《電力電子技術》課件第1章

第1章單相相控整流電路1.1認識功率二極管和晶閘管1.2單相相控整流電路基本原理1.3單相整流電路應用實例分析

1.1認識功率二極管和晶閘管

1.1.1功率二極管

1.功率二極管的工作原理

功率二極管是以PN結為基礎的，實際上就是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的。功率二極管的結構和圖形符號如圖1-1所示。圖1-1功率二極管的結構和圖形符號(a)結構示意圖；(b)圖形符號功率二極管主要有螺栓型和平板型兩種外形，如圖1-2

所示。圖1-2功率二極管外形(a)螺栓型；(b)平板型功率二極管和電子電路中的二極管工作原理一樣，即若二極管處于正向電壓作用下，則PN結導通，正向管壓降很?。环粗?，若二極管處于反向電壓作用下，則PN結截止，僅有極小的可忽略的漏電流流過二極管。經(jīng)實驗測量可得功率二極管的伏安特性曲線，如圖1-3所示。圖1-3功率二極管的伏安特性曲線

2．功率二極管的主要參數(shù)

1)正向平均電流

正向平均電流(IF(AV))是指在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下，允許通過的最大工頻半波電流的平均值。元件標稱的

額定電流就是該電流。實際應用中，功率二極管所流過的最大有效電流為I，則其正向平均電流一般選擇為

(1-1)

2)正向壓降

正向壓降(UF)是指在規(guī)定溫度下，流過某一穩(wěn)定正向電流時所對應的正向壓降。

上述這兩個參數(shù)是選擇功率二極管的主要依據(jù)。

3.功率二極管的主要類型

1)整流二極管

2)快速恢復二極管

3)肖特基二極管1.1.2晶閘管

1.晶閘管的結構

晶閘管是一種大功率半導體變流器件，它具有三個PN結的四層結構，其外形、結構和圖形符號如圖1-4所示。由最外的P1層和N2層引出的兩個電極，分別為陽極A和陰極K，由中間的P2層引出的電極是門極G(也稱控制極)。晶閘管的國際通用名稱為Thyristor,簡寫為V。圖1-4晶閘管的外形、結構和圖形符號(a)螺栓式；(b)平板式；(c)結構示意圖；(d)圖形符號

2.晶閘管的工作原理

可以通過如圖1-5所示電路做一個簡單的實驗來說明晶閘管的工作原理。在圖1-5中，由電源Ea、白熾燈、晶閘管的陽極和陰極組成晶閘管主電路；由電源Eg、開關S、晶閘管門極和陰極組成控制電路，也稱觸發(fā)電路。圖1-5晶閘管導通試驗電路圖為了進一步說明晶閘管的工作原理，可把晶閘管看成是由一個PNP型和一個NPN型晶體管連接而成的，其連接形式如圖1-6所示。陽極A相當于PNP型晶體管V1的發(fā)射極，陰極K相當于NPN型晶體管V2的發(fā)射極。圖1-6晶閘管工作原理等效電路

3.晶閘管的伏安特性

晶閘管陽極與陰極間的電壓UA和陽極電流IA的關系稱為陽極伏安特性。正確使用晶閘管就必須了解其陽極伏安特性(簡稱伏安特性)。晶閘管陽極伏安特性曲線如圖1-7所示，包括正向特性(第Ⅰ象限)和反向特性(第Ⅲ象限)兩部分。圖1-7晶閘管陽極伏安特性曲線

4.晶閘管的主要參數(shù)

1)正向重復峰值電壓

在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向重復峰值電壓UDRM。一般規(guī)定此電壓取值為正向轉折電壓UBO的80%。

2)反向重復峰值電壓

在控制極斷路時，可以重復加在晶閘管上的反向峰值電壓稱為反向重復峰值電壓URRM。此電壓取值為反向擊穿電壓URO的80%。

3)通態(tài)平均電流IV(AV)

在環(huán)境溫度小于40℃和標準散熱及全導通的條件下，晶閘管可以連續(xù)導通的工頻正弦半波電流平均值稱為通態(tài)平均電流IV(AV)，或正向平均電流。通常所說晶閘管是多少安就是指這個電流。如果正弦半波電流的最大值為IM，則

(1-2)

