《电力电子技术（第二版） 》 课件 项目二 单相可控整流电路-制作简单调光灯电路

项目二单相可控整流电路—制作简单调光灯电路【学习目标】知识目标（1）能说出功率二极管的工作原理（2）能说出晶闸管导通关断的条件（3）能说出单相半波桥式可控整流电路的工作原理（4）能说出晶闸管触发电路的要求（5）能说出单结晶体管的伏安特性能力目标（1）能画出单相半波桥式可控整流电路的输出波形图（2）会计算单相半波桥式可控整流电路输出值（3）会用分析并检测单相半波可控整流电路单相桥式可控整流电路的电路输出波形素养目标（1）培养认真分析仔细计算自行探索解决问题的能力（2）培养良好沟通团队协作完成任务的能力【项目引入】

调光台灯可以根据应用场合的不同自由调节光照亮度它在日常生活中的应用非常广泛图是常见的调光台灯图是调光台灯的电路原理图本项目中将制作简单调光台灯电路。

请查找资料向同学们介绍单相可控整流电路的应用范围。（a）实物图

（b）电路原理图图2-1调光台灯

任务2.1认识功率二极管

功率二极管又称电力二极管，是指可以承受高电压大电流且具有较大耗散功率的二极管。它不能用控制信号控制其导通和关断，只能由加载元件上电压的极性控制其通断。因此属于不可控型器件，用于不需要调压的整流感性负载的续流以及用作限幅钳位稳压等。2.1认识功率二极管的伏安特性1.器件结构

功率二极管内部是一个结面积较大的PN结，在PN结的两端各引出一个电极，分别称为阳极A和阴极K。（a）功率二极管结构图

（b）功率二极管外形电气符号2.伏安特性

功率二极管两极所加电压与流过电流的关系特性称为功率二极管的伏安特性，如图2-3所示。图2-3功率二极管伏安特性曲线2.1.2了解功率二极管的参数和选型

2.参数选择1)型号国产普通功率二极管的型号规定如下：

任务2.2认识晶闸管

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称可控硅整流器，或简称为可控硅，是一种能够承受高电压、大电流的半控型电力电子器件。1.晶闸管的结构

晶闸管是一种大功率半导体器件，是四层三端结构，内部具有P1N1P2N2四层，外部有三个电极，从P1层和N2层分别引出阳极A（Anode）和阴极K（Cathode），由P2层引出门极G（Gate）如图2-4所示。（a）结构示意图（b）电气符号图2-4晶闸管的结构和电气图形符号2.晶闸管的导通和关断条件

由以上实验现象，可以得到晶闸管的导通条件是：阳极加正向电压，且同时在门极与阴极之间加正向电压，则晶闸管导通，两项条件缺一不可。

晶闸管一旦导通，门极将失去作用。

晶闸管的关断条件：需要使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值（称为维持电流）以下，因此一般采用去掉晶闸管的阳极电压，或者给晶闸管阳极加反向电压的方式来关断晶闸管。2.2.2了解晶闸管工作原理图2-7晶闸管等效电路图晶体管V1、V2处于放大状态，Eg产生的门极电流Ig就是V2的基极电流Ib2，V2的集电极电流Ic2=β2Ig。而Ic2又是晶体管V1的基极电流Ib1，V1的集电极电流Ic1=β1Ic2=β1β2Ig。电流IC1又流入V2的基极，再一次被放大。这样循环下去，形成了强烈的正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通，这就是晶闸管的导通过程。导通后，晶闸管上的压降很小，电源电压几乎全部加在负载上，晶闸管中流过的电流即负载电流。正反馈过程如下：Ig↑→Ib2↑→Ic2(Ib1)↑→Ic1↑→Ib2↑晶闸管导通后，它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持，即使门极电流Ig=0，IB2仍足够大，晶闸管仍将处于导通状态。要想关断晶闸管，必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度。2.2.3了解晶闸管伏安特性

晶闸管伏安特性是指晶闸管阳、阴极间电压UA和阳极电流IA之间的关系特性

第Ⅰ象限为晶闸管的正向特性，第Ⅲ象限为晶闸管的反向特性。当门极断开Ig=0时，在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过。随着正向阳极电压的增大，漏电流也相应增大。

当正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo时，漏电流急剧增大，晶闸管由断态转入通态。导通状态时晶闸管特性和二极管的正向特性相似，即通过较大的阳极电流，而器件本身的压降很小。

晶闸管正向导通后，要使晶闸管回复阻断状态，只有逐步减少阳极电流，当阳极电流降至维持电流IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。晶闸管加反向阳极电压时，晶闸管的反向特性与一般二极管的伏安特性相似。2.2.4了解晶闸管的参数及选型1.晶闸管的主要参数1)断态重复峰值电压UDRM

当门极断开，晶闸管结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压为晶闸管的断态重复峰值电压，用UDRM表示。2)反向重复峰值电压URRM

规定当门极断开，晶闸管结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压为反向重复峰值电压，用URRM表示。3)额定电压UTn

为防止晶闸管损坏，厂家通常取晶闸管的实际测定值UDRM和URRM中较小的值U，然后将小于U且最接近的电压等级，标为晶闸管的额定电压。2.5完成常用电路电子器件MATLAB仿真分析2.5.1常用电力电子元件模型1.电力二极管模块（Diode)

