《电力电子技术》-第1章 整流电路

第1章整流电路1.1功率二极管1.2晶闸管1.3单相可控整流电路

1.4晶闸管简单触发电路1.5三相可控整流电路1.6可控整流电路的换相压降1.7晶闸管的保护1.8晶闸管相控触发电路1.9触发脉冲与主电路电压的同步1.1功率二极管功率二极管（又称电力二极管）在20世纪50年代获得应用。因其结构简单，功能实用，一直用到现在。功率二极管在许多电力电子电路中都有着广泛的应用。1.1.1功率二极管的结构1.1.2功率二极管的特性与参数1.1.3功率二极管类型与使用1.1.1功率二极管的结构功率二极管的外形、结构和电气符号，如图1-1所示。图1-1功率二极管的外形及电路符号1.1.2功率二极管的特性与参数

1．功率二极管的伏安特性功率二极管的伏安特性曲线如图1-2所示。2．功率二极管的开关特性(1)关断特性关断特性是指功率二极管由正向偏置的通态转换为反向偏置的断态的特性，关断过程中电压、电流的波形如图1-3(a)所示。(2)开通特性开通特性是指功率二极管由零偏置转换为正向偏置的通态的特性。开通过程的电压、电流波形如图1-3(b)所示。图1-2功率二极管伏安特性曲线图1-3功率二极管的开关特性(a)关断特性(b)开通特性3．功率二极管的主要参数(1)正向平均电流IF（AV）（额定电流）计算的公式如下，其中IF为流过管子的额定电流有效值：

(1-1)(2)反向重复峰值电压URRM（额定电压）计算时按二极管可能承受的最高反向峰值电压的两到三倍来选取二极管的定额。即

URRM=（2～3）UDM(1-2)取相应标准系列值。(3)正向通态压降UF(4)反向恢复时间trr(5)最高允许结温TJm(6)正向浪涌电流IFSM1.1.3功率二极管类型与使用1．功率二极管的类型功率二极管在电路中有整流、续流、隔离、保护等作用。因功率二极管按照正向压降、反向耐压、反问漏电流等性能不相同，特别是反向恢复特性的不同，所以应根据不同场合的不同要求选择不同类型的功率二极管。当然，从根本上讲，性能上的不同都是由半导体物理结构和工艺上的差别造成的。(1)普通二极管。(2)快恢复二极管。(3)肖特基二极管２．功率二极管使用功率二极管使用注意事项(1)必须保证规定的冷却条件，如强迫风冷或水冷。如果不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1／3左右。(2)平板型元件的散热器一般不应自行拆装。(3)严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查整机的耐压时，应将元件短接。1.2晶闸管晶闸管是一种既具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。由于它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，因而在生产实际中获得了广泛的应用。1.2.1晶闸管的结构1.2.2晶闸管的工作原理1.2.3晶闸管的伏安特性1.2.4晶闸管的简单测试1.2.5晶闸管的主要参数1.2.1晶闸管的结构晶闸管全称晶体闸流管，也称可控硅，简称SCR。是用N型单晶硅片，按一定的工艺要求，分别进行扩散及烧结处理后，形成PNPN四层结构的一种半导体器件，其外形和电气符号如图1-4所示。晶闸管有3个引出电极，分别称为阳极A、阴极K和门极G（也称控制极）。图1-4晶闸管的外形、内部结构、电气图形符号和模块外形(a)晶闸管外形(b)内部结构(c)电气图形符号(d)模块外形1.2.2晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理分析如图1-5所示。当晶闸管的阳极和阴极间加反向电压时，不管控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。如果控制极加反向电压，无论晶闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。晶闸管导通必须同时具备两个条件：（1）晶闸管主电路加正向电压。（2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。图1-5晶闸管导通实验电路图1.2.3晶闸管的伏安特性晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为晶闸管伏安特性，正确使用晶闸管必须要了解其伏安特性。如图1-6所示为晶闸管伏安持性曲线，包括正向特性(第一象限)和反向特性(第三象限)两部分。图1-6中各物理量的含义如下：UDRM、URRM——正、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM——正、反向断态不重复峰值电压；UBO——正向转折电压；URO——反向击穿电压。图1-6晶闸管伏安特性曲线1.2.4晶闸管的简单测试晶闸管的简单测试是指从外观判断或用普通的万用电表去鉴别其3个电极以及简单判断晶闸管质量的好坏情况。螺栓式晶闸管的3个电极，在外形上有明显的区别，即螺栓为阳极A，粗辫子导线为阴极K，细辫子导线为门极G。平板式晶闸管的3个电极，除门极导线外，阳极和阴极难从外形区分。具体测试方法如图1-7所示。图1-7晶闸管的现场简易测试1.2.5晶闸管的主要参数1．晶闸管的电压参数(1)断态不重复峰值电压UDSM(2)断态重复峰值电压UDRM(3)反向不重复峰值电压URSM(4)反向重复峰值电压URRM(5)额定电压(6)通态平均电压UT（AV）2．晶闸管的电流参数(1)通态平均电流IT（AV）现定义电流波形的有效值与平均值之比称为该波形的波形系数用Kf表尔。如整流电路直流输出负载电流id的波形系数为流过晶闸管电流的波形系数为负载电流有效值负载电流平均值晶闸管电流有效值晶闸管电流平均值正弦半波电流波形系数Kf应有实际选用时，一般取1.5~2倍的安全裕量计算流过该晶闸管任意波形允许的电流平均值根据电流有效值相等即发热相同的原则，将非正弦半波电流的有效值IT或平均值Id折合成等效的正弦半波电流平均值去选择晶闸管额定值

