第2章 晶闸管整流电路.ppt

第二章晶闸管整流电路,主要内容,2.1不控型电力电子器件电力二极管2.2半控型电力电子器件晶闸管2.3单相可控整流电路2.4三相可控整流电路,整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。,整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。,引言,PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。,2.1不可控器件电力二极管引言,整流二极管及模块,基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。,电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号,2.1.1PN结与电力二极管的工作原理,二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿,2.1.1PN结与电力二极管的工作原理,PN结的状态,主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。,电力二极管的伏安特性,2.1.2电力二极管的静特性,I,O,I,F,U,TO,U,F,U,2.2半控器件晶闸管,1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。,晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifierSCR）,晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号,2.2.1晶闸管的结构与工作原理,外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,2.2.1晶闸管的结构与工作原理,式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：,晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理,按晶体管的工作原理，得：,2.2.1晶闸管的结构与工作原理,2.2.1晶闸管的结构与工作原理,在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大。阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。,2.2.1晶闸管的结构与工作原理,阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristorLTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。,其他几种可能导通的情况：,2.2.2晶闸管的静态特性,承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。,晶闸管正常工作时的特性总结如下：,（1）正向特性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。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。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。,晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,2.2.2晶闸管的静态特性,2.2.2晶闸管的基本特性,反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。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。,晶闸管的伏安特性IG2IG1IG,（2）反向特性,2.3单相可控整流电路,2.3.1单相半波可控整流电路2.3.2单相桥式全控整流电路,2.3.1单相半波可控整流电路,单相半波可控整流电路及波形,1）带电阻负载的工作情况,变压器T的作用：晶闸管为理想器件：正半周：负半周：电阻负载的特点：如改变触发时刻：在一个周期内，输出直流电压脉动1次。,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a),u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b),c),d),e),0,0,单相半波可控整流电路,2.3.1单相半波可控整流电路,VT的a移相范围为180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：触发延迟角：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a表示,也称触发角或控制角。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。=-,基本数量关系,直流输出电压平均值为：,2.3.1单相半波可控整流电路,2)带阻感负载的工作情况,带阻感负载的单相半波电路及其波形,阻感负载的特点：VT处于断态时：触发后VT开通：id=0，VT关断承受反压负载直流平均电压下降讨论负载阻抗角j、触发角a、晶闸管导通角的关系。,w,t,t,w,w,t,w,t,w,u,2,0,w,t,1,p,2,p,t,u,g,0,u,d,0,i,d,0,u,VT,0,q,a,b),c),d),e),f),+,+,2.3.1单相半波可控整流电路,对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：当VT处于断态时，相当于电路在VT处断开，id=0。当VT处于通态时，相当于VT短路。,单相半波可控整流电路的分段线性等效电路a)VT处于关断状态b)VT处于导通状态,电力电子电路的一种基本分析方法通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。,2.3.1单相半波可控整流电路,当VT处于通态时，如下方程成立：,初始条件：t=，id=0。求解上式并将初始条件代入可得,当t=+时，id=0，代入上式并整理得,其中：,2.3.1单相半波可控整流电路,续流二极管,u,2,u,d,i,d,u,VT,i,VT,I,d,I,d,w,t,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,O,O,O,O,O,O,p,-,a,p,+,a,b),c),d),e),f),g),i,VD,R,a),单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形,当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流。续流时的ud和id：,数量关系(id近似恒为Id）,2.3.1单相半波可控整流电路,VT的a移相范围为180。简单，但输出脉动大，一个周期脉动一次。变压器的利用率低，直流磁化问题。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。,单相半波可控整流电路的特点,2.3.2单相桥式全控整流电路,1)带电阻负载的工作情况,a),u,(,i,),p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b),c),d),d,d,a,a,u,VT,1,4,单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,工作原理及波形分析0：得到触发脉冲即导通，路径。讨论此时的管压降当u2过零时VT1和VT4关断。VT2和VT3开始承受正压VT2和VT3得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。