西南科技大学的电力电子技术PPT

1、电力电子技术西南科技大学 电力交流和直流两种 从公用电网直接得到的是交流，从蓄电池和干电池得到的是直流。 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变换的种类逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相整流交流交流直流 输出 输入1.2 两大分支两大分支(2)电力电子技术西南科技大学电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。1.1.1 电力电子器件的概念和特征一、电力电子器件一、电力电子器

2、件概念概念:电力电子技术西南科技大学通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗1.1.1 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子技术西南科技大学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1.1.2 应用电力电子器件系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路电气隔离控制电路保护电路在主电

3、路和控制在主电路和控制电路中附加一些电路中附加一些电路，以保证电电路，以保证电力电子器件和整力电子器件和整个系统正常可靠个系统正常可靠运行运行电力电子技术西南科技大学三、电力电子器件的三、电力电子器件的 分类分类电力电子器件半控型器件：晶闸管及其派生器件全控型器件（自关断器件）不可控器件：电力二极管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：(Power Diode)（Thyristor）（IGBT,MOSFET)电力电子技术西南科技大学基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。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，主要有螺栓型和

4、平板型两种封装。图1-2 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1.2.1 PN结与电力二极管的工作原理电力电子技术西南科技大学额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。1.2.3 电力二极管的主要参数1) 正向平均电流正向平均电流IF(AV)电力电子技术西南科技大学在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3） 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复

5、施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。 4）反向恢复时间）反向恢复时间trr trr= td+ tf1.2.3 电力二极管的主要参数（2）2）正向压降）正向压降UF电力电子技术西南科技大学结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6) 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 1.2.3 电力二极管的主要参数（电力二极管的主要参数（3 3）5）最高工作结温）最高工作结温TJM电力电子技术西南科技大学1) 普通二极管普通二极管（General

6、Purpose Diode）又称整流二极管（Rectifier Diode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长,一般5s以上.正向电流定额和反向电压定额可以达到很高(Kv/kA).按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型电力电子技术西南科技大学简称快速二极管快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快

7、速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。1.2.4 电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型2) 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）电力电子技术西南科技大学肖特基二极管的弱点弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点优点反向恢复时间很短（1040ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。1.2.4 电力二极管的主要类型（电力二极

8、管的主要类型（2 2）3. 肖特基二极管肖特基二极管 以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。电力电子技术西南科技大学1.3 半控器件半控器件晶闸管晶闸管引言引言1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controll

9、ed RectifierSCR）电力电子技术西南科技大学1.3半控型器件半控型器件晶闸管（晶闸管（Thyristor或或SCR）1.3.1外型、结构及电气图形符号:A阳极K阴极G门极晶闸管的结构:管心由硅半导体材料做成，四层三端器件。螺栓型：额定电流小于200A。螺栓为阳极A，粗引线为阴极K，细引为门极G。平板型：额定电流小于200A。平面为阳极A，引出线为门极G。电力电子技术西南科技大学1.3.3 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 在门极断路而结温为

10、额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通态（峰值）电压通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。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）电压定额电压定额电力电子技术西南科技大学1.3.3 晶闸管的主要参数（晶闸管的主要参数（2 2）通态平均电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定电流的参数。

11、使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 。2 2）电流定额电流定额电力电子技术西南科技大学1.3.3 晶闸管的主要参数（晶闸管的主要参数（3 3） 除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况

12、下，不导致晶闸管从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。3）动态参数电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件有快速晶闸管和高频晶闸管。开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管10s左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。4

13、00Hz和 10kHz以上的斩波电路或逆变电路.1 1）快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching Thyristor FST)电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件（晶闸管的派生器件（2 2）2 2）双向晶闸管双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC）图1-10 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) 伏安特性可认为是一对反并联联接的普通晶闸管的集成。有两个主电极T1和T2，一个门极G。在第和第III象限有对称的伏安特性。不用平均值而用有效值来不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。表示其额定电流值。常用于交流调压电路常用于交流调压电路

14、, ,固态固态继电器继电器, ,交流电机调速。交流电机调速。a)b)IOUIG=0GT1T2电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件（晶闸管的派生器件（3 3）3)逆导晶闸管（逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）a)KGAb)UOIIG=0图1-11 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。一旦承受反向电压即开通。常用于逆变电路。电力电子技术西南科技大学1.3.4 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件4)光