(2)维持电流IH(3)掣住电流IL(4)断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR(5)浪涌电流ITSM3．动态参数(1)断态电压临界上升率du/dt(2)通态电流临界上升率di/dt(3)开通时间tON如图1-8所示。(4)关断时间tOFF如图1-9所示。图1-8门极控制开通时间图1-9晶闸管电路换向关断时间1.2.6晶闸管的型号1.3单相可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路1.3.2单相全控桥式整流电路1.3.3单相半控桥式可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路1．电阻性负载应用：电炉、电解、电镀、电焊及白炽灯等。特点是：负载两端的电压和流过负载的电流成一定的比例关系，且两者的波形相似；负载电压和电流均允许突变。图1-10为单相半波相控整流电路及波形图。图1-10单相半波相控整流电路及波形(a)电路图(b)波形图控制角

晶闸管的导通角

。整流输出电压平均值整流输出电压的有效值电路的功率因数为

整流输出电流的平均值Id和有效值I分别为

电流的波形系数Kf

2．电感性负载及续流二极管应用：电机的励磁线圈、滑差电动机电磁离合器的励磁线圈以及输出电路中串接平波电抗器的负载。电感性负载不同于电阻性负载，为了便于分析，通常将其等效为电阻与电感串联，如图1-12（a）所示。其波形如图1-12（b）所示。为了使u2过零变负时能及时地关断晶闸管，使ud波形不出现负值，又能给电感线圈Ld提供续流的旁路，可以在整流电路输出端并联二极管VD，如图1-13（a）所示。其波形如图1-13（b）所示。图1-12单相半波电感性负载电路波形图(a)电路图(b)波形图图1-13当

Ld≥Rd时的电流波形图(a)电路图(b)波形图流过晶闸管的电流平均值为

流过续流二极管的电流平均值为流过晶闸管与续流二极管的电流有效值分别为

晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为U2。1.3.2单相全控桥式整流电路1．电阻性负载图1-15（a）为单相桥式全控整流电路，输出整流电压ud、电流id及晶闸管两端电压uT的波形如图1-15（b）所示。晶闸管承受的最高反向电压为-U2

