晶闸管及整流PPT教案

1、会计学1晶闸管及整流晶闸管及整流2第1页/共93页3电力电子器件电力电子器件第2页/共93页43）同处理信息的电子器件相比的一般特征：）同处理信息的电子器件相比的一般特征：第3页/共93页5主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗第4页/共93页6电力电子系统电力电子系统：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行电气隔离控制电

2、路第5页/共93页7按照器件能够被控制的程度，分为以下三类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：第6页/共93页8 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类：第7页/共93页9第8页/共93页10晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）第9页/共93页11图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3第10页/共93页12螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第11页/共93

3、页13图1-3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a) 双晶体管模型 b) 工作原理 按晶体管的工作原理晶体管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）)(121CBO2CBO1G2AIIII（1-5）第12页/共93页14第13页/共93页15其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况：第14页/共93页16晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下：第15页/共93页17正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1 1） 静

4、态特性静态特性图1-4 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG第16页/共93页18图1-4 晶闸管的伏安特性IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性反向特性第17页/共93页19100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA2) 关断过程反向阻断恢复时间反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr关断时间关断时间t tq以上两者之和tq=trr+tgr （1-7)普通晶闸管的关断时间约几百微秒2） 动态特性动态特性图1-5 晶闸管的开通和关断过程波形第18页/共93

5、页20通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压额定电压。选用时，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。使用注意：使用注意：1）电压定额电压定额第19页/共93页212 2）电流定额电流定额vtitImsinvti第20页/共93页2222sin4121212121)sin(2100220mmmmNItItdtconItdtIImmmmvtTItconIttdIttdITiI0020)(2sin21sin21第21页/共93页23TNmmTNIIIIII57. 157. 122TdfTvtNvtIIKIIII57. 157. 1通态平均电流通态平均电流 I

6、T的计算的计算 电流有效值相等原则电流有效值相等原则dVTfIIk 第22页/共93页24mIvtididvtfffTdTdfIIKKKIIIIK20057. 157. 157. 1max第23页/共93页2522sin4121212121)sin(2100220mmmmvtItItdtconItdtIImmmmvtdItconIttdIttdITiI2)(2sin21sin210020422mmdvtfIIIIKAKKIIffTd400420057. 120057. 157. 1max第24页/共93页26第25页/共93页27E100V50KE150V1220V10（a）(b)(c)解：K

7、P100-3 UN=300V;IT=100A;IN=157A；Il=(24)4mA=(816) mA(a)U=Um=100V300 VI=100/50000=2mAIlmin所以，该电路中晶闸管不能导通。所以，该电路中晶闸管不能导通。第26页/共93页283 3）动态参数动态参数第27页/共93页291 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)第28页/共93页30图1-6 双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可认为是一对反并联联可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成接的普通晶闸管的集

8、成。有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一个门极一个门极G。在第在第和第和第IIIIII象限有对象限有对称的伏安特性。称的伏安特性。触发排序触发排序: :I+I_ + 。第29页/共93页31a)KGAb)UOIIG=0图1-7 逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点。第30页/共93页32AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-8 光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性a) 电气图形符号 b) 伏安特性又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通

9、的晶闸管。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响。因此目前在高压大功率的场合。第31页/共93页33第32页/共93页34目的目的：当晶闸管额定电压小于要求时，可以串联。第33页/共93页35b)a)RCRCVT1VT2RPRPIOUUT1IRUT2VT1VT2图1-41晶闸管的串联a)伏安特性差异b)串联均压措施动态均压措施动态均压措施：选择动态参数和特性尽量一致的器件。用RC并联支路作动态均压。采用门极强脉冲触发可以显著减小器件开通时间的差异。第34页/共93页36目的目的：多个器件并联来承担较大的电流第35页/共93页37整流电路整流电路：出现最早的电力电子电路，

10、将交流电变为直流电。第36页/共93页38第37页/共93页39图1-9 单相半波可控整流电路及波形带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况变压器T起变换电压和电气隔离的作用。电阻负载的特点电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。tTVTR0a)u1u2uVTudidt12 tttu2uguduVTq0b)c)d)e)00 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(Single Phase Half Wave Controlled Rectifier)第38页/共93页40 首先，引入两个重要的基本概念：首先，引入两个重要的基本概念：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

11、到施加触发脉：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冲止的电角度,用用 表示表示,也称也称触发角触发角或或控制角控制角。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，用：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表表示示 。基本数量关系基本数量关系直流输出电压平均值为2cos145. 0)cos1 (22)(sin221222UUttdUUd(1-1)第39页/共93页41 图1-10 带阻感负载的 单相半波电路及其波形阻感负载的特点阻感负载的特点：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。ttttu20t12 tug0ud0id0uVT0qb)c)d)e

