第7章 电源电路

1、 第第7章章 电源电路电源电路电源电路是电子设备的重要组成部分，它为电子设备提供所需要的能量。本章电源电路包括直流稳压电源、可调直流稳压电源和可调交流稳压电源。本章首先介绍常用的直流稳压电路，然后详细阐述晶闸管可控整流电路的工作原理，并介绍在实际生产中的应用晶闸管逆变电路，最后简要介绍计算机使用的开关电源电路。本章对概念、原理的阐述力求精练、深入浅出，避免繁杂的数学推导，着眼于实际的应用。 本章教学建议不少于6学时，可以只讲直流稳压电路和晶闸管可控整流电路，对于晶闸管逆变电路和开关电源电路，可根据需要选学部分内容。 各种电子电路，如模拟的放大电路、振荡电路、门电路、触发器等通常都需要直流电源来

2、供电。直流电源可以由干电池提供，但比较经济实用的办法是利用交流电源经过变换来得到。 一般直流电源的组成如图7.1.1所示，包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个组成部分。 图7.1.1 直流电源的组成1）电源变压器 交流电网电压一般为220V（或380V），而各种电子设备所需要的各种直流电压值一般都远小于220V，且不同场合的要求也不相同。电源变压器用于将电网的较高电压变换为合适的交流电压，然后送到整流电路。如果采用隔离变压器，它还有隔离作用。 (2)整流电路 整流电路由单向导电性的整流元件构成，用于将正负交替变化的正弦交流电压整流成为单方向变化的脉动直流电压。 (3)滤波电路 滤波

3、电路通常由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将整流电路输出的单向脉动直流电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。 (4)稳压电路 当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅值也将随之而变化。稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。二极管具有单向导电性，因此可以利用二极管这一特性组成整流电路，将交流电压变换成单向脉动电压。常用的整流电路有半波整流电路、全波整流电路和桥式整流电路等。其中，桥式整流电路是最常用且性能较好的一种。 1. 基本工作原理基本工作原理 桥式整流电路如图7.1.2（a）所示。图中，T为电源变

4、压器，VD1VD4为整流二极管，RL代表直流电源的负载。图7.1.2（b）是其简化画法。图7.1.2 单相桥式整流电路 电源变压器二次绕组电压为正半周期时，电压极性上正下负，二极管VD1、VD2上的电压为正偏电压，因此导通；而VD3、VD4因反偏而截止。变压器二次绕组a端、二极管VD1、负载电阻RL、二极管VD2和二次绕组b端形成回路，电流方向如图中实线箭头所示。 为负半周期时，电压极性上负下正，二极管VD3、VD4为正偏电压，因此导通；而VD1、VD2因反偏而截止。变压器的二次绕组b端、二极管VD3、负载电阻RL、二极管VD4和二次绕组a端形成回路，电流方向如图中虚线箭头所示。2u由图可见，

5、在 的一个完整的周期中，均有电流流过负载，而且无论在正半周还是在负半周，流过负载的电流方向一致，因此可以在负载电阻上得到一个单方向的电压，不过这个电压的大小是变化的，即是一个脉动的直流电压。单相桥式整流电路的各点电流、电压波形如图7.1.3所示。 现在，半导体器件厂已将整流二极管封装在一起，制造成单相整流桥和三相整流桥，这些模块只有输入交流和输出直流引脚，减少接线，提高了可靠性，使用起来非常方便。2u图7.1.3 桥式整流电路波形图 是整流器输出电压瞬时值在一个周期内的平均值，即式中， 是电源变压器二次绕组交流电压的有效值。（2）脉动系数S 整流电路输出电压的脉动系数S定义为输出电压基波分量的

6、最大值 与平均电压 之比，即O(AV)UO(AV)U220220OO(AV)9 . 022)(sin21)(21UUttdUtduU（7.1.1） 2UMOU1O(AV)UO(AV)O1MUUS (7.1.2) 由图7.1.3中的输出电压波形可以得出，桥式整流电路输出电压的脉动系数为0.67。 （3）二极管的正向平均电流 定义为通过整流二极管的瞬时电流在一个周期内的平均值。在桥式整流电路中，由于二极管VD1、VD2和VD3、VD4轮流导通，所以每个整流二极管的正向平均电流等于输出电流平均值 的一半，即D(AV)IO(AV)ID(AV)I)O(AVD(AV)21II(7.1.3) 决定了整流二极

7、管工作时的温升，是选择二极管的一个重要技术指标。（4）二极管最大反向峰值电压 是指整流管不导电时，在它两端出现的最大反向电压。选管时应选耐压比 数值高的管子，以免被击穿。由图7.1.2可以看出，整流二极管承受的最大反向峰值电压就是变压器二次侧电压的最大值。即RMURMURMU2RM2UU (7.1.4) D(AV)I 桥式整流电路把交流电转换为单一方向的直流电时，其中仍然含有较大的脉动成分。在多数的电子设备中，这种直流电还是不能满足需要。因此，可在整流电路后面加接滤波电路，以减少输出电压中的脉动成分。滤波通常是利用电容或电感的能量存储功能来实现的。常用的滤波电路有电容滤波电路、电感滤波电路和型

