第1章 整流电路

电力电子技术第1章整流电路九江职业技术学院电气工程系第1章整流电路

1.2晶闸管

1.1功率二极管

1.4晶闸管简单触发电路

1.3单相可控整流电路

1.6可控整流电路的换相压降

1.5三相可控整流电路1.8晶闸管相控触发电路1.7晶闸管的保护1.9触发脉冲与主电路电压的同步

电气工程系1.1功率二极管按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。电气工程系1.1.1功率二极管的结构基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。功率二极管的外形及电路符号

电气工程系1.1.2功率二极管的特性与参数功率二极管伏安特性曲线功率二极管的伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF

。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。电气工程系1.1.2功率二极管的特性与参数功率二极管的开关特性关断特性

功率二极管的反向恢复时间电气工程系1.1.2功率二极管的特性与参数功率二极管的开关特性开通特性正向恢复时间tfr

电气工程系1.1.2功率二极管的特性与参数功率二极管的主要参数1)正向平均电流IF（AV）（额定电流）

指在规定的管壳温度和散热条件下，二极管长期运行所允许通过的最大工频正弦半波电流平均值。

是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。电气工程系1.1.2功率二极管的特性与参数2)反向重复峰值电压URRM（额定电压）

对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。

3)正向通态压降UF

在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。4)反向恢复时间trrtrr=td+tf电气工程系1.1.2功率二极管的特性与参数5)最高允许结温TJm结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175

C范围之内。6)正向浪涌电流IFSM

指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电气工程系1.1.3功率二极管类型与使用功率二极管的类型1)普通二极管(GeneralPurposeDiode)2)快恢复二极管(FastRecoveryDiode—FRD)3)肖特基二极管(SchottkyBarrierDiode-SBD)电气工程系1.1.3功率二极管类型与使用功率二极管使用功率二极管使用注意事项1）必须保证规定的冷却条件，如强迫风冷或水冷。如果不能满足规定的冷却条件，必须降低容量使用。如规定风冷元件使用在自冷时，只允许用到额定电流的1／3左右。2)平板型元件的散热器一般不应自行拆装。3)严禁用兆欧表检查元件的绝缘情况。如需检查整机的耐压时，应将元件短接。电气工程系1.2晶闸管晶闸管是一种既具有开关作用又具有整流作用的大功率半导体器件。由于它具有体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维护简单、操作方便和寿命长等特点，因而在生产实际中获得了广泛的应用。电气工程系1.2.1晶闸管的结构(a)晶闸管外形(b)内部结构(c)电气图形符号(d)模块外形

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。螺栓型平板型三个联接端阳极A阴极K门极G电气工程系1.2.1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电气工程系1.2.2晶闸管的工作原理晶闸管导通必须同时具备两个条件：1)晶闸管主电路加正向电压。2)晶闸管控制电路加合适的正向电压。电气工程系1.2.3晶闸管的伏安特性硬开通

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。电气工程系1.2.3晶闸管的伏安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。电气工程系1.2.4晶闸管的简单测试外观判断电气工程系1.2.4晶闸管的简单测试普通的万用电表电气工程系1.2.5晶闸管的主要参数晶闸管的电压参数1)断态不重复峰值电压UDSM2)断态重复峰值电压UDRM3)反向不重复峰值电压URSM4)反向重复峰值电压URRM5)额定电压6)通态平均电压UT（AV）电气工程系1.2.5晶闸管的主要参数晶闸管的电流参数1)通态平均电流IT（AV）在环境温度为+40℃和规定的冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170

的电阻性负载电路中，在额定结温时，所允许通过的工频正弦半波电流的平均值。波形系数用Kf

整流电路直流输出负载电流的波形系数

晶闸管电流的波形系数

电气工程系1.2.5晶闸管的主要参数正弦半波电流波形系数Kf应有晶闸管元件的热容量小，过载能力低，故在实际选用时，一般取1.5~2倍的安全裕量，故

电气工程系1.2.5晶闸管的主要参数晶闸管的电流参数2)维持电流IH晶闸管被触发导通以后，在室温和门极开路条件下，减小阳极电流，使晶闸管维持通态所必须的最小阳极电流。3)掣住电流IL晶闸管一经触发导通就去掉触发信号，能使晶闸管保持导通所需要的最小阳极电流。电气工程系1.2.5晶闸管的主要参数晶闸管的电流参数4)断态重复平均电流IDR和反向重复平均电流IRR额定结温和门极开路时，对应于断态重复峰值电压和反向重复峰值电压下的平均漏电流。5)浪涌电流ITSM在规定条件下，工频正弦半周期内所允许的最大过载峰值电流。电气工程系1.2.5晶闸管的主要参数动态参数1)断态电压临界上升率du/dt在额定结温和门极开路条件下，使晶闸管保持断态所能承受的最大电压上升率。在晶闸管断态时，如果施加于晶闸管两端的电压上升率超过规定值，即使此时阳极电压幅值并未超过断态正向转折电压，也会由于du/dt过大而导致晶闸管的误导通。2)通态电流临界上升率di/dt在规定条件下，晶闸管用门极触发信号开通时，晶闸管能够承受而不会导致损坏的通态电流最大上升率。电气工程系动态参数3)开通时间tON4)关断时间tOFF电气工程系1.2.6晶闸管的型号电气工程系可控整流电路整流电路单相单相半波单相桥式三相三相半波三相桥式负载性质：电阻性电感性反电势性电阻性负载1.3.1单相半波可控整流电路单相变压器二次侧电压u2为50Hz正弦波晶闸管VT。当在电源正半周内且在门极加触发脉冲时导通。VT导通时，ud=u2,截止时ud=01.3.1单相半波可控整流电路wtuda