15、控晶闸管（光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）AGKa)AK光强度强弱b)OUIA图1-12 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，如高压直流输电，高压核聚变装置。电力电子技术西南科技大学1.3.2 晶闸管的基本特性小结晶闸管的基本特性小结承受反向电压时，不论门极是否有触发电承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。流，晶闸管都不会导通。承受正向电压时，仅在门极有触

16、发电流的承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用门极就失去控制作用。要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下到接近于零的某一数值以下 。晶闸管正常工作时的特性总结如下：电力电子技术西南科技大学 定义SCR额定电流时是在规定的条件下。 不同形式的整流电路带不同类型的负载，具有不同的导通角，流过晶闸管的电流波形不一。额定电流定义是在工频正弦半波情况下通过SCR的最大平均电流，所以实际允许的平均电流与额定电流是有差别的。注意：注意：SCR的额定电流选取问题

17、的额定电流选取问题电力电子技术西南科技大学00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040102030405060708090100()02202200()1ImIm sin211Im(Im sin)221.572TA VTTTTfTA VItdti R tIR TIi dttdtTIkIIT(AV)晶闸管电流晶闸管电流平均值平均值发热量发热量有效值有效值波形系数波形系数T电力电子技术西南科技大学例例1.1 流经晶闸管的波形如图1-1所示，试计算该电流波形的平均值、有效值及波形系数。若取安全裕量为2，问额定电流为100A的晶闸管，其允许通过的电流平均值和最大值是多少

18、？mI3it图1-1电力电子技术西南科技大学解：电流平均值为：电流有效值为：mmdIttdII24. 0)(sin213mmItdtII46. 0)()sin(2123波形系数为：92. 124. 046. 0mmdfIIIIK考虑2倍安全裕量，100A的晶闸管允许通过的电流平均值为：电流最大值为：)(4192. 1210057. 1AIdVT)(17124. 0AIIdmVT电力电子技术西南科技大学例例:B :表示额定电流表示额定电流额定电压管压降额定电压管压降0.4v0.5v的普的普通晶闸管通晶闸管.管压降等级管压降等级额定电压等级额定电压等级额定电流额定电流普通型快开型普通型快开型逆导型

19、可关断型逆导型可关断型双向型双向型晶闸管产品型号晶闸管产品型号电力电子技术西南科技大学管子额定电流的选择：管子额定电流的选择：(1).按电流有效值相等的原则选择晶闸管；按电流有效值相等的原则选择晶闸管；(2).留裕量，取留裕量，取1.5-2倍后取整倍后取整(3) .额定电流等级：额定电流等级：50A以下以下:1、5、10、20、30、40、50A； 1001000A:100、200、300、400、500、600、800、1000A。()2()1.572TAVfdAVIkI电力电子技术西南科技大学1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管结构：结构：与普通晶闸管的相同点相同点： PNPN四层

20、半导体结构，外部引出阳极、阴极和门极。和普通晶闸管的不同点不同点：GTO是一种多元的功率集成器件。c)图1-13AGKGGKN1P1N2N2P2b)a)AGK图1-13 GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号1）GTO的结构和工作原理的结构和工作原理电力电子技术西南科技大学1.4.1 门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和导通过程与普通晶闸管一样，只是导通时饱和程度较浅。程度较浅。GTO关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关关断过程中有强烈正反馈使器件退出饱和而关断。断。

21、多元集成结构还使多元集成结构还使GTO比普通晶闸管开通过程快，比普通晶闸管开通过程快，承受承受di/dt能力强能力强 。 由上述分析我们可以得到以下结论结论：电力电子技术西南科技大学1.4.2 电力晶体管电力晶体管电力晶体管（Giant TransistorGTR，直译为巨型晶体管） 。耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），英文有时候也称为Power BJT。 应用应用20世纪80年代以来，在中、小功率范围内取代晶闸管，但目前又大多被IGBT和电力MOSFET取代。术语用法：术语用法：电力电子技术西南科技大学1.4.2 电力晶体管电力

