第5章通信电源

通信电源,通信工程系龚国友,第五章1、整流电路,概述,通信整流技术的发展通信电源的低频整流设备从20世纪50年代末的饱和电抗器控制的稳压稳流硒整流器，60年代的硅二极管取代硒整流片的稳压稳流硅整流器，60年代末70年代初稳压稳流可控硅整流器，一直到80年代末90年代初的高频开关整流器，我国通信用整流设备经历了几代变革。90年代以后，随着计算机控制技术、功率半导体技术和超大规模集成电路生产工艺的飞速发展，高频开关整流技术和产品也越来越成熟，性价比逐步提升，目前已经逐步取代了可控硅整流器，并且还在不断地朝着高频化、高效率、大功率、小型智能化、清洁环保的方向发展。,5不控整流电路,5单相桥式不控整流电路,单相桥式不控整流电路由个整流二极管组成。电阻性负载的单相桥式不控整流电路如图5所示。,工作原理当输入交流电源的极性为上端正下端负时，整流二极管、导通。这时、上的压降很小，在理想情况下，可视为两根导线。电流从输入电源上端经、回到输入电源下端，负载上得到一个半波整流电压。当电源极性改变为上端负下端正时，整流二极管、导通。电流流过、形成回路，负载上得到与前半周极性相同的又一个半波整流电压。设输入为正弦波交流电压，则输出电压为单方向的正弦波绝对值，电阻性负载时波形图如图5所示。,图5-单相桥式不控整流电路图5-2电阻性负载的单相桥式不控整流波形图,输出直流电压和直流电流电阻性负载时输出直流电压为,式中，为整流桥输入交流电压的有效值。流过负载的直流电流为,整流元件参数的计算在桥式整流电路中，负载电流是由两组整流二极管（、和、）轮流导通供给的，流过每个整流二极管的平均电流等于负载电流的一半，即,5不控整流电路,当二极管、导通时，忽略二极管的正向压降，、两只二极管承受的反向电压等于输入电源电压。当二极管、导通时，、承受的反向电压也是如此。所以，整流二极管承受的最高反向电压为,单相桥式不控整流电路图还有另外两种画法，如图5所示。,5不控整流电路,5三相桥式不控整流电路,电阻性负载电阻性负载的三相桥式不控整流电路图如图5所示。整流桥臂可分为两组，其中VD1、VD2、VD3阴极接在一起，称为共阴极组；VD4、VD5、VD6阳极接在一起，称为共阳极组，电路的波形图如图5所示。,图5三相桥式不控整流电路（电阻性负载）电路图,图5三相桥式不控整流电路（电阻性负载）波形图,（）根据优先导通原理，对于共阴极组，阳极电位最高的二极管导通，而共阳极组则阴极电位最低的二极管导通。在t1t2期间，相电压ua最高，相电压ub最低，所以对应二极管VD1和VD5导通。忽略VD1和VD5的正向压降，输出电压ud为线电压uab。在t2t3期间，相电压ua仍为最高，相电压uc变为最低，所以对应二极管VD1和VD6导通。忽略VD1和VD6的正向压降，输出电压ud为线电压uac。,5.1.2三相桥式不控整流电路,在t3t4期间，相电压ub变为最高，相电压uc仍为最低，所以对应二极管VD2和VD6导通，输出电压ud为ubc。在t4t5期间，相电压ub仍为最高，相电压ua变为最低，所以对应二极管VD2和VD4导通，输出电压ud为uba。以此类推，在t5t6期间，二极管VD3和VD4导通，uduac；在t6t7期间，二极管VD3和VD5导通，uducb。在交流电源的一个周期内，每个二极管导通120，输出电压出现个波头，脉动较小。,三相桥式不控整流电路,（）基本定量关系输出直流电压为,式中，为交流相电压有效值；l为交流线电压有效值，,输出直流电流为,每一个二极管都导通120，即周期，故整流二极管的平均电流为,整流二极管承受的最大反向电压为线电压的振幅值,三相桥式不控整流电路,电感性负载,电感性负载的三相桥式不控整流电路如图5所示。这种电路的输出电压波形及输出直流电压、输出直流电流等计算公式均与电阻性负载时一样。当电感足够大，即,（为ud中所含最低次谐波的角频率，2F，F=300Hz），输出电流id波形相当平滑，因此负载电阻上的电压波形相当平滑；理想情况id波形为一条水平线，相应地，流过整流元件的电流为矩形波，输入电流为交变方波。波形图如图5所示。因为电感两端平均电压为零（忽略线圈电阻的压降），所以上的直流电压等于Ud。,图5三相桥式不控整流电路（电感性负载）电路图,三相桥式不控整流电路,图5三相桥式不控整流电路（电感性负载）波形图,输出直流功率为,每相交流输入电流有效值为,输入三相交流电的通信用开关整流器，主回路输入侧的整流电路一般采用无工频变压器三相桥式不控整流电路。如果在开关整流器中接无源功率因数校正电路，则整流电路相当于接电感性负载。输入有功功率在理想情况下（无损耗），与输出直流功率相等，即,输入视在功率为,可见电感性负载的三相桥式不控整流电路在理想情况下，功率因数为,5三相桥式不控整流电路,5可控整流电路,5晶闸管,晶闸管又称为可控硅（，）。结构普通晶闸管具有可控的单向导电性，它有个电极：阳极、阴极和门极（或称控制极）。其内部结构示意图和图形符号如图5所示。,晶闸管的外形有螺栓形和平板形两种，如图5所示。,图5晶闸管的内部结构示意图与符号图5晶闸管外形,（SiliconControlledRectifier）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）。,5.2.1晶闸管,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,一、单向晶闸管,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,2工作原理,A,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,晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,2.工作原理,G,EA0、EG0,K,EG,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：,(1)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。,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,3.伏安特性,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的普通型晶闸管。,二、双向晶闸管,特点：,相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。,符号：,双向晶闸管通过控制电压的控制可实现双向导通。,UA1UA2时，控制极相对于A2加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2。,UA2UA1时，控制极相对于A2加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。,交流调压电路,双向二极管：只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,双向二极管,5.2.2可控整流电路,1.单相半波可控整流电阻性负载,(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,2,2.单相半控桥式整流电路,电路,(1).工作原理,T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为,a,(a)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,(b)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,2,4.输出电压及电流的平均值,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。,5.2.4晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,1、晶闸管的过流保护,(1)快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,(2)过流继电器保护,(3)过流截止保护,在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,2.硒堆保护,2.晶闸管的过压保护,(1)阻容保护,利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。,硒堆保护(硒整流片),晶闸管元件的阻容保护,5.3单结晶体管触发电路,5.3.1.单结晶体管结构及工作原理(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。,2.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),=R1C,注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。,(c)电压波形,=R1C,3.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,5.3.2单结晶体管应用举例,1.电瓶充电机电路,该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。,工作原理,R2、RP、C、T1、R3、R4构成了单结晶体管触发电路。,当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。,当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。,触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D和电阻R1来完成的。,交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电。,交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2、RP向C充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电电流。,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？,稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。,3.单结管触发的可控整流电路中，一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？如何改变控制角？,4.单结管触发的可控整流电路中，输出电压是如何调节的？,思考与练习,习题5.1晶闸管的导