电力电子学晶闸管及基本电路

1、1第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路主要内容：主要内容： 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件 10.2 10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 10.4 10.4 逆变器逆变器 10.5 10.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 10.6 10.6 晶闸管的串并联和保护晶闸管的串并联和保护2第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路学习要求学习要求:l 掌握晶闸管的基本工作原理、特性和掌握晶闸管的基本工作原理、特性和 主要参数的含义；主要参数的含义；

2、掌握几种单相和三相基本可控整流电路掌握几种单相和三相基本可控整流电路 的工作原理及特点；的工作原理及特点；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发发 电路的基本工作原理。电路的基本工作原理。l l l 3第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路重重 点：点： 1.1.晶闸管的导通与关断条件，可控性；晶闸管的导通与关断条件，可控性； 2.2.晶闸管单相和三相基本可控整流电路晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点；在不同性质负载下的工作

3、特点； 3.3.晶闸管额定通态平均电流晶闸管额定通态平均电流IT的含义及的含义及基本可控整流电路中基本可控整流电路中IT的选择和额定电压的选择和额定电压的选择。的选择。4第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路难难 点：点： 1. 整流电路接电感性负载、电动势负载整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作状况；时的工作状况； 2. 晶闸管额定通态平均电流晶闸管额定通态平均电流IT的选择；的选择； 3. 逆变器的工作原理。逆变器的工作原理。 5第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路前前言言电力（强）电子学电力（强）电子学电力半导

4、体器件电力半导体器件微（弱）电子学微（弱）电子学集成电路集成电路半导体器件半导体器件电力电子学的任务：电力电子学的任务： 利用电力半导体器件和线路来实现电利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。功率的变换和控制。电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电6第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路 大功率二极管大功率二极管功率晶体管功率晶体管可关断晶闸管可关断晶闸管双相晶闸管双相晶闸管单相晶闸管单相晶闸管电力半导体器件电力半导体器件 晶闸管（晶闸管（Thyristor,可控整流器，可控整流器，Silicon Controlled Rectifier,

5、简称简称SCR）是）是60年代发展年代发展起来的一新型电力半导体器件，晶闸管的出现起来的一新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了起到了弱电控制弱电控制与与强电输出强电输出之间的之间的桥梁桥梁作用。作用。7第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路优点：优点：(1) (1) 用很小的功率用很小的功率（电流约几十毫安一百多毫安，电压约24V）可以控制较大的功率（可以控制较大的功率（电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏）功率放大倍数可以达到功率放大倍数可以达到几十万几十万倍倍；(2) 控制灵敏、反应快控制灵敏、反应快 晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3) 损耗小

6、、效率高损耗小、效率高 晶闸管本身的压降很小（仅1V左右）总效率可达97.5% ，而一般机组效率仅为85%左右；(4) 体积小、重量轻。体积小、重量轻。 8第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路缺点：缺点：(1)(1)过载能力弱过载能力弱 在过电流、过电压情况下很容易损坏，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；(2)(2)抗干扰能力差抗干扰能力差 易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；(3)(3)导致电网电压波形畸变导致电网电压波形畸变 高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；(4)(4)控制电路较

7、复杂控制电路较复杂，对维修人员技术水平要求高。9第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路用途：用途：(1) (1) 可控整流电路可控整流电路-交流变固定或可调的直流电压 直流电机调速， 成套产品 冶金、机械、造纸、纺织 高压直流输电。(2) (2) 交流调压电路交流调压电路固定的交流电压变可调的交流电压 灯光控制、温度控制、交流电机调速等。(3) (3) 逆变电路逆变电路直流变固定或可调频率的交流 不间断电源（UPS）,高压直流输电终端。(4) (4) 变频电路变频电路 中、高频加热，交流电机变频调速(5) (5) 斩波电路斩波电路直流电压从固定变可调 直流电

8、机控制(6)(6)电子开关电子开关 开关状态，无触点，代替继电器、接触器10第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸管晶闸管 1. 晶闸管结构与符号晶闸管结构与符号 2. 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 3. 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 4. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 5. 晶闸管的应用晶闸管的应用11 1.1.晶闸管结构与符号晶闸管结构与符号阳极阳极控制极控制极阴极阴极控制极控制极200A10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸管晶闸管12 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体