22、晶体管(GTR)一、一、GTR结构和工作原理结构和工作原理 GTR通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构的集成器件。单管的GTR结构与普通的双极结型晶体管是类似的。GTR是由三层半导体（分别引出集电极、基极和发射极)形成的两个PN结(集电结和发射结)构成，多采NPN结构。 在应用中，GTR一般采用共发射极接法。电力电子技术西南科技大学与普通的双极结型晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成 。1）GTR的特性的特性:1.4.2 电力晶体管电力晶体管电力电子技术西南科技大学

23、1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管(P-MOSFET)分类分类:1)绝缘栅型的电力绝缘栅型的电力MOSFET 2)结型电力场效应晶体管结型电力场效应晶体管SIT特点特点:电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外，电力MOSFET热稳定性优于GTR。但是电力M0SFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置。电力电子技术西南科技大学1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的种类的种类 按导电沟道可分为P沟道和N沟道。电力MOSFE

24、T主要是N沟道增强型。1、电力、电力MOSFET的结构和工作原理的结构和工作原理小功率MOS管是横向导电器件。电力电力MOSFET大都采用垂直导电结构大都采用垂直导电结构。电力电力MOSFET的结构的结构电力电子技术西南科技大学1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管电力电力MOSFET的结构的结构是单极型晶体管。导电机理与小功率MOS管相同，但结构上有较大区别。采用多元集成结构，不同的生产厂家采用了不同设计。N+GSDP沟道b)N+N-SGDPPN+N+N+沟道a)GSDN沟道图1-19图1-19 电力MOSFET的结构和电气图形符号电力电子技术西南科技大学 概述概述符号、命名、特点N沟

25、道 VDS0DGS D（Drain）漏极 S（Source）源极 G（Gate）门极、控制极P沟道 VDS0GDS寄生二极管电力电子技术西南科技大学1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管截止截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零。P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。导电导电：在栅源极间加正电压UGS当UGS大于UT时，P型半导体反型成N型而成为反型层反型层，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电 。电力电力MOSFET的工作原理的工作原理电力电子技术西南科技大学1.4.3 电力场效应晶体管电力场效应晶体管不存在少子储存效应，关断过程非常迅速。开

26、关时间在10100ns之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。场控器件，静态时几乎不需输入电流。但在开关过程中需对输入电容充放电，仍需一定的驱动功率。开关频率越高，所需要的驱动功率越大。MOSFET的开关速度的开关速度电力电子技术西南科技大学 控制特性：电压控制型，高输入电阻，较大输 入电容。 性能参数：高速高速 高可靠性高可靠性：无二次击穿，开启电压 3V，过载24倍脉冲 电流，正温度系数。 高导通压降高导通压降 10KW以下小功率方案小结小结:P-MOSFET特点特点电力电子技术西南科技大学1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管(IGBT).(IGBT).前言

27、前言两类器件取长补短结合而成的复合器件复合器件Bi-MOS器件器件绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（Insulated-gate Bipolar TransistorIGBT)1986年投入市场，是中小功率电力电子设备的主导器件。继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO的地位。 GTR的特点双极型，电流驱动，有电导调制效应，通流能力很强，开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。 P-MOSFET的优点单极型，电压驱动，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。电力电子技术西南科技大学1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管一、一、IGBT的结构和工作原理的结

28、构和工作原理三端器件：栅极G、集电极C和发射极E,其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。EGCN+N-a)PN+N+PN+N+P+发射极 栅极集电极注入区缓冲区漂移区J3J2J1GEC+-+-+-IDRNICVJ1IDRonb)GCc)图1-22 IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a) 内部结构断面示意图 b) 简化等效电路 c) 电气图形符号电力电子技术西南科技大学符号、命名、特点CGEGECRdrRbr等效电路二、概述二、概述电力电子技术西南科技大学1.4.4 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件，通断由栅射极电压UGE决定。导

29、通导通：UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。关断关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。 IGBT的工作原理的工作原理电力电子技术西南科技大学复合型器件，输入特性近似MOSFET，导通特性近似GTR，因此具有控制容易（电压控制型）、导通电压低、电流大的优点。与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点小结小结IGBT特点特点缺点是关断时有拖尾，开关速度低于P-MOSFET，另有擎住效应。选用时注意：选用时注意：IGBT常与反并联的快速二

