电力电子第一章

1、第一章第一章 功率二极管、晶闸管及单相相控整流电路功率二极管、晶闸管及单相相控整流电路第一节第一节 功率二极管功率二极管第二节第二节 晶闸管晶闸管第四节第四节 晶闸管简单触发电路晶闸管简单触发电路第三节第三节 单相相控整流电路单相相控整流电路电力电子器件的分类电力电子器件的分类按照器件能够被控制信号所控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制信号所控制的程度，分为以下三类：1)半控型器件半控型器件绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT）电力场效应晶体管（电力电力场效应晶体管（电力MOSFET）门极可关断晶闸管（门极可关断

2、晶闸管（GTO）等）等3)不可控器件不可控器件只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电电压和电 流决定的。流决定的。电力二极管（电力二极管（Power Diode）通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。又称自关断器件。器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定晶闸管晶闸管（ThyristorThyristor）及其大部分派生器件）及其大部分派生器件2)全控型器件全控型器件通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。通过控制信

3、号可以控制其导通而不能控制其关断。不能用控制信号来控制其通断不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱因此也就不需要驱动电路。动电路。电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分按照驱动电路加在器件控制端和公共端之间信号的性质，分为两类：为两类：按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为按照器件内部电子和空穴两种载流子参与导电的情况分为三三类类： 1) 电流驱动型电流驱动型 1) 单极型器件单极型器件2) 电压驱动型电压驱动型通过从控制端注入或者抽出电流来实现通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制导通或者关断的控制仅通过在

4、控制端和公共端之间施加一定的仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制电压信号就可实现导通或者关断的控制 2) 双极型器件双极型器件3) 复合型器件复合型器件由一种载流子参与导电的器件由一种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由电子和空穴两种载流子参与导电的器件由单极型器件和双极型器件集成混合而成由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件的器件 晶闸管及派生器件、晶体管（晶闸管及派生器件、晶体管（GTR）MOSFET、IGBT、MCT、IGCT、SIT、SITHMOSFET、SIT晶闸管及派生器件、晶闸管及派生器件、GTR、SITHIGBT、MC

5、T、IGCT第一节第一节 功率二极管功率二极管1 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样2 以半导体以半导体PN结为基础结为基础, PN结具有单向导电性。二极管是一个正方结具有单向导电性。二极管是一个正方向导电、反方向阻断的电力电子器件。向导电、反方向阻断的电力电子器件。3 由一个面积较大由一个面积较大的的PN结和两端引线以及封装组成的结和两端引线以及封装组成的4 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装从外形上看，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电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构

6、c) 电气图形符号AKAKa)IKAPNJb)c)5 5 功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性 当外加正向电压大于当外加正向电压大于UTO （门槛电压）（门槛电压）即克服即克服PN结内电场后管子才开始导通，正向导通结内电场后管子才开始导通，正向导通后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到后其压降基本不随电流变化。反向工作时，当反向电压增大到UB（击穿电压），（击穿电压），使使PN结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电结内电场达到雪崩击穿强度时，反向漏电流流剧增，导致二极管击穿损坏。剧增，导致二极管击穿损坏。用于工频整流的功率二极管亦称整流管，国产型号为用于工频整流的功率二极管亦

7、称整流管，国产型号为P P，主要参数，主要参数说明如下：说明如下： （1 1）额定正向平均电流）额定正向平均电流F F（额定电流）指管子长期运行在规定散热（额定电流）指管子长期运行在规定散热条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的条件下，允许流过正弦半波时的最大平均电流，将此电流值配规定系列的电流等级。电流等级。6 功率二极管的主要参数功率二极管的主要参数F F受发热限制，因此在使用中按受发热限制，因此在使用中按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取管子电流定来选取管子电流定额，额，并应留有一定的并应留有一定的裕量裕量。对应额定电流。对应额定电流F F，其有效值为，其有