12、)f)+ + +第40页/共93页42u2udiduVTiVTIdIdt1ttttttOOOOOO-+b)c)d)e)f)g)iVDRa)图1-12 单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零，VT承受反压关断。L储存的能量保证了电流id在L-R-VDR回路中流通，此过程通常称为续流续流。 数量关系数量关系(id近似恒为Id）ddVT2II（1-2）d2dVT2)(21ItdII（1-3）ddVDRII2（1-4）d22dVD2)(21RItdII（1-5）第41页/共93页43单相半波可控整流电路的特点单相半波可控整流电路的特点第42页/共93页44第

13、43页/共93页45a)u (i )ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4图1-12 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析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正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路(Single Phase Bridge Contrelled Rectifier)第44页/共93页462cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUU（1-

14、6）a 角的移相范围为180。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：2cos145.0212ddVTRUII（2-10）2cos19 . 02cos12222ddRURURUI(1-7)ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4第45页/共93页47流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量 S=U2I2。2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI（1-8）2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII（1-

15、9）II21VT（1-10）ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4第46页/共93页48u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图1-13 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+ 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。第4

16、7页/共93页49cos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（1-11）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4第48页/共93页50图1-14 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。在a 角相同时，整

17、流输出电压比电阻负载时大。导通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。REuidd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUE（1-12）b)idOEudtIdOtq第49页/共93页51图1-15b 单相桥式全控整流电路接反电动势电阻电阻负载时的波形 电流断电流断续续触发脉冲有足够的宽度，保证当 t= 时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为 。 如图1-15b所示id波形所示：电流连电流连续续ub)idOEdtIdOtq第50页/共93页52为了克服此缺点，一般在主电路中

18、直流输出侧串联一个平波电抗器。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。图1-16 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况tOud0Eidtq = 第51页/共93页53单相全波与单相全控桥从直流输出端或从交流输入端看均是基本一致的。变压器不存在直流磁化的问题。图1-17 单相全波可控整流电路及波形a)tb)udi1OOt第52页/共93页54单相全波中变压器结构较复杂，材料的消耗多。单相全波只用2个晶闸管，比单相全控桥少2个，相应地，门极驱动电路也少2个；但是晶闸管承受的最大电压是单相全控桥的2倍。单相全波导电

19、回路只含1个晶闸管，比单相桥少1个，因而管压降也少1个。从上述后两点考虑，单相全波电路有利于在低输出电压的场合应用。第53页/共93页55udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR 图1-18 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形电阻负载电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。第54页/共93页56 图1-19 单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD

20、2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR第55页/共93页57避免可能发生的失控现象。 若无续流二极管，则当a 突然增大至180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情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。第56页

21、/共93页58相当于把VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形单相桥式半控整流电路的另一接法第57页/共93页59第58页/共93页60图1-20 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形 1)电阻负载电阻负载自然换相点自然换相点：二极管换相时刻为二极管换相时刻为自然换相点自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角闸管触发角a的起点，即的起点，即a =0 。b)c)d)e)f)u2Riduaubu

22、c =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)第59页/共93页61a =0 时的工作原理分析时的工作原理分析变压器二次侧变压器二次侧a相绕组和晶闸相绕组和晶闸管管VT1的电流波形，变压器二的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由晶闸管的电压波形，由3段组段组成成。图1-21 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a =0时的波形 =30 的波形的波形(图图1-22) 特点：负载电流处于连续和断特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。续之间的临界状态。 30 的情况的情况(图图1-23) 特点：负载电流

23、断续，晶闸特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于管导通角小于120 。b)c)d)e)f)u2uaubuc =0Ot1t2t3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1ttttta)R第60页/共93页62图图1.22 三相半波相控整流电路，三相半波相控整流电路， 阻性负载阻性负载 a =30 时的波形时的波形 图图1.23 三相半波相控整流电路，三相半波相控整流电路， 阻性负载阻性负载 a =60 时的波形时的波形 第61页/共93页63cos17.1cos263)(sin2321226562UUttdUUd（1-13）当当a=0时，时，Ud最大，为最大，为 。2d0d17.1UUU)6co

24、s(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262UttdUUd(1-14)整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30 时，负载电流连续，有：时，负载电流连续，有：a30 时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：此时有：第62页/共93页64电流连续时，整流变压器二次侧各相绕组电流有效值为电流连续时，整流变压器二次侧各相绕组电流有效值为电流断续时，整流变压器二次侧各相绕组电流有效值为电流断续时，整流变压器二次侧各相绕组电流有效值为252626221sind()213cos 234UIttRUR2226221sind()2531cos2si

