《电力电子技术》课件第1章

第1章单相相控整流电路1.1认识功率二极管和晶闸管1.2单相相控整流电路基本原理1.3单相整流电路应用实例分析

1.1认识功率二极管和晶闸管

1.1.1功率二极管

1.功率二极管的工作原理

功率二极管是以PN结为基础的，实际上就是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。功率二极管的结构和图形符号如图1-1所示。图1-1功率二极管的结构和图形符号(a)结构示意图；(b)图形符号功率二极管主要有螺栓型和平板型两种外形，如图1-2

所示。图1-2功率二极管外形(a)螺栓型；(b)平板型功率二极管和电子电路中的二极管工作原理一样，即若二极管处于正向电压作用下，则PN结导通，正向管压降很小；反之，若二极管处于反向电压作用下，则PN结截止，仅有极小的可忽略的漏电流流过二极管。经实验测量可得功率二极管的伏安特性曲线，如图1-3所示。图1-3功率二极管的伏安特性曲线

2．功率二极管的主要参数

1)正向平均电流

正向平均电流(IF(AV))是指在规定的管壳温度和散热条件下，允许通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的

额定电流就是该电流。实际应用中，功率二极管所流过的最大有效电流为I，则其正向平均电流一般选择为

(1-1)

2)正向压降

正向压降(UF)是指在规定温度下，流过某一稳定正向电流时所对应的正向压降。

上述这两个参数是选择功率二极管的主要依据。

3.功率二极管的主要类型

1)整流二极管

2)快速恢复二极管

3)肖特基二极管1.1.2晶闸管

1.晶闸管的结构

晶闸管是一种大功率半导体变流器件，它具有三个PN结的四层结构，其外形、结构和图形符号如图1-4所示。由最外的P1层和N2层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间的P2层引出的电极是门极G(也称控制极)。晶闸管的国际通用名称为Thyristor,简写为V。图1-4晶闸管的外形、结构和图形符号(a)螺栓式；(b)平板式；(c)结构示意图；(d)图形符号

2.晶闸管的工作原理

可以通过如图1-5所示电路做一个简单的实验来说明晶闸管的工作原理。在图1-5中，由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路；由电源Eg、开关S、晶闸管门极和阴极组成控制电路，也称触发电路。图1-5晶闸管导通试验电路图为了进一步说明晶闸管的工作原理，可把晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的，其连接形式如图1-6所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极，阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。图1-6晶闸管工作原理等效电路

3.晶闸管的伏安特性

晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为阳极伏安特性。正确使用晶闸管就必须了解其阳极伏安特性(简称伏安特性)。晶闸管阳极伏安特性曲线如图1-7所示，包括正向特性(第Ⅰ象限)和反向特性(第Ⅲ象限)两部分。图1-7晶闸管阳极伏安特性曲线

4.晶闸管的主要参数

1)正向重复峰值电压

在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。一般规定此电压取值为正向转折电压UBO的80%。

2)反向重复峰值电压

在控制极断路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM。此电压取值为反向击穿电压URO的80%。

3)通态平均电流IV(AV)

在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条件下，晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流IV(AV)，或正向平均电流。通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。如果正弦半波电流的最大值为IM，则

(1-2)

额定电流有效值为

(1-3)现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数，用Kf表示：

(1-4)

根据式(1-4)可求出正弦半波电流的波形系数为

这说明额定电流IV(AV)=100A的晶闸管，其额定电流有效值为IV=KfIV(AV)=157A。

4)维持电流IH和掣住电流IL

在室温且控制极开路时，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH。维持电流大的晶闸管容易关断。维持电流与元件容量、结温等因素有关，同一型号的元件其维持电流也不相同。通常，在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值。

给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流IL。对同一晶闸管来说，掣住电流IL要比维持电流IH大2～4倍。

5)晶闸管的开通与关断时间

晶闸管作为无触点开关，在导通与阻断两种工作状态之间的转换并不是瞬时完成的，需要有一定的时间。当元件的导通与关断频率较高时，就必须考虑这种时间的影响。

(1)开通时间tgt。

(2)关断时间tq。

5.晶闸管的型号

按国家JB1144—75规定，普通硅晶闸管型号及其含义如图1-8所示。图1-8晶闸管型号的含义

6.晶闸管的简单测试方法

对于晶闸管的三个电极，可以用万用表粗测其好坏。依据PN结单向导电原理，用万用表欧姆挡测试晶闸管的三个电极之间的阻值，可初步判断其是否完好。

7.晶闸管的派生系列

1)快速晶闸管

快速晶闸管(FastSwitchingThyristor，FST)的外形、符号、基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同，但它是专为快速应用而设计的。快速晶闸管开通与关断时间短，允许的电流上升率高，开关损耗小，在规定的频率范围内可获得较平直的电流波形。普通晶闸管关断时间为数百微秒，快速晶闸管为数十微秒。