8、效值为1.571.57F F。（2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压（额定电压）指管子反向能（额定电压）指管子反向能重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压重复施加的最高峰值电压，此值通常为击穿电压B B的的2 23 3。 （3 3）正向平均电压）正向平均电压F F在规定条件下，管子流过额定正弦在规定条件下，管子流过额定正弦半波电流时，管子两端的半波电流时，管子两端的正向平均电压正向平均电压亦称亦称管压降管压降，此值比直流，此值比直流压降小。压降小。（4 4）反向漏电流）反向漏电流对应于反向重复峰值电压时的漏电流。对应于反向重复峰值电压时的漏电流。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承

9、受的反向最高峰值电使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的压的两倍两倍来选定来选定第二节第二节 晶闸管晶闸管晶闸管的优点：晶闸管的优点： 1.功率放大倍数高：达功率放大倍数高：达104以上以上 2.快速响应好：快速响应好： ms级级 3.功耗小，效率高：晶闸管的正向压降为功耗小，效率高：晶闸管的正向压降为1V，功耗，功耗1 4.无磨损，无噪音，体积小，费用低。无磨损，无噪音，体积小，费用低。晶闸管的缺点：晶闸管的缺点： 1. 过载能力小过载能力小 2. 晶闸管工作在深调速（晶闸管工作在深调速（较大）时，产生较大的无功较大）时，产生较大的无功功率，使装置功率，使装置cos降低

10、，并产生高次谐波，引起电网波降低，并产生高次谐波，引起电网波形畸变。形畸变。 关于晶闸管关于晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，也称可控硅）：晶体闸流管，也称可控硅（Silicon Controlled RectifierSCR） 1956年美国贝尔实验室（年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管）发明了晶闸管 1957年美国通用电气公司年美国通用电气公司（GE）开发出第一只晶闸管产品）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新时代 20世纪世纪80年代以来，开始被性能更好的全控型器

11、件取代年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代 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有重要地位 晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型普通晶闸普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件 晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图晶闸管是电力电子器件，工作时发热大，必须安装散热器。图a a为小电流塑封为小电流塑封式，电流稍大时也需紧固在散热板上，图式，电流稍大时也需紧固在散热板上，图b b、c c为螺栓式，使用时必须

12、紧栓在散热器为螺栓式，使用时必须紧栓在散热器上，图上，图d d为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。为平板式，使用时由两个彼此绝缘的散热器把其紧夹在中间。 一、晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管的结构与工作原理晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极（A A）、阴极（）、阴极（K K）、门极（）、门极（G G），常用的有螺栓式与平板式。），常用的有螺栓式与平板式。 平板式普通晶闸管属于双面散热，适用平板式普通晶闸管属于双面散热，适用于大功率场合；螺栓式普通晶闸管属于单于大功率场合；螺栓式普通晶闸管属于单面散热，适用于中、

13、小功率场合。面散热，适用于中、小功率场合。平板式普通晶闸管和螺平板式普通晶闸管和螺栓式普通晶闸管的区别栓式普通晶闸管的区别晶闸管散热器，图晶闸管散热器，图a a适用于螺栓式，图适用于螺栓式，图b b、c c用于平板式。平板式两面用于平板式。平板式两面散热效果好，电流在散热效果好，电流在200200以上的管子都采用平板式结构。以上的管子都采用平板式结构。集成化的晶闸管模块集成化的晶闸管模块集成化的晶闸管模块集成化的晶闸管模块EgEaQ2UgGKAQ1晶闸管导通关断实验原理图晶闸管导通关断实验原理图晶闸管的工作条件晶闸管的工作条件实验顺序实验顺序实验前灯实验前灯的情况的情况实验时晶闸管情况实验时晶

14、闸管情况实验后实验后灯的情灯的情况况阳极电压阳极电压门极电压门极电压导通导通实验实验123暗暗暗暗暗暗反向反向反向反向反向反向反向反向零零正向正向暗暗暗暗暗暗123暗暗暗暗暗暗正向正向正向正向正向正向反向反向零零正向正向暗暗暗暗亮亮关断关断实验实验123亮亮亮亮亮亮正向正向正向正向正向正向正向正向 零零反向反向亮亮亮亮亮亮4亮亮正向正向(减小到零）减小到零）(任意任意)暗暗实验结论实验结论 1. .晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何种电压，都处于关断状态。为何种电压，都处于关断状态。 2.2.晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电晶闸管同时在正向阳极电压