額定電流有效值為

(1-3)現(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個電流的波形系數(shù)，用Kf表示：

(1-4)

根據(jù)式(1-4)可求出正弦半波電流的波形系數(shù)為

這說明額定電流IV(AV)=100A的晶閘管，其額定電流有效值為IV=KfIV(AV)=157A。

4)維持電流IH和掣住電流IL

在室溫且控制極開路時，維持晶閘管繼續(xù)導通的最小電流稱為維持電流IH。維持電流大的晶閘管容易關斷。維持電流與元件容量、結溫等因素有關，同一型號的元件其維持電流也不相同。通常，在晶閘管的銘牌上標明了常溫下IH的實測值。

給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當元件剛從阻斷狀態(tài)轉為導通狀態(tài)就撤除觸發(fā)電壓，此時元件維持導通所需要的最小陽極電流稱為掣住電流IL。對同一晶閘管來說，掣住電流IL要比維持電流IH大2～4倍。

5)晶閘管的開通與關斷時間

晶閘管作為無觸點開關，在導通與阻斷兩種工作狀態(tài)之間的轉換并不是瞬時完成的，需要有一定的時間。當元件的導通與關斷頻率較高時，就必須考慮這種時間的影響。

(1)開通時間tgt。

(2)關斷時間tq。

5.晶閘管的型號

按國家JB1144—75規(guī)定，普通硅晶閘管型號及其含義如圖1-8所示。圖1-8晶閘管型號的含義

6.晶閘管的簡單測試方法

對于晶閘管的三個電極，可以用萬用表粗測其好壞。依據(jù)PN結單向導電原理，用萬用表歐姆擋測試晶閘管的三個電極之間的阻值，可初步判斷其是否完好。

7.晶閘管的派生系列

1)快速晶閘管

快速晶閘管(FastSwitchingThyristor，F(xiàn)ST)的外形、符號、基本結構和伏安特性與普通晶閘管相同，但它是專為快速應用而設計的?？焖倬чl管開通與關斷時間短，允許的電流上升率高，開關損耗小，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)可獲得較平直的電流波形。普通晶閘管關斷時間為數(shù)百微秒，快速晶閘管為數(shù)十微秒。

2)雙向晶閘管

雙向晶閘管(TriodeACSwitch，TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor)可被認為是一對反并聯(lián)連接的普通晶閘管的集成。圖1-9所示為它的基本結構(參見圖1-9(a))、等效電路(參見圖1-9(b))及伏安特性(參見圖1-9(c))。雙向晶閘管有兩個主電極V1和V2，一個門極G。門極使器件在主電極的正、反兩個方向均可觸發(fā)導通，所以雙向晶閘管在第Ⅰ和第Ⅲ象限有對稱的伏安特性。圖1-9雙向晶閘管的結構及伏安特性(a)基本結構；(b)等效電路；(c)伏安特性

1.2單相相控整流電路基本原理

1.2.1電阻性負載

1．電路的工作原理

電爐、白熾燈等均屬于電阻性負載。電阻性負載的特點是：負載兩端電壓和所流過的電流波形相同，相位相同。圖1-10單相全控橋式整流電路電阻性負載及其波形(a)電路；(b)電源電壓；(c)觸發(fā)脈沖；(d)輸出電壓；(e)晶閘管上的電壓；(f)變壓器副邊電流

2．數(shù)值關系

由圖1-10(d)可知整流輸出電壓的平均值為

(1-5)當α=0°時，相當于不可控橋式整流，此時輸出電壓最大，即Ud=0.9U2；當α=180°時，輸出電壓為零，故晶閘管的可控移相范圍為0°～180°。

整流輸出電壓的有效值為

(1-6)在負載上，輸出電流的平均值Id和有效值I分別為

(1-7)

(1-8)負載電流的波形系數(shù)為

(1-9)

因為晶閘管V1、V4和V2、V3在電路中是輪流導電的，所以流過每個晶閘管的平均電流只有負載上平均電流的一半，即

(1-10)流過晶閘管的電流有效值為

(1-11)在一個周期內(nèi)電源通過變壓器T兩次向負載提供能量，因此負載電流有效值I與變壓器次級電流有效值I2相同。那么電路的功率因數(shù)可以按下式計算：

