第一章晶闸管与其可控整流电路

第一章晶闸管与其可控整流电路第一页，共60页。第一节

半控器件—晶闸管一.晶闸管的结构与工作原理二.晶闸管的基本特性三.晶闸管的主要参数第二页，共60页。第三节

半控器件—晶闸管·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（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）第三页，共60页。图1-6晶闸管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号一.

晶闸管的结构与工作原理四层三端器件。电路符号。外形有螺栓型和平板型两种封装。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。第四页，共60页。一.

晶闸管的结构与工作原理常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第五页，共60页。一.

晶闸管的结构与工作原理式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得：图1-7晶闸管的双晶体管模型及其工作原理a)双晶体管模型b)工作原理按晶体管的工作原理，讨论SCR作为开关器件，如何形成高阻抗的阻断工作状态和呈低阻抗的导通工作状态：（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）（1-5）第六页，共60页。一.

晶闸管的结构与工作原理在低发射极电流下是很小的，而当发射极电流建立起来之后，迅速增大（图1.5）。

阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于两个晶体管漏电流之和。开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。第七页，共60页。一.

晶闸管的结构与工作原理阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应阳极电压上升率du/dt过高结温较高光触发光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（LightTriggeredThyristor——LTT）。只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。其他几种可能导通的情况：第八页，共60页。二.

晶闸管的基本特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。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。晶闸管一旦导通，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：第九页，共60页。二.

晶闸管的基本特性（1）正向特性IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。正向电压超过正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件开通。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UFboUDSMUDRMURRMURSM1.静态特性图1-8晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG第十页，共60页。二.

晶闸管的基本特性反向特性类似二极管的反向特性。反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。图1-6晶闸管的伏安特性IG2>IG1>IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UFboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性第十一页，共60页。二.

晶闸管的基本特性门极特性离散性大厂家给出图示特性范围。晶闸管三个电极的判断极限高阻IgUgk极限低阻AKG负极A∝∝K∝数百Ω略大G∝几十~几百Ω正极第十二页，共60页。三.

晶闸管的主要参数断态重复峰值电压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URRM

——在门极断路而结温为额定值时，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。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2~3倍。使用注意：1.电压定额第十三页，共60页。三.

晶闸管的主要参数通态平均电流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。标称其额定电流的参数。——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。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IL约为IH的2~4倍。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.电流定额第十四页，共60页。三.

晶闸管的主要参数（1)

开通过程延迟时间td(0.5~1.5s)上升时间tr(0.5~3s)开通时间tgt以上两者之和，tgt=td+tr100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA（2)

关断过程反向阻断恢复时间trr正向阻断恢复时间tgr关断时间tq以上两者之和tq=trr+tgr普通晶闸管的关断时间约几百微秒3.

动态参数图1-11晶闸管的开通和关断过程波形第十五页，共60页。三.

晶闸管的主要参数

除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：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）动态参数第十六页，共60页。第二节整流电路·引言整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种。按电路结构可分为桥式电路和零式电路。按交流输入相数分为单相电路和多相电路。按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电路。整流电路：出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。第十七页，共60页。第二节单相桥式可控整流电路

一.单相桥式全控整流电路二.单相桥式半控整流电路第十八页，共60页。一.单相桥式全控整流电路1.带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图1-14单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构单相桥式全控整流电路(SinglePhaseBridgeContrelledRectifier)第十九页，共60页。一.单相桥式全控整流电路数量关系（1-8）a角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：(1-9)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4第二十页，共60页。一.单相桥式全控整流电路流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（1-10）和式（1-11）得：不考虑变压器的损耗时，要求变压器的容量S=U2I2。（1-11）（1-10）表（1-3）pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4第二十一页，共60页。一.单相桥式全控整流电路2.带阻感负载的工作情况

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图1-15单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。动画演示第二十二页，共60页。一.单相桥式全控整流电路

数量关系（1-14）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角θ与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4第二十三页，共60页。二.单相桥式半控整流电路电路结构单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR

图1-19单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。第二十四页，共60页。二.单相桥式半控整流电路单相半控桥带阻感负载的情况

图1-19单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR第二十五页，共60页。二.单相桥式半控整流电路续流二极管的作用避免可能发生的失控现象。若无续流二极管，则当a

突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VDR时，续流过程由VDR完成，避免了失控的现象。续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。第二十六页，共60页。二.单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路的另一种接法相当于把图1-14a中的VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管VDR，续流由VD3和VD4来实现。图1-19单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形第二十七页，共60页。第三节三相可控整流电路一.三相半波可控整流电路二.三相桥式全控整流电路第二十八页，共60页。第三节三相可控整流电路·引言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。主要讲解三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路

。第二十九页，共60页。一.三相半波可控整流电路电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起——共阴极接法。图1-20三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时的波形

1.电阻负载自然换相点：二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a=0。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt动画演示第三十页，共60页。一.三相半波可控整流电路a=0时的工作原理分析变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成。图1-20三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时的波形

a=30的波形（图1-21）特点：负载电流处于连续和断续之间的临界状态。a>30的情况（图1-22

）特点：负载电流断续，晶闸管导通角小于120。b)c)d)e)f)u2uaubuca=0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt动画演示第三十一页，共60页。一.三相半波可控整流电路（1-19）当a=0时，Ud最大，为。(1-23)整流电压平均值的计算a≤30时，负载电流连续，有：a>30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：第三十二页，共60页。一.三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的规律如图2-15中的曲线1所示。图2-15三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1－电阻负载2－电感负载3－电阻电感负载第三十三页，共60页。一.三相半波可控整流电路负载电流平均值为晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即（1-20）（图1-21d）（图1-21d）第三十四页，共60页。一.三相半波可控整流电路1.阻感负载图1-24三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a≤30时：整流电压波形与电阻负载时相同。a>30时（如a=60时的波形如图2-16所示）。u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，——ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。阻感负载时的移相范围为90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt动画演示第三十五页，共60页。一.三相半波可控整流电路数量关系由于负载电流连续，

