1、第十章 电力电子学晶闸管及其基本电路,电力电子学的任务: 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。,学习要求: 掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义 掌握几种单相基本可控整流电路的工作原理及特点 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。,电力半导体器件,弱电,强电,10.1 电力半导体器件,10.1.1 晶闸管（ Silicon Controlled Rectifier SCR）：60年代发展起来的一种电力半导体器件，是一种可控制的硅整流元件，又称可控硅。1. 晶闸管的结构和符号：,阴极,阳极,控制极,控制极,100A,200A,2.晶闸管的工作原理,综上
2、所述，可得下面的结论： 阳极和控制极与阴极间都必须加正向电压，晶闸管才能导通。 晶闸管导通后，控制极失去作用。 欲使晶闸管关断，必须使阳极正向电压降到一定值（或断开，或反向）,强烈的正反馈,触发导通过程不超过几微秒,导通后阳极与阴极间管压降为1V左右,晶闸管PN结可通过几十安几千安电流,晶闸管工作实验图,正向漏电流If,正向阻断状态(断态),断态不重复峰值电压,导通状态（通态）,反向漏电流Ir,反向转折电压,导通时电流大小由限流电阻决定,维持电流,正向特性：电压为A，K,反向特性,管压降,3.晶闸管的伏安特性,晶闸管阳极电压与阳极电流的关系,实际规定：阳极阴极之间加6伏直 流电压时，使元件导通
3、的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。,正向转折电压,4.晶闸管的主要参数 断态重复峰值电压UDRM 控制极断路，晶闸管正向阻断条件下，可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。其数值规定为比正向转折电压小100伏。 反向重复峰值电压URRM 控制极断路时，可重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。其电压数值规定为比反向击穿电压小100伏。 选晶闸管时，电压参数应超出正常工作峰值电压的23倍，作为安全裕量。 维持电流IH 在控制极断路及规定的环境温度下，维持元件继续导通的最小电流。一般为几十毫安几百毫安。数值与温度成反比。 额定通态平均电流(额定正向平均电流，简称额定电流) IT 在环境温度不大于
4、40、标准散热、晶闸管全导通条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,K= Ie /IT1.57 Ie=1.57IT,K称为波形系数(与电路结构和导通角有关)。,额定电流为100A的晶闸管，能通过电流的有效值为157A。,流过器件的电流的有效值表征器件发热情况,电流的有效值/电流的平均值=K,在额定情况下，波形系数为1.57,晶闸管额定电流选择原则： 根据电流有效值相等的原则，允许流过晶闸管的实际电流有效值等于额定电流时的电流有效值。 一般，留一定余量 IT(1.52)Ie/1.57,例：通过晶闸管的电流波形如图示，试确定晶闸管额定电流。,先根据波形图求实际电流有效值 再根据
5、上式求出额定电流。,6.晶闸管的主要优缺点 小功率输入控制大功率输出。 几十毫安一百多毫安；2V4V几十安几千安；几百伏几千伏 控制灵敏，反应快。（晶闸管导通截止时间都在微秒级） 损耗小，效率高。（晶闸管导通时压降在1V左右，总效率可达97.5%以上，而一般机组效率为85 % ） 体积小，重量轻。过载能力弱。 抗干扰能力差 对电网和周围用电设备干扰大。 控制电路较复杂,5.晶闸管的型号及其含义 国产型号表示： 3CT/,三个电极,N型硅材料,可控整流元件,额定通态平均电流,断态重复峰值电压,10.1.2 其他电力半导体器件,一、双向晶闸管（TRIAC）,双方向均可由控制极触发导通,相当于两只普
6、通的晶闸管反并联，故称为双向晶闸管或交流晶闸管。,二、可关断晶闸管（GTO）,三、功率晶体管（GTR）,在高电压和强电流下使用，这种晶体管称为功率晶体管,目前现有的功率晶体管的电压和电流额定值还没有晶闸管那么高,四、大功率二极管,亦即整流二极管，是指能在很高的室温下工作的硅整流元件。,在门极加正脉冲电流能导通，加负脉冲电流就能关断的元件。,10.2单相可控整流电路,可控整流电路：一种把交流电源电压变换成大小可调的直流电压的电路,单相、三相、多相,半波、零式、桥式,电阻负载 电感负载 反电势负载,可控整流电路一般结构：,10.2.1单相半波可控整流电路,1）工作原理：,1.带电阻性负载的单相半波
7、可控整流电路,控制角。晶闸管承受正向电压的起点到触发脉冲的作用点之间的电角度。移相范围：0 ,导通角。晶闸管在一周时间内导通的电角度。 的变化范围： 0, ,2）数量关系：,晶闸管承受的最大正、反向电压：,2,2.带电感性负载的单相半波可控整流电路,负载的感抗L和电阻R的大小相比不可忽略时，称为电感性负载。,电感负载整流电路的特点： 整流电压波形出现负值部分，导致输出直流电压减小。（L越大，负半周导通时间越长。当LR时，晶闸管正、负半周的导通时间几乎相等。这时，整流电压平均值趋近于零。） - ，即电源电压为负时晶闸管仍然可能继续导通。L越大， 越大。 L使输出电流波形峰值降低，导通时间延长，波