。当晶闸管都处在未被触发导通期间，每个元件承受的电压等于U2/2图1-15单相全控桥电阻性负载(a)电路图(b)波形图整流输出直流电压Ud

整流输出直流电流(负载电流)Id为

负载电流有效值I与交流输入(变压器二次侧)电流I2相同为

晶闸管电流平均值，有效值，电路功率因数为

2．电感性负载图1-16（a）为单相桥式全控整流电路带电感性负载时的电路。图1-16（b）为输出负载电压ud负载电流id

的波形及uT1的波形。ud的波形出现了负半波部分id，的波形则是连续的近似的一条直线。由流过晶闸管的电流iT波形及负载电流id的波形可以看出，两组管子轮流导通，且电流连续，故每只晶闸管的导通时间较电阻性负载时延长了，导通角=与无关。

图1-16大电感负载的单相全控桥式整流电路及波形(a)电路

(b)不接续流管时波形0～90

输出电压平均值Ud直流输出电流的平均值Id

流过晶闸管的电流的平均值和有效值分别为流过变压器二次侧绕组的电流有效值晶闸管可能承受的正反向峰值电压为为了扩大移相范围，且去掉输出电压的负值，提高U的值，可以在负载两端并联续流二极管，如图1-17所示。接了续流二极管后，的移相范围可以扩大到0

～180

。下面通过一个例题来说明全控桥电路接了续流二极管后的数量关系。图1-17单相桥式全控整流电路带电感性负载加续流二极管3．反电动势负载被充电的蓄电池、正在运行的直流电动机的电枢（忽略电枢电感）等这类负载本身是一个直流电源，对于可控整流电路来说，它们是反电动势负载，其等效电路用电动势E和负载回路电阻Rd（电枢电阻）表示，负载电动势的极性如图1-19所示。整流输出电压的平均值为电流的平均值和有效值图1-19单相全控桥反电动势负载电路导电角

图1-20单相桥式全控整流电路反电动势负载串平波电抗器后的临界连续电压、电流波形图1-20所示为单相桥式全控整流电路反电动势负载串平波电抗器后的临界连续电压、电流波形。1.3.3单相半控桥式可控整流电路在阻性负载下，单相桥式半控电路和单相全控电路的ud、id、i2等波形相同，因而一些计算公式也相同。在感性负载下，在u2正半周内，VD2导通，VT1通过L、R、VD2承受电源正电压，uT＝u2。当ωt＝

时触发VT1，VT1导通后，电流从u2正端流出，经VT1、L、R、VD2回到u2负端。当ωt＜

时，因D2导通，T1阻断，所以uT2＝0；当ωt≥

时，VT1导通，则uT2＝-u2，此时VD1始终通过VD2承受电源的反向电压．即uD1＝-u2。图1-21单相半控桥式整流电路大电感负载电路及波形图1-22单相半控桥大电感负载接续流管时电路及波形1.4晶闸管简单触发电路晶闸管相控整流电路，通过控制触发角α的大小即可控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，为保证相控电路的正常工作，很重要的一点是应保证按触发角α的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。

