晶闸管可控整流电路

1、晶闸管可控整流电路第一页，共73页。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。第二页，共73页。作用优化电能使用。通过电力电子技术对电能的处理

2、，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。 第三页，共73页。(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，响应速度达到高速化。 (4) 电力电子智能化的进

3、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。第四页，共73页。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 第五页，共73页。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 电力电子器件的主要性能指标：13.1 电力电子器件第六页，共73

4、页。二、 晶闸管（可控硅）-半控型器件 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）。 优点：第七页，共73页。G控制极1. 基本结构K 阴极G阳极 AP1P2N1N2四 层 半 导 体 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K GA(b) 符号(a) 外形晶闸管的外形、结构及符号三 个PN

5、 结第八页，共73页。晶闸管实验S +L-+-EA EGKPEA 加正压，S断开EA 加正压， S闭合KP导通后，S再断开L不亮 L亮 L仍亮KP截止KP导通KP仍导通 EA 加反压（S闭合或断开） 如EG 加反压 无论EA 是正或负 L不亮 L不亮 KP截止 KP截止2. 工作原理第九页，共73页。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

6、. 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。第十页，共73页。P1P2N1N2K GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK2. 工作原理分析第十一页，共73页。 T1T22. 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KGEA 0、EG 0EGEA+_RT2正偏 T2 进一步导通第十二页，共73页。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GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反馈过程由于 iB1iC

7、2， iB2iC1，可使 iG = 0第十三页，共73页。3. 伏安特性正向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U第十四页，共73页。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反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管 URRM为100V3

8、000VURRM：第十五页，共73页。正向平均电流环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。 IF：IFt2如果正弦半波电流的最大值为Im, 则普通晶闸管IF为1A 1000A。第十六页，共73页。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

9、UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。第十七页，共73页。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)（晶闸管类型）P-普通晶闸管K-快速晶闸管S -双向晶闸管 晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。第十八页，共73页。*二、双向晶闸管 A2A1GKAG*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管并联，两者共用一个控制极。第十九页，共73页。13.2 可控整流电路一、 单相半波可控整流 1.

10、 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，uuoRL+uT+Tio第二十页，共73页。(2) 工作原理t12u 0时: tO第二十一页，共73页。 tO 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 tO tOt22tO导通角(3)工作波形第二十二页，共73页。(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 ,移相范围第二十三页，共73页。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

11、闸管反向阳极电压最大值 （5） 主要参数负载直流电压 第二十四页，共73页。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)。uuoR+uT+TLeL-第二十五页，共73页。 tOtO tOt1 tOt22 2) 工作波形(未加续流二极管)第二十六页，共73页。uuoR+uT+LTioDiou 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。u 0时： D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元

12、件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uo波形与电阻性负载相同(见波形图)。3.电感性负载(加续流二极管)+(1) 电路第二十七页，共73页。(3)工作波形(加续流二极管)iL t tOtO2 tO第二十八页，共73页。 加续流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 ,移相范围第二十九页，共73页。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aRLT4T1b(1)电压u 为正半周时io+T1T2RLuoT3T4au+b此时，T2和T3均承受反向电压而截止。第三十

13、页，共73页。io+T1T2RLuoD1D2au+b 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bRLT3T2a此时，T1和T4均承受反向电压而截止。第三十一页，共73页。 t tOtO3. 工作波形2 tO移相范围第三十二页，共73页。4. 输出电压及电流的平均值第三十三页，共73页。（5） 主要参数UO负载直流电压 负载直流电流 = 0.9U2 1+cos 2IO= UORL二极管和晶闸管平均电流 ID = IT = 0.5IO 第三十四页，共73页。晶闸管反向阳极电压最大值 晶闸管正向阳极电压最大值 第三十五页，共73页。4. 输出

14、电压及电流的平均值第三十六页，共73页。（5） 主要参数UO负载直流电压 负载直流电流 = 0.9U2 1+cos 2IO= UORL二极管和晶闸管平均电流 ID = IT = 0.5IO 第三十七页，共73页。晶闸管电流有效值 第三十八页，共73页。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 第三十九页，共73页。2. 大电感负载 P281io+T1T2Ruoau+bLT4T3移相范围:00 900第四十页，共73页。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T1、T2 晶闸管D

15、1、D2晶体管aRLD2T1b(1)电压u 为正半周时io+T1T2RLuoD1D2au+b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。第四十一页，共73页。io+T1T2RLuoD1D2au+b 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bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。第四十二页，共73页。 t tOtO3. 工作波形2 tO第四十三页，共73页。2.大电感负载 P283io+T1T2RuoD1D2au+bL第四十四页，共73页。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？

16、【答】 增大时， 减小，负载直流电压 UO 减小。io+T1T2RLuoD1D2au+b第四十五页，共73页。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。io+T1T2RLuoD1D2au+b第四十六页，共73页。【例】io+T1T2RLuoD1D2au+b解：=1800(=00)时，U0=180V, I0=6A晶闸管选KP5-7型，二极管选2CZ5/300第四十七页，共73页。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

17、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+u2+uoRL解 电路图第四十八页，共73页。（3）u2t0t0t0uguo（2）可见得变化范围为：第四十九页，共73页。 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。RLu2+-+-u1+第五十页，共73页。两种常用可控整流电路电路特

18、点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)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第五十一页，共73页。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。T1T2D1D2uuORL+-+-第五十二页，共73页。三、 三相半波可控整流电路T T1 T2T3io cbau+RLuo+1. 电路ua2ubuct1t2uo第五十三页，共73页。 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

19、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，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. 工作波形动画第五十四页，共73页。4. 输出电压及电流的平均值ua2ubuct1t2uoug第五十五页，共73页。4. 输出电压及电流的平均值ua2ubuct1t2uoug第五十六页，共73页。4. 输出电压及电流的平均值第五十七页，共73页。四、 三相桥式半控整流电路2.工作原理1. 电路u2a2u2bu2ct1t2uoT T1RLuoD3

20、T2T3D2D1io cbau+第五十八页，共73页。19.3 单结晶体管触发电路一、 单结晶体管1.结构B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极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(b) 符号B2EB1第五十九页，共73页。2. 工作原理 UE UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。P第六十一页，共73页。1. UE UP时单结管导通，UE UV时恢复截止。单结晶体管的特点:B2EB12.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U

21、V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。第六十二页，共73页。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可调的振荡电路。ugR2R1RUucE+C+_+_50100k3000. 47F第六十三页，共73页。ugR2R1RUuCE+C+_+_50100k3000. 47F2. 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。UpUvUp-UDuCtugt电容放电至 uC Uv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)第六十四页，共73页。upuv3. 电压波形uCttugOO第六十五页，共73页。主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+uC+RuL+ug+u+三、单结管触发的半控桥式整流电路1. 电路第六十六页，共73页。2. 工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+uo+uZ整流U2MtO2tOtO第六十七页，共73页。(2) 触发电路UP-U