8、滤波电路等。 1电容滤波电路由桥式整流、电容滤波组成的电路如图7.1.4所示，其中电容就是滤波电容。 图7.1.4 桥式整流、电容滤波电路 在没有接电容时，整流二极管VD1、VD2在 的正半周导通，VD3、VD4在 的负半周导通，输出电压如图7.1.5中虚线所示。并联滤波电容后，在 的正半周，二极管VD1、VD2导通，由图7.1.4可见，二极管导通时，除了有一个电流 流向负载外，同时还有一个电流 向电容充电，电容电压极性 为上正下负，如图中所示。如果忽略二极管的内阻，则在二极管导通时，电容电压 及输出电压 均等于变压器二次电压 。 2u2uOiCiCuCuOu2u 当u2达到最大值以后开始下降

9、，此时电容电压uC也将由于电容放电而逐渐下降。当 u2 uC时，二极管VD3、VD4导通，电容C再次充电，这样循环下去，电源电压u周期性变化，电容C周而复始地进行充电和放电，使输出电压脉动减小。输出电压uO的波形如图7.1.5中的实线所示。 2u 图7.1.5 桥式整流、电容滤波电路波形图 一般常用如下经验公式估算电容滤波时的输出电压平均值。 根据以上分析，对于电容滤波电路可以得到以下结论： （1）提高输出电压的直流成分。在负载电阻 RL上并联滤波电容后，当二极管截止时，由于电容通过RL放电，输出电压仍然较高，因此输出电压的平均值提高了。 （2）降低输出电压的脉动系数。这是由于电容储能作用的结

10、果。当二极管导电时，电容被充电，将能量储存起来，然后再逐渐放电，把把能量传递给负载。这样，输出电压的脉动系数约为2)(2 . 1 UUAVO(7.1.5) 20%30%，比滤波前67%的脉动系数有明显的减少，使输出波形比较平滑。3）滤波效果与有关。电路的=RLC 愈大，放电过程愈慢，则输出电压愈高，同时脉动成分愈少，即滤波效果愈好。当RLC =时，输出电压的平均值 。随着RLC逐渐减小，输出电压也逐渐减小。为此，应选择大电容做滤波电容，而且RL也要较大。因此，电容滤波适合于负载电流比较小的场合。（4）电路的外特性为软特性。电路的外特性指输出电压UO（AC）与输出电流IO（AC）之间的2)0(A

11、V2UU关系，它的特性曲线如图7.1.6所示。由图可见，随着输出电流的增加，电容滤波电路的输出电压下降很快，即它的外特性比较软，所以，电容滤波适合于负载电流变化不大的场合。图7.1.6 电容滤波电路的外特性 为了得到比较好的滤波效果，滤波电容的容量可由下式来选择。式中，T是交流电压的周期。由于电容值比较大，约几十至几千微法，一般选用电解电容器。电容器的耐压值应该大于2电感电容滤波电路 为了进一步减小输出电压的脉动系数，在滤波电容前串接一个带铁心的电感L，组成了电感电容滤波电路，如图7.1.7所示。2)53(LTCR（7.1.6） 22U 由于线圈自感电动势阻碍电流的变化，因而使负载电流和负载电

12、压的脉动大为减小。频率越高，电感越大，滤波效果越好。经电感滤波的直流电压又经过电容滤波，再一次滤掉其中的脉动成分，这样便可以得到脉动更小的直流输出电压。在实际应用中，电感L不能取得太小，一般取 ，否则起不到滤波效果；但是电感也不能太大，如果L很大，匝数就多，体积和直流电阻也较大，会造成直流输出电压的下降。 LR3L 具有LC滤波器的整流电路适用于电流较大、要求输出电压脉动很小的场合。在电流较大、负载变动较大、并对输出电压脉动程度要求不太高的场合（例如晶闸管电源），也可将电容略去，仅采用电感滤波电路。图7.1.7 电感电容滤波电路 3型滤波电路 如果要求输出电压的脉动更小，可以在LC滤波电路的前

13、面再并联一个电容C1，便构成了型LC滤波电路，如图7.1.8所示。它的滤波效果比普通LC滤波电路更好。图7.1.8 型LC滤波电路 由于电感线圈的体积大而笨重，成本又高，所以有时候用电阻R去代替型滤波电路中的电感线圈L，这样便构成了型RC滤波电路，如图7.1.9所示。当电阻和电容串联时，可使脉动电压的交流分量较多地降落在电阻两端，起到了较好的滤波效果。 R愈大，C2愈大，滤波效果愈好。但R太大，将使直流压降增加。所以，这种滤波电路主要适用于负载电流较小而又要求输出电压脉动小的场合。 图7.1.9 型RC滤波电路 经整流和滤波后的电压还随着交流电源的波动和负载的变化而变化，稳定性能较差。电压的不

14、稳定有时会产生测量和计算误差，或引起电子装置的工作不稳定，甚至无法正常工作。因此，在整流和滤波电路之后，还需要有稳压电路，用以稳定直流输出电压。 最简单的稳压电路是采用一只稳压管构成的稳压电路，但是这种稳压电路的稳压效果不很理想，只适用于对直流电压要求不高的场合。在仪器设备中，最常用的是串联型稳压电路。 1串联型直流稳压电路的组成 串联型直流稳压电路如图7.1.10所示，包括四个组成部分。图7.1.10 串联型直流稳压电路 1）采样电路 由电阻R1、R2和电位器RP组成。由于取样电压UF取自输出电压的一部分，所以可以反映输出电压的变化。（2）放大电路 放大电路A的作用是将稳压电路输出电压的变化