q从晶闸管开始承受正向阳极电压到施加触发脉冲使其导通之间的电角度，称为触发角或控制角α。晶闸管开始导通到关断之间的角度，称为导通角θ

。整流输出电压的平均值从最大值变化到零时所对应的的变化范围，称为移相范围。通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相控方式。专业术语电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路

u2正半周，晶闸管VT承受正向电压。0-α

期间，没有触发脉冲，VT正向阻断。

α时刻加触发脉冲，VT导通，Rd上有电流流过。负载电压ud=u2。u2负半周，晶闸管承受反向电压，处于反向截止状态，u2全部加在晶闸管两端，负载上的电压为零。

移相范围为0~180

导通角θ=π-α1.3.1单相半波可控整流电路u2正半周，晶闸管VT承受正向电压。1.3.1单相半波可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路1.3.1单相半波可控整流电路电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路数量关系：整流输出电压平均值

整流输出电压的有效值

电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路数量关系：整流输出电流的平均值Id和有效值I

电流的波形系数Kf

电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路数量关系：电路的功率因数

电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路有一单相半波相控整流电路，负载电阻Rd=10Ω，直接接到交流220V电源上，如图所示。在控制角α=60

时，求输出电压平均值Ud、输出电流平均值Id和有效值I

，并选择晶闸管元件（考虑两倍裕量）。

解：根据单相半波相控整流电路的计算公式可得：输出平均电压为电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路输出有效电压为输出平均电流为Id=Ud/Rd=74.3/10A=7.43A输出有效电流为I=U/Rd=139.5/10A=13.95A晶闸管承受的最大正反向电压为考虑到取2倍裕量，则晶闸管正反向重复峰值电压UDRM≥2×311V=622V，故选700V的晶闸管。电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路晶闸管的额定电流为IT（AV）（正弦半波电流平均值），它的额定电流有效值为IT=1.57IT（AV）。选择晶闸管电流的原则是，它的额定电流有效值必须大于或等于实际流过晶闸管的最大电流有效值（还要考虑2倍裕量），即1.57IT（AV）≥2IIT（AV）≥

A取20A，故晶闸管的型号选为KP20-7。电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路电感性负载及续流二极管在0≤ωt＜ωt1区间，u2处虽然为正，但晶闸管无触发脉冲不导通，负载上的电压ud、电流id均为零。晶闸管承受着电源电压u2，

当ωt=ωt1=α时，晶闸管被触发导通，电源电压u2突然加在负载上，

在ωt1＜ωt≤ωt2区间，晶闸管被触发导通后，电流id从零逐渐增大。到ωt2时，id已上升到最大值，did/dt=0。在ωt2＜ωt≤ωt3区间，由于u2继续在减小，id也逐渐减小，在电感线圈Ld作用下，id的减小总是要滞后于u2的减小。这期间Ld两端产生的电动势ｅL反向。在ωt3＜ωt＜ωt4区间，u2过零开始变负，对晶闸管是反向电压，但是另一方面由于id的减小，在Ld两端所产生的电动势ｅL极性对晶闸管是正向电压，故只要ｅL略大于u2，晶闸管仍然承受着正向电压而继续导通，直到id减到零，才被关断。电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路数量关系：流过晶闸管的电流平均值流过续流二极管的电流平均值流过晶闸管与续流二极管的电流有效值

电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路如图所示当发电机满负载运行时，相电压为220V，要求的励磁电压为40V。已知励磁线圈的电阻为2Ω，电感量为0.1H。试求：晶闸管及续流管的电流平均值和有效值各是多少?晶闸管与续流管可能承受的最大电压各是多少?选择晶闸管与续流管的型号。解：先求控制角α因为所以电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路则

由于所以为大电感负载，各电量分别计算如下

电气工程系1.3.1单相半波可控整流电路根据以上计算选择晶闸管及续流管型号为UTn=(2～3)UTM=(2～3)×312V=624～936V取700V（1.5～2）=（1.5～2）9～12

取10A故选择晶闸管型号为KP20-7。UDn=(2～3)UDM=(2～3)×312V=624～936V取700V（1.5～2）=（1.5～2）16.8～22

取20A故续流管应选IP20-7。电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路电阻性负载移相范围为0~180