8、形变平稳。,工作原理： 流过电感中的电流变化时，电感产生自感电势阻止其变化。从而使电感中电流不能突变，总是滞后于电压。（id增加时，el上正下负； id减少时，el上负下正）,3.续流二极管的作用,Ud、 与电阻负载时一样，Id有很大不同。 若LR，id 的脉动很小。近似看成一条直线。,如果某电阻负载要求很平稳的直流电流，可串接一大电感，再并一续流管。,为了使大电感负载时，整流输出电压不出现负值，提高输出平均电压，可在大电感负载两端并一续流二极管。,10.2.2单相桥式可控整流电路 1.单相半控桥式可控整流电路 1) 电阻性负载,是单相半波整流时的两倍,晶闸管承受的最大正、反向电压：,2) 电
9、感性负载,流过晶闸管的平均电流为：,流过续流二极管的平均电流为：,a.带电感性负载的单相半控桥式整流电路及电压、电流波形:,b.晶闸管串联的半控桥式整流电路及电压、电流波形:,流过V1、V2的平均电流为：,C.只用一只晶闸管的单相桥式整流电路:,3) 反电势负载,为了平滑电流的脉动，串电抗器。,小，id严重不连续。,电源电压的瞬时值反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通。,负载两端电压平均值比电阻性负载时高。,a.带反电势负载的单相半控桥式整流电路及电压、电流波形：,b.带反电势负载有电感滤波时的整流电路及电压、电流波形：,2.单相全控桥式可控整流电路 每半周触发两只晶闸管 1)电阻性负载
10、：波形与半控桥一样。 2)电感性负载：,晶闸管承受的最大正、反向电压：,例10.1一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，UN=0180V，电流IN=010A，采用半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流的有效值，并选用元件。,解：设导通角= =0 U0=180V,I0=10A 有效值,U=U0/0.9=180V/0.9=200V,I=U/RL=220/(180V/10A)=12.2A 平均电流Ivs=Iv=10A/2=5A UFM=URm=1.414U=1.414220=310VUDRM=URRM2310 600V 选用3cT10/600,2cz10/300,10.3 三相可控整流电路,1
11、0.3.1 三相半波可控整流电路 （一）电阻性负载 1、(=0),2.电阻性负载(0/6),3.电阻性负载(05/6),(二）电感性负载,变压器利用率低，易产生变压器铁芯饱和,10.3.2 三相桥式全控整流电路,三相桥式全控负载平均电压 Ud=Ud阴+Ud阳,共阴 Vs1, Vs3, Vs5, 共阳 Vs2, Vs4, Vs6,可控整流电路(顺变器)小结,单相半波电路简单，指标差，只适用于小功率、要求不高的场合。 单相桥式电路性能指标好，电压脉动频率大,适用小功率电路。 晶闸管在直流负载侧的单相桥式电路，接线简单，适用于小功率的反电势负载。 三相半波可控整流电路，指标一般，较少采用。 三相桥式
12、可控电路，各项指标好，最适合大功率高压电路。 三相全控桥可工作在整流状态，同时还能工作在逆变状态。,10.4 逆 变 器,10.4.1有源逆变电路 1.整流状态(0/2),2.逆变状态(/2),10.4.2 无源逆变器 1).无源逆变器的简单工作原理,2).单相晶闸管桥式逆变器,2.单相无源逆变器的电压控制 (1)控制输入直流电压 (2)内部控制 脉宽控制,脉宽调制 改变脉冲数 改变脉冲宽度,频率、电压协调控制(U/f保持不变) 如f降低则保持脉冲数不变，间隔拉大使输岀电压U降低,波形的改善,3.无源逆变器的换相（换流）,3.无源逆变器的换相（换流）,105 晶闸管的触发电路,一、触发电路：向
13、晶闸管供给触发脉冲的电路。二、常用的触发电路：1、单结晶体管触发电路2、小容量晶闸管触发电路3、晶体管触发电路,三、晶闸管对触发电路的要求 1、能供给足够大的触发电压和触发电流。一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下。 2、触发脉冲的宽度必须在10s以上（最好有20s50s）； 3、不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V0.20V，避免误触发； 4、触发脉冲的前沿要陡，前沿最好在10s以下； 5、移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围要足够宽。,四、单结晶体管触发电路,50A以下晶闸管组成的单相或三相半控桥式系统中广泛应用。,1、结构,2、特性,单结晶体管的自振荡电路,单结晶体管触发电路,小 结,1重点 晶闸管的导通与关断条件，可控性； 晶闸管单相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点。 晶闸管额定通态平均电流IT=Ie/K(波形系数K=Ie/Id)的含义(Id平均值，Ie有效值),2难点 整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况； 额定通态平均电流IT的选择；,