(1-12)

例1-1如圖1-10(a)所示單相全控橋式整流電路，

Rd=4Ω，要求Id在0A～25A之間變化。

(1)求整流變壓器T的變比(不考慮裕量)；

(2)求連接導線的截面積(取允許電流密度J=6A/mm2)；

(3)選擇晶閘管的型號(考慮2倍的裕量)；

(4)在不考慮損耗的情況下，選擇整流變壓器的容量；

(5)計算負載電阻的功率；

(6)計算電路的最大功率因數(shù)。

解

(1)負載上的最大平均電壓為

又因為Ud=0.9U2

當α=0°時，Ud最大，即Udmax=0.9U2，有所以變壓器的變比為

(2)因為α=0°時，id的波形系數(shù)為

所以負載電流有效值為選擇導線截面積為

故選BU-70銅線。

(3)考慮到每個晶閘管電流的有效值IT=I/則晶閘管的額定電流為

再考慮到2倍裕量的條件，取30A。

晶閘管承受的最高電壓

若考慮2倍的裕量，則取400V，選擇KP30-4的晶閘管。

(4)變壓器的容量為

(5)負載電阻的功率為

(6)電路的最大功率因數(shù)為

當α=0°時，1.2.2大電感負載

1．單相全控橋式整流電路

在生產(chǎn)實踐中，除了電阻性負載外，最常見的負載還有電感性負載，如電動機的勵磁繞組，整流電路中串入的濾波電抗器等。為了便于分析和計算，在電路圖中將電阻和電感分開表示。圖1-11單相全控橋式整流電路帶電感性負載電路及其波形(a)電路；(b)電源電壓；(c)觸發(fā)脈沖；(d)輸出電壓；(e)輸出電流；(f)晶閘管V1、V2上的電流；(g)晶閘管V2、V3上的電流；(h)變壓器副邊電流；(i)晶閘管V1、V4上的電壓當負載電流連續(xù)時，整流電壓平均值可按下式計算：

(1-13)流過每個晶閘管的電流平均值和有效值分別為

(1-14)

(1-15)

2．單相半控橋式整流電路

在單相全控橋式整流電路中，需要四只晶閘管，且觸發(fā)電路要分時觸發(fā)其中的一對晶閘管，電路復雜。在實際應用中，如果對控制特性的陡度沒有特殊要求，可采用圖1-12(a)所示的單相半控橋式整流電路。圖中T是整流變壓器，V1、V2是晶閘管，VD1、VD2是整流二極管。圖1-12單相半控橋式整流電路帶大電感負載時的電壓、電流波形(a)電路；(b)波形單相半控橋式整流電路帶大電感性負載時，雖本身有自然續(xù)流的能力，似乎不需要另接續(xù)流二極管，但在實際運行中，當突然把控制角α增大到180°以上或突然切斷觸發(fā)電路時，會發(fā)生正在導通的晶閘管一直導通，兩個二極管輪流導通的現(xiàn)象。此時觸發(fā)信號對輸出電壓失去了控制作用，我們把這種現(xiàn)象稱為失控。失控現(xiàn)象在實際使用中是不允許的，為消除失控，帶電感性負載的半控橋式整流電路還需另接續(xù)流二極管VD，如圖1-13(a)所示。圖1-13單相半控橋式整流電路帶大電感負載接續(xù)流二極管時的波形(a)電路；(b)波形加上續(xù)流二極管之后，當u2電壓降到零時，負載電流經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流，整流橋輸出端只有不到1V的壓降，迫使晶閘管與二極管串聯(lián)電路中的電流降到晶閘管的維持電流以下，使晶閘管關斷，這樣就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象了。接上續(xù)流二極管后，電路中各處電流波形如圖1-13(b)所示。根據(jù)以上分析，可求出輸出電壓平均值為

(1-16)其輸出電壓有效值為

(1-17)在控制角為α時，每個晶閘管一周期內(nèi)的導通角為θV=π－α，續(xù)流管的流通角為θD=2α，則流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為

(1-18)

(1-19)流經(jīng)續(xù)流二極管的電流平均值和有效值分別為

(1-20)