25、n212288UIttRUR第63页/共93页6503060901201500.40.81.21.17321/( )Ud/U2图1-24 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻电感负载第64页/共93页66 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即RUIdd（1-15）222RM45. 2632UUUU（1-16）第65页/共93页67图1-25 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及 =60时的波形特点：阻感负载，特点：阻感负载，L值很值很大，大，id波形基本平直。波形基本平直。a30 时：整流电压波形时：整流电压波形与电阻负载时相同。与电阻

26、负载时相同。a30 时（如时（如a=60 时的波时的波形如图形如图1-23所示）所示）。u2过零时，过零时，VT1不关断，直不关断，直到到VT2的脉冲到来，才换流的脉冲到来，才换流，ud波形中出现负的部波形中出现负的部分。分。id波形有一定的脉动，但为波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为阻感负载时的移相范围为90 。udiauaubucibiciduacOtOtOOtOOttt第66页/共93页68图图1.26 三相半波相控整流电路，电感性三相半波相控整流电路，电感性 负载时的电路及负载时的电路及

27、a =60 时工作波形时工作波形 第67页/共93页69由于负载电流连续，由于负载电流连续， Ud可由式（可由式（1-13）求出，即）求出，即2d0d17. 1UUUUd/U2与与a成余弦关系，如成余弦关系，如图图1-24中的曲线中的曲线2所示。所示。如果负载中的电感量不是如果负载中的电感量不是很大，很大，Ud/U2与与a的关系将的关系将介于曲线介于曲线1和和2之间，曲线之间，曲线3给出了这种情况的一个给出了这种情况的一个例子。例子。03060901201500.40.81.21.17321/( )Ud/U2图1-24 三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1电阻负载 2电感负载 3电阻

28、电感负载第68页/共93页70晶闸管的额定电流为晶闸管的额定电流为晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值线电压峰值三相半波的主要缺点在于其变压器二次电三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有流中含有直流分量直流分量，为此其应用较少。，为此其应用较少。ddVT2577. 031IIII（1-18）dVTVT(AV)368. 057. 1III（1-19）2RMFM45. 2UUU（1-20）第69页/共93页71(a)三相半波共阴极组和共阳极组串联的电路三相半波共阴极组和共阳极组串联的电路 (b)三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 第

29、70页/共93页72共阴极组共阴极组阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在一起的3 个 晶 闸 管 （VT4，VT6，VT2）图1-25 三相桥式全控整流电路原理图导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6第71页/共93页73当当a60 时，时，ud波形均连续，对于电阻负载，波形均连续，对于电阻负载，id波波形与形与ud波形形状一样，也连续波形形状一样，也连续 波形图：波形图： a =0 a =30 a =60 当当a60 时，时，ud波形每波形每60 中有一段为零，中有一段为零，ud波形波形不能出现负值不能出现负值 波形图：波形图： a

30、=90 带电阻负载时三相桥式全控整流电路带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相角的移相范围是范围是120 第72页/共93页74图图 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 阻性负载阻性负载 a =0 时的时的波形波形 图图 a =30 时的波形时的波形 第73页/共93页75图图 a =60 时的波形时的波形 图图 a =90 时的波形时的波形 第74页/共93页76时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-u

31、a=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb第75页/共93页77 三相桥式全控整流电路的三相桥式全控整流电路的特点特点（1）2管同时通形成供电回路，其管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同且不能为同1相器件。相器件。第76页/共93页78 三相桥式全控整流电路的三相桥式全控整流电路的特点特点第77页/共93页79d)dOtb)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3tc)uGOutc)uGOut时 段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出

32、电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucbb)u2Riduaubuc =0Ot1t2t3tc)uGOutc)u1Out13355112244666132456uGOutu1Out3512466第78页/共93页80第79页/共93页8123d222363 66sind()cos2.34cos2UUttUUd22366sind()2.341cos23UUttUddUIRo60o601) 阻感负载时的工作情况阻感负载时的工作情况（1-21）（1-22）（1-23）第80页/共93页82222332366613sind()cos2232UUIttRR 222236364212sind()sin2233UUIttRRo60o60T212II（1-24）（1-25）（1-26）第81页/共93页83图图 三相桥式全控整流电路带电三相桥式全控整流电路带电感性负载感性负载a =0 时的波形时的波形 图图 三相桥式全控整流电路带三相桥式全控整流电路带 电感性负载电感性负载 a =30 时的波形时的波形 第82页/共93页84 三相桥式全控整流电路带电感性负载三相桥式全控整流电路带电感性负载a =90 时的波形时的波形 第83页/共93页85a60 时时（a =0 ；a =30 ）ud波形连续，工作