15、与正向门极电压作用下，才能导通。压作用下，才能导通。 3.3.已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门极失去控制作用。门极失去控制作用。 4.4.晶闸管在导通状态时，当晶闸管在导通状态时，当EaEa减小到接近零减小到接近零时，晶闸管关断。时，晶闸管关断。管芯由四层半导体（管芯由四层半导体（P P1 1 N N1 1 P P2 2 N N2 2）组成）组成, ,形成三个形成三个PNPN结（结（1 1、2 2、3 3）。）。晶闸管内部结构晶闸管内部结构晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管1 1（1 11

16、12 2）与）与V V2 2（N N1 12 22 2）的组成。）的组成。一、晶闸管的结构与工作原理一、晶闸管的结构与工作原理 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理IGIb2IC2(Ib1)IC1晶闸管的双晶体管晶闸管的双晶体管模型与工作电路图模型与工作电路图 Ic1= 1 IA + ICBO1 （1.1） Ic2= 2 IK + ICBO2 （1.2） IK=IA+IG （1.3） IA=Ic1+Ic2 （1.4） 式中式中 1和和 2分别是晶体管分别是晶体管V1和和V2的共基极电流的共基极电流增益；增益；ICBO1和和ICBO2分别分别是是V1和和V2的共基极漏的共基极漏电流。由以上式（电流。

17、由以上式（1.1）（1.4）可得）可得 （1.5）)(121CBO2CBO1G2AIIII 晶体管的特性是：在低发射极电流下晶体管的特性是：在低发射极电流下 是很小的，而是很小的，而当发射极电流建立起来之后，当发射极电流建立起来之后， 迅速增大。迅速增大。 阻断状态：阻断状态：IG=0， 1+ 20。流过晶闸管的漏电流稍。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。大于两个晶体管漏电流之和。 开通（门极触发）：开通（门极触发）：注入触发电流注入触发电流IG使晶体管的发射使晶体管的发射极电流增大以致极电流增大以致 1+ 21的话，流过晶闸管的电流的话，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）将（阳极电

18、流）将，实现饱和导通，实现饱和导通。IA实际由外电路实际由外电路决定，即决定，即IA=EA / R。且。且IG失去作用失去作用。 关断关断：逐渐减小：逐渐减小IA，实际使实际使 1+ 20， IA=ICBO1+ ICBO2晶闸管的导通条件晶闸管的导通条件阳极正向，门极正向。（触发导通）阳极正向，门极正向。（触发导通）晶闸管的关断条件晶闸管的关断条件电流过零，电压过零。电流过零，电压过零。 其他几种可能导通的情况：其他几种可能导通的情况： 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升阳极电压上升率率du/dt过高过高 结温较高结温较高 光直接照射硅片

19、，即光触发光直接照射硅片，即光触发 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，称为光控晶闸管用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。）。 其它都因不易控制而难以应用于实践其它都因不易控制而难以应用于实践，只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅只有门极触发（包括光触发）是最精确、迅速而可靠的控制手段速而可靠的控制手段返回返回 总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管总结前面介绍的工作原理，可以简单归纳晶闸管正常工作时的特性如下正常工作时的特性如下：1) 承受反向电压

20、时，不论门极是否有触发电流，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。晶闸管都不会导通。2) 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。下晶闸管才能开通。3) 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。4) 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（维持电流）以下近于零的某一数值（维持电流）以下 。 1）Ig=0时，当阳极电压足够大时，当阳极电压足够大时，晶闸管会时，晶闸管会“硬开通硬开通”，此电压称，此电压称为正向转折电压。为正向转折电

