晶閘管可控整流電路

1、晶閘管可控整流電路第一頁，共73頁。利用電力電子器件實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的電能變換，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時，用逆變器將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應用電力電子技術(shù)還能實現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。電力電子器件以半導體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導體物理學。第二頁，共73頁。作用優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對電能的處理

2、，使電能的使用達到合理、高效和節(jié)約，實現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，風機水泵、電力牽引、軋機冶煉、工業(yè)窯爐、感應加熱、電焊、化工、電解等行業(yè)，都有很大的潛在節(jié)電，所以推廣應用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項戰(zhàn)略措施。(2) 改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。 電力電子技術(shù)是弱電控制強電的媒體，是機電設(shè)備與計算機之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計算機作用的保證和基礎(chǔ)。 第三頁，共73頁。(3) 電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實現(xiàn)最佳工作效率，將使機電設(shè)備的體積減小，響應速度達到高速化。 (4) 電力電子智能化的進

3、展，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。第四頁，共73頁。應用領(lǐng)域一般工業(yè)： 交直流電機、電化學工業(yè)、冶金工業(yè) 交通運輸： 電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海 電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償 電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動力 家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調(diào) 其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置 第五頁，共73頁。一、 電力電子器件的分類 1.不控器件，如整流二極管。 2.半控器件，如普通晶閘管。 3.全控器件，如可關(guān)斷晶閘管、功率晶閘管等。 電壓、電流、工作頻率 電力電子器件的主要性能指標：13.1 電力電子器件第六頁，共73

4、頁。二、 晶閘管（可控硅）-半控型器件 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功率半導體器件。它的出現(xiàn)使半導體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。 晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的導通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關(guān)等方面。 體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、 容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏）。 優(yōu)點：第七頁，共73頁。G控制極1. 基本結(jié)構(gòu)K 陰極G陽極 AP1P2N1N2四 層 半 導 體 晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(c) 結(jié)構(gòu)K GA(b) 符號(a) 外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號三 個PN

5、 結(jié)第八頁，共73頁。晶閘管實驗S +L-+-EA EGKPEA 加正壓，S斷開EA 加正壓， S閉合KP導通后，S再斷開L不亮 L亮 L仍亮KP截止KP導通KP仍導通 EA 加反壓（S閉合或斷開） 如EG 加反壓 無論EA 是正或負 L不亮 L不亮 KP截止 KP截止2. 工作原理第九頁，共73頁。晶閘管導通的條件： 1. 晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。 2. 晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓 或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。 晶閘管導通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應不能維持。 2

6、. 將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。第十頁，共73頁。P1P2N1N2K GA晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK2. 工作原理分析第十一頁，共73頁。 T1T22. 工作原理分析A依靠正反饋，在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。形成正反饋過程KGEA 0、EG 0EGEA+_RT2正偏 T2 進一步導通第十二頁，共73頁。依靠正反饋，晶閘管導通后，去掉EG ， 仍可維持導通狀態(tài)。2. 工作原理分析GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反饋過程由于 iB1iC

7、2， iB2iC1，可使 iG = 0第十三頁，共73頁。3. 伏安特性正向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U第十四頁，共73頁。4. 主要參數(shù)UFRM:正向重復峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM = 80% UB0 。普通晶閘管 UFRM 為100V 3000V反向重復峰值電壓控制極開路時,允許重復作用在晶閘管元 件上的反向峰值電壓。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶閘管 URRM為100V3

8、000VURRM：第十五頁，共73頁。正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標準散熱條件下，晶閘管處于全導通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。 IF：IFt2如果正弦半波電流的最大值為Im, 則普通晶閘管IF為1A 1000A。第十六頁，共73頁。UF: 通態(tài)平均電壓（管壓降） 在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。IH: 維持電流 在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。 一般IH為幾十 一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流 室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。 一般

9、UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。第十七頁，共73頁。晶閘管型號及其含義 導通時平均電壓組別共九級, 用字母AI表示0.41.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P-普通晶閘管K-快速晶閘管S -雙向晶閘管 晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。第十八頁，共73頁。*二、雙向晶閘管 A2A1GKAG*三、可關(guān)斷晶閘管 uA0 時，uG0，管子導通；uA0 時，uG0，管子截止。 相當于兩個反向晶閘管并聯(lián)，兩者共用一個控制極。第十九頁，共73頁。13.2 可控整流電路一、 單相半波可控整流 1.