9、器件-晶闸管晶闸管n1.1.晶闸管结构与符号晶闸管结构与符号13 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸管晶闸管n2.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理实验电路实验电路: : 主电路交流电压主电路交流电压u2， 控制极电路接入控制极电路接入Eg。在在t1 瞬间合上开关瞬间合上开关S，在在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S。(a)实验电路实验电路14 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸管晶闸管n2.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 波形图波形图u2、ug、ud的波形关系：的波形关系： （1）在）在0t1之间之间: 开关开关S未合上，未合上，ug=0，尽，尽

10、管管uAK0，但，但ud=0，即晶闸管未导通；，即晶闸管未导通； （2）在）在t1t2之间之间: uAK0 ，由于开关，由于开关S合上，合上，使使ug0，而，而 ， 即晶闸管导通；即晶闸管导通；2uud （3）在）在 t2t3 之间，之间， uAK0，但但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）在）在 t3t4 之间，之间， uAK0，这时，这时ug0 ,而而 ，所以，晶闸管又导通；所以，晶闸管又导通； （5）当）当 t=t4 时，时， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；即晶闸管仍处于导通状态； （6）当）当 t=t5 时，时， uAK=0 ， ug=0 ，而

11、，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 2uud2uud15 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸管晶闸管n2.2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理结论结论：1.SCR1.SCR具有双向阻断能力具有双向阻断能力; ;2.SCR2.SCR的的A A、G G两极正电压两极正电压才才导通导通; ;3.SCR3.SCR导通后，导通后，G G极失去作极失去作用；欲使用；欲使SCRSCR再次阻断，则再次阻断，则须将阳极（须将阳极（A A极）电压降低、极）电压降低、断电或反向。断电或反向。1610.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸

12、管n3.3.晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 -SCR-SCR的阳极电压与阳极电流的关系的阳极电压与阳极电流的关系触发电压触发电压（电流）（电流）-A-A、K K间加直流间加直流6V6V时，时，G G极最小电压极最小电压（电流）（电流）171819202122 在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA一百多一百多mA 232425 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件-晶闸管晶闸管n5.5.晶闸管的应用晶闸管的应用n1)1)整流装置整流装置（交流电变成直流电）（交

13、流电变成直流电） 可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源n2)2)逆变装置逆变装置（直流变成交流电源）（直流变成交流电源） 频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电源、不间断电源、交流电机电源。源、不间断电源、交流电机电源。 3)3)变频装置变频装置（顺变和逆变的组合）（顺变和逆变的组合） 用于同步机和异步机的调速。用于同步机和异步机的调速。n4)4)直流电动机的调速直流电动机的调速（可代替直流发电机）（可代替直流发电机） 效率高、响应快、体积小、重量轻。效率高、响应快、体积小、重量轻。26 10.1 10.1

14、电力半导体器件电力半导体器件n10.1.210.1.2 其它电力半导体器件其它电力半导体器件n1.1.双向晶闸管双向晶闸管27 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件n10.1.210.1.2 其他电力半导体器件其他电力半导体器件n2 2 可关断晶闸管可关断晶闸管Gate-Turn-Off Thyristor, GTO1.G1.G极可控制元件导通与关断极可控制元件导通与关断（不同极性不同极性脉冲信号）脉冲信号）2.2.触发电流触发电流(20mA)(20mA)比普通晶闸比普通晶闸管大管大(30uA(30uA）3.3.动态特性好（关断动态特性好（关断1us1us）而晶）而晶闸管需（闸管需

15、（5-30us5-30us）4.4.用于直流调压和开关电路用于直流调压和开关电路。28 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件n10.1.210.1.2 其他电力半导体器件其他电力半导体器件n3 3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBTIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)， 复合全控型电压驱动式功率半导体器件 兼有电力场效应晶体管MOSFET的通断控制功率小和电力晶体管GTR的低导通压降两方面的优点：驱动功率小而饱和压降低。 非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。2