21、压。正向导通正向导通Ig0=0IaUaABIHURO 2）Ig增加时，正向转折电压减小。增加时，正向转折电压减小。 3）晶闸管一旦导通，门极失去控制）晶闸管一旦导通，门极失去控制作用，晶闸管相当于二极管。作用，晶闸管相当于二极管。1、晶闸管阳极伏安特性、晶闸管阳极伏安特性： 4）当晶闸管加反向电压）当晶闸管加反向电压而且此电压足够大时，晶闸而且此电压足够大时，晶闸管反向击穿。管反向击穿。UBOIg1Ig2二、晶闸管的伏安特性与主要参数二、晶闸管的伏安特性与主要参数2.晶闸管的门极伏安特性晶闸管的门极伏安特性IGFM：门极正向峰电流：门极正向峰电流 UGFM ：门极正向峰电压：门极正向峰电压PG

22、M：门极峰值功率：门极峰值功率 PG ：门极平均功率：门极平均功率 确保触发：确保触发：Ig IGT, Ug UGT 加反压加反压170 IT(AV)=0mIsinttdI = 2I)sin(I21m02mtdtf/ IT(AV) =/2 = 1.57 选择元件：实际电流有效值选择元件：实际电流有效值 =实际实际波形系数波形系数 I平均值平均值 额定电流有效值额定电流有效值 = 1.57IT(AV) 两者应相等两者应相等波形系数波形系数f有效值有效值/ I平均值平均值不同电流波形有不同的波形系数，表不同电流波形有不同的波形系数，表1-21-2中列出了四种常用中列出了四种常用电流波形的波形系数电

23、流波形的波形系数f f值与额定电流为值与额定电流为100A100A晶闸管在流过表中晶闸管在流过表中波形时允许通过的平均值。波形时允许通过的平均值。使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般为几十到几百毫安，与结温有关。结温越高，则几百毫安，与结温有关。结温越高，则IH越小。越小。晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍。倍。指在室温下，晶闸管施加正向阳极电压时，使元件由指在室温下，晶闸管施加正向

24、阳极电压时，使元件由断态转入通态所必须的最小门极电流断态转入通态所必须的最小门极电流 。一般为毫安级。一般为毫安级。 4) 门极触发电流门极触发电流IGT 3) 擎住电流擎住电流 IL 2) 维持电流维持电流 IH 3. 动态参数动态参数指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。通态电流上升率。 如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电如果电流上升太快，则晶闸管刚一开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏管损坏 。 (2) 通态电

25、流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电结会有充电电流流过，被称为位移电流。此电流流经流。此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。结时，起到类似门极触发电流的作用。如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通误导通 。 (1) 断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有： 指在额定结温和门

26、极开路的情况下，不导致晶闸管从指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。断态到通态转换的外加电压最大上升率。返回三、国产晶闸管的型号三、国产晶闸管的型号按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：如如KP10012GKP10012G表示额定电流为表示额定电流为100A100A，额定电压为，额定电压为1200V1200V，管压降（通态平均电压）为，管压降（通态平均电压）为1V1V的普通型晶闸管。的普通型晶闸管。有的制造厂采用老型号有的制造厂采用老型号3CT3CT。如。如3CT1003CT100800800表表

27、示额定电流为示额定电流为100A100A，额定电压为，额定电压为800V800V的可控硅整流元件，即的可控硅整流元件，即现在定名的晶闸管。现在定名的晶闸管。3CTK3CTK为快速管，为快速管，3CTS3CTS为双向管。为双向管。 第三节第三节 单相相控整流电路单相相控整流电路一、单相半波相控整流电路一、单相半波相控整流电路（一）电阻性负载单相半波相控整流电路，整流变压器二次电压、电流有效值下标用2表示，电路输出电压电流平均值下标均用d表示。交流正弦电压波形的横坐标为电角度 t，正弦变化一周为2rad或3600电角度，也可用时间表示，50Hz的交流电一个周期为20ms。 概概 述述整流电路：出现