15、量进行放大，然后再送到调整管的基极。如果放大电路的放大倍数比较大，则只要输出电压产生一点微小的变化，就能引起调整管的基极电压发生较大的变化，提高了稳压效果。因此放大倍数愈大，则输出电压的稳定性愈高。 （3）基准电压电路 基准电路由R和VDZ构成。基准电压由稳压管VDZ提供，接到放大电路的同相输入端。采样电压与基准电压进行比较后，再将二者的差值进行放大。电阻R的作用是保证VDZ有一个合适的工作电流。（4）调整管 调整管VT接在输入直流电压UI的正端和负载电阻RL之间，若输出电压UO由于电网电压或负载电流等的变化而发生波动时，其变化经过采样、比较、放大后送到调整管的基极，使调整管的集-射电压也发生

16、相应变化，最终调整输出电压使之基本保持稳定。 2串联型直流稳压电路的稳压原理 在图7.1.10中，假设由于UI增大或IL减小而导致输出电压UO增大，则通过采样以后反馈到放大电路反相输入端的电压UF也按比例增大，但其同相输入端的电压即基准电压UZ保持不变，故放大电路的差模输入电压 将减小，于是放大电路的输出电压减小，使调整管的基极输入电压UBE减小，则调整管的集电极电流IC随之减小，同时集电极电压UCE增大，UO下降，结果使输出电压UO保持基本不变。FZIDUUU以上稳压过程可简明表示如下： 或 由此看出，串联型直流稳压电路的稳压过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。 在串联

17、型直流稳压电路中，通过调节电位器RP的位置可以改变输出电压的大小。 IULIOUFUIDUBEUCICEUOU 当电位器RP的滑动端调至最上端时，UO达到最小值。即 当电位器RP的滑动端调至最下端时，UO达到最大值。即ZOminURRRRRURPRP221 ZOmaxURRRRURP221 串联型直流稳压电路的稳压效果较好，但电路复杂，价格高。随着集成技术的发展，稳压电路也实现了集成化。当前已广泛使用的单片集成稳压电源具有体积小、可靠性高、使用灵活及价格低廉等特点。集成稳压器如图7.1.11所示。图中除了串联型直流稳压电路的各部分外，还增加了启动电路和保护电路。启动电路的作用是在刚接通直流输入

18、电压时，使调整管、放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流；当稳压电路正常工作时，启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。保护电路包括限流保护、过热保护和过压保护电路，用以保护稳压电路不会过流、过压或过热。 W7800和W7900系列是最常用的集成稳压器。它们只有输入（IN）、输出（OUT）和公共地（GND）3个引脚，故称它们为三端集成稳压器。W7800系列的输出为固定的正电压；W7900系列的输出为固定的负电压。无论是哪一种，按照输出电压大小可分为8种规格，即5V、6V、8V、9V、12V、15V、18V及24V。 按照输出电流大小可分为3种规格，即1.5A（W7800和W7900系列）、5

19、00mA（W78M00和W79M00系列）以及100 mA（W78L00和W79L00系列）。例如：W7805的输出电压为+5V，允许最大输出电流为1.5A。 图7.1.11 三端集成稳压器的组成 W7800系列、W7900系列、W78M00系列和W79M00系列三端集成稳压器的外形有两种，一种是金属菱形式，一种是塑料直插式，分别如图7.1.12（a）和（b）所示。W78L00和W79L00系列三端集成稳压器的外形也有两种，一种是塑料截圆式，一种是金属圆壳式，分别如图7.1.12（c）和（d）所示。值得注意的是，三端集成稳压器的外形不同时，他们的引脚号及其定义也有所不同。各系列稳压器的引脚列于

20、表7.1.1中。图7.1.12 三端集成稳压器的外形 表7.1.1 W7800和W7900系列三端集成稳压器的引脚封装形式金属封装塑料封装引脚名称IN GND OUTIN GND OUTW7800W78M00W78L001 3 21 3 21 3 21 2 31 2 33 2 1W7900W79M00W79L003 1 23 1 23 1 22 1 32 1 32 1 3 1最基本的稳压电路 三端集成稳压器最基本的稳压电路，如图7.1.13所示。整流滤波后得到的直流输入电压UI接在输入端和公共端之间，在输出端即可得到稳定的输出电压UO。为了得到较好的稳压效果，要求输入直流电压UI的值应至少比

21、UO高2V。为了减小纹波系数，常在输入端接入电容CI，一般CI为0.33F。同时，在输出端接上电容CO ，以改善负载的瞬态响应，一般CO为0.1F。两个电容直接接在集成稳压器的引脚处。 OU2输出正、负电压稳压电路 正、负电压稳压电路如图7.1.14所示。该电路能同时输出15V的两路稳定的直流电压。注意其中的负电压输出芯片W7915的引脚接法，与正电压输出芯片W7815是不同的。图7.1.13 最基本的稳压电路 图7.1.14 正、负电压稳压电路3可调稳压电路 W7800和W7900系列均为固定输出电压，如果希望得到可调的电压输出，可接成如图7.1.15所示的电路。图7.1.15 可调稳压电路

22、 根据电路关系，可以推导出该电路的输出电压为 上式中， O为三端集成稳压器的固定输出电压。只要移动电位器 P的滑动端，即可调节输出电压的大小。O1122O)1 (URRRRURPRP 【思考与练习【思考与练习】7.1.1 直流稳压电源一般由哪几部分组成？各个部分的作用是什么？7.1.2 在图7.1.2所示的桥式整流电路中，如果出现下列情况之一，输出电压会出现什么问题？ (1) 其中的某一个整流二极管开路； (2) 其中的某一个整流二极管短路；(3) 其中的某一个整流二极管反接。7.1.3 串联型稳压电源的组成是怎样的？在外界条件发生改变时，它是如何实现稳压的？ 前面介绍的二极管整流电路，它输出