10、 電阻性負載(1) 電路 u 0 時：若ug = 0，晶閘管不導通，u 0 時: 晶閘管承受反向電壓不導通, uo= 0, uT = u ，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導 通，uuoRL+uT+Tio第二十頁，共73頁。(2) 工作原理t12u 0時: tO第二十一頁，共73頁。 tO 接電阻負載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1 tO tOt22tO導通角(3)工作波形第二十二頁，共73頁。(4)整流輸出電壓及電流的平均值改變控制角，可改變輸出電壓Uo ,移相范圍第二十三頁，共73頁。晶閘管平均電流 ID = IO 晶閘管正向陽極電壓最大值 負載直流電流 晶

11、閘管反向陽極電壓最大值 （5） 主要參數(shù)負載直流電壓 第二十四頁，共73頁。2. 電感性負載與續(xù)流二極管(1)電路 當電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內(nèi)仍維持導通，失去單向?qū)щ娮饔谩?在電感性負載中 ,當晶閘管剛觸發(fā)導通時，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。uuoR+uT+TLeL-第二十五頁，共73頁。 tOtO tOt1 tOt22 2) 工作波形(未加續(xù)流二極管)第二十六頁，共73頁。uuoR+uT+LTioDiou 0時： D反向截止，不影響整流電路工作。u 0時： D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元

12、件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負載電壓uo波形與電阻性負載相同(見波形圖)。3.電感性負載(加續(xù)流二極管)+(1) 電路第二十七頁，共73頁。(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iL t tOtO2 tO第二十八頁，共73頁。 加續(xù)流二極管整流輸出電壓及電流的平均值與電阻性負載相同改變控制角，可改變輸出電壓Uo ,移相范圍第二十九頁，共73頁。二、 單相全控橋式整流電路1. 電阻負載工作原理 T1和DT4承受正向電壓。 加觸發(fā)電壓, 則T1和 T4導通，電流的通路為aRLT4T1b(1)電壓u 為正半周時io+T1T2RLuoT3T4au+b此時，T2和T3均承受反向電壓而截止。第三十

13、頁，共73頁。io+T1T2RLuoD1D2au+b T2和T3承受正向電壓。 控制極加觸發(fā)電壓,則T2和T3導通，電流的通路為(2)電壓u 為負半周時bRLT3T2a此時，T1和T4均承受反向電壓而截止。第三十一頁，共73頁。 t tOtO3. 工作波形2 tO移相范圍第三十二頁，共73頁。4. 輸出電壓及電流的平均值第三十三頁，共73頁。（5） 主要參數(shù)UO負載直流電壓 負載直流電流 = 0.9U2 1+cos 2IO= UORL二極管和晶閘管平均電流 ID = IT = 0.5IO 第三十四頁，共73頁。晶閘管反向陽極電壓最大值 晶閘管正向陽極電壓最大值 第三十五頁，共73頁。4. 輸出

14、電壓及電流的平均值第三十六頁，共73頁。（5） 主要參數(shù)UO負載直流電壓 負載直流電流 = 0.9U2 1+cos 2IO= UORL二極管和晶閘管平均電流 ID = IT = 0.5IO 第三十七頁，共73頁。晶閘管電流有效值 第三十八頁，共73頁。二極管反向陽極電壓最大值晶閘管反向陽極電壓最大值 晶閘管正向陽極電壓最大值 第三十九頁，共73頁。2. 大電感負載 P281io+T1T2Ruoau+bLT4T3移相范圍:00 900第四十頁，共73頁。三、 單相半控橋式整流電路1.電阻負載工作原理 T1和D2承受正向電壓。 T1加觸發(fā)電壓, 則T1和 D2導通，電流的通路為T1、T2 晶閘管D

15、1、D2晶體管aRLD2T1b(1)電壓u 為正半周時io+T1T2RLuoD1D2au+b此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。第四十一頁，共73頁。io+T1T2RLuoD1D2au+b T2和D1承受正向電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導通，電流的通路為(2)電壓u 為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。第四十二頁，共73頁。 t tOtO3. 工作波形2 tO第四十三頁，共73頁。2.大電感負載 P283io+T1T2RuoD1D2au+bL第四十四頁，共73頁。思考：如圖所示的整流電路中，增加控制角 時，導通 增加還是減少？負載直流電壓如何變化？