30、极管封装在常与反并联的快速二极管封装在一起，制成模块，成为逆导器件。一起，制成模块，成为逆导器件。数数KW到数十到数十KW中功率首选方案，目前已可做到中功率首选方案，目前已可做到2.5KV/1800A。电力电子技术西南科技大学外因过电压：外因过电压：操作过电压操作过电压雷击过电压雷击过电压内因过电压：内因过电压：换相过电压换相过电压关断过电压关断过电压RC过电压抑制电路RC或RCD缓冲电路 采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二采用雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻、硒堆和转折二极管极管(BOD)等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用等非线性元器件来限制或吸收过电压也是较常用的措施。

31、的措施。 过 电 压1.7.1过电压的产生及过电压保护过电压的产生及过电压保护电力电子装置可能的过电压电力电子装置可能的过电压外因过电压外因过电压和内因过电压内因过电压电力电子技术西南科技大学1.7.3 缓冲电路缓冲电路缓冲电路作用分析缓冲电路作用分析无缓冲电路：有缓冲电路：图1-38di/dt抑制电路和充放电型RCD缓冲电路及波形ADCB无缓冲电路有缓冲电路uCEiCO 图1-39关断时的负载线电力电子技术西南科技大学图1-42电力电子器件分类“树” 本章小结（本章小结（1）主要内容主要内容全面介绍各种主要电全面介绍各种主要电力电子器件的基本结力电子器件的基本结构、工作原理、构、工作原理、基

32、本基本特性特性和主要参数等。和主要参数等。注意几个概念：注意几个概念：额定额定电压、额定电流、平电压、额定电流、平均值、有效值、波形均值、有效值、波形系数系数。集中讨论电力电子器集中讨论电力电子器件的驱动、保护和串、件的驱动、保护和串、并联使用并联使用。电力电子器件类型归纳电力电子器件类型归纳单极型单极型：电力MOSFET和SIT双极型双极型：电力二极管、晶闸管、GTO、GTR和SITH 复合型复合型：IGBT和MCT电力电子技术西南科技大学 本章小结（本章小结（2） 特点特点：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高动电路简单，工作频率高。电流驱动型

33、电流驱动型：双极型器件中除SITH外 特点特点：具有电导调制效应，因而通态压降具有电导调制效应，因而通态压降低，导通损耗小，但工作频率较低，所需低，导通损耗小，但工作频率较低，所需驱动功率大驱动功率大,驱动电路较复杂。驱动电路较复杂。 电压驱动型：单极型器件和复合型器件，双极型器件中的SITH.电力电子技术西南科技大学 本章小结（本章小结（3） IGBT为主体，第四代产品，制造水平2.5kV / 1.8kA，兆瓦以下首选。与IGCT等新器件激烈竞争，试图在兆瓦以上取代GTO。GTO：兆瓦以上首选，制造水平6kV / 6kA。光控晶闸管光控晶闸管：功率更大场合，8kV / 3.5kA，装置最高达

34、300MVA，容量最大。P-MOSFET中小功率领域特别是低压场合地位牢固。功率模块和功率集成电路功率模块和功率集成电路是现在电力电子发展的一个共同趋势。当前的格局当前的格局:电力电子技术西南科技大学第二章第二章 整流电路（整流电路（Rectifier）要求及重点l理解和掌握单相桥式、三相半波、三相桥式等整流电路的电路结构、工作原理、波形分析、电气性能、分析方法和参数计算。l重点：波形分析和基本电量计算的方法。l难点：不同负载对工作情况的影响电力电子技术西南科技大学前言前言:整流电路的基本概念整流电路的基本概念l控制角 从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通这一电角度。l导通角 晶闸管在一个周期

35、内导通的电角度。l移相改变控制角的大小，即改变触发脉冲出现的相位。l移相控制 调节控制角 角即来控制输出直流电压平均值Ud的大小的控制方式.电力电子技术西南科技大学整流电路的基本概念整流电路的基本概念（2）l移相范围控制角的允许调节范围。l同步触发脉冲信号和晶闸管电压（即电源电压）在频率和相位上的协调配合关系。l自然换相点当电路中的可控元件全部由不可控元件代替时，各元件的导电转换点。电力电子技术西南科技大学2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路.前言前言负载的形式负载的形式电阻性电阻性灯泡、电阻加热炉、电解电镀灯泡、电阻加热炉、电解电镀电感性电感性电机绕组，带电感的负载电机绕组，带电感

