晶闸管可控整流电路

§7.1

电力电子技术概述§7.2半导体电力开关器件§7.3晶闸管可控整流电路§7.4本章复习第7章晶闸管整流电路§7.1电力电子技术概述1.什么是电力电子技术（电力电子学）电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的科学技术。电子技术是研究电子器件，以及利用电子器件来处理电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送和接受问题，也称为信息电子技术或信息电子学。早期的电力技术并不涉及电子技术，也不应用电子技术。例如20世纪20年代法国建成一套直流输电系统，采用交流电动机拖动直流发电机（整流），在直流输电线末端采用直流电动机拖动交流发电机（逆变），并不像现在的直流输电系统采用开关元件实现。强电弱电电力电子技术(电力电子学)电力技术（发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络）电子技术（各种电子器件和处理信息的电子电路）控制技术（控制方法和控制理论）三者结合的交叉学

从外延上看电力电子学的定义：■电力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。

电气隔离在电力系统中，电网提供的是频率固定的单相或三相交流电源，但是用电设备的类型和功能千差万别，对电能的电压和频率各不相同。例如，机械加工中的感应加热设备适宜用中频或高频电源供电；化学工业中的电解，电镀需要低压直流电源供电；通信设备大都需要48V低压直流电源；要求调速的直流电机需要可变的直流电压。2.电力电子变换和控制的意义3.电力电子变换的类型（1）整流：将交流电（AC）变换成直流电(DC)。能够完成整流的电路称为整流电路或整流器。（2）逆变：将直流电（DC）变换成交流电(AC)。能够完成逆变的电路称为逆变电路或逆变器。有源逆变和无源逆变3.电力电子变换的类型（3）直流斩波：将直流电V1（DC）变换成直流流电V2(DC)，又称斩波电路或直流斩波器。（4）交流-交流变换：将交流电v1（AC）变换成交流电v2(AC)，包含频率变化和幅值变化。§7.2半导体电力开关器件定义: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：ＡＢＫ电力电子器件的理想开关模型§7.2半导体电力开关器件不控器件：电力二极管半控器件：晶闸管SCR(Thyristor)全控器件：双极结型电力三极管GTR（半导体电力三极管）可关断晶闸管GTO电力场效应晶体管P-MOSFET绝缘门极双极型晶体管IGBT半导体电力开关模块和功率集成电路PIC根据是否可控来分类型名称中文名称英文名称分立器件不可控器件电力二极管PowerDiode半控型器件晶闸管(可控硅)Thyristor(SCR)全控型器件电流控制器件电力晶体管(双极型晶体管)GTR(BJT)门极可关断晶闸管GTO电压控制器件电力场效应晶体管PowerMOSFET绝缘栅双极型晶体管IGBT场控晶闸管MCT静电感应晶体管SIT静电感应晶闸管SITH集成模块功率模块PowerModule单片集成模块SystemonaChip智能功率模块IPM1.电力二极管电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号■电力二极管是以半导体PN结为基础的,实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。不可控器件2.晶闸管(四层、三结、三极)（半控型器件）P1N1P2N2J1J2J3AGKAKGa)外形b)结构

c)电气图形符号

a)c)b)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,直到小于其维持电流,一般为几十～一百多毫安。

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。派生器件：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：A1A2G控制极第一电极第二电极通过控制控制极的电压可实现双向导通。工作原理UA1>UA2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。UA2>UA1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。A1A2G3.门极可关断晶闸管（全控型器件）■晶闸管的一种派生器件，但可以通过在门极施加负的脉冲电流使其关断，因而属于全控型器件。

■GTO的结构和工作原理

◆GTO的结构☞是PNPN四层半导体结构。☞是一种多元的功率集成器件，虽然外部同样引出个极，但内部则包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO元，这些GTO元的阴极和门极则在器件内部并联在一起。

GTO的内部结构和电气图形符号各单元的阴极、门极间隔排列的图形

并联单元结构断面示意图电气图形符号

4.电力晶体管■电力晶体管（GiantTransistor——GTR）按英文直译为巨型晶体管，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（BipolarJunctionTransistor——BJT）

