《電力電子技術(shù)（第二版） 》 課件 項目二 單相可控整流電路-制作簡單調(diào)光燈電路

項目二單相可控整流電路—制作簡單調(diào)光燈電路【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知識目標(biāo)（1）能說出功率二極管的工作原理（2）能說出晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷的條件（3）能說出單相半波橋式可控整流電路的工作原理（4）能說出晶閘管觸發(fā)電路的要求（5）能說出單結(jié)晶體管的伏安特性能力目標(biāo)（1）能畫出單相半波橋式可控整流電路的輸出波形圖（2）會計算單相半波橋式可控整流電路輸出值（3）會用分析并檢測單相半波可控整流電路單相橋式可控整流電路的電路輸出波形素養(yǎng)目標(biāo)（1）培養(yǎng)認(rèn)真分析仔細(xì)計算自行探索解決問題的能力（2）培養(yǎng)良好溝通團隊協(xié)作完成任務(wù)的能力【項目引入】

調(diào)光臺燈可以根據(jù)應(yīng)用場合的不同自由調(diào)節(jié)光照亮度它在日常生活中的應(yīng)用非常廣泛圖是常見的調(diào)光臺燈圖是調(diào)光臺燈的電路原理圖本項目中將制作簡單調(diào)光臺燈電路。

請查找資料向同學(xué)們介紹單相可控整流電路的應(yīng)用范圍。（a）實物圖

（b）電路原理圖圖2-1調(diào)光臺燈

任務(wù)2.1認(rèn)識功率二極管

功率二極管又稱電力二極管，是指可以承受高電壓大電流且具有較大耗散功率的二極管。它不能用控制信號控制其導(dǎo)通和關(guān)斷，只能由加載元件上電壓的極性控制其通斷。因此屬于不可控型器件，用于不需要調(diào)壓的整流感性負(fù)載的續(xù)流以及用作限幅鉗位穩(wěn)壓等。2.1認(rèn)識功率二極管的伏安特性1.器件結(jié)構(gòu)

功率二極管內(nèi)部是一個結(jié)面積較大的PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端各引出一個電極，分別稱為陽極A和陰極K。（a）功率二極管結(jié)構(gòu)圖

（b）功率二極管外形電氣符號2.伏安特性

功率二極管兩極所加電壓與流過電流的關(guān)系特性稱為功率二極管的伏安特性，如圖2-3所示。圖2-3功率二極管伏安特性曲線2.1.2了解功率二極管的參數(shù)和選型

2.參數(shù)選擇1)型號國產(chǎn)普通功率二極管的型號規(guī)定如下：

任務(wù)2.2認(rèn)識晶閘管

晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡稱，又稱可控硅整流器，或簡稱為可控硅，是一種能夠承受高電壓、大電流的半控型電力電子器件。1.晶閘管的結(jié)構(gòu)

晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體器件，是四層三端結(jié)構(gòu)，內(nèi)部具有P1N1P2N2四層，外部有三個電極，從P1層和N2層分別引出陽極A（Anode）和陰極K（Cathode），由P2層引出門極G（Gate）如圖2-4所示。（a）結(jié)構(gòu)示意圖（b）電氣符號圖2-4晶閘管的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號2.晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件

由以上實驗現(xiàn)象，可以得到晶閘管的導(dǎo)通條件是：陽極加正向電壓，且同時在門極與陰極之間加正向電壓，則晶閘管導(dǎo)通，兩項條件缺一不可。

晶閘管一旦導(dǎo)通，門極將失去作用。

晶閘管的關(guān)斷條件：需要使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值（稱為維持電流）以下，因此一般采用去掉晶閘管的陽極電壓，或者給晶閘管陽極加反向電壓的方式來關(guān)斷晶閘管。2.2.2了解晶閘管工作原理圖2-7晶閘管等效電路圖晶體管V1、V2處于放大狀態(tài)，Eg產(chǎn)生的門極電流Ig就是V2的基極電流Ib2，V2的集電極電流Ic2=β2Ig。而Ic2又是晶體管V1的基極電流Ib1，V1的集電極電流Ic1=β1Ic2=β1β2Ig。電流IC1又流入V2的基極，再一次被放大。這樣循環(huán)下去，形成了強烈的正反饋，使兩個晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通，這就是晶閘管的導(dǎo)通過程。導(dǎo)通后，晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上，晶閘管中流過的電流即負(fù)載電流。正反饋過程如下：Ig↑→Ib2↑→Ic2(Ib1)↑→Ic1↑→Ib2↑晶閘管導(dǎo)通后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋作用來維持，即使門極電流Ig=0，IB2仍足夠大，晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。要想關(guān)斷晶閘管，必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度。2.2.3了解晶閘管伏安特性