16、9 10.1 10.1 电力半导体器件电力半导体器件n10.1.210.1.2 其他电力半导体器件其他电力半导体器件n3 3 绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压（C-E）形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。 加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。 选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。 还应注意正确使用和保管 30第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路主要内容：主要内容： 10.1 10.1

17、 电力半导体器件电力半导体器件 10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 10.4 10.4 逆变器逆变器 10.5 10.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 10.6 10.6 晶闸管的串并联和保护晶闸管的串并联和保护31第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 12.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 带电阻性负载的可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路 带电感性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路 12.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可

18、控整流电路 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路32 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路1.带电阻性负载的带电阻性负载的 可控整流电路可控整流电路u u2 2输入电压输入电压；u ud d输出电压输出电压；331.1.带电阻性负载的带电阻性负载的 可控整流电路可控整流电路 控制角控制角；晶闸管元件承受正晶闸管元件承受正向电压起始点到触向电压起始点到触发脉冲的作用点之发脉冲的作用点之间的电角度。间的电角度。 导通角导通角 ；是晶闸管在一周是晶闸管在一周期时间内导通的期时间内导通的电角度。电角度。 10.2.1 单相半波可控整流电路

19、单相半波可控整流电路341.1.带电阻性负载的带电阻性负载的 可控整流电路可控整流电路tsinUu 222 输入电压输入电压：负载平均电压负载平均电压：输出电压平均输出电压平均值值 2145022122cosU.)t(tdsinUUd214502 cosRU.RUIdd 负载平均电流负载平均电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路352.2.带电感性负载的带电感性负载的 可控整流电路可控整流电路负载上得不到所需要的电压和电流。负载上得不到所需要的电压和电流。 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路

20、363.3.续流二极管的作用续流二极管的作用 10.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 如图所示半波可如图所示半波可控整流电路，在电感控整流电路，在电感性负载时采用加接续性负载时采用加接续流二极管的措施。流二极管的措施。3738第十章第十章 电力电子学电力电子学- - 晶闸管及基本电路晶闸管及基本电路10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 12.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 带电阻性负载的可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路 带电感性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路 12.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路 单相半控桥式整流电路单相半控

21、桥式整流电路 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路39 1. 1.单相单相半控桥式半控桥式整流电路整流电路 1) 1) 电阻性负载电阻性负载 整流电路整流电路 电流、电压波形电流、电压波形10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路401.1.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路n1)1)电阻性负载电阻性负载21902122 cosU.)t(tdsinUUd晶闸管承受的最大正反向电压值晶闸管承受的最大正反向电压值 负载平均电压负载平均电压：21902 cosRU.RUIdd负载平均电流负载平均电流：22U10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路411.单相半控桥

22、式整流电路单相半控桥式整流电路n2)电感性负载电感性负载a10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路421.1.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路n2)2)电感性负载电感性负载b b10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路10.15 晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、电流波形晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、电流波形431.1.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路n2)2)电感性负载电感性负载c c单向脉动单向脉动直流电直流电图图10.16 用一只晶闸管的单相桥式整流电路用一只晶闸管的单相桥式整流电路10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路

23、441.1.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路n3)3)反电势负载反电势负载REUIdd 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路451.单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路n3)反电势负载反电势负载图图10.18 10.18 有电感滤波时的电路及电流、电压波形有电感滤波时的电路及电流、电压波形10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路462.单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 9 .1020cosU9 . 0U2d 10.2.2 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路47 10.2 10.2 单相可控整流电路单相可控整流电路n例例10.2一台白炽灯

24、泡调光电路，需要可调的直流电一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，源，U0=0180V，电流，电流I0=010A，采用半控桥，采用半控桥式整流电路如图，试求最大交流电压和电流的有式整流电路如图，试求最大交流电压和电流的有效值，并选用元件。效值，并选用元件。n解解：设导通角：设导通角=0 U0=180V,I0=10A 有效值有效值U=U0/0.9=180V/0.9=200VI=U/RL=220/(180V/10A)=12.2A平均电流平均电流Ivs=Iv=10A/2=5AUFM=URm=1.414U=1.414220=310V2310 600V选用选用3cT10/600, 2cz10/300

