感性负载的单相半波可控整流电路及波形,(二)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U2负半周时，使晶闸管VT承受反压而关断。解决的办法是在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Ud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，负载电流由两部分合成。,(三)续流二极管,L储存的能量保证了电流id在Ld-Rd-VD回路中流通，此过程通常称为续流。,图8电感性负载接续流二极管时的电路及波形,(三)续流二极管,3.2单相全波可控整流电路,电阻性负载,3.2单相全波可控整流电路,图9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的直流电压都是全波相控电压,在后面桥式电路进行分析。,3.3单相全控桥式整流电路,单相全波可控整流与单相全控桥式整流电路不同之处在于: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。,图10单相全控桥式整流电路,(一)电阻性负载,工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2负半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,图11单相桥式全控带电阻负载时的电路及波形,a),(一)电阻性负载,数量关系,a角的移相范围为0180。,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出直流平均值的一半，即：,流过晶闸管的电流有效值：,变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：,由上述两式得：,不考虑变压器的损耗时，要变压器的容量S=U2I2。,选择晶闸管的额定电流为：,u,图12单相全控桥带感性负载时的电路及波形,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。（由于电感的感应电动势，保持两个管子开通）至t=+时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。,(二)带感性负载的工作情况,u,晶闸管移相范围为090。,晶闸管导通角与无关，均为180。电流的平均值和有效值：,变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为。,数量关系,(三)反电动势负载,反电动势负载有如下特点：,只有整流电压ud的瞬时值大于负载电动势E时，整流桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有电流id输出，当晶闸管导通时，ud=u2=E+id0；当晶闸管关断时ud=E。因此，在反电动势负载时，电流不连续，负载端直流电压d升高。,图13单相全控桥式整流反电动势负载,电路结构单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相半控桥式整流电路。,3.4单相半控桥式整流电路,(一)电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。,图14单相半控桥式整流电路,(二)带感性负载的工作情况,在u2正半周，u2经VT1和VD2向负载供电。u2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VT1和VD1续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT2，VT2导通VT1关断，u2经VT2和VD1向负载供电。u2过零变正时，VD2导通，VD1关断。VT2和VD2续流，ud又为零。,图15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半控整流电路感性负载时波形,图16单相半控桥带感性负载接续流二极管时电路及波形,续流二极管的作用,避免可能发生的失控现象若无续流二极管，则当突然增大至180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情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,电路的特点：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3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起共阴极接法。,3.5三相半波可控整流电路,图17三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形,自然换相点：把晶闸管换成二极管时，二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即=0。,a),(一)电阻负载,=0时的工作原理分析,变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成。,=30的波形（图18-a）特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。30的情况（图18-b）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,a),图17三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形,图18-a=30时的波形,图18-a30时的波形,当=0时整流电压最大,增大,整流电压便减小。当=150时,整流电压为零,所以电阻负载时,移向范围为0150。当30时,负载电流连续,各相晶闸管每周期导电120,即导通角=120。当30时,负载电流断续,各晶闸管导电时间小于120,即导通角=150-。,(二)感性负载,图19三相半波可控整流电路带阻感负载时的电路及a=60时的波形,特点：感性负载，L值很大，id波形基本平直。a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a30时（如a=60时的波形如图所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。感性负载时的移相范围为90。,3.6三相全控桥式整流电路,三相桥式电路实质:是三相半波共阴与共阳极组的串联。,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VT1、VT4管分别接A相(A相可任意指定但相序不能反)，VT3、VT6接B相，VT5、VT2接C相，这样触发脉冲与管子导通的顺序为123456，间隔为60o。,图20三相桥式全控整流电路,图21三相桥式全控整流电路波形(=0),移相范围090。90时，负载端电压连续，Ud=2.34U2cos三相全控桥负载端电压为线电压。,3.7三相半控桥式整流电路,(一)电阻性负载：当60,负载端电压波形断续(二)电感性负载：与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因此在带电感性负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出现负电压。为避免失控现象，负载端要接续流二极管。,图22三相桥式半控整流电路,控制角=30,负载断电压波形连续，一个周期有6个波头。,控制角