晶閘管伏安特性是指晶閘管陽、陰極間電壓UA和陽極電流IA之間的關(guān)系特性

第Ⅰ象限為晶閘管的正向特性，第Ⅲ象限為晶閘管的反向特性。當(dāng)門極斷開Ig=0時，在器件兩端施加正向電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過。隨著正向陽極電壓的增大，漏電流也相應(yīng)增大。

當(dāng)正向電壓超過臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo時，漏電流急劇增大，晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)時晶閘管特性和二極管的正向特性相似，即通過較大的陽極電流，而器件本身的壓降很小。

晶閘管正向?qū)ê?，要使晶閘管回復(fù)阻斷狀態(tài)，只有逐步減少陽極電流，當(dāng)陽極電流降至維持電流IH以下，則晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。晶閘管加反向陽極電壓時，晶閘管的反向特性與一般二極管的伏安特性相似。2.2.4了解晶閘管的參數(shù)及選型1.晶閘管的主要參數(shù)1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

當(dāng)門極斷開，晶閘管結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓為晶閘管的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，用UDRM表示。2)反向重復(fù)峰值電壓URRM

規(guī)定當(dāng)門極斷開，晶閘管結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓為反向重復(fù)峰值電壓，用URRM表示。3)額定電壓UTn

為防止晶閘管損壞，廠家通常取晶閘管的實際測定值UDRM和URRM中較小的值U，然后將小于U且最接近的電壓等級，標(biāo)為晶閘管的額定電壓。2.5完成常用電路電子器件MATLAB仿真分析2.5.1常用電力電子元件模型1.電力二極管模塊（Diode)

2-9電力二極管模塊

圖2-10Diode參數(shù)設(shè)置2.晶閘管模塊（Thyristor）3.絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊

【例2-1】將二極管Diode模塊串聯(lián)在電路中，測試系統(tǒng)模型圖如圖2-14所示，從示波器中觀察二極管的電流iV、電壓UV以及電路中負(fù)載的電流id和電壓Ud波形。圖2-14二極管測試電路1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號分解模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch二極管Simpowersystems/PowerElectronics/Diode用戶界面分析模塊Powergui表2-4仿真模塊提取路徑2.設(shè)置各模塊參數(shù)各模塊的參數(shù)設(shè)置如下：（1）電源ACVoltagesource：電壓設(shè)置為220V，頻率設(shè)為50Hz。（2）二極管：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。（3）電阻負(fù)載：負(fù)載為純電阻電路，電阻值為1Ω。（4）信號分解模塊Demux：Demux模塊將一路輸入信號分解為多路輸出信號，根據(jù)輸出檢測信號多少將Numberofoutputs設(shè)置為2。（5）示波器：雙擊示波器模塊，點擊第二個圖標(biāo)Parameters，設(shè)置Numberofaxes為5。（6）電壓表與電流表：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。3.仿真參數(shù)的設(shè)置

由于電源頻率是50Hz，因此設(shè)置仿真時間為0.06s，電力電子系統(tǒng)通常使用ode23th算法。4.波形分析

點擊仿真運行，則得到示波器顯示波形如圖2-15所示。圖2-15示波器顯示波形任務(wù)2.3認(rèn)識單相可控整流電路

可控整流電路（Rectifier）是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它的作用是將交流電變?yōu)楣潭ɑ蚩烧{(diào)的直流電供給直流用電設(shè)備，也稱為AC/DC變換。

整流電路按交流輸入相數(shù)可分為單相、三相和多相整流電路；按電路構(gòu)成形式可分為半波、橋式（含全控橋式和半控橋式）整流電路；按組成的器件可分為不可控、半控、全控整流電路。2.3.1分析單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）假設(shè)：開關(guān)元件是理想的，及開關(guān)元件（晶閘管）導(dǎo)通時，通態(tài)壓降為零，關(guān)斷時電阻為無窮大；變壓器是理想的，及變壓器漏抗為零，繞組的電阻為零、勵磁電流為零。1.電路結(jié)構(gòu)