1.4.1对触发电路的要求1.4.2单结晶体管触发电路1.4.1对触发电路的要求1、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。常见触发脉冲信号波形如图1-23所示。2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。3、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。强触发的电流波形如图1-24所示。4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。5、触发脉冲输出隔离和抗干扰图1-23常见触发脉冲信号波形图1-24强触发电流波形1.4.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路具有结构简单、调试方便、脉冲前沿陡、抗干扰能力强等优点，广泛应用于50A以下中小容量晶闸管的单相可控整流装置中。1．单结晶体管的结构与特性1)单结晶体管的结构单结晶体管的结构、等效电路及符号如图1-25所示。2)特性与单结晶体管振荡电路将管子接成图1-26试验电路，图1-25单结晶体管(a)结构示意图(b)等效电路(c)图形符号(d)外形管脚排列图1-26单结晶体管试验电路利用万用表可以很方便地判别单结晶体管的极性和好坏。根据PN结原理，选用R×lk电阻挡进行测量。单结晶体管e和b1极或e和b2极之间的正向电阻小于反向电阻，一般rb1＞rb2，而b2和b1极之间的正、反向电阻相等，约为3~l0kΩ。只要发射极判别对了，即使b2和b1接反了，也不会烧坏管子，只是没有脉冲输出或输出的脉冲幅度很小，这时只需把b2和b1调换即可。2．单结晶体管自激振荡电路利用单结晶体管的负阻特性及RC电路的充放电特性，可组成单结晶体管自激振荡电路，产生频率可变的脉冲，电路如图1-27（a）所示。在R1上便得到一系列的脉冲电压ug。由于放电回路电阻远小于充电回路电阻，故uc为锯齿波，而R1上输出的是前沿很陡的尖脉冲，如图1-27（b）所示。图1-27单结晶体管振荡电路与波形3．简单单结管触发电略图1-28是一个单结晶体管触发电路。单结晶体管触发电路的各点波形如图1-28(b)所示。4．单结管移相触发电路图1-29所示为一实用的单结管触发电路。图1-28

单结晶体管触发电路原理图(a)电路图(b)单结晶体管触发电路各点的电压波形（）图1-29实用单结管移相触发电路1.5三相可控整流电路1.5.1三相半波可控整流电路1.5.2三相全控桥式整流电路1.5.3三相桥式半控整流电路1.5.1三相半波可控整流电路1．三相半波不可控整流电路图1-30(a)为利用二极管作整流元件的不可控整流电路图，变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星形，二次侧接一个公共零点“0”，它与负载一端相连，所以三相半波电路又称三相零式电路。图1-30(b)虚线画出相电压ua、ub、uc对零点的电压波形，它们相位各差120

，图中U2

为整流变压器二次侧相电压有效值。图1-30(c)画出了二次侧线电压uab、uac波形。图1-30电阻负载三相半波不可控整流电路(a)不可控整流电路图(b)相电压波形(c)线电压波形图1-30电阻负载三相半波不可控整流电路(a)不可控整流电路图(b)相电压波形(c)线电压波形二极管换相发生在三相相电压的交点ωt1、ωt2、ωt3处，把这些点称为自然换相点（也称自然换流点）。

2．三相半波相控整流电路图1-31为三相半波相控整流电路及波形。由于三相整流在自然换流点之前晶闸管承受反压，因此自然换流点是晶闸管控制角

的起算点（

=0）。(1)电阻性负载当

=0

时触发脉冲在自然换流点出现，电路工作情况与二极管整流时一样，若增大控制角，输出电压的波形发生变化。当

=18

时，输出电压ud

波形对应的触发脉冲ug如图1-31（c）所示，各相触发脉冲的间隔为120

。自然换流点是晶闸管控制角

的起算点（

=0）。当α≤30

时，负载电流连续，各相晶闸管每周期轮流导电120

，即导通角θT＝120

。当α＞30

时，负载电流断续，θ=150﹣αα移相范围为0～150

图1-31电阻负载的三相半波相控整流电路及波形图输出电压平均值Ud

负载电流的平均值 流过每个晶闸管的平均电流

通过每个晶闸管的电流有效值为当θ≤α≤30

时 当30

＜α≤150

时

(2)大电感负载图1-32大电感负载时三相半波相控整流电路及波形(a)电路图(b)波形图α的移相范围为0

～90

晶闸管所承受的最大正、反向电压均为线电压的峰值

整流输出电压的平均值负载电流的平均值流过晶闸管的电流平均值和有效值：

3．共阳极接法三相半波相控整流电路图1-33共阳极三相半波相控整流电路及波形1.5.2三相全控桥式整流电路在工业生产上广泛应用的是三相桥式全控整流电路，此电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。其电路如图1-34(a)所示。图1-34(b)～(e)为带大电感负载的三相全控桥式整流电路在α＝0