23、的直流电压通常是固定的，不能控制和改变，这类电路称为不可控整流电路。但在实际应用中，如交、直流电动机的调速、蓄电池的充电及变频电源等,希望整流器输出的直流电压能够根据需要进行调节，为此需要采用可控整流电路。实现可控整流的核心元件是晶体闸流管（简称晶闸管，原名可控硅），它具有体积小、重量轻、动作迅速及维护简单等优点，在许多场合得到了广泛的应用。 1. 基本结构 晶闸管是在晶体管的基础上发展起来的一种大功率半导体器件，它是具有三个PN结的四层结构，如图7.2.1（a）所示。由上层P型半导体引出阳极A，由下层N型半导体引出阴极K，而由中间的P型半导体引出门极G。它的符号如图7.2.1（b）所示。普通

24、晶闸管的外型一般有两种形式：一种是螺栓式，另一种是平板式，分别如图7.2.1（c）和（d）所示。 2. 工作原理 晶闸管的工作原理，可以按图7.2.2所示的电路做一个简单的实验加以说明。 图7.2.1 晶闸管的结构、符号和外形 （1）晶闸管的阳极接直流电源的正极，阴极经灯泡接电源的负极，此时晶闸管承受正向电压。门极电路中开关S断开（门极不加电压），如图7.2.2（a）所示。这时灯不亮，说明晶闸管不导通。 （2）晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，门极电路中开关S闭合，即门极相对于阴极也加正向电压，如图7.2.2（b）所示。这时灯亮，说明晶闸管导通。 （3）晶闸管导通后，断开门极电路中开关S（即去掉

25、门极电压），灯仍然亮，这表明晶闸管继续导通。即晶闸管一旦导通后，门极就失去了控制作用。 （4）晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压，如图7.2.2（c）所示。无论门极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。 （5）如果门极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。归纳以上实验，可得出如下结论： 晶闸管导通条件：阳极加正向电压，门极也加正向电压。 图7.2.2 晶闸管的导通实验电路 一旦晶闸管导通，门极就不起作用了，所以，门极只需加正向触发脉冲电压。 为了说明晶闸管的导通原理，可以将晶闸管等效为PNP型和NPN型两个晶体管的组合，如图7.2.3（a）所示。由图可见，晶体管VT1

26、（PNP型）的发射极相当于晶闸管的阳极A，晶体管VT2（NPN型）的发射极相当于晶闸管的阴极K，而VT2的基极相当于晶闸管的门极G。 图7.2.3 晶闸管的导通原理示意图在图7.2.3（b）中，当晶闸管的阳极加正向电压UA ，门极也加正向电压UG时， UA的极性保证了VT1和VT2处于放大状态，门极G上的正向电压所产生的门极电流IG经VT2放大为 ，且送到VT1的基极，又经VT1放大为 。此电流再送入VT2和VT1进行放大，循环往复，形成了强烈的正反馈。因此两只晶体管很快进入饱和状态，即晶闸管导通。 在晶闸管导通后即使断开门极电压UG，晶闸管仍能处于导通状态，它的导通状态完全依靠管子本身的正反

27、馈作用。欲关断晶闸管，必须使阳极电流减小到不能维持正反馈的数值，或者将阳G2IG21I极与电源UA断开，去掉阳极电压，或者给阳极与阴极之间加一反向电压。由于通过门极只能控制其导通，不能控制其关断，晶闸管又被称为半控型器件。 3.伏安特性 晶闸管的伏安特性如图7.2.4所示。 当门极电流IG=0，而阳极正向电压不超过一定限度时，晶闸管处于阻断状态，管子中只有很小的正向漏电流。图中的OA段称为正向阻断特性。当阳极电压继续增大到图中的UBO值时，阳极电流急剧上升，特性曲线突然由A点跳到B点，晶闸管导通。 图7.2.4 晶闸管的伏安特性UBO称为正向转折电压。晶闸管导通后，电流很大而管压降只有1V 左

28、右，此时的伏安特性与二极管的正向特性相似，如图中的BC段，称为正向导通特性。晶闸管导通以后，如果减小阳极电流，则当 IA小于IH时，突然由导通状态变为阻断，特性曲线由B点跳到A点。IH称为维持电流。 当门极加上电流IG 时，使晶闸管由阻断变为导通所需的阳极电压将小于UBO ，而且IG愈大，所需的阳极电压愈小。不同的IG 时的正向特性如图7.2.4中所示。 当晶闸管阳极电压为负时的伏安特性称为反向特性。它与二极管的反向特性相似：当反向电压不大时，只有很小的反向漏电流；而当反向电压超过图中的 UBR值，管子被击穿，反向电流急剧增加。 UBR称为反向击穿电压。 晶闸管正常工作时，外加电压不允许超过反

29、向击穿电压，否则管子将被损坏。同时，外加电压也不允许超过正向转折电压，否则不论门极是否加IG，晶闸管均将导通，门极将失去控制作用，在可控整流电路中，应该由门极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关。 4. 主要参数普通晶闸管有下列主要参数：（1）正向峰值重复电压UFRM 在门极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向峰值重复电压UFRM。一般规定此电压比正向转折电压UBO小100V。（2）反向峰值重复电压URRM 在门极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，称为反向峰值重复电压URRM 。一般规定此电压比反向击穿电压UBR小100V。FRMU