圖示為單相半波可控整流電路，由晶閘管VT、負(fù)載電阻R及單相整流變壓器TR組成。

圖2-16單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）波形

【例2-3】如圖2-16所示在單相半波可控整流電路（電阻性負(fù)載）中，電源電壓U2為220V,要求的直流輸出平均電壓為50V，直流輸出平均電流為20A，試計算：（1）晶閘管的控制角；（2）輸出電流有效值；（3）電路功率因數(shù)；（4)選擇晶閘管型號規(guī)格（安全裕量取2倍）。

2.3.2分析單相半波可控整流電路（電感性負(fù)載）

圖2-17單相半波可控整流電路(阻感負(fù)載)及其波形

圖2-18帶續(xù)流二極管的單相橋式整流電路

2.3.3完成單相半波可控整流電路的MATLAB仿真分析使用Simulink創(chuàng)建單相半波整流電路，并使用示波器觀察晶閘管觸發(fā)角與負(fù)載電路中的電流和電壓波形。1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/SeriesRLCBranch晶閘管Simpowersystems/PowerElectronics/Thyristor用戶界面分析模塊Powergui表2-5仿真模塊提取路徑

（3）晶閘管：采用默認(rèn)參數(shù)設(shè)置。（4）電阻負(fù)載：當(dāng)負(fù)載是電阻負(fù)載時，R=1,L=0,C=inf（無窮大）；當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時，R＝1，L＝0.01，C＝inf。（a）控制角0°（b）控制角60°圖2-21示波器圖（電阻性負(fù)載）5帶感性負(fù)載的仿真

帶感性負(fù)載的仿真與帶電阻性負(fù)載的仿真方法基本上是相同的。（a）控制角0°（b）控制角60°圖2-22示波器圖（帶感性負(fù)載）任務(wù)2.4認(rèn)識單相橋式可控整流電路2.4.1分析單相橋式全控整流電路（電阻性負(fù)載）圖2-23單相橋式全控整流電路帶電阻型負(fù)載任務(wù)2.4認(rèn)識單相橋式可控整流電路2.4.1分析單相橋式全控整流電路（電阻性負(fù)載）圖2-23單相橋式全控整流電路帶電阻型負(fù)載

2.4.2分析單相橋式全控整流電路（電感性負(fù)載）1.不接續(xù)流二極管2OwtOwtOwtu2OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4ua）電路圖b）波形圖圖2-24單相橋式全控整流電流帶阻感負(fù)載不接續(xù)流二極管時的電路與輸出波形2.接入續(xù)流二極管為了擴大移相范圍，不讓ud波形出現(xiàn)負(fù)值以及使輸出電流更加平穩(wěn)，可在負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管。

（a）電路圖（b）波形圖圖2-25單相橋式全控整流電流帶阻感負(fù)載接續(xù)流二極管2.4.3分析單相橋式半控整流電路1.電路結(jié)構(gòu)

將單相全控橋電路中一對晶閘管換成兩個整流二極管，就構(gòu)成了單相橋式半控整流電路。它與單控全橋相比，較為經(jīng)濟，觸發(fā)裝置也相應(yīng)簡單些，在中小容量的可控整流裝置中得到了廣泛應(yīng)用。（a)電路圖（b）波形圖圖2-26單相橋式半控整流電路帶續(xù)流二極管2.4.4完成單相橋式全控整流電路的MATLAB仿真分析

單相橋式全控整流電路是使用4個晶閘管VT1、VT2、VT3和VT4實現(xiàn)控制的，使用Simulink創(chuàng)建單相橋式全控整流電路，使用示波器觀察晶閘管觸發(fā)角與負(fù)載電路中的電流和電壓的波形。1.參考電路圖建模元件名稱提取路徑脈沖觸發(fā)器Simulink/Sources/PulseGenerator交流電源SimPowerSystems/ElectricalSources/ACVoltagesource示波器Simulink/Sinks/Scope接地端子SimPowerSystems/Elements/Ground信號組合模塊Simulink/SignalRouting/Demux電壓表SimPowerSystems/Measurements/VoltageMeasurement電流表SimPowerSystems/Measurements/CurrentMeasurement負(fù)載RLCSimPowerSystems/Elements/Ser