Chapter8 电力电子学-晶闸管及其基本电路

1第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路主要内容：

8.1电力半导体器件

8.2单相可控整流电路

8.3三相可控整流电路

8.4逆变器

8.5晶闸管的触发电路

8.6晶闸管的串并联和保护2第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路学习要求:

掌握晶闸管的基本工作原理、特性和

主要参数的含义；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；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发

电路的基本工作原理。

3第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路重点：

1.晶闸管的导通与关断条件，可控性；

2.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；

3.晶闸管额定通态平均电流IT的含义及基本可控整流电路中IT的选择和额定电压的选择。4第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路难点：

1.整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作状况；

2.晶闸管额定通态平均电流IT的选择；

3.逆变器的工作原理。5第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路前言îíì®®电力（强）电子学电力半导体器件微（弱）电子学集成电路半导体器件电力电子学的任务：

利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。电力半导体器件弱电强电6第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路ïïïîïïïíì大功率二极管功率晶体管可关断晶闸管双相晶闸管单相晶闸管电力半导体器件

晶闸管（Thyristor,可控整流器，SiliconControlledRectifier,简称SCR）是60年代发展起来的一新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。7第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路优点：(1)用很小的功率（电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2~4V）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几十万倍；(2)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、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。8第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路缺点：(1)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)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)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)控制电路较复杂，对维修人员技术水平要求高。9第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路用途：(1)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)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)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)变频电路中、高频加热，交流电机变频调速(5)斩波电路—直流电压从固定变可调直流电机控制(6)电子开关

开关状态，无触点，代替继电器、接触器10第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路8.1电力半导体器件--晶闸管

1.晶闸管结构与符号

2.晶闸管的工作原理

3.晶闸管的伏安特性

4.晶闸管的主要参数

5.晶闸管的应用11

1.晶闸管结构与符号阳极控制极阴极控制极<100A>200A8.1电力半导体器件--晶闸管12

8.1电力半导体器件--晶闸管1.晶闸管结构与符号13

8.1电力半导体器件--晶闸管2.晶闸管的工作原理实验电路:

主电路交流电压~u2，

控制极电路接入Eg。在t1

瞬间合上开关S，在t4

瞬间拉开开关S。(a)实验电路14

8.1电力半导体器件--晶闸管2.晶闸管的工作原理

波形图u2、ug、ud的波形关系：

（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK>0，但ud=0，即晶闸管未导通；

（2）在t1~t2之间:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，而，即晶闸管导通；

（3）在t2~t3之间，uAK<0，尽管ug>0，

但ud=0，即晶闸管关断；

（4）在t3~t4之间，uAK>0，这时ug>0,而，

所以，晶闸管又导通；

（5）当t=t4时，ug=0，但uAK>0，，即晶闸管仍处于导通状态；

（6）当t=t5

时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。

15

8.1电力半导体器件--晶闸管2.晶闸管的工作原理结论：1.SCR具有双向阻断能力;2.SCR的A、G两极正电压才导通;3.SCR导通后，G极失去作用；欲使SCR再次阻断，则须将阳极（A极）电压降低、断电或反向。168.1电力半导体器件--晶闸管3.晶闸管的伏安特性

--SCR的阳极电压与阳极电流的关系触发电压（电流）----A、K间加直流6V时，G极最小电压（电流）171819202122

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mA～一百多mA23

8.1电力半导体器件--晶闸管5.晶闸管的应用1)整流装置（交流电变成直流电）可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源2)逆变装置（直流变成交流电源）频率精度高，负荷变化时输岀稳定，恒频率电源、不间断电源、交流电机电源。

3)变频装置（顺变和逆变的组合）用于同步机和异步机的调速。4)直流电动机的调速（可代替直流发电机）效率高、响应快、体积小、重量轻。24

8.1电力半导体器件8.1.2

其它电力半导体器件1.双向晶闸管25

8.1电力半导体器件8.1.2

其他电力半导体器件2可关断晶闸管Gate-Turn-OffThyristor,GTO1.G极可控制元件导通与关断（不同极性脉冲信号）2.触发电流(20mA)比普通晶闸管大(30uA）3.动态特性好（关断1us）而晶闸管需（5-30us）4.用于直流调压和开关电路。26

8.1电力半导体器件8.1.2

其他电力半导体器件3绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)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。27

8.1电力半导体器件8.1.2

其他电力半导体器件3绝缘栅双极晶体管IGBTIGBT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

28第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路主要内容：

8.1电力半导体器件

8.2单相可控整流电路

8.3三相可控整流电路

8.4逆变器

8.5晶闸管的触发电路

8.6晶闸管的串并联和保护29第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路8.2单相可控整流电路