30、 （3）额定正向平均电流 在环境温度小于40oC、标准散热和全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值，称为额定正向平均电流 IF。通常所说的多少安的晶闸管，就是指这个电流的大小。（4）维持电流IH 在规定的环境温度和门极断路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH 。 目前我国生产的晶闸管的含义及符号如下： K P 导通时平均管压降组别（小于 100A 的不标） ， 共九级，用 AI 字母表示 0.41.2V 额定电压，用其百位数或千位数表示， 它即为 UFRM和 URRM中较小的一个 额定正向平均电流（A） 普通型 晶闸管 例如：KP5-7表示额定正向平均电流为5

31、A，额定电压为700V的晶闸管。 将晶闸管作为整流器件可以组成可控整流电路。这种整流电路不仅能够将交流电变换成为直流电，而且输出电压可以根据需要进行调节。常用的可控整流电路有单相桥式整流电路和三相半波或桥式整流电路。 单相桥式可控整流电路如图7.2.5所示。它与图7.1.2比较可以看出，电路的差别是用晶闸管VT1、VT2替换了图7.1.2中的两只整流二极管。 在u2的正半周，VT1和VD2承受正向电压，若此时门极不加触发脉冲，VT1不能导电，故负载中没有电流流过。假设当t= 时，门极加上触发脉冲 UG，则VT1管突然导通，电流从u2的1端 图7.2.5 单相桥式可控整流电路 流出，经VT1、R

32、L和VD2流向u2的2端。由于晶闸管导通时管压降很小，u2基本上都降落在RL上，因此可以认为uO = u2。此时VT2和VD1承受反向电压，因此均不导通。当t=1800 时， u2降为零，VT1又变为阻断。 在u2的负半周，VT2、VD1承受正向电压，当VT2的门极加上触发脉冲uG时，VT2导通，电流从u2的2端流出，经VT2、RL和VD1流向1端，直到t=3600时，VT2恢复阻断。 LR 电路的工作波形如图7.2.6所示。（a）为变压器输出电压的波形，（b）为触发脉冲的波形，（c）为输出的整流电压的波形，（d）为VT1承受的电压的波形。图中为控制角，为导通角，和满足以下关系：显然，当愈小，

33、 即愈大时，输出电压的平均值愈大。0180 由上式可见，当固定时，只需改变控制角 的大小就可以调节的数值。 单相桥式可控整流电路的调整及维护都比较方便，但由于是单相供电，输出功率一般应在10kW以下，否则会造成三相电网的不平衡。输出功率较大时，需要采用三相可控整流电路。 2cos19 . 02cos122)(sin21222O(AV)UUttdUU 图7.2.6 单相桥式可控整流电路波形图 三相半波可控整流电路，如图7.2.7（a）所示。三个晶闸管的阳极分别接入U、V、W三相电源，它们的阴极连接在一起，称为共阴极接法。由于共阴极接法触发电路有公用线，接线和调试方便，所以常被采用。由此，整流变压

34、器的二次绕组必须接成星形，以便得到零线。而一次绕组多接成三角形，使其三次谐波能够通过，减少高次谐波的影响。 图7.2.7（b）是相电压的波形。在t1t2期间，U相电压比V、W相都高。如果在t1时刻触发晶闸管VT1，VT1便导通，于是负载上得到U相电压。在t2t3期间， W相都高。如果在t2时刻触发晶闸管VT2，VT2便导通，而一旦VT2导通，VT1因承受反向电压而关断，于是负载上得到V相电压。在t3时刻触发晶闸管VT3，VT3导通，并关断VT2，使负载上得到W相电压。然后，各晶闸管仍按同样的规律依次触发导通并关断在它前面导通的晶闸管。在每个周期内，总是与最高相电压相连的晶闸管触发导通。 图7.

35、2.7（c）是触发脉冲uG的波形。由图中看出，三相半波可控整流电路要求触发脉冲的相位间隔应与三相电源相电压的相位差相同，即均为1200。图7.2.7 三相半波可控整流电路图7.2.7 三相半波可控整流电路的工作波形 图7.2.7（d）是输出的整流电压波形。它正好是三相交流电压正半周的包络线。在一个周期内，三相电源轮流向负载供电，每相晶闸管各导通1200，负载电流是连续的。 图7.2.7（e）是变压器U相绕组和晶闸管VT1中的电流波形，其它两相电流波形的形状相同，只是相位依次滞后1200，故变压器二次绕组流过的是直流脉动电流。 图7.2.7（f）是U相VT1上的电压波形，可分为3部分：VT1导通

36、期uT1=0；VT2导通期，VT1承受U相和V相的电压差uUV= uU uV ，是反向电压；VT3导通期，VT1承受U相和W相的电压差uUW= uU uW ，亦是反向电压。其它两管上的电压波形形状相同，仅相位依次滞后1200 。 在相电压的交点处t1、t2、t3是各相晶闸管能触发导通的最早时刻。在交点以前晶闸管承受反向电压，不能触发导通。因此，把这交点作为计算控制角的起点，即=00 。 增大角，即触发脉冲后移，整流输出电压将减小。例如=600 时，其工作波形如图7.2.8所示。由图中看出，输出电压值明显比=00 时小。若角继续增大，那么整流输出电压将愈来愈小。当=1500 时，整流输出电压为零

37、。图7.2.8 =600时三相半波可控整流电路的工作波形 当 时，整流输出电压的平均值可由下式得出O30)6cos(1675. 02oO(AV)UuU 1. 触发电路 触发电路的作用就是产生触发脉冲，使晶闸管能导通。触发电路的形式有多种，本节主要介绍由单结晶体管构成的触发电路。（1）单结晶体管的结构及特性单结晶体管又称双基极二极管，其外形与普通晶体管相似。单结晶体管的结构和符号如图7.2.9所示。由图可见，它只有一个PN结，但有3个电极，分别称为发射极E，第一基极B1，第二基极B2。图7.2.9 单结晶体管的结构和符号 将单结晶体管按图7.2.10的电路连接，可以得到它的伏安特性曲线，如图7.