Ud可由式（1-19）求出，即Ud/U2与a成余弦关系，如图2-15中的曲线2所示。如果负载中的电感量不是很大，Ud/U2与a的关系将介于曲线1和2之间，曲线3给出了这种情况的一个例子。图2-15三相半波可控整流电路Ud/U2随a变化的关系1－电阻负载2－电感负载3－电阻电感负载第三十六页，共60页。一.三相半波可控整流电路变压器二次电流即晶闸管电流的有效值为晶闸管的额定电流为晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值三相半波的主要缺点在于其变压器二次电流中含有直流分量，为此其应用较少。（1-24）（-）（-）第三十七页，共60页。二.三相桥式全控整流电路三相桥是应用最为广泛的整流电路图1-25三相桥式全控整流电路原理图导通顺序：

VT1－VT2－VT3－

VT4－VT5－VT6共阴极组——阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组——阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）第三十八页，共60页。二.三相桥式全控整流电路1.带电阻负载时的工作情况当a≤60时，ud波形均连续，对于电阻负载，id波形与ud波形形状一样，也连续波形图：a=0（图1－26）

a=30（图1－27b）

a=60（图1－27c）当a>60时，ud波形每60中有一段为零，ud波形不能出现负值波形图：a=90（图1－27d）带电阻负载时三相桥式全控整流电路a角的移相范围是120第三十九页，共60页。二.三相桥式全控整流电路晶闸管及输出整流电压的情况如表2－1所示时段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通的晶闸管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流输出电压udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb请参照图1－26第四十页，共60页。二.三相桥式全控整流电路（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VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。三相桥式全控整流电路的特点（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1相器件。动画演示第四十一页，共60页。二.三相桥式全控整流电路（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。三相桥式全控整流电路的特点第四十二页，共60页。a≤60时（a=0

图1－26；a=30图1－27b）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管的通断情况输出整流电压ud波形晶闸管承受的电压波形二.三相桥式全控整流电路2.阻感负载时的工作情况主要包括a>60时（a=90图1－29）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。

电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。区别在于：得到的负载电流id波形不同。

当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。动画演示第四十三页，共60页。二.三相桥式全控整流电路3.定量分析当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60时）的平均值为：带电阻负载且a>60时，整流电压平均值为：输出电流平均值为：Id=Ud/R（1-25）（1-27）第四十四页，共60页。二.三相桥式全控整流电路当整流变压器采用星形接法，带阻感负载时，变压器二次侧电流波形如图2-23中所示，其有效值为：（1-29）晶闸管电压、电流等的定量分析与三相半波时一致。接反电势阻感负载时，在负载电流连续的情况下，电路工作情况与电感性负载时相似，电路中各处电压、电流波形均相同。仅在计算Id时有所不同，接反电势阻感负载时的Id为：（1-）式中R和E分别为负载中的电阻值和反电动势的值。第四十五页，共60页。第四节反电势负载的特点晶闸管整流电路反电势负载时的工作状态当电源电压小于反电势E，则SCR反偏关断不导通角：δ计算：α >δα=δ（90度输出电压最大、导通角最小）加入L则系统导电角增加反电势负载的特点导电角下降输出平均电压上升负载回路加电感可使导电角增加第四十六页，共60页。第四节反电势负载的特点1.带反电动势负载时的工作情况图1-31单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在a

角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后，ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角，（1-31）b)idOEudwtIdOwtaqd第四十七页，共60页。一.单相桥式全控整流电路当α

<d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。图1-31单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的波形电流断续触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。如图1-31所示id波形所示：电流连续ub)idOEdwtIdOwtαqd动画演示第四十八页，共60页。一.单相桥式全控整流电路负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：（1-）图1-32单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况twwOud0Eidtpdaq=p第四十九页，共60页。§1本章小结可控整流电路，重点掌握：电力电子电路作为分段线性电路进行分析的基本思想、单相全控桥式整流电路和三相全控桥式整流电路的原理分析与计算、各种负载对整流电路工作情况的影响；第五十页，共60页。

§1小结—思考题SCR结构，工作原理（通断条件）特性与参数U，I。电路单相（半波，桥式）三相（半波（零式），桥式）主电路形式必须清楚（半控电路自学）以R负载为例分析工作原理，作在各种α，θ角时L负载的特点1）加上L，负载端出现负电压，换流（断流，后导通 器件将其关断）2）反电势负载的特点。基本概念：自然换流点（二极管整流电路中，刚开始导电的角度）触发延迟角移相范围导通角三相桥对触发脉冲的要求（角度，双脉冲（宽脉冲））作业P404、8、10、14第五十一页，共60页。图1-21三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形a=30°u2uaubucOwtOwtOwtOwtOwtuGuduabuacwt1iVT1uVT1uac计算机仿真实验演示第五十二页，共60页。图1-22a

三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60时的波形