28、最早的电力电子电路，将交整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。流电变为直流电。整流电路的分类：整流电路的分类： 按组成的器件可分为按组成的器件可分为不可控、半控、全控不可控、半控、全控三种三种 按电路结构可分为按电路结构可分为桥式桥式电路和电路和半波半波电路电路 按交流输入相数分为按交流输入相数分为单相单相电路和电路和多相多相电路电路概概 述述负载性质的分类：负载性质的分类： 电阻性负载电阻性负载 电流与电压的波形形状相同电流与电压的波形形状相同 电感性负载电感性负载 负载电流波形连续，并接近于直线负载电流波形连续，并接近于直线 电容性负载电容性负载 电流波形呈尖峰状电流波形呈

29、尖峰状 反电势负载反电势负载 电流波形也呈较大的脉动电流波形也呈较大的脉动 概概 述述可控整流电路可控整流电路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波三相半波三相桥式三相桥式双反星形双反星形大功率多相电路大功率多相电路负载性质：负载性质： 电阻性电阻性 电感性电感性 反电势性反电势性单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路交流侧接单相电源交流侧接单相电源几种典型的单相可控整流电路几种典型的单相可控整流电路单相半波整流电路单相半波整流电路带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况单相桥式全控整流电路单相桥式全控

30、整流电路带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况单相全波整流电路（双半波整流）单相全波整流电路（双半波整流）单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路重点注意：工作原理（波形分析）、重点注意：工作原理（波形分析）、定量计算、不同负载的影响。定量计算、不同负载的影响。单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（一）电阻性负载（一）电阻性负载 变压器变压器T起变换电压起变换电压幅幅值值和和隔离隔离的作用的作用电阻负载的电阻负载的特点特点：输出：输出电压与电流成正比，两电压与电流成正比，两者波形相同者波形相同 。

31、单相半波可控整流电路及波形TV TR0a)u1u2uV Tudidt12 ttttu2uguduV T0b )c)d )e)00电力电子电路的一种电力电子电路的一种基本分析方法基本分析方法 通过器件的理想化，将电路简化为分通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路，分段进行分析计算。段线性电路，分段进行分析计算。对单相半波电路的分析可基于上述方对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：法进行： 当当VT处于断态时，相当于电路在处于断态时，相当于电路在VT处断开，处断开，id=0。 当当VT处于通态时，相当于处于通态时，相当于VT短路。短路。单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流

32、电路单相半波可控整流电路VTVTRdRdTRTR单相变压器二单相变压器二次侧电压次侧电压u2为为50HZ正正 弦波，弦波，晶闸管晶闸管VT。当在。当在电源正半周内且电源正半周内且在门极加触发脉在门极加触发脉冲时导通。冲时导通。VT导通时，导通时，ud= u2,截止时截止时ud= 0工作原理工作原理udu2 基本数量关系基本数量关系 触发延迟角触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加：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触发脉冲止的电角度,用用 表示表示,也称触发角或控制角。也称触发角或控制角。 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

33、期中处于通态的电角度，用用表示表示 。 移相：移相：改变改变的的大小，即改变触发脉冲出现的时刻。大小，即改变触发脉冲出现的时刻。直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为 VT的的a 移相范围为移相范围为180 。 这种通过控制触发相位来控制输出电压大小的方式这种通过控制触发相位来控制输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称称为相位控制方式，简称相控方式相控方式。 2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（1-5）单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路（二）（二） 电感性负载电感性负载 阻感负载的工作特点：电阻感负载的

34、工作特点：电感对电流变化有抗拒作用，感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不发使得流过电感的电流不发生突变。生突变。 输出电压与电流波形不相输出电压与电流波形不相同，且输出电压出现负半同，且输出电压出现负半波。波。a )u1TV TRLu2uV Tudidu20t12 tttttug0ud0id0uV T0b )c )d )e )f)+ + +VTVTRdRdTRTRLdLd 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的大小相比不可忽略时，的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。这种负载称为电感性负载。wtud工作原理工作原理u2带电感负载的工作情况带电感负载