导通角θ=π-α电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路数量关系：整流输出直流电压Ud

整流输出直流电流(负载电流)Id

负载电流有效值I与交流输入(变压器二次侧)电流I2

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路数量关系：晶闸管电流平均值晶闸管电流有效值

电路功率因数

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路电感性负载移相范围是0～90

导通角θ=π电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路数量关系：直流输出电压平均值Ud

直流输出电流的平均值Id

流过晶闸管的电流的平均值和有效值

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路数量关系：流过变压器二次侧绕组的电流有效值

晶闸管可能承受的正反向峰值电压

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路电感性负载加续流二极管α的移相范围可以扩大到0

～180

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路单相桥式全控整流电路大电感负载，U=220V，R=4Ω，计算当α=60

时，输出电压、电流的平均值以及流过晶闸管的电流平均值和有效值。若负载两端并接续流二极管，如图所示，则输出电压、电流的平均值又是多少？流过晶闸管和续流二极管的电流平均值和有效值又是多少？并画出这两种情况下的电压、电流波形。

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路解：（1）不接续流二极管时的电压、电流波形如图所示，由于是大电感负载，有因负载电流是由两组晶闸管轮流导通提供的，流过晶闸管的电流平均值和有效值为电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路（2）电压波形和电路带电阻性负载时一样电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路反电动势负载导电角

电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路数量关系：整流输出电压的平均值

电流的平均值和有效值

当

＜

时，为了使晶闸管可靠导通，要求触发脉冲有足够的宽度，保证

t

当时脉冲仍存在，可使晶闸管被触发。电气工程系1.3.2单相全控桥式整流电路反电动势负载串平波电抗器临界连续电压、电流波形

电气工程系1.3.3单相半控桥式可控整流电路

电感性负载晶闸管在触发时刻换流，二极管在电源电压过零时刻换流。电气工程系单相半控桥感性负载，负载端电压波形与阻性负载完全相同，即单相半控桥感性负载本身具有续流作用。在实际使用的过程中，单相半控桥感性负载容易产生失控现象。当突然把控制角增大到180°或突然切断触发电路时，会发生正在导通的晶闸管一直导通而两个二极管轮流导通的现象。电气工程系1.3.3单相半控桥式可控整流电路大电感负载接续流管电气工程系1.3.3单相半控桥式可控整流电路有一大电感负载采用单相半控桥有续流二极管的整流电路，负载电阻R＝4Ω，电源电压U2=220V，晶闸管控制角

＝60，求流过晶闸管、二极管的电流平均值及有效值。

解：求整流输出平均电压：

Ud＝0.9U2(1+cos

)/2＝0.9×220×(1+0.5)／2＝148.5V负载电流平均值

Id＝Ud／R＝148.5／4＝37.13A电气工程系1.4晶闸管简单触发电路

对于相控电路这样使用晶闸管的场合，在晶闸管阳极加上正向电压后，还必须在门极与阴极之间加上触发电压，晶闸管才能从阻断转变为导通，习惯称为触发控制，提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。电气工程系1.4.1对触发电路的要求1、触发信号可为直流、交流或脉冲电压。

2、触发信号应有足够的功率（触发电压和触发电流）。

常见触发脉冲信号波形(a)尖脉冲(b)矩形脉冲电气工程系1.4.1对触发电路的要求3、触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过掣住电流而维持导通。4、触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。5、触发脉冲输出隔离和抗干扰电气工程系1.4.2单结晶体管触发电路1．单结晶体管的结构与特性单结晶体管(a)结构示意图(b)等效电路(c)图形符号(d)外形管脚排列电气工程系1.4.2单结晶体管触发电路特性与单结晶体管振荡电路单结晶体管试验电路

电气工程系1.4.2单结晶体管触发电路2．单结晶体管自激振荡电路单结晶体管振荡电路与波形

电气工程系1.4.2单结晶体管触发电路3．简单单结管触发电略电气工程系1.4.2单结晶体管触发电路4．单结管移相触发电路电气工程系1.5三相可控整流电路三相电压介绍A1B1C1ABC原边△形接法副边Y形接法电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路1．三相半波不可控整流电路自然换流点，定义为

=0°电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路2．三相半波相控整流电路电阻性负载当α<30

时，ud

、id

波形连续。当α=30

时，ud

、id

波形临界连续。当α>30时，ud

、id波形将不再连续。

移相范围为0～150

电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路＞30时，负载端电压波形是断续的abcaud0ωt0＜≤30时，负载端电压波形是连续的dabcau0ωt电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路数量关系：整流输出电压的平均值

导通角θT＝120

导通角θ=150

﹣α

电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路数量关系负载电流的平均值晶闸管的平均电流晶闸管的电流有效值为当θ≤α≤300时当300＜α≤1500时

电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路数量关系晶闸管承受的最大反向电压为电源线电压峰值最大正向电压为电源相电压电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路大电感负载α≤30

时，整流输出电压波形与电阻负载时波形完全相同。（略）α＞30

时的输出波形。

α＝60电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路数量关系：移相范围为0

～90

输出电压的平均值

导通角θT＝120

负载电流的平均值：流过晶闸管的电流平均值和有效值：电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路电感性负载加续流二极管移相范围？会断续吗？Ud=？ud

、id、uT1

的波形？电气工程系1.5.1三相半波可控整流电路3．共阳极接法三相半波相控整流电路Ud＝－1.17U2

cos

自然换流点

电气工程系1.5.1三相半波可控整流