晶闸管可控整流电路

1、,13.1 电力电子器件,13.2 晶闸管可控整流电路（ac-dc）,13.3 晶闸管的触发电路,利用电力电子器件实现工业规模的电能变换，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。例如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能。应用电力电子技术还能实现非电能与电能之间的转换。例如，利用太阳电池将太阳辐射能转换成电能。 与电子技术不同，电力电子技术变换的电能是作为能源而不是作为信息传感的载体。 电力电子器件以半导体为基本材料，最常用的材料为单晶硅；它的理论基础为半导体物理学

2、。,作用 优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理，使电能的使用达到合理、高效和节约，实现了电能使用最佳化。例如，风机水泵、电力牵引、轧机冶炼、工业窑炉、感应加热、电焊、化工、电解等行业，都有很大的潜在节电，所以推广应用电力电子技术是节能的一项战略措施。 (2) 改造传统产业和发展机电一体化等新兴产业。 电力电子技术是弱电控制强电的媒体，是机电设备与计算机之间的重要接口，它为传统产业和新兴产业采用微电子技术创造了条件，成为发挥计算机作用的保证和基础。,(3) 电力电子技术高频化和变频技术的发展，将使机电设备突破工频传统，向高频化方向发展。实现最佳工作效率，将使机电设备的体积减小，响应速度达到

3、高速化。 (4) 电力电子智能化的进展，使微电子技术与电力电子技术一体化，其发展有可能引起电子技术的重大改革。,应用领域 一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业 交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海 电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿 电子装置电源： 为信息电子装置提供动力 家用电器： “节能灯”、变频空调 其他： ups、 航天飞行器、新能源、发电装置,一、 电力电子器件的分类 1.不控器件，如整流二极管。 2.半控器件，如普通晶闸管。 3.全控器件，如可关断晶闸管、功率晶闸管等。,电压、电流、工作频率,13.1 电力电子器件,二、 晶闸管（可控硅）-半控型器件

4、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）。,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,晶闸管实验,kp,2. 工作原理,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

5、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：,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。,晶闸管相当于pnp和npn型两个晶体管的组合,2. 工作原理分析,2. 工作原理分析,a,依靠正反馈，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,ea 0、eg 0,eg,t2正偏,t2 进一步导通,依靠正反馈，晶闸管导通后，去掉eg ， 仍可维持导通状态。,2. 工作原理分析,g,ea 0、eg 0,k,由于

6、 ib1ic2， ib2ic1，可使 ig = 0,3. 伏安特性,正向特性,反向特性,ig2 ig1 ig0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,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100v 3000v,如果正弦半波电流的最大值为im, 则,普通晶闸管if为1a 1000a。,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

7、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。,*二、双向晶闸管,*三、可关断晶闸管,ua0 时，ug0，管子导通； ua0 时，ug0，管子截止。,相当于两个反向晶闸

8、管并联， 两者共用一个控制极。,13.2 可控整流电路,一、 单相半波可控整流 1. 电阻性负载,(1) 电路,u 0 时： 若ug = 0，晶闸管不导通，,u 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通, uo= 0, ut = u ，故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导 通，,(2) 工作原理,t1,u 0 时: 可控硅承受反向电压不导通,即：晶闸管反向阻断,加触发信号，晶闸管承受正向电压导通,u 0时:,o,接电阻负载时 单相半波可控整流电路电压、电流波形,控制角,t1,o,t2,2,导通角,(3)工作波形,(4)整流输出电压及电流的平均值,改变控制角，可改变输出电压uo ,移

9、相范围,晶闸管平均电流,id = io,晶闸管正向阳极电压最大值,负载直流电流,晶闸管反向阳极电压最大值,（5） 主要参数,负载直流电压,2. 电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。,在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。,o,t1,t2,2,2) 工作波形(未加续流二极管),u 0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,加续流