38、2.11所示。由图可见，曲线上有两个突变点：峰点P和谷点V，对应的电压和电流分别称为峰点电压UP 、谷点电压UV 、峰点电流IP 和谷点电流IV。这两点将曲线分为3个工作区域，即截止区、负阻区和饱和区。 图7.2.10 测量单结晶体管特性的实验电路图7.2.11 伏安特性曲线截止区：指曲线上P点以左， IE数值很小，即单结晶体管还没有导通的一段区域。这时，外加电压UE较小，发射极E与第一基极B1之间的PN结不能导通，故发射极仅有较小的反向漏电流。 负阻区：指曲线上P点至V点之间的一段区域。这时，外加电压达到VP，单结晶体管内的PN结导通，IE突然增大，UE反而减小，即UE /IE为负值，所以称

39、为负阻区。 饱和区：指谷点V右边的那部分区域。当IE增大到一定值时，曲线出现最低点，即谷点V。过谷点以后，UE又随着IE的增加而稍有升高（上升幅度不大），故这部分特性称为饱和区。EU （2）单结晶体管触发电路 一个完整的晶闸管可控整流电路，如图7.2.12所示。图中的电路分成两部分，上部分是晶闸管可控整流电路，称为主电路；下部分是由单结晶体管组成的触发脉冲形成电路，称为触发电路。在触发电路中，T为变压器，二极管VD1VD4组成桥式整流电路；R3和VDZ为限幅电路，VT为单结晶体管。图7.2.13所示为电路各点的工作波形。 主电路和触发电路经变压器T接在同一个电源上，这样每当主电路的交流电压过零

40、时，触发电路的电压 也同时过零值，见图7. 图7.2.12 单结晶体管触发电路2.13的（a）和（b）所示，称为两者同步。同步对可控整流电路的正常工作是很重要的。因此，T既是整流变压器，又是同步变压器。 由于整流电路的输出电压会受到交流电源电压波动的影响，因此图中采用稳压管VDZ将整流电压限幅（或称削波），使其稳定在电压UZ上，即将uO变成了梯形波，如图7.2.13（b）所示，从而避免了电源电压波动对触发电路的影响。 接通电源前，设电容C上的电压uc=0。接通电源后，限幅电路输出的梯形波电压加到由RP 、R和C组成的充电回路上，使电 容充电。当uc上升到等于单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体

41、管VT导通， 和B1间的电阻突然减小。这时C经R1放电。因为电阻R1取值较小，所以放电很快。放电电流在电阻R1上形成脉冲电压，这就是输出触发脉冲电压uG。放电的同时uc也下降，当 uc下降到等于单结晶体管的谷点电压uV时，单结晶体管截止。C又转为充电，使uc上升，重复上述过程。显然，每当单结晶体管导通时，R1上便有放电电流，就可形成一个接一个的触发脉冲电压uG ，其波形如图7.2.13（d）所示。触发脉冲使晶闸管轮流导通，其输出电压波形如图7.2.3（e）所示。 图7.2.13 电路各点的工作波形电位器RP起移相作用。改变RP的阻值，就改变了充电的时间常数 ，因而改变了控制角 的大小，起到了调

42、节输出电压的目的。由于变压器的同步作用，可以使图7.2.13（d）中每半个周期产生第一个脉冲的时间相同，即控制角 。主电路中的晶闸管是由图7.2.13（d）中每半周期的第一个脉冲触发导通的。 2. 保护电路 晶闸管虽然具有很多优点，但它们承受过电压和过电流的能力很差，因此在各种晶闸管电路中必须采取适当的保护措施。CRRRP) （21 （1）晶闸管的过电流保护 由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。 晶闸管发生过电流的主要原因有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其它元件的过电流；触发电路工作不正常或受到干扰，使晶闸管误触

43、发，引起过电流。晶闸管承受过电流的能力很差，例如，一个100A的晶闸管，当流过它的电流为200A时，允许持续5s；而当电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则会因过热而将晶闸管损坏。由此可知，晶闸管允许在短时间内能承受一定的过电流。所以，过电流保护的作用是当发生过电流时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。常见的晶闸管有以下几种过电流保护措施。 快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管时很可能在晶闸管烧坏之后熔断丝还没有熔断，这样就起不到保护作用。快速熔断器采用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在晶闸管损坏之前迅速熔断，保护了晶闸管。 一般在电路中将快速熔断器

44、和晶闸管串连在一起，即可起到过电流保护的作用。 过电流继电器 在输出端（直流侧）安装直流过电流继电器，或在输入端（交流侧）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定的时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不是很有效。 过流截止保护 利用过电流的信号将晶闸管的触发脉冲后移，使晶闸管的导通角减小，或者停止触发。 2）晶闸管的过电压保护 晶闸管承受过电压的能力极差，当电路中的电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管