,电路结构：两对桥臂,2.3.2单相桥式全控整流电路,a),b),c),d),单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形,特点全波整流在一个周期内，整流电压波形脉动两次。双脉波整流电路。变压器绕组利用率高，没有直流磁化问题。,2.3.2单相桥式全控整流电路,数量关系,a角的移相范围为180。,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：,2.3.2单相桥式全控整流电路,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：,由以上两式得：,不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。,2.3.2单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,i,2,b),O,w,t,O,w,t,u,VT,1,4,O,w,t,O,w,t,I,d,I,d,I,d,I,d,I,d,i,VT,2,3,i,VT,1,4,单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,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。触发后VT1和VT4导通ud=u2u2过零变负时，VT1和VT4不关断。至t=+a时刻，VT2和VT3导通。换流。,2.3.2单相桥式全控整流电路,数量关系,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a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。,2.3.2单相桥式全控整流电路,3）带反电动势负载时的工作情况,单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形,在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。,导通之后，ud=u2，直至|u2|=E，晶闸管关断，ud=E,停止导电角，,b),i,d,O,E,u,d,w,t,I,d,O,w,t,a,q,d,晶闸管承受正向电压的条件：导通前，ud=E,2.3.2单相桥式全控整流电路,单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的波形,电流断续,如图所示id波形：,电流连续,负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。,2.3.2单相桥式全控整流电路,在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。,为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：,单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况,t,w,w,O,u,d,0,E,i,d,t,p,d,a,q,=,p,2.4三相可控整流电路,2.4.1三相半波可控整流电路2.4.2三相桥式全控整流电路,2.4三相可控整流电路引言,交流测由三相电源供电。负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广。,2.4.1三相半波可控整流电路,电路的特点：变压器接线特点三个晶闸管共阴极接法。,三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时的波形,1)电阻负载,自然换相点：二极管共阴极接法导通管特点：一个周期内VD1、2、3轮流导通，输出直流电压为三相相电压在正半周期的包络线。自然换相点定义各相晶闸管能触发导通的最早时刻,b),c),d),e),f),u,2,i,d,u,a,u,b,u,c,a,=0,O,w,t,1,w,t,2,w,t,3,u,G,O,u,d,O,O,u,ab,u,ac,O,i,VT,1,u,VT,1,w,t,w,t,w,t,w,t,w,t,2.4.1三相半波可控整流电路,a=0时的工作原理分析,工作情况和三相半波不控整流相同。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。,三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时的波形,三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形,u,2,0,w,t,0,w,t,0,w,t,w,t,w,t,u,G,w,t,1,a=30的波形特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。,a30的情况,三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60时的波形,w,w,t,t,w,t,w,t,a,=60,u,2,u,a,u,b,u,c,O,O,O,O,u,G,u,d,i,VT,1,特点：负载电流断续，晶闸管导通角90小于120。讨论的移相范围,2.4.1三相半波可控整流电路,当a=0时，Ud最大，为。,整流电压平均值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,2.4.1三相半波可控整流电路,Ud/U2随变化的规律如图中的曲线1所示。,三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载2电感负载3电阻电感负载,2.4.1三相半波可控整流电路,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压：,晶闸管承受的最大正向电压：,2.4.1三相半波可控整流电路,2）阻感负载,阻感负载时的电路及a=60时的波形,阻感负载特点：电流平直a30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a30时：u2过零时id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围：090。,2.4.1三相半波可控整流电路,数量关系,由于负载电流连续，Ud可由前面的公式求出，即,Ud/U2与a成余弦关系。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间。,2.4.1三相半波可控整流电路,变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为,晶闸管最大正、反向电压峰值相等：,三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。电压波形一个周期脉动三次,2.4.2三相桥式全控整流电路,三相桥式全控整流应用是最为广泛的,共阴极组阳极所接交流电压最大的一个导通,共阳极组阴极所接交流电压最小的那个导通。,三相桥式全控整流电路原理图,导通顺序：VT1VT2VT3VT4VT5VT6,2.4.2三相桥式全控整流电路,1）带电阻负载时的工作情况,当a60时，ud波形均连续，id波形与ud波形形状相同波形图：a=0a=30a=60当a60时，ud波形每60中有一段为零波形图：a=90带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是0120,三相桥式全控整流电路带电阻负载a=0时的波形,任意时刻，上下桥臂都有一个晶闸管导通，ud为线电压。自然换相点：,2.4.2三相桥式全控整流电路,晶闸管及输出整流电压的情况如下表所示,带电阻负载a=30时的波形,导通角推迟30直流电压平均值下降VT1管压降波形T二次侧电流波形,带电阻负载a=60时的波形,开始出现ud瞬时值等于零的情况,带电阻负载a=90时的波形,=120时，ud=0移相范围：0120,2.4.2三相桥式全控整流电路,（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，