10、二极管整流输出电压及电流的平均值与电阻性负载相同,改变控制角，可改变输出电压uo ,移相范围,二、 单相全控桥式整流电路,1. 电阻负载,工作原理,t1和dt4承受正向电压。 加触发电压, 则t1和 t4导通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,io,rl,uo,此时，t2和t3均承受反向电压而截止。,t2和t3承受正向电压。 控制极加触发电压, 则t2和t3导通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，t1和t4均承受反向电压而截止。,3. 工作波形,2,移相范围,4. 输出电压及电流的平均值,（5） 主要参数,uo,负载直流电压,负载直流电流,二极管和晶闸管平均电流,id

11、 = it = 0.5io,晶闸管反向阳极电压最大值,晶闸管正向阳极电压最大值,4. 输出电压及电流的平均值,（5） 主要参数,uo,负载直流电压,负载直流电流,二极管和晶闸管平均电流,id = it = 0.5io,晶闸管电流有效值,二极管反向阳极电压最大值,晶闸管反向阳极电压最大值,晶闸管正向阳极电压最大值,2. 大电感负载 p281,io,+,r,uo,a,u,+,b,l,移相范围:00 900,三、 单相半控桥式整流电路,1.电阻负载,工作原理,t1和d2承受正向电压。 t1加触发电压, 则t1和 d2导通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，t2和d1均承受反向电压而截

12、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,(2)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,2,2.大电感负载 p283,思考：如图所示的整流电路中，增加控制角 时，导通 增加还是减少？负载直流电压如何变化？,【答】 增大时， 减小，负载直流电压 uo 减小。,思考：如图所示的整流电路中， = 60和 120 时，负载电压uo 的最大值是否相同?,图b,【答】负载电压uo 的最大值不相同。如图b所示。,【例】,解：,=1800(=00)时，u0=180v, i0=6a,晶闸管选kp5-7型，二极管选2cz5/30

13、0,例:有一电阻性直流负载，rl= 10 ，要求负载的端电压 uo 在 40 120 v 之间可调，若采用单相半控桥式整流电路供电，求（1） u2 （2）控制角 的变化范围 （3）画出 60o 时控制极电压 ug 、负载端电压 uo 的波形。,（1）设：uo = 120 v时，管子全导通，即 0，则这时 uo = 0.9 u2，故,（2）,可见得变化范围为：,例：电阻性负载两端直流电压为50v，电流为10a，变压器副 边电压有效值u2=200v，试计算采用单相半控桥式整流电路时，晶闸管的导通角以及通过晶闸管中的电流平均值，并将下列单相半控桥式整流电路连接完整。,两种常用可控整流电路,电路 特点

14、,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。,三、 三相半波可控整流电路,1. 电路,t1正向电压。 t1控制极加触发电压, 则t1导通， 此时，t2和t3均承受反向电压而截止。,(1)a相电压 瞬时值最高期间,2.工作原理,t2正向电压。 t2控制极加触发电压, 则t2导通， 此时，t1和t3均承受反向电压而截止。,(2)b相电压 瞬时值最高期间,t3正向电压。 t3控制极加触发电压, 则t3导通，

15、 此时，t1和t2均承受反向电压而截止。,(3)c相电压 瞬时值最高期间,3. 工作波形,动画,4. 输出电压及电流的平均值,ug,4. 输出电压及电流的平均值,ug,4. 输出电压及电流的平均值,四、 三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1. 电路,19.3 单结晶体管触发电路,一、 单结晶体管 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, ue ubb+ud = up 时,pn结反偏，ie很小；,pn结正向导通, ie迅速增加。, 分压比(0.5 0.9),测量单结晶体管的实验电路,由图可求得,3 .单结晶体管的伏安特性,ip,iv,负阻区

16、：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. ue up时单结管截止；,ue up时单结管导通， ue uv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2 5v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。,二、 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

17、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uc up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 uc uv时，单结管重新关断，使ug0。,(a),(b),3. 电压波形,三、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,单结晶体管触发电路,输出脉冲可以直接从电阻r1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管d1, 可将反向电压隔开，而并联d2，可将反向电压短路。,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