35、的工作情况负载阻抗负载阻抗角角j j、触发角、触发角a、晶闸管导通角、晶闸管导通角的关系的关系 若若j j为定值为定值，a 越大，在越大，在u2正半周正半周L储能越少，维持导电的储能越少，维持导电的能力就越弱能力就越弱，越小越小 若若a为定值，为定值，j j 越大，则越大，则L贮能越贮能越多，多，越大；且越大；且j j 越大，在越大，在u2负半周负半周L维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在维持晶闸管导通的时间就越接近晶闸管在u2正半正半周导通的时间，周导通的时间，ud中负的部分越接近正的部分，平均值中负的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，输出的直流电流平均值也越小。越接近零，输出的直流电

36、流平均值也越小。单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 为提高输出电压为提高输出电压Ud，可在负载，可在负载两端并联续流二极管两端并联续流二极管DR 当当u2过零变负时过零变负时，VDR导通，导通，ud为零。此时为负的为零。此时为负的u2通过通过VDR向向VT施加反压使其关断，施加反压使其关断，L储存的能量保证了电流储存的能量保证了电流id在在L-R-VDR回路中流通，此回路中流通，此过程通常称为过程通常称为续流续流。续流期。续流期间间ud为零，为零，ud中不再出现负中不再出现负的部分，即的部分，即ud波形同电阻负波形同电阻负载。载。a )LTV TRu1u2uV TudV DRidu2ud

37、iduV TiV TIdIdt1ttttttOOOOOO - +b )c )d )e )f )g )iV DRiV DR（三）续流二极管的作用（三）续流二极管的作用 数量关系数量关系:输出电压输出电压Ud同电阻负载同电阻负载 。输出电流。输出电流Id=Ud/R。 只要只要L足够大，可近似足够大，可近似认为认为id为一条为一条水平线，恒为Id，则有 ； ；VT的的 移相范围为移相范围为180 。ddVT2IId2dVT221I)t(dII ddVD2RIId22dVD2)(21RItdII单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路的单相半

38、波可控整流电路的特点特点： 简单，但输出脉动大，变压器二次侧电简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。磁化。实际上很少应用此种电路。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。二、单相全控桥式相控整流电路（一）非正弦电路分析（一）非正弦电路分析 从上面分析可见，整流电路输出的直流电压都是周期性有直流成分的非正弦时间函数，不能像正弦量那样直接计算。但是任何周期性函数都可依靠数学方法，用傅氏级数的形式分解成一系列不同频率的正弦或余弦函数。如负载是线性的，应用叠加原理对应不同频率的正弦电压，如负载是线性的

39、，应用叠加原理对应不同频率的正弦电压，在负载中产生相应的各次谐波电流，负载电流在负载中产生相应的各次谐波电流，负载电流i id d便是各次谐波电便是各次谐波电流的合成。流的合成。 单相正弦半波（a00）整流电压波形分解成傅氏级数的形式为 单相正弦全波与桥式（a00）整流电压波形分解成傅氏级数的形式为非正弦电压ud的有效值为由上式可见，任何非正弦电压的有效值是其直流平均电压平方与各次谐波有效值电压平方之和的开方，有效值总是大于平均值d，只有纯粹的直流电压，才有=d。输出直流电压ud的波形是由直流分量d与交流分量u d的叠加，即从示波器中观察，u d的波形与u d相同，只是将u d波形的横轴坐标上

40、移d值，使u d波形中一周期内剖面线部分正负面积相等，直流分量等于0。（二）单相桥式全控整流电路电阻负载（二）单相桥式全控整流电路电阻负载全波相控整流与单相桥式全控整流电路，全波电路只需两个晶闸管，全波相控整流与单相桥式全控整流电路，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，整流需四只晶闸管，变压器不需抽头，变压器不需抽头，两种电路输出直流电压都是全波相两种电路输出直流电压都是全波相控电压，现以桥式电路进行分析。控电压，现以桥式电路进行分析。桥式整流电阻负载时的电压、