■GTR的结构和工作原理

◆与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。

◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关特性好。

■GTR的基本特性◆静态特性☞在共发射极接法时的典型输出特性分为截止区、放大区和饱和区三个区域。

☞在电力电子电路中，GTR工作在开关状态，即工作在截止区或饱和区。

☞在开关过程中，即在截止区和饱和区之间过渡时，一般要经过放大区。5.电力场效应晶体管■分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET）,简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，它的特点有：◆驱动电路简单，需要的驱动功率小。

◆开关速度快，工作频率高。

◆热稳定性优于GTR。

◆电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置。

6.绝缘栅双极晶体管■GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。

§7.3晶闸管可控整流电路常用整流电路类型：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§7.3晶闸管可控整流电路不同性质的负载对于整流电路输出的电压电流波形有很大影响。负载的性质大致分为以下几种：

电阻性负载——如电阻加热炉、电解、电镀和电焊等。

电感性负载——各种电机的励磁绕组，经电抗器滤波的负载。

电容性负载——整流输出端接大电容滤波的情况。

反电势负载——整流装置输出供蓄电池充电或供直流电动机作电源时用。实际上属于单纯的某一种性质的负载是很少的。确定负载性质必须根据实际情况作具体分析。1.单相半波可控整流电路单相半波不控整流电路单相半波不控整流电路及波形tOt自然换相点1.单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路及波形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α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θ表示。(一)电阻性负载VT的α移相范围为：0～180，晶闸管承受的最大反压为u2的峰值。这种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。

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ωLd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。拖尾拖尾会使输出电压降低，电感负载端的负压可能危害设备安全。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。2.单相桥式可控整流电路单相桥式不控整流带电阻负载时的电路及工作原理aD4D1i22ubTu1D3idRudD2u2

(a)D1RD4u2

(b)u2>0单相桥式不控整流带电阻负载时的电路及工作原理aD4D1i22ubTu1D3idRudD2u2<0u2

(b)D3RD2u2

(a)

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。u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4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0~180。晶闸管可能承受的最大反压为u2的峰值电压流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半。输出电压平均值：u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4单相全控桥带感性负载时的电路及波形

输出电压仍然有“拖尾”现象，使输出直流电压减小。移相范围减小，纯电感时，移相范围为0-900(二)带感性负载的工作情况u单相桥式半控整流电路

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。单相半控桥式整流电路3.三相半波可控整流电路uvw123idRud不可控整流电路的自然换相点就是可控整流电路控制角α的起点ωtuuuwuvudVT1控制角起点VT3控制角起点VT2控制角起点uuvuT1ωtuuwωtuuuvuwuuud控制角α＝０°电流连续，１、２、３晶闸管导通角都为120°晶闸管承受的最大反向压降为uvw123idRudωtiT1uvw123idRud控制角α＝30°ωtuuuｖuｗuuuｄ电流处于连续与断续的临界点，１、２、３晶闸管导通角仍为120°ωtωtuuuｖuｗuuuvw123idRud控制角α＝60°uｄiT1α＞30°时电流断续，１、２、３晶闸管导通角小于120°（1）输出电压平均值：Ud=0.675U2[1+COS（30°+α）]（30°＜α≤150°）（2）晶闸管可能承受的最大正向电压U2，最大反向电压为U2。

（3）移相范围α：0~1500

3652uvRudidL+-14wωtuuuｖuｗuuωtuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuv161256543432uvuwvwvuwuvwuv①②③④⑤⑥①②⑥①②③④⑤⑥①③⑤①①②④⑥②4.三相桥式全控整流电路16125654343216控制角α＝0°3652uvRudidL+-14wωtuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvωtuuuｖuｗuu控制角α＝60°uT1晶闸管承受的最大正、反向压降为√6U2ωt16125654343216ωtuuuｖuｗuu电阻性负载3652uvRudid14w控制角α＝30°ωtuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuv16125654343216控制角α＝60°α＝60°时电流处于连续与断续的临界点计算Ud时，将纵轴右移30°0°＜α≤60°时