36、的负载反电动势反电动势蓄电池、直流电动机蓄电池、直流电动机实现实现ACDC,直流输出与负载的形式有关直流输出与负载的形式有关电力电子技术西南科技大学2.1单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路.电阻负载电阻负载电阻负载电力电子技术西南科技大学单相半波整流电路的基本电量单相半波整流电路的基本电量l直流平均电压 Ud 与控制角 的关系: Ud = f ()l直流平均电流 Id 与 的关系: I d = f ()l负载两端的电压有效值U与的关系： U = f ()2cos1( U0.45tdsinU221U22dt)2cos1( RU 0.45RUIddd4sin22-UtdsinU221U222

37、）（tUd受控于受控于 电力电子技术西南科技大学单相半波整流电路的基本电量单相半波整流电路的基本电量（续）（续）l副边绕组电流有效值 I2 与 的关系：I 2 = f ()l流过SCR的电流有效值 IT 和平均值 IdT lSCR承受的最大正向电压UDM和最大反向电压URM4sin22-RURUI222RM2DMU2 UU2UddT2TII II电力电子技术西南科技大学功率因数功率因数cos ?输出功率:222PI UI R变压器二次侧功率:2SIU有效值乘积有效值乘积!功率因数功率因数:222()sin22sin0 242I UPSI U电阻性负载电阻性负载cos1,电力电子技术西南科技大学

38、l几个概念的解释：几个概念的解释：lU Ud d为脉动直流，波形只在U U2 2正半周内出现，故称“半波半波”整流。l采用了可控器件晶闸管，且交流输入为单相，故该电路为单相半波可控单相半波可控整流电路。lU Ud d波形在一个电源周期中只脉动1次，故该电路为单脉波单脉波整流电路。电力电子技术西南科技大学 该电路中的移相范围为180。可见调节 角即可控制直流电压平均值Ud的大小。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。相控方式电力电子技术西南科技大学 例2.1: 某单相半波可控整流电路，电阻性负载。直接与220V交流电源相接，要求输出的直流平均电压为8

39、5V，最大输出直流平均电流为20A。求此电路中，R ，U，I2， IVT，IdVT和 ,并选择晶闸管(考虑2倍裕量)。cos电力电子技术西南科技大学44,707. 0122045. 0852145. 02cos2UUd2)已知 可计算负载电阻:,20,85AIVUdd)(25. 42085ddIURVUd851)已知 , 根据式(2-1)：21c o s0 .4 52dUU解：可计算触发角:电力电子技术西南科技大学4)变压器二次侧绕组电流有效值:)(3525. 47 .1482ARUI7 .14842sin22UU3）整流输出电压有效值:5)计算流过晶闸管的电流有效值和平均值:)(20)(35

40、2AIIAIIddVTVT电力电子技术西南科技大学6)功率因数:676. 02207 .148cos2222UUIUUISP7)选择晶闸管定额: 晶闸管电流定额为: 应选择额定电流为50A的晶闸管; 晶闸管的电压定额为: 应选择额定电压为700V左右的晶闸管. 如KP50-7系列系列)(6 .4457. 135257. 12)(AIIVTAVT)(622222VUURM电力电子技术西南科技大学2.带阻感负载（带阻感负载（L+R）的工作情况）的工作情况 注意：电感对电流变化有抗拒作用，电感器件中的电流是不能突变的。（这是分析感性负载的出发点） 2.1.1 2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波

41、可控整流电路电力电子技术西南科技大学图22 带阻思负载的单相半波可 控整流电路波形由于电感的存在,输出电压波形出现负的部分.电力电子技术西南科技大学基本数量关系：基本数量关系：)cos(cos22)(sin22122UttdUUd)cos(cos222RURUIdd移相范围：01800 当较大时，L储能越多,越大，Ud的负的部分越接近正的部分，其平均值越接近于零，输出电流平均值也越小。为解决这一矛盾，在负载两端并联一个二极管。电力电子技术西南科技大学带续流二极管时的工作状态带续流二极管时的工作状态 当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向VT施加反压使其关断，L储存的