2-9电力二极管模块

图2-10Diode参数设置2.晶闸管模块（Thyristor）3.绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块

【例2-1】将二极管Diode模块串联在电路中，测试系统模型图如图2-14所示，从示波器中观察二极管的电流iV、电压UV以及电路中负载的电流id和电压Ud波形。图2-14二极管测试电路1.参考电路图建模元件名称提取路径交流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号分解模块Simulink/SignalRouting/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement电流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch二极管Simpowersystems/PowerElectronics/Diode用户界面分析模块Powergui表2-4仿真模块提取路径2.设置各模块参数各模块的参数设置如下：（1）电源ACVoltagesource：电压设置为220V，频率设为50Hz。（2）二极管：采用默认参数设置。（3）电阻负载：负载为纯电阻电路，电阻值为1Ω。（4）信号分解模块Demux：Demux模块将一路输入信号分解为多路输出信号，根据输出检测信号多少将Numberofoutputs设置为2。（5）示波器：双击示波器模块，点击第二个图标Parameters，设置Numberofaxes为5。（6）电压表与电流表：采用默认参数设置。3.仿真参数的设置

由于电源频率是50Hz，因此设置仿真时间为0.06s，电力电子系统通常使用ode23th算法。4.波形分析

点击仿真运行，则得到示波器显示波形如图2-15所示。图2-15示波器显示波形任务2.3认识单相可控整流电路

可控整流电路（Rectifier）是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电变为固定或可调的直流电供给直流用电设备，也称为AC/DC变换。

整流电路按交流输入相数可分为单相、三相和多相整流电路；按电路构成形式可分为半波、桥式（含全控桥式和半控桥式）整流电路；按组成的器件可分为不可控、半控、全控整流电路。2.3.1分析单相半波可控整流电路（电阻性负载）假设：开关元件是理想的，及开关元件（晶闸管）导通时，通态压降为零，关断时电阻为无穷大；变压器是理想的，及变压器漏抗为零，绕组的电阻为零、励磁电流为零。1.电路结构

图示为单相半波可控整流电路，由晶闸管VT、负载电阻R及单相整流变压器TR组成。

图2-16单相半波可控整流电路（电阻性负载）波形

【例2-3】如图2-16所示在单相半波可控整流电路（电阻性负载）中，电源电压U2为220V,要求的直流输出平均电压为50V，直流输出平均电流为20A，试计算：（1）晶闸管的控制角；（2）输出电流有效值；（3）电路功率因数；（4)选择晶闸管型号规格（安全裕量取2倍）。

2.3.2分析单相半波可控整流电路（电感性负载）

图2-17单相半波可控整流电路(阻感负载)及其波形

图2-18带续流二极管的单相桥式整流电路

2.3.3完成单相半波可控整流电路的MATLAB仿真分析使用Simulink创建单相半波整流电路，并使用示波器观察晶闸管触发角与负载电路中的电流和电压波形。1.参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/PulseGenerator交流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号组合模块Simulink/SignalRouting/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement电流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch晶闸管Simpowersystems/PowerElectronics/Thyristor用户界面分析模块Powergui表2-5仿真模块提取路径

（3）晶闸管：采用默认参数设置。（4）电阻负载：当负载是电阻负载时，R=1,L=0,C=inf（无穷大）；当负载为阻感负载时，R＝1，L＝0.01，C＝inf。（a）控制角0°（b）控制角60°图2-21示波器图（电阻性负载）5带感性负载的仿真

带感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本上是相同的。（a）控制角0°（b）控制角60°图2-22示波器图（带感性负载）任务2.4认识单相桥式可控整流电路2.4.1分析单相桥式全控整流电路（电阻性负载）图2-23单相桥式全控整流电路带电阻型负载任务2.4认识单相桥式可控整流电路2.4.1分析单相桥式全控整流电路（电阻性负载）图2-23单相桥式全控整流电路带电阻型负载

2.4.2分析单相桥式全控整流电路（电感性负载）1.不接续流二极管2OwtOwtOwtu2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ua）电路图b）波形图图2-24单相桥式全控整流电流带阻感负载不接续流二极管时的电路与输出波形2.接入续流二极管为了扩大移相范围，不让ud波形出现负值以及使输出电流更加平稳，可在负载两端并接续流二极管。

（a）电路图（b）波形图图2-25单相桥式全控整流电流带阻感负载接续流二极管2.4.3分析单相桥式半控整流电路1.电路结构

将单相全控桥电路中一对晶闸管换成两个整流二极管，就构成了单相桥式半控整流电路。它与单控全桥相比，较为经济，触发装置也相应简单些，在中小容量的可控整流装置中得到了广泛应用。（a)电路图（b）波形图图2-26单相桥式半控整流电路带续流二极管2.4.4完成单相桥式全控整流电路的MATLAB仿真分析

单相桥式全控整流电路是使用4个晶闸管VT1、VT2、VT3和VT4实现控制的，使用Simulink创建单相桥式全控整流电路，使用示波器观察晶闸管触发角与负载电路中的电流和电压的波形。1.参考电路图建模元件名称提取路径脉冲触发器Simulink/Sources/PulseGenerator交流电源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信号组合模块Simulink/SignalRouting/Demux电压表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement电流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement负载RLCSimPowerSystems/Elements/Ser