45、发生误导通，导通后通过的电流较大，这种误导通次数频繁时，也可能使元件损坏或晶闸管的特性下降。因此必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。 引起过电压的主要原因是，电路中一般都接有电感元件，在切断或接通电路，或者从一个元件转换到另一个元件导通时，以及熔断丝熔断时，电路中的电压往往都会超过正常值。有时雷击 也会引起过电压。晶闸管有以下几种常用的过电压保护措施。 阻容保护 可以利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量转变成电场能量储存在电容中，然后通过电阻消耗掉。这是过电压保护的基本方法。 阻容元件可以并联在整流装置的交流侧（输入端）、直流侧（输出端）或元件侧。如图7.2.14所示。图中

46、的、即为阻容保护元件。 硒堆保护 硒堆（硒整流片）是一种非线性电阻元件，具有较陡峭的反向特性。当硒堆上的电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并没有损坏。硒堆可以单独使用（如图7.2.14所示），也可以和阻容元件并联使用。 图7.2.14 阻容保护及硒堆保护电路 【思考与练习【思考与练习】在实际生产中除了将交流电转变为大小可调的直流电外，还常需要利用晶闸管将直流电转变为交流电，相对于整流的变换过程来讲这是逆向的，故称为逆变。实现逆变过程的电路称为逆变器。逆变器是交-直-交变频器的重要组成部分，如图7.3.1所示。变频器一般可作为电源

47、，用于交流调速、感应加热、焊接、不间断电源及直流输电等。图7.3.1 变频器示意图 这里须指出的，图7.3.2和图7.3.3中所用晶体管的不是普通晶闸管，而是可关断晶闸管（GTO），它是一种具有快速自关断能力的功率开关元件。当其阳极和阴极间加正向电压时，在门极加上正脉冲可使其导通；反之，加上负脉冲即可使其关断（截止），这点和普通晶闸管不同。如果在逆变器中采用普通晶闸管，需有复杂的换流电路，而采用GTO，毋需换流电路。图7.3.2是电压型单相桥式逆变电路。整流器输出的直流电压为ud。若切换晶闸管VT1、VT3 和VT2、VT4轮流导通，则在负载上得到交流电压uO。它是一矩形波电压，如图7.3.2

48、（b）所 示，其幅值为ud，而频率f0则由晶闸管切换导通的时间来决定。如果负载是电感性的，还应分别在各晶闸管上反向并联二极管VD1VD4，用于吸收感性负载反馈的电能量。 例如当VT1，VT3导通时，负载电流iO的方向如图中所示；在刚切换为VT2，VT4导通时，iO的方向尚未改变，此时可经过二极管VD2电源VD4这一通路，将电感能量由负载反馈回电源。因此，这种联接的二极管称为反馈二极管。如果是电阻性负载，iO与uO同相，则二极管中不会有电流流过，它们不起作用。 图7.3.2 电压型单相桥式逆变电路 图7.3.3是电压型三相桥式逆变电路。逆变器的输出端A，B，C接星形联接的三相电感性负载，每相阻抗

49、的模分别为|ZA|、|ZB|、|ZC|。逆变器前所接的整流器是一般的二极管三相桥式整流电路，其输出电压ud不可调。若相隔600给晶闸管VT1VT6门极加顺序脉冲uG1 uG6，如图7.3.4所示，使晶闸管依次触发导通，导通次序如表7.3.1所列。 每一600区间有3个晶闸管同时导通，每隔600 更换一个管子，每管导通1800 。同一臂的两个晶闸管VT1和VT4，VT3 和VT6，VT5和VT2不能同时导通，否则会造成直通，将电源短路。 因此，uG1和uG4， uG3和uG6，uG5和uG2都是互为反量，不会同时为正。 下面分析加在负载上的相电压和线电压。如上所述，每一表7.3.1 晶闸管在一个

50、周期内导通次序导通区间晶 闸 管 导 通 次 序06006012001201800180240024030003003600VT5 VT6 VT1 VT6 VT1 VT2 VT1 VT2 VT3 VT2 VT3 VT4 VT3 VT4 VT5 VT4 VT5 VT6 图7.3.3 电压型三相桥式逆变电路 600区间有3个晶闸管同时导通。导通次序可分为两类：单号管导通2个，双号管导通1个；单号管导通1个，双号管导通2个。例如在0 600 区间，是第一类情况，其电路如图7.3.5（a）所示，在图中并设|ZA|=|ZB|=|ZC|=|Z|。按照串、并联电路的分压关系，相电压为 在6001200区间是

51、第二类情况，其电路如图7.3.5（b）所示，相电压为dCA31UuudB32UudA32UudCB31Uuu图7.3.4 顺序脉冲触发电压 同理，可计算其他区间的相电压和线电压。如图7.3.6（a）、（b）、（c）和（d）、（e）、（f）所示。图7.3.5 不同区间晶闸管的导通情况 7.3.3 正弦波脉宽调制电路正弦波脉宽调制电路交-直-交电压型变频电路的输出电压如图7.3.6所示，含有较大的谐波分量。当它作为电源电压时，电动机的效率和功率因数均将降低，而电流却要增大。此外，为了能同时实现电动机的调压和调频，常采用正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器。 SPWM的原理电路和电压波形如图7.3.7所