42、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。 电力电子技术西南科技大学 1.当电感量小，正半周储能小，则负半周维持能力小，电流 出现断续情况。 2.当电感量大，正半周储能多， 负半周维持续流二极管导通能力大，电流 连续脉动。 3. 时。电流的脉动分量很小，电流 波形近似于一条平行于横轴直线。 晶闸管导通角晶闸管导通角diDRVdiRL di单相半波整流带续流二极管时的工作状态单相半波整流带续流二极管时的工作状态电力电子技术西南科技大学2.1.1 2.1.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路数量关系数量关系 若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有ddVT2IId

43、2dVT2)(21ItdIIddVD2RIId22dVD2)(21RItdII（2-6）（2-5）（2-7）（2-8）带续流二极管时的带续流二极管时的工作状态工作状态电力电子技术西南科技大学小结单相半波整流电路的特点l结构简单l单脉波电路l电压脉动率高l变压器利用率低l变压器存在直流磁化问题 实际上很少应用此种电路，分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。电力电子技术西南科技大学2.1.2单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1. 1带电阻负载的工作情况a) 全波整流b) 无直流磁化问题c) 小容量的SCR 整流装置中常见，但在实际应用时 ，取 ，这是为了保证

44、电网在一定范围内波动时，输出能保证！0min30共阴共阳电力电子技术西南科技大学1.单相全控桥式整流电路（单相全控桥式整流电路（R R负载）负载）正向阻断时，T1和T4串联分压电力电子技术西南科技大学基本数据分析基本数据分析2cos19 . 0)(sin2122UttdUUd(2-9)=0时,。180 时,209 . 0 UUUdd0dU 180。的 移 相 范 围 为 02cos19 . 0RURUIcdd输出电流平均值：电力电子技术西南科技大学晶闸管的电流平均值：2cos145.022RUIIddVT晶闸管的电流有效值：22sin2)()sin2(21222RUtdtRUIVT输出电流有效

45、值：VTIRUtdtRUI222sin)()sin2(12222电力电子技术西南科技大学（补）例（补）例2.2:2.2: 单相全控桥式整流电路,阻性负载，要求输出直流电压 可调，负载平均电流恒定为20A,晶闸管最小触发角限制为 ，计算变压器二次侧电压，电流值，估计其容量以及晶闸管导通角的变化范围并选择晶闸管。VVUd1002030电力电子技术西南科技大学1)已知 minmax21 cos30 ,100 ,0.9()2ddUVUU对应的由式有)(119)30cos1 (45. 0100)cos1 (45. 02VUUd2)在整个可调范围内, 恒为20A,考虑严重情况,即在 时,电路仍然输出20A

46、电流,据此可求出最大触发角:dIVUd20min6265. 011199 . 022019 . 02cos2UUd129因此,晶闸管导通角的变化范围为:15051解解: :电力电子技术西南科技大学当 一定时,越大,所需I2越大, 时有: dI1292sin22 ()2.140.9 (1 cos )fdIkI 因此,变压器二次侧绕组的电流为:)( 8 .422014. 214. 22AIId3)估计变压器容量: )( 1 . 58 .42119222KVAIUSSN电力电子技术西南科技大学)(169119222VU 晶闸管承受的最大反向电压为： 若考虑2倍裕量为338V,则可选取型号为KP50-

47、5的晶闸管,其通态平均电流为50A,正向重复峰值电压为五级(500V).4)选择晶闸管: )(308.4221212AIIVT考虑2倍裕量时晶闸管额定电流:)(3857.12AIIVTdVT电力电子技术西南科技大学2.带阻感负载的工作情况带阻感负载的工作情况电力电子技术西南科技大学基本数量关系基本数量关系: cos9 . 03cos22)(sin21222UUtd tUUd=0909 .00;20ddUUU时，时，角的移相范围为 .90RURUIddcos9 . 02晶闸管承受的最大正反向电压均为 。晶闸管导通角与无关，均为180。电流平均值和有效值分别为：ddVTddVTIIIII707.0