(1-21)1.2.3集成單相可控橋式整流模塊

與單相橋式整流電路一樣，實際應用中通常選用橋式可控整流電路的集成模塊。圖1-14所示為某生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的集成單相可控橋式整流模塊的外形。圖1-14集成單相可控橋式整流模塊的外形

MTQ為單相全控橋集成模塊，MFQ為單相半控橋集成模塊，MFQ(X)為帶續(xù)流二極管的單相半控橋集成模塊，它們的內(nèi)部電路如圖1-15所示。圖1-15集成單相可控橋式整流模塊內(nèi)部電路(a)MTQ單相全控橋；(b)MFQ單相半控橋；(c)MFQ(X)單相半控橋帶續(xù)流二極管

1.3單相整流電路應用實例分析

1.3.1單結晶體管觸發(fā)電路

晶閘管在承受正向電壓的同時還必須在門極與陰極之間加上觸發(fā)電壓，才能從阻斷變?yōu)閷?，提供這個觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。晶閘管觸發(fā)電路決定每個晶閘管的觸發(fā)導通時刻，是晶閘管裝置中不可缺少的一個重要組成部分。正確使用觸發(fā)電路可以充分發(fā)揮晶閘管及其裝置的潛力，保證其安全、可靠運行。

1.對觸發(fā)電路的要求

(1)觸發(fā)信號可為直流、交流或脈沖電壓。

(2)觸發(fā)脈沖應有足夠的功率。

(3)觸發(fā)脈沖應有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應有6μs以上。對于電感性負載，由于電感會抵制電流上升，因此觸發(fā)脈沖的寬度應更大一些，通常要0.5ms～1ms。

(4)觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。

2.認識單結晶體管

單結晶體管也稱為雙基極二極管，它有一個發(fā)射極(E)和兩個基極(分別為B1、B2)，共三個電極，外形和普通三極管相似。單結晶體管的結構示意圖和電氣符號如圖1-16所示。圖1-16單結晶體管結構示意圖和電氣符號(a)結構示意圖；(b)電氣符號圖1-17所示為單結晶體管特性實驗電路及其等值電路。將單結晶體管等效成一個二極管VD和兩個電阻

這樣，當兩基極上加電壓UBB時，上分得的電壓為

(1-22)

式中，η為分壓比，是單結晶體管的主要參數(shù)，η一般取值為0.5～0.9。圖1-17單結晶體管特性試驗電路及其等值電路(a)實驗電路圖；(b)等效電路圖

3.單結晶體管的自激振蕩電路

利用單結晶體管的特性與RC電路的充、放電可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可變的脈沖，其電路如圖1-18(a)所示。圖1-18單結晶體管自激振蕩電路及其波形(a)電路；(b)波形設電源未接通時，電容C上的電壓為零。在電源接通后，C經(jīng)電阻RE充電，電容兩端的電壓uC逐漸升高，當uC達到單結晶體管的峰點電壓UP時，單結晶體管導通，電容經(jīng)單結晶體管的發(fā)射極、電阻RB1向電阻R1放電，在R1上輸出一個脈沖電壓。當電容放電至uC=UV，并趨向更低時，單結晶體管截止，R1上的脈沖電壓結束。之后電容從UV值又開始充電，當充電到UP時，單結晶體管又導通，此過程一直重復下去，在R1上就得到一系列的脈沖電壓。由于C的放電時間常數(shù)τ1=(R1+RB1)C遠小于充電時間常數(shù)τ2=REC，故脈沖電壓為鋸齒波。uC和uR1的波形如圖1-18(b)所示。改變RE的大小，可改變C的充電速度，從而改變電路的自振蕩頻率。應該注意，當RE的值太大或太小時，都不能使電路振蕩。RE太大時，較小的發(fā)射極電流IE能在RE上產(chǎn)生大的壓降，使電容兩端的電壓uC升不到峰點電壓UP，單結晶體管就不能導通。當RE太小時，單結晶體管導通后的IE將一直大于

1V，單結晶體管不能關斷。欲使電路振蕩，RE的值應滿足下列條件：

(1-23)若忽略電容的放電時間，則上述電路的自振蕩頻率近似為

(1-24)

電阻R1上的脈沖電壓寬度主要取決于電容的放電時間常數(shù)。1.3.2小容量可控直流電源