41、电流波形，负载桥式整流电阻负载时的电压、电流波形，负载d d上得到全波上得到全波相控直流电压，整流变压器二次电流相控直流电压，整流变压器二次电流i i2 2为正负缺角正弦波形，平均为正负缺角正弦波形，平均电流为零无直流分量，变压器不会直流磁化。电流为零无直流分量，变压器不会直流磁化。二、单相全控桥式相控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和和VT4组成一对桥臂，组成一对桥臂，在在u2正半周时承受正向电正半周时承受正向电压，得到触发脉冲即导通，压，得到触发脉冲即导通，当当u2过零时关断。过零时关断。V

42、T2和和VT3组成另一对桥臂，组成另一对桥臂，在在u2负半周时承受正向电负半周时承受正向电压，得到触发脉冲即导通，压，得到触发脉冲即导通，当当u2过零时关断。过零时关断。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4VT1VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4RdRdwtwtud dVT1.VT4VT1.VT4导通导通VT2.VT3VT2.VT3导通导通电阻性负载电阻性负载单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相全控桥式电阻负载时的波形单相全控桥式电阻负载时的波形波形特点：1. ud 在一个电源周期中有两个波头。2.

43、 i2的波形正负面积相等。3. uVT的波形有1/2电源段。RTu1u2a)i2abVT1VT3VT2VT4udidttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,4 数量关系数量关系 （1-16）角的移相范围为角的移相范围为180 。 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出直流平均值的一半，即：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU2cos19 . 02cos12222ddRURURUI2cos145.0212ddVTRUII单相桥式全控整流电路单相桥

44、式全控整流电路（2-8）图2-2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路流过晶闸管的电流有效值：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IR有效值相等：有效值相等：由上式由上式不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。 2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI2sin21R2U) t(d2) tsinR2U2(12IRI（1-18）II21VT图2-2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtu

45、didi2b )OtOtuV T1 ,4OtOtIdIdIdIdIdiV T2 ,3iV T1 ,4（三）大电感负载（三）大电感负载为便于讨论，假设电路已工作于稳为便于讨论，假设电路已工作于稳态，态，id的平均值不变。的平均值不变。假设负载电感很大，假设负载电感很大，负载电流负载电流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。u2过零变负时，由于电感的作用晶过零变负时，由于电感的作用晶闸管闸管VT1和和VT4中仍流过电流中仍流过电流id，并，并不关断。不关断。至至t=+ 时刻，给时刻，给VT2和和VT3加触加触发脉冲，因发脉冲，因VT2和和VT3本已承受正电本已承受正电压，故两管导

46、通。压，故两管导通。VT2和和VT3导通后，导通后，u2通过通过VT2和和VT3分别向分别向VT1和和VT4施加反压使施加反压使VT1和和VT4关断，流过关断，流过VT1和和VT4的电流迅的电流迅速转移到速转移到VT2和和VT3上，此过程称换上，此过程称换相，亦称换流。相，亦称换流。单相全控桥电感负载时的波形单相全控桥电感负载时的波形 返回波形特点：1. ud 连续，且出现负波。2. Id的波形为一直线。3. uVT的波形中直线段为。4. i2的波形为方波，且正负面积相等。TabRLa )u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b )OtOtuV T1 ,4Ot

47、OtIdIdIdIdIdiV T2 ,3iV T1 ,4VT1VT1VT2VT2VT3VT3VT4VT4RdRdLdLd感性负载感性负载 数量关系数量关系 （1-20） 晶闸管移相范围为晶闸管移相范围为90 。 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 U2 。 晶闸管导通晶闸管导通角角与与无关，均为无关，均为180 和和 变压器二次侧电流变压器二次侧电流i2的波形为正负各的波形为正负各180 的矩形波，其相的矩形波，其相位由位由角决定，因此有效值角决定，因此有效值I I2 2= =I Id d。 cos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUUddT21II