52、示。在图（b）中，电压比较器的同相输入端加调制电压uS，反相输入端加三角波控制电压（或称载波电压）uC 。当uSuC 时，输出高电平；反之，输出低电平。uO的波形如图7.3.7（a）所示，是等幅不等宽的矩形脉冲序列。若要产生图7.3.3电路中所需的晶闸管门极顺序脉冲uG1uG6，则uS必须是三相对称正弦电压。图7.3.6 相电压和线电压波形（1）图7.3.6 相电压和线电压波形（2） 图7.3.7（a）中只画出了一相，相应uO即为uG1 ，而uG4 应和它反相。这种等幅不等宽的矩形脉冲使晶闸管在导通期间按一定规律多次导通，从而在逆变器输出端获得的不论是相电压uA、 uB、 uC 或线电压uAB

53、、 uBC、 uCA 已不再是图7.3.6中的阶梯形电压了，而为图7.3.7（c）那样，也是等幅不等宽的矩形脉冲序列，脉冲宽度正比于正弦函数。 通常三角波uC的幅值一定，若改变正弦波调制 uS的幅值，则逆变器输出的矩形脉冲序列的幅值不变而脉宽相应改变，达到了对电动机调压调速的要求。如需调频时，只须改变正弦波电压的频率。为了保持电动机的电压与频率之间近似为常数的比例关系，调频和调压往往同时进行。 图7.3.7 正弦波脉宽调制的原理电路和电压波形 【思考与练习】7.3.1相电压的波形如图7.3.6中（a）、（b）和（c）所示，那么线电压的波形（d）、（e）和（f）是如何得出的？7.3.2 在电压型

54、单相或三相逆变电路中，一般采用的是可关断晶闸管（GTO），如果采用一般的晶闸管行不行呢？如果可以，需要对原电路做怎样的改动？ *前面介绍的稳压电路，包括分立元件组成的串联型直流稳压电路和集成稳压器，均属于线性稳压电路，这是由于其中的调整管总是工作在线性放大区。线性稳压电路的优点是结构简单，调整方便，输出电压脉动较小。但是这种稳压电路的主要缺点是效率低，一般只有20%40%。由于调整管消耗的功率较大，有时需要在调整管上安装散热器，致使电源的体积和重量增大，比较笨重。而开关型稳压电路克服了上述缺点，因而它的应用日益广泛，尤其在计算机、电视机、通信及空间技术等领域得到了愈来愈广泛的应用。开关型稳压电

55、路主要有以下几个方面的特点。 1.效率高 开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态，可以通过改变调整管导通与截止时间的比例来改变输出电压的大小。当调整管饱和导通时，虽然流过的电流较大，但饱和管压降很小；当调整管截止时，管子将承受较高的电压，但流过调整管的电流几乎等于零。可见，工作在开关状态的调整管功耗很小，因此，开关型稳压电路的效率较高，一般可达65%90%。 2.体积小，重量轻 因调整管的功耗小，故散热器的体积也可减小。而且许多开关型稳压电路还可省去50Hz工频变压器。开关频率通常为几十千赫兹，故滤波电感、电容的量值均可大大减小。所以，开关型稳压电路与同样功率的线性稳压电路相比，体积和重量都将

56、减小。3.对电网电压的要求不高 开关型稳压电路的输出电压与调整管导通及截止时间的比例有关，而输入直流电压的幅度变化对其影响很小。因此，允许电网电压有较大的波动。一般线性稳压电路允许电网电压波动10%，而开关型稳压电路在电网电压为140260V，电网频率变化4%时仍可正常工作。 4.调整管的控制电路复杂 为使调整管工作在开关状态，需增加控制电路，调整管输出的脉冲还需滤波后再输出。与线性稳压器比较，其结构复杂，调试麻烦。 5.输出电压的纹波和噪声成分大 因调整管工作在开关状态，将产生尖峰干扰和谐波信号，虽经整流滤波，输出电压的纹波和噪声成分比线性稳压电路大。开关型稳压电路按控制方式可分为脉冲宽度调

57、制型（PWM）和脉冲频率调制型（PFM）；按是否使用工频变压器可分为低压开关稳 压电路和高压开关稳压电路；按激励方式可以分为自激式和他激式；按所用开关调整管的种类又可分为双极性三极管、MOS场效应管和可控硅开关电路等。 一个串联式开关型稳压电路的组成如图7.4.1所示。包括开关调整管、滤波电路、脉冲调制电路、比较放大电路、基准电压和采样电路等组成部分。图7.4.1 开关型稳压电路的组成 如果由于输入直流电压或负载电流波动而引起输出电压发生变化时，采样电路将输出电压变化量中的一部分送到比较放大电路，与基准电压进行比较，并将二者的差值经放大后送至脉冲调制电路，使脉冲波形的占空比发生变化。此脉冲信号作为开关调整管的输入信号，使调整管导通和截止时间的比例也随之发生变化，从而使滤波以后输出电压的平均值基本保持不变。 图7.4.2示出了一个最简单的开关型稳压电路的原理示意图。电路的控制方式采用脉冲宽度调制式。图7.4.2 脉冲调宽式开关型稳压电路示意图 图7.4.2中三极管VT为工作在开关状态的调整管。由电感 和电容组成LC滤波电路，二极管VD称为续流二极管。脉冲宽度调制电路由一个比较器和一个产生三角波的振荡器组成。运算放大器A作为比较放大电路，基准电源产生一个基准电压UREF，电阻R1、 R2组成采样电路。 下面分析图7.4.2电路的工作原理。由采样电路得到的