电力拖动自动控制系统第2章 晶闸管整流电路

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1、第二章第二章 晶闸管整流电路晶闸管整流电路 主 要 内 容主 要 内 容 2.1 不控型电力电子器件不控型电力电子器件 电力二极管电力二极管 2.2 半控型电力电子器件半控型电力电子器件 晶闸管晶闸管 2.3 单相可控整流电路单相可控整流电路 2.4 三相可控整流电路三相可控整流电路 电力电子技术的定义 电力电子技术的发展史 引言引言 电力电子器件的特征： 引言引言 所能处理电功率的大小，也就是其承受电压和电流的能 力，是其最重要的参数，一般都远大于处理信息的电子 器件。 为了减小本身的损耗，提高效率，一般都工作在开关状 态。 由信息电子电路来控制 ,而且需要驱动电路。 自身的功率损耗通常仍远

2、大于信息电子器件，在其工作 时一般都需要安装散热器。 引言引言 电力电子器件在实际应用中的系统组成： 由控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电 路组成 控控 制制 电电 路路检测检测 电路电路保护保护 电路电路驱动驱动 电路电路RLV1V2 主电路主电路引言引言 电力电子器件的分类： 按照能够被控制电路信号所控制的程度分： 半控型器件、全控型器件、不可控器件 按照驱动信号的性质分： 电流驱动型、电压驱动型 按驱动信号的波形分： 脉冲触发型、电平控制型 整流电路的分类整流电路的分类： 按组成的器件可分为不可控不可控、半控半控、全控全控三种。 按电路结构可分为桥式电路桥式电路和零式电路。零

3、式电路。 按交流输入相数分为单相电路单相电路和多相电路。多相电路。 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路单拍电路和双拍电路双拍电路。 整流电路整流电路： 出现最早的电力电子电路，将交流电变为直流电。 引言引言 Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50 年代初期就获得应用。 2.1 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 引言引言 基本结构和工作原理与信息电子电 路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线 以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板 型两种封装。 2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 状态 参数

4、正向导通 反向截止 反向击穿 电流 正向大 几乎为零 反向大 电压 维持1V 反向大 反向大 阻态 低阻态 高阻态 二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式) 雪崩击穿 齐纳击穿 均可能导致热击穿 2.1.1 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的状态 静特性：伏安特性静特性：伏安特性 门槛电压门槛电压UTO，正向电流I IF F 开始明显增加所对应的电 压。 与IF对应的电力二极管两 端的电压即为其正向电压正向电压 降降UF 。 承受反向电压时，只有微 小而数值恒定的反向漏电 流。 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的

5、基本特性 I O I F U TO U F U 电力二极管的伏安特性 2.1.2 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 动态特性动态特性 （由正向偏置转换为 反向偏置 ） 因为结电容的存在，电压电流特性是随时间变化的 电流减小，正向导通压降改变 不大 关断前出现较大的反向电流， 并伴随明显的反向电压过冲。 延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf =t2- t1 反向恢复时间：trr=td+ tf 2.1.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 正向平均电流IF(AV) 指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温 ，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦 半

6、波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值 相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。 正向压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电 流时对应的正向压降。 反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。 使用时，应当留有两倍的裕量。 2.1.3 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 最高工作结温TJM 结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。 最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承 受的最高平均温度。 TJM通常在125175C范围之内。 反向恢复时间trr 浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受

7、最大的连续一个或几个工频周 期的过电流。 2.2 半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器 （Silicon Controlled RectifierSCR） 2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 外形封装：螺栓型和平板型 三个联接端：A、K、G

8、内部结构：三个PN结 阳极接正向电压时，器件处于阻断状态 阳极接反向电压时，器件处于阻断状态 常用晶闸管的结构 螺栓型晶闸管 晶闸管模块 平板型晶闸管外形及结构 2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 双晶体管模型 晶闸管导通的工作原理：阳 极接正向电压时，门极注入 驱动电流。 脉冲触发型器件 晶闸管的关断条件：流过器 件的电流减小到接近于零的 某一数值之下。 半控型器件 式中1和2分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和 ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。由以上式可得 ： 按晶体管的工作原理晶体管

9、的工作原理 ，得： 21222111ccAGAKCBOKcCBOAcIIIIIIIIIIII )(121CBO2CBO1G2 A IIII2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 晶体管特性：在低发射极电流下 是很小的，而当发射极 电流建立起来之后， 迅速增大。 阻断状态阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍大于 两个晶体管漏电流之和。 开通状态开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA，将趋近于无穷大， 实现饱和导通。IA实际由外电路决定。 )(121CB

10、O2CBO1G2 A IIII2.2.1 晶闸管的结构与工作原理晶闸管的结构与工作原理 阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高 光触发 光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘而 应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered ThyristorLTT）。 门极触发是最精确门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段迅速而可靠的控制手段。 其他几种可能导通的情况其他几种可能导通的情况： 2.2.2 晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都 不会导通。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下

11、晶闸管 才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的 某一数值以下 。 晶闸管正常工作时的特性总结如下：晶闸管正常工作时的特性总结如下： 正向特性 IG=0时为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电压 Ubo，则漏电流急剧增大，器 件开通。 随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小，在 1V左右。 维持电流IH 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 2.2.3 晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性 反向特性类似二极管的反向特性。 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热

12、损坏。 晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG 反向特性反向特性 2.2.3 晶闸管的静态特性晶闸管的静态特性 开通过程开通过程 晶闸管受到触发后（t=0）， 其阳极电流的增长不可能 是瞬时的。 延迟时间td (0.51.5s) 上升时间tr (0.53s) 开通时间tgt=td+tr 门极电流、外电路电感、 阳极电压对延迟时间的影 响 2.2.3 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性 2.2.3 晶闸管的动态特性晶闸管的动态特性 关断过程关断过程 晶闸管外加电压变为反向时， 阳极电流的衰减也是有过渡 过程的。 反向阻断恢复时间trr 正向阻断恢复时间tgr 关断时间tq=trr+tgr 关断时间约几

13、百微秒。 在正向阻断恢复时间内如果 重新对晶闸管施加正向电压， 晶闸管会重新正向导通，而 不是受门极电流控制而导通。 2.2.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 电压定额 断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 正向峰值电压。 反向重复峰值电压URRM 是在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的 反向峰值电压。 通态（峰值）电压UT 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰 值电压。 2.2.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 电流定额 通态平均电流 IT(AV） 晶闸管在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结 温不超过额定结温时

14、所允许流过的最大工频正弦半波电 流的平均值。 按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应发热效应来 定义的。 一般取其通态平均电流为按发热效应相等（即有效值相 等）的原则所得计算结果的1.52倍。 2.2.4 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 维持电流IH 维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流， 一般为几十到几百毫安。 结温结温越高，则IH越小。 擎住电流 IL 擎住电流是晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号 后，能维持导通所需的最小电流。 约为IH的24倍 浪涌电流ITSM 指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的 不重复性最大正向过载电流。 2.2.4 晶闸管的主要参数晶

15、闸管的主要参数 动态参数 开通时间tgt和关断时间tq 断态电压临界上升率du/dt 在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到 通态转换的外加电压最大上升率。 通态电流临界上升率di/dt 在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电 流上升率。 2.3 单相可控整流电路单相可控整流电路 2.3.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 2.3.2 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 2.3.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 单相半波可控整流电路及波形 1 1）带电阻负载的工作情况）带电阻负载的工作情况 变压器T的作用： 晶闸管为理想器件： 正半周： 负半周： 电阻负载的特点电阻负载的特点： 如改变触发时刻： 在一个周期内，输出直流 电压脉动1次。 w w