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

項(xiàng)目二單相可控整流電路—制作簡(jiǎn)單調(diào)光燈電路【學(xué)習(xí)目標(biāo)】知識(shí)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(huì)計(jì)算單相半波橋式可控整流電路輸出值（3）會(huì)用分析并檢測(cè)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(jì)算自行探索解決問題的能力（2）培養(yǎng)良好溝通團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成任務(wù)的能力【項(xiàng)目引入】

調(diào)光臺(tái)燈可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)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(tái)燈圖是調(diào)光臺(tái)燈的電路原理圖本項(xiàng)目中將制作簡(jiǎn)單調(diào)光臺(tái)燈電路。

請(qǐng)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(shí)物圖

（b）電路原理圖圖2-1調(diào)光臺(tái)燈

任務(wù)2.1認(rèn)識(shí)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(hào)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(shí)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(gè)結(jié)面積較大的PN結(jié)，在PN結(jié)的兩端各引出一個(gè)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(hào)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(hào)國(guó)產(chǎn)普通功率二極管的型號(hào)規(guī)定如下：

任務(wù)2.2認(rèn)識(shí)晶閘管

晶閘管（Thyristor）是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，又稱可控硅整流器，或簡(jiǎn)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(gè)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(hào)圖2-4晶閘管的結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)2.晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件

由以上實(shí)驗(yàn)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(shí)在門極與陰極之間加正向電壓，則晶閘管導(dǎo)通，兩項(xiàng)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(qiáng)烈的正反饋，使兩個(gè)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?zhàn)饔脕砭S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(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)際測(cè)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(jí)，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(cè)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(cè)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(hào)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(hào)分解模塊Demux：Demux模塊將一路輸入信號(hào)分解為多路輸出信號(hào)，根據(jù)輸出檢測(cè)信號(hào)多少將Numberofoutputs設(shè)置為2。（5）示波器：雙擊示波器模塊，點(diǎn)擊第二個(gè)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(shí)間為0.06s，電力電子系統(tǒng)通常使用ode23th算法。4.波形分析

點(diǎn)擊仿真運(yùn)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(shí)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(shí)，通態(tài)壓降為零，關(guān)斷時(shí)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(lì)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(jì)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(hào)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(hào)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(shí)，R=1,L=0,C=inf（無窮大）；當(dāng)負(fù)載為阻感負(fù)載時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)的電路與輸出波形2.接入續(xù)流二極管為了擴(kuò)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(duì)晶閘管換成兩個(gè)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(jì)，觸發(fā)裝置也相應(yīng)簡(jiǎn)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(gè)晶閘管VT1、VT2、VT3和VT4實(shí)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(hào)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