8.2.1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感性负载的可控整流电路

8.2.2单相桥式可控整流电路

单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路30

8.2.1单相半波可控整流电路1.带电阻性负载的

可控整流电路u2－输入电压；ud－输出电压；311.带电阻性负载的

可控整流电路

－控制角；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。

Ө

－导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。

8.2.1单相半波可控整流电路321.带电阻性负载的

可控整流电路输入电压：负载平均电压：输出电压平均值负载平均电流：晶闸管承受的最大正反向电压：

8.2.1单相半波可控整流电路332.带电感性负载的

可控整流电路负载上得不到所需要的电压和电流。

8.2.1单相半波可控整流电路343.续流二极管的作用

8.2.1单相半波可控整流电路

如图所示半波可控整流电路，在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。3536第8章电力电子学-

晶闸管及基本电路8.2单相可控整流电路

8.2.1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感性负载的可控整流电路

8.2.2单相桥式可控整流电路

单相半控桥式整流电路单相全控桥式整流电路37

1.单相半控桥式整流电路

1)电阻性负载

整流电路电流、电压波形8.2.2单相桥式可控整流电路381.单相半控桥式整流电路1)电阻性负载晶闸管承受的最大正反向电压值负载平均电压：负载平均电流：8.2.2单相桥式可控整流电路391.单相半控桥式整流电路2)电感性负载a8.2.2单相桥式可控整流电路401.单相半控桥式整流电路2)电感性负载b8.2.2单相桥式可控整流电路晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、电流波形411.单相半控桥式整流电路2)电感性负载c单向脉动

直流电用一只晶闸管的单相桥式整流电路8.2.2单相桥式可控整流电路421.单相半控桥式整流电路3)反电势负载8.2.2单相桥式可控整流电路431.单相半控桥式整流电路3)反电势负载有电感滤波时的电路及电流、电压波形8.2.2单相桥式可控整流电路442.单相全控桥式整流电路8.2.2单相桥式可控整流电路45

8.2单相可控整流电路例8.1一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，U0=0～180V，电流I0=0～10A，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效值，并选用元件。解：设导通角θ=πα=0U0=180V,I0=10A有效值U=U0/0.9=180V/0.9=200VI=U/RL=220/(180V/10A)=12.2A平均电流Ivs=Iv=10A/2=5AUFM=URm=1.414U=1.414×220=310V≈2×310≈600V选用3cT10/600,2cz10/30046

8.3三相可控整流电路8.3.1三相半波可控整流电路1.电阻性负载(α=0)478.3三相可控整流电路8.3.1三相半波可控整流电路1.电阻性负载(0<α≤π/6)48

8.3三相可控整流电路8.3.1三相半波可控整流电路1.电阻性负载(0<α≤5π/6)49

8.3三相可控整流电路8.3.1三相半波可控整流电路2.电感性负载50

8.3三相可控整流电路8.3.1三相半波可控整流电路2.电感性负载518.3三相可控整流电路8.3.1三相半波可控整流电路2.电感性负载变压器利用率低，易产生变压器铁芯饱和52

8.3三相可控整流电路8.3.2三相桥式全控整流电路三相桥式全控负载

平均电压Ud=Ud阴+Ud阳53

8.3三相可控整流电路8.3.2三相桥式全控整流电路共阴Vs1,Vs3,Vs5,共阳Vs2,Vs4,Vs65455可控整流电路小结

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。单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大,适用于小功率电路。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。三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。三相桥式可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状态。568.4逆变器8.4.1有源逆变电路1.整流状态(0<α<π/2)57

8.4逆变器8.4.1有源逆变器2.逆变状态(π/2<α<π)58

8.4逆变器8.4.2无源逆变器1).无源逆变器的简单工作原理598.4逆变器8.4.2无源逆变器2).单相晶闸管桥式逆变器608.4逆变器8.4.2无源逆变器2.单相无源逆变器的电压控制(1)控制输入直流电压(2)内部控制脉宽控制61

8.4.2无源逆变器2.单相无源逆变器的电压控制脉宽调制改变脉冲数改变脉冲宽度频率、电压协调控制(U/f保持不变)如f降低则保持脉冲数不变，间隔拉大使输岀电压U降低62

8.4.2无源逆变器2.单相无源逆变器的电压控制波形的改善—输出正弦电压波形63

8.4.2无源逆变器3.无源逆变器的换相（换流）648.4.2无源逆变器3.无源逆变器的换相（换流）65

8.5

晶闸管的触发电路晶闸管对触发电路的要求(1)触发电压和触发电流，要求触发电压4V<Ug<10V；(2)触发时间(一般在10us以下)，因此，触发脉冲的宽度必须在10us以上(最好有20us