48、2121和22U电力电子技术西南科技大学3、单相全控桥式整流电路（反电势、单相全控桥式整流电路（反电势负载）负载）只有在 时，晶闸管才有导通的可能。Eu 2电力电子技术西南科技大学2.1.3 2.1.3 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路a)b)u1TRu2u2i1VT1VT2ududi1OOtt返回适用于低输出电压场合1、带电阻负载、带电阻负载电力电子技术西南科技大学2.1.4单相桥式半控整流电路1.阻性阻性负载的工作情况与全控时相同。2.感性感性负载 感性负载与阻性负载时输出电压Ud波形完全相同.而晶闸管的电流在一周内各占一半,其换流时刻由门极触发脉冲决定;而二极管VD2,VD4的导

49、通与关断仅由电源电压决定,在 换流.各元件导通均为180.电源(0) ,( + ) 区间内停止对负载供电.nt 电力电子技术西南科技大学单相桥式半控整流电路.电阻负载a)TabROb)u2i2udidVT1VT2VD3VD4u2OudIdtt返回电力电子技术西南科技大学单相桥式半控整流电路（单相桥式半控整流电路（LR负载）负载）电力电子技术西南科技大学失 控 现 象 分 析l产生原因l突然将触发脉冲切断l将 角增大到 180 l实质：l对晶闸管的工作失去控制作用l避免方法：l加续流二极管电力电子技术西南科技大学失失 控控 现现 象象 分分 析（析（2）l使负载电路通过D3续流,而不再经过T1,

50、D2或T2,D1,这样可使晶闸管恢复阻断能力。电力电子技术西南科技大学图2-11 单相桥式半控整流电路的另一接法负载Tu2VD3VD4VT1VT2电力电子技术西南科技大学例2.3 有一大电感负载采用单相半控桥有续流二极管的整流电路,负载电阻 ,电源电压 ,晶闸管触发角 ,求流过晶闸管、二极管的电流平均值.4RVU220260电力电子技术西南科技大学解解:整流输出电压的平均值(同全桥)：)(5 .148)260cos1(2209 . 0)2cos1(9 . 02VUUd负载电流平均值：)(13.3745 .148ARUIdd1）流过晶闸管和整流二极管的电流平均值为：)(38.1213.37260

51、2AIIIddVDdVT电力电子技术西南科技大学2)流过晶闸管和整流二极管的电流有效值为：)(44.212AIIIdVDVT3）流过续流二极管的电流平均值和有效值分别为：38.1213.3760ddVDIIR)(44.2113.3760AIIdVDR电力电子技术西南科技大学本单元小结本单元小结:l优点：l结构简单l对触发电路的要求较低l缺点：l输出直流电压脉动大l易造成电网负载不平衡电力电子技术西南科技大学2.22.2三相可控整流电路三相可控整流电路交流测由三相电源供电。负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、容易滤波。基础是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路应用最广 。电力电子技术西南

52、科技大学1.电阻负载 主电路如图所示,为得到零线，变压器二次侧必须接成星形，而一次侧接成三角形，避免3次谐波流人电网。三个晶闸管分别接入三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴共阴极接法极接法，这种接法触发电路有公共端，连线方便。 导通后,负载电压为相电压,截止时,晶闸管承受反向电压为线电压.自然换相点:2.2.22.2.2三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路0TudidVT2VT1VT3Rbca)a一次侧接成三角形共阴极共阴极组组 阴极 连 接 在一起二次侧接成星形电力电子技术西南科技大学2.2.2 三相半波可控整流（三相半波可控整流（R）（1）TudidVT2VT1VT3Rbca)a动

53、画电力电子技术西南科技大学 如果30。例如60 时，整流电压的波形如图，当导通一相的相电压过零变负时，该相晶闸管关断。此时下一相晶闸管虽承受正电压，但它的触发脉冲还未到，不会导通，因此输出电压电流均为零，直到触发脉冲出现为止。这种情况下，负载电流断续，各晶闸管导通角为90. 若角继续增大，整流电压将越来越小，150时，整流输出电压为零。电阻负载时角的移相范围为150。负载电流断续2.2.2 三相半波可控整流（三相半波可控整流（R）（续（续2）电力电子技术西南科技大学基本数量关系基本数量关系(R)(R)：1、整流电流平均值：30时，电流连续，有：cos17. 1cos263)(sin232122