16、【答】 增大時， 減小，負載直流電壓 UO 減小。io+T1T2RLuoD1D2au+b第四十五頁，共73頁。思考：如圖所示的整流電路中， = 60和 120 時，負載電壓UO 的最大值是否相同?圖b【答】負載電壓UO 的最大值不相同。如圖b所示。io+T1T2RLuoD1D2au+b第四十六頁，共73頁?！纠縤o+T1T2RLuoD1D2au+b解：=1800(=00)時，U0=180V, I0=6A晶閘管選KP5-7型，二極管選2CZ5/300第四十七頁，共73頁。例:有一電阻性直流負載，RL= 10 ，要求負載的端電壓 UO 在 40 120 V 之間可調(diào)，若采用單相半控橋式整流電路供

17、電，求（1） U2 （2）控制角 的變化范圍 （3）畫出 60o 時控制極電壓 Ug 、負載端電壓 uo 的波形。（1）設(shè)：Uo = 120 V時，管子全導通，即 0，則這時 UO = 0.9 U2，故+u2+uoRL解 電路圖第四十八頁，共73頁。（3）u2t0t0t0uguo（2）可見得變化范圍為：第四十九頁，共73頁。 例：電阻性負載兩端直流電壓為50V，電流為10A，變壓器副 邊電壓有效值U2=200V，試計算采用單相半控橋式整流電路時，晶閘管的導通角以及通過晶閘管中的電流平均值，并將下列單相半控橋式整流電路連接完整。RLu2+-+-u1+第五十頁，共73頁。兩種常用可控整流電路電路特

18、點該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2. 晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第五十一頁，共73頁。電路特點 1. 該電路接入電感性負載時，D1、D2 便起續(xù)流二極管作用。(2)2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-第五十二頁，共73頁。三、 三相半波可控整流電路T T1 T2T3io cbau+RLuo+1. 電路ua2ubuct1t2uo第五十三頁，共73頁。 T1正向電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1導通，此時，T2和T3均承受反向電壓而截止。(1)a相電壓 瞬時值最高期間2.工作

19、原理 T2正向電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2導通，此時，T1和T3均承受反向電壓而截止。(2)b相電壓 瞬時值最高期間 T3正向電壓。 T3控制極加觸發(fā)電壓, 則T3導通，此時，T1和T2均承受反向電壓而截止。(3)c相電壓 瞬時值最高期間3. 工作波形動畫第五十四頁，共73頁。4. 輸出電壓及電流的平均值ua2ubuct1t2uoug第五十五頁，共73頁。4. 輸出電壓及電流的平均值ua2ubuct1t2uoug第五十六頁，共73頁。4. 輸出電壓及電流的平均值第五十七頁，共73頁。四、 三相橋式半控整流電路2.工作原理1. 電路u2a2u2bu2ct1t2uoT T1RLuoD3

20、T2T3D2D1io cbau+第五十八頁，共73頁。19.3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、 單結(jié)晶體管1.結(jié)構(gòu)B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a) 示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(b) 符號B2EB1第五十九頁，共73頁。2. 工作原理 UE UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負阻。P第六十一頁，共73頁。1. UE UP時單結(jié)管導通，UE UV時恢復截止。單結(jié)晶體管的特點:B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點電壓UP與 外加固定電壓UBB及分壓比 有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點電 壓UP不同。3. 不同單結(jié)晶體管的谷點電壓U

21、V和谷點電流IV都 不一樣。谷點電壓大約在2 5V之間。常選用 稍大一些， UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。第六十二頁，共73頁。二、 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1. 振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路 單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(jié)管的負阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路。ugR2R1RUucE+C+_+_50100k3000. 47F第六十三頁，共73頁。ugR2R1RUuCE+C+_+_50100k3000. 47F2. 振蕩過程分析設(shè)通電前uC=0。 接通電源U, 電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。 當uC UP時,單結(jié)管導通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuCtugt電容放電至 uC Uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)第六十四頁，共73頁。upuv3. 電壓波形uCttugOO第六十五頁，共73頁。主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+uC+RuL+ug+u+三、單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路1. 電路第六十六頁，共73頁。2. 工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+uo+uZ整流U2MtO2tOtO第六十七頁，共73頁。(2) 觸發(fā)電路UP-U