2)双向晶闸管

双向晶闸管(TriodeACSwitch，TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)可被认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成。图1-9所示为它的基本结构(参见图1-9(a))、等效电路(参见图1-9(b))及伏安特性(参见图1-9(c))。双向晶闸管有两个主电极V1和V2，一个门极G。门极使器件在主电极的正、反两个方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有对称的伏安特性。图1-9双向晶闸管的结构及伏安特性(a)基本结构；(b)等效电路；(c)伏安特性

1.2单相相控整流电路基本原理

1.2.1电阻性负载

1．电路的工作原理

电炉、白炽灯等均属于电阻性负载。电阻性负载的特点是：负载两端电压和所流过的电流波形相同，相位相同。图1-10单相全控桥式整流电路电阻性负载及其波形(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)晶闸管上的电压；(f)变压器副边电流

2．数值关系

由图1-10(d)可知整流输出电压的平均值为

(1-5)当α=0°时，相当于不可控桥式整流，此时输出电压最大，即Ud=0.9U2；当α=180°时，输出电压为零，故晶闸管的可控移相范围为0°～180°。

整流输出电压的有效值为

(1-6)在负载上，输出电流的平均值Id和有效值I分别为

(1-7)

(1-8)负载电流的波形系数为

(1-9)

因为晶闸管V1、V4和V2、V3在电路中是轮流导电的，所以流过每个晶闸管的平均电流只有负载上平均电流的一半，即

(1-10)流过晶闸管的电流有效值为

(1-11)在一个周期内电源通过变压器T两次向负载提供能量，因此负载电流有效值I与变压器次级电流有效值I2相同。那么电路的功率因数可以按下式计算：

(1-12)

例1-1如图1-10(a)所示单相全控桥式整流电路，

Rd=4Ω，要求Id在0A～25A之间变化。

(1)求整流变压器T的变比(不考虑裕量)；

(2)求连接导线的截面积(取允许电流密度J=6A/mm2)；

(3)选择晶闸管的型号(考虑2倍的裕量)；

(4)在不考虑损耗的情况下，选择整流变压器的容量；

(5)计算负载电阻的功率；

(6)计算电路的最大功率因数。

解

(1)负载上的最大平均电压为

又因为Ud=0.9U2

当α=0°时，Ud最大，即Udmax=0.9U2，有所以变压器的变比为

(2)因为α=0°时，id的波形系数为

所以负载电流有效值为选择导线截面积为

故选BU-70铜线。

(3)考虑到每个晶闸管电流的有效值IT=I/则晶闸管的额定电流为

再考虑到2倍裕量的条件，取30A。

晶闸管承受的最高电压

若考虑2倍的裕量，则取400V，选择KP30-4的晶闸管。

(4)变压器的容量为

(5)负载电阻的功率为

(6)电路的最大功率因数为

当α=0°时，1.2.2大电感负载

1．单相全控桥式整流电路

在生产实践中，除了电阻性负载外，最常见的负载还有电感性负载，如电动机的励磁绕组，整流电路中串入的滤波电抗器等。为了便于分析和计算，在电路图中将电阻和电感分开表示。图1-11单相全控桥式整流电路带电感性负载电路及其波形(a)电路；(b)电源电压；(c)触发脉冲；(d)输出电压；(e)输出电流；(f)晶闸管V1、V2上的电流；(g)晶闸管V2、V3上的电流；(h)变压器副边电流；(i)晶闸管V1、V4上的电压当负载电流连续时，整流电压平均值可按下式计算：

(1-13)流过每个晶闸管的电流平均值和有效值分别为

(1-14)

(1-15)

2．单相半控桥式整流电路

在单相全控桥式整流电路中，需要四只晶闸管，且触发电路要分时触发其中的一对晶闸管，电路复杂。在实际应用中，如果对控制特性的陡度没有特殊要求，可采用图1-12(a)所示的单相半控桥式整流电路。图中T是整流变压器，V1、V2是晶闸管，VD1、VD2是整流二极管。图1-12单相半控桥式整流电路带大电感负载时的电压、电流波形(a)电路；(b)波形单相半控桥式整流电路带大电感性负载时，虽本身有自然续流的能力，似乎不需要另接续流二极管，但在实际运行中，当突然把控制角α增大到180°以上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，两个二极管轮流导通的现象。此时触发信号对输出电压失去了控制作用，我们把这种现象称为失控。失控现象在实际使用中是不允许的，为消除失控，带电感性负载的半控桥式整流电路还需另接续流二极管VD，如图1-13(a)所示。图1-13单相半控桥式整流电路带大电感负载接续流二极管时的波形(a)电路；(b)波形加上续流二极管之后，当u2电压降到零时，负载电流经续流二极管续流，整流桥输出端只有不到1V的压降，迫使晶闸管与二极管串联电路中的电流降到晶闸管的维持电流以下，使晶闸管关断，这样就不会出现失控现象了。接上续流二极管后，电路中各处电流波形如图1-13(b)所示。根据以上分析，可求出输出电压平均值为