时的电流电压波形。

图1-34三相桥式全控整流电路(a)电路图(b)波形图（α＝0

）图1-35三相桥式全控整流电路电压波形(

＞0)整流输出电压的平均值为三相全控桥式整流电路带大电感负载时的移相范围为0～90

。1.5.3三相桥式半控整流电路电路如图3—14(a)所示。它是把全控桥中共阳极组的3个晶闸管换成整流二极管，因此它具有可控和不可控两者的特性。其显著特点是共阴极组元件必须触发才能换流；共阳极元件总是在自然换流点换流。一周期中仍然换流6次，3次为自然换流，其余3次为触发换流，这是与全控桥根本的区别。图1-36三相桥式半控整流电路与电压波形1.6可控整流电路的换相压降1.6.1换相期间的输出电压1.6.2可控整流电路的外特性1.6.1换相期间的输出电压图1-37考虑变压器漏抗的可控整流电路及其电压、电流波形(a)电路原理图(b)输出波形图1.6.2可控整流电路的外特性图1-38考虑变压器漏抗时的可控整流电路特性1.7晶闸管的保护1.7.1过电压保护1.7.2过电流保护1.7.3电压与电流上升率的限制1.7.1过电压保护1．晶闸管的关断过电压及其保护由于晶闸管换相关断时所产生的过电压叫关断过电压、如图1-39所示。关断过电压保护最常用的方法是，在晶闸管两端并接RC吸收电路，如图1-40所示。

图1-39晶闸管关断过电压波形图1-40用阻容器吸收电路抑制关断过电压2．晶闸管交流侧过电压及其保护1）交流侧操作过电压保护阻容吸收电路的几种接线方式如图1-41所示。2)交流侧浪涌过电压保护金属氧化物压敏电阻是目前大量采用的一种新型的非线性过电压保护元件。金属氧化物压敏电阻是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，具有正、反向相同的、很陡的伏安特性，如图1-42所示。保护接线方式如图1-43所示。图1-41交流侧阻容吸收电路的几种接法图1-42压敏电阻的伏安特性图1-43压敏电阻的几种接法(a)单相连接(b)三相Y连接(c)三相D连接3．直流侧保护变流装置输出接有感性负载(平波电抗器，直流电机绕组等)，当电路闭合时不会产生过电压，但当桥臂上整流元件进行过电流保护的快速熔断器熔断时(图1-44)，贮存在负载中的磁场能量突然释放，就会在直流输出端A、B间产生过电压。另外当变流装置过载，直流快速开关或熔断器切断过载电流时(图1-45)，整流变压器贮能的突然释放也会产生过电压。图1-44快速熔断器熔断时引起过电压图1-45直流开关S跳闸引起过电压1.7.2过电流保护发生过电流的原因有多种。在整流装置内部的原因有晶闸管损坏，触发电路和控制系统故障等。外部原因主要有负载过载，晶闸管装置直流侧短路。交流电源电压过高或过低、电源缺相、可逆系统中产生环流和逆变失败等。由于晶闸管的电流过载能力低，必须采取必要的过电流保护措施，保证晶闸管装置可靠安全地运行。晶闸管装置可能采用的过电流保护措施如图1-46所示。图1-46晶闸管装置可能采用的过电流保护措施A-交流进线电抗器B-电流检测和过流继电器C、D、E-快速熔断器F-过流继电器G-直流快速开关1.7.3电压与电流上升率的限制1．电压上升率的限制2．电流上升率的限制限制电流上升率同限制电压上升率的方法相同，即：(1)串接进线电感；(2)采用整流式阻容保护；(3)增大阻容保护中电阻值可以减小电流上升率，但会降低阻容保护对晶闸管过电压保护的效果。除此以外，还可以在每个晶闸管支路中串入一个很小的电感器，来抑制晶闸管导通时的正向电流上升率1.8晶闸管相控触发电路1.8.1正弦波同步触发电路1.8.2同步信号为锯齿波的触发电路1.8.3