48、ddT707. 021III2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路（四）带反电动势负载时的工作情况（四）带反电动势负载时的工作情况 在在|u2|E时，才有晶闸管承时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。受正电压，有导通的可能。导通之后，导通之后， ud=u2， ， 直至直至|u2|=E，id即降至即降至0使得使得 晶闸管关断，此后晶闸管关断，此后ud=E 。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止停止导电，导电，称为停止导电角。称为停止导电角。 在在 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。角相同时，整流输出电压比

49、电阻负载时大。REuidd212sinUEa)b)REidudidOEudtIdOt 负载为直流电动机时，负载为直流电动机时， 如果出现如果出现电流断续电流断续则电则电 动机的动机的机械特性将很软机械特性将很软 。 为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串串联一个平波电抗器联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间长晶闸管导通的时间。 这时这时整流电压整流电压ud的波形和负载电流的波形和负载电流id的的波形与电感负载电流连续时的波形相同，波形与电感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式亦一样的计算公式亦一样。

50、为保证电流连续所需的电感量为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出可由下式求出 dmin23dmin21087.222IUIUL单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路三、单相桥式半控整流电路三、单相桥式半控整流电路单相全控桥中，将晶闸管单相全控桥中，将晶闸管VT2、VT4换成二极管换成二极管VD2、VD4，即成为单，即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。）。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时的工作情况相同。的工作情况相同。共阳极连接的二极管共阳极连接的二极管VT1VT1VT2VT2VD1VD1VD2VD2RdRdTRTRLdLd电

51、路图电路图共阴极连接的晶闸管共阴极连接的晶闸管VT1、VT2具有单向可控导电性，VD1、VD2具有单向导电性，不具有可控性，因此将此电路称为单相半控桥。 当突然把控制角增大到当突然把控制角增大到180或或突然突然触发电路时，会发生正在导触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通而两个二极管轮通的晶闸管一直导通而两个二极管轮流导通的现象。流导通的现象。 续流二极管的作用续流二极管的作用 若无续流二极管，则当若无续流二极管，则当a 突然增大至突然增大至180 或触发脉冲丢失或触发脉冲丢失时，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，情况，

52、这使这使ud成为不可控的正弦半波波形，称为失控。成为不可控的正弦半波波形，称为失控。 有续流二极管有续流二极管VDR时，续流过程时，续流过程由由VDR完成，晶完成，晶闸管关断，闸管关断，避免了避免了某一个晶闸管持续导通从而导某一个晶闸管持续导通从而导致致失控的现象。失控的现象。单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路有续流二极管，电感负载时的电路及波形有续流二极管，电感负载时的电路及波形 返回波形特点波形特点：1. ud 同电阻负载。同电阻负载。2. Id的波形为一直的波形为一直线。线。3. iVT的波形为矩形的波形为矩形波，宽度为波，宽度为。4. i2

53、的波形为方波，的波形为方波，且正负面积相等，且正负面积相等，但不连续。但不连续。a )TabRLOb )u2i2udidVT1VT2VD3VD4VDRu2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIdIdttttttt iV T1iV D4iV T2iV D3iV DR第四节第四节 晶闸管简单触发电路晶闸管简单触发电路一、对晶闸管触发电路的要求一、对晶闸管触发电路的要求（一）触发信号应有足够的功率（电压与电流）（一）触发信号应有足够的功率（电压与电流）由于触发信号是脉冲形式，只要触发功率不超过规定值，触发由于触发信号是脉冲形式，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值短时间内可大大超过铭牌规定值。电压、电流的幅值短时间内可大大超过铭牌规定值。（二）对触发信号的波形要求（二）对触发信号的波形要求对于电阻负载脉宽大于对于电阻负载脉宽大于202050s50s，电感负载脉宽大于，电感负载脉宽大于lmslms，对于三相桥式全控电路脉宽要大于对于三相桥式全控电路脉宽要大于60600 0或采用双窄脉冲。或采用双窄脉冲。为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，波形，前沿电流上升率不小于0.5A/s，强脉冲宽度t2应大于50s，脉冲持续时间t3应大于550s。（三）触发脉冲的（三）触发脉冲的