(1-16)其输出电压有效值为

(1-17)在控制角为α时，每个晶闸管一周期内的导通角为θV=π－α，续流管的流通角为θD=2α，则流过晶闸管的电流平均值和有效值分别为

(1-18)

(1-19)流经续流二极管的电流平均值和有效值分别为

(1-20)

(1-21)1.2.3集成单相可控桥式整流模块

与单相桥式整流电路一样，实际应用中通常选用桥式可控整流电路的集成模块。图1-14所示为某生产厂家生产的集成单相可控桥式整流模块的外形。图1-14集成单相可控桥式整流模块的外形

MTQ为单相全控桥集成模块，MFQ为单相半控桥集成模块，MFQ(X)为带续流二极管的单相半控桥集成模块，它们的内部电路如图1-15所示。图1-15集成单相可控桥式整流模块内部电路(a)MTQ单相全控桥；(b)MFQ单相半控桥；(c)MFQ(X)单相半控桥带续流二极管

1.3单相整流电路应用实例分析

1.3.1单结晶体管触发电路

晶闸管在承受正向电压的同时还必须在门极与阴极之间加上触发电压，才能从阻断变为导通，提供这个触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。晶闸管触发电路决定每个晶闸管的触发导通时刻，是晶闸管装置中不可缺少的一个重要组成部分。正确使用触发电路可以充分发挥晶闸管及其装置的潜力，保证其安全、可靠运行。

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)触发脉冲应有足够的功率。

(3)触发脉冲应有一定的宽度，脉冲的前沿尽可能陡，故触发脉冲的宽度至少应有6μs以上。对于电感性负载，由于电感会抵制电流上升，因此触发脉冲的宽度应更大一些，通常要0.5ms～1ms。

(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。

2.认识单结晶体管

单结晶体管也称为双基极二极管，它有一个发射极(E)和两个基极(分别为B1、B2)，共三个电极，外形和普通三极管相似。单结晶体管的结构示意图和电气符号如图1-16所示。图1-16单结晶体管结构示意图和电气符号(a)结构示意图；(b)电气符号图1-17所示为单结晶体管特性实验电路及其等值电路。将单结晶体管等效成一个二极管VD和两个电阻

这样，当两基极上加电压UBB时，上分得的电压为

(1-22)

式中，η为分压比，是单结晶体管的主要参数，η一般取值为0.5～0.9。图1-17单结晶体管特性试验电路及其等值电路(a)实验电路图；(b)等效电路图

3.单结晶体管的自激振荡电路

利用单结晶体管的特性与RC电路的充、放电可组成自激振荡电路，产生频率可变的脉冲，其电路如图1-18(a)所示。图1-18单结晶体管自激振荡电路及其波形(a)电路；(b)波形设电源未接通时，电容C上的电压为零。在电源接通后，C经电阻RE充电，电容两端的电压uC逐渐升高，当uC达到单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管导通，电容经单结晶体管的发射极、电阻RB1向电阻R1放电，在R1上输出一个脉冲电压。当电容放电至uC=UV，并趋向更低时，单结晶体管截止，R1上的脉冲电压结束。之后电容从UV值又开始充电，当充电到UP时，单结晶体管又导通，此过程一直重复下去，在R1上就得到一系列的脉冲电压。由于C的放电时间常数τ1=(R1+RB1)C远小于充电时间常数τ2=REC，故脉冲电压为锯齿波。uC和uR1的波形如图1-18(b)所示。改变RE的大小，可改变C的充电速度，从而改变电路的自振荡频率。应该注意，当RE的值太大或太小时，都不能使电路振荡。RE太大时，较小的发射极电流IE能在RE上产生大的压降，使电容两端的电压uC升不到峰点电压UP，单结晶体管就不能导通。当RE太小时，单结晶体管导通后的IE将一直大于

1V，单结晶体管不能关断。欲使电路振荡，RE的值应满足下列条件：

(1-23)若忽略电容的放电时间，则上述电路的自振荡频率近似为

(1-24)

电阻R1上的脉冲电压宽度主要取决于电容的放电时间常数。1.3.2小容量可控直流电源