54、2656UUttdUUd30时，电流断续，有：)6cos(1 675.0)(sin2321226UttdUUd2、负载电流平均值：3、晶闸管承受的最大反向电压：RUIdd22245.2632UUUURM4、最大正向电压：22UUFM电力电子技术西南科技大学2、阻感负载（L很大）301） 时，整流电压波形同电阻负载。=0波形=30波形电力电子技术西南科技大学负载电流连续2）、 时，例如 的波形如图. 30602、阻感负载（L很大）(续1)电力电子技术西南科技大学 当U2过零时，由于电感的存在，阻止电流下降，因而VTl继续导通，直到下一相晶闸管VT2的触发脉冲到来，才发生换流，由VT2导通向负载供

55、电，同时向VTl施加反压使其关断。这种情况下ud波形中出现负的部分，如到90时，ud波形中正负面积相等，ud的平均值为零。可见阻感负载时的移相范围为90。负载电压出现负的部分续续2电力电子技术西南科技大学3)3)基本数量关系基本数量关系a）、电流连续，整流电压平均值：cos17. 12UUdb）、变压器二次电压即晶闸管电流有效值：ddVTIIII577. 0312c）、由此可得晶闸管的额定电流为：dVTAVVTIII368.057.1)(d）、晶闸管最大正反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值：2245.26UUUURMFM电力电子技术西南科技大学补例补例2.4 已知三相半波可控整流电路带大电感

56、负载, , 整流器二次侧绕组电压 ,求不接续流二极管时的 值,并选择晶闸管元件.60 2R2200UVdI输出波形电力电子技术西南科技大学解：解：不接续流二极管时，大电感负载下：)(11760cos20017. 1cos17. 12VUUd)(5 .582117ARUIdd流过晶闸管电流有效值：75.335 .583131dVTII电力电子技术西南科技大学考虑2倍裕量，晶闸管定额电流为：)(4357.12)(AIIVTAVVT考虑2倍裕量，晶闸管定额电压为：)(98020045.22622VUURM可选型号为KP50-10的晶闸管。电力电子技术西南科技大学单元小结:三相半波可控整流电路的优、缺

57、点l优点：输出电压脉动小输出功率大三相负载平衡l缺点变压器利用率低容易出现直流磁化现象零线上通过较大的负载电流电力电子技术西南科技大学2.2.22.2.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理如图，习惯将其中阴极连接在一起的3个晶闸管(VTl、VT3、VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管(VT4、VT6、VT2)称为共阳极组。按此编号，晶闸管的导通顺序为VT1VT2VT3一VT4一VT5一VT6。图2-17 三相桥式全控整流电路原理图共阴极组共阳极组电力电子技术西南科技大学三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路

58、的触发要求的触发要求l本组内SCR每隔 120换流一次；共阴极与共阳极组的换流点相隔 60 。lSCR的导通顺序：(6-1) (1-2) (2-3) (3-4) (4-5) (5-6)l自然换相点为相电压（或线电压）的交点。l必须使用双窄脉冲或宽脉冲（见下页）。电力电子技术西南科技大学1.1.带电阻负载带电阻负载 时，各晶闸管均在自然换相点处换相，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。 输出整流电压ud为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此输出整流电压输出整流电压ud波波形为线电压在正半周期形为线电压在正半周期的包络线的包络线。0电力电子技术西南科技大学 三相桥式全控整流

59、电路的特点三相桥式全控整流电路的特点(1)（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差180。（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同一相器件。电力电子技术西南科技大学三相桥式全控整流电路的三相桥式全控整流电路的特点(2)（3）ud一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲可

60、采用两种方法：一种是宽脉冲触发 一种是双脉冲触发（常用） (5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。电力电子技术西南科技大学续：续：当 时，晶闸管从自然换相点向后移角开始换相。如 时，晶闸管导通顺序不变，相位后移30，电压波形由三段组成。030262UUFM26UURM 移相范围12060波形如图90波形如图电力电子技术西南科技大学2.阻感负载阻感负载(L很大很大) 当 时，ud波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平