25、48 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n1.1.电阻性负载电阻性负载(=0)(=0) 10.1017. 12PdUU 4910.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n1.1.电阻性负载电阻性负载(0/6)(0/6) 11.10cos17. 12PdUU 50 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n1.1.电阻性负载电阻性负载(05/6)(05

26、/6)RUIUUUUUddpddPd/17. 106/500, 6/512.10330cos117. 1202平均电流平均电压触发范围当51 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n2.2.电感性负载电感性负载 13.10cos17. 12PdUU 52 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n2.2.电感性负载电感性负载2/00, 2/触发脉冲的移相范围是感性负载时故三相半波整流带当dU5310.3 10.3 三相可控整流电路

27、三相可控整流电路n10.3.1 10.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路n2.2.电感性负载电感性负载变压器利用率低，易产生变压器利用率低，易产生变压器铁芯饱和变压器铁芯饱和54 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式全控负载三相桥式全控负载平均电压平均电压U Ud d=U=Ud d阴阴+U+Ud d阳阳55 10.3 10.3 三相可控整流电路三相可控整流电路n10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 3/0cos34. 22 PdUU共阴共阴Vs1, Vs3

28、, Vs5,共阳共阳Vs2, Vs4, Vs65657可控整流电路小结可控整流电路小结n 单相半波电路简单，指标差，只适用单相半波电路简单，指标差，只适用 于小功率要求不高的场合。于小功率要求不高的场合。n 单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大, ,适适用于小功率电路。用于小功率电路。n 晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，适用于小功率的反电势负载。适用于小功率的反电势负载。n 三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。n 三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大

29、功率三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。高压电路。n 三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状态。逆变状态。5810.4 10.4 逆逆 变变 器器n10.4.110.4.1有源逆变电路有源逆变电路n1.1.整流状态整流状态(0/2)(0/2) 16.1015.1014.10dUdudtddiLRdIEdUdtddiLRdIEdu 59 10.4 10.4 逆变器逆变器n10.4.110.4.1有源逆变器有源逆变器n2.2.逆变状态逆变状态(/2)(/2)2/6/17.10cos17. 12PdddUUUEEU逆变角，的极性与整

30、流状态相反与逆变条件：60 10.4 10.4 逆变器逆变器n10.4.2 10.4.2 无源逆变器无源逆变器n1).1).无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理6110.4 10.4 逆变器逆变器n10.4.210.4.2无源逆变器无源逆变器n2).2).单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器6210.4 10.4 逆变器逆变器n10.4.210.4.2无源逆变器无源逆变器n2.2.单相无源逆变器的电压控制单相无源逆变器的电压控制n(1)(1)控制输入直流电压控制输入直流电压n(2)(2)内部控制内部控制n脉宽控制脉宽控制63 10.4.10.4.2 无源逆变器无源逆变器n2.2

31、.单相无源逆变器的电压控制单相无源逆变器的电压控制n脉宽调制脉宽调制n改变脉冲数改变脉冲数n改变脉冲宽度改变脉冲宽度频率、电压协调控制频率、电压协调控制(U/f(U/f保持不变保持不变) )如如f f降低则保持脉冲降低则保持脉冲数不变，间隔拉大使数不变，间隔拉大使输岀电压输岀电压U U降低降低64 10.4.10.4.2 无源逆变器无源逆变器n2.2.单相无源逆变器的电压控制单相无源逆变器的电压控制n波形的改善波形的改善65 10.4.10.4.2 无源逆变器无源逆变器n3.3.无源逆变器的换相（换流）无源逆变器的换相（换流）6610.4.10.4.2 无源逆变器无源逆变器n3.3.无源逆变器的换相（换流）无源逆变器的换相（换流）67 10.5 10.5 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路n晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求n(1) (1) 触发电压和触发电流触发电压和触发电流，要求触发电压，要求触发电压 4VU4VUg g10V10V；n(2) (2) 触发时间触发时间( (一