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1、第八章 电力电子学晶闸管及其基本电路,1、掌握晶闸管的基本工作原理； 2、掌握可控整流电路的工作原理； 3、了解触发电路的基本工作原理； 4、了解逆变器的工作原理。,本章要求：,本章知识点：,1、晶闸管的伏安特性； 2、可控整流的基本原理； 3、触发角、负载性质对可控整流的影响； 4、逆变的原理。,电力学研究电力拖动问题，属于强电范畴，电子学研究控制问题属于弱电范畴。电力电子学研究如何应用弱电控制强电问题。它的结合点就是电力半导体器件。,电力半导体器件的优、缺点：,优点：（1）用很小的功率可以控制较大的功率；（2）控制灵敏、反应快； （3）损耗小、效率高，； （4）体积小、重量轻。 缺点： （
2、1）过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损坏； （2）抗干扰能力差，； （3）导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备； （4）控制电路比较复杂。,功率放大倍数可以达到几十万倍,导通和截止时间都在微秒级,选用时，其电压、电流应适当留有余量；,8.1 电力半导体器件 8.1.1 晶闸管（SCR）新型大功率半导体器件，也称可控硅。 1. 基本结构,阴极K,阳极A,控制极（又称门极）G,更换元件很方便，用于100A以下的元件。,散热效果比较好，用于200A以上的元件,由PNPN四层半导体材料叠成，形成三个PN结。,三极管的工作原理是利用基极的微小电流控制集电极或发射极的大电流。
3、晶闸管的工作原理也类似于三极管，利用控制极G的微小电流控制阴极K与阳极A导通。所不同的是，前者一般工作在放大区，后者工作在截止区和饱和区。,在晶闸管的阳极A与阴极K之间加反向电压时(A负K正)，两端两个PN结处于反向偏置，在阳极与阴极之间加正向电压时(K负A正)，中间的那个PN结处于反向偏置，所以，晶闸管都不会导通（称为阻断）。那么，晶闸管在什么条件下才能导通？我们通过下面的实验结果来分析晶闸管的工作情况。,2. 工作原理l 实验情况,说明：可用灯泡 代替电阻RL。,1)晶闸管承受正向电压，开关S（控制极）断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。2)在控制极与阴极之间再加上正向电压（S接通），电灯发亮
4、，晶闸管导通。3)晶闸管承受反向电压，不论S是否接通，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。4)晶闸管导通后（情况2），断开控制极电压（控制极失去作用），电灯仍发亮，晶闸管仍导通。5)晶闸管导通后（情况2），如果控制极电压加反向电压，不论阳极电压是正或负，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。,结论1)晶闸管导通条件：阳极加正向电压，控制极也加正向电压。2)控制极只需加正触发脉冲电压 (在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用) 。3)晶闸管具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。(这一点与二极管不同，二极管只有反向阻断能力）。,4）欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）
5、。 为什么会出现这种特性呢？,1) 等效为PNP型和NPN型两个晶体管的组合。2) 阳极和控制极均加正向电压时，Ig经VT2放大，集电极电流为2Ig（VT1 基极电流），又经VT1放大，集电极电流为 12Ig（即VT2基极电流），再次放大，循环往复，直至导通为止（“触发导通过程”微秒级）。,3) 晶闸管导通后，VT2 基极电流比Ig（控制电流）大得多，故去掉 ug ，晶闸管仍导通。4) 阳极加反向电压，无放大作用，晶闸管不导通；控制电压反向或未加入，不产生起始Ig ，晶闸管也不导通。,晶闸管导通的的过程是一个正反馈过程,因此总工作在饱和或截止两个状态上, 尽管PN结可通过几十A甚至几千A的电流
6、，但阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部降落在负载电阻RL上。,3.伏安特性晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系称为晶闸管的伏安特性。 从图中看出随着Ig的增大，导通电压UB降低。,10.1.2 其它电力半导体器件 （自学）双向晶闸管可关断晶闸管功率晶体管整流二极管,机电系统中，电流是由负载决定的，电压是由系统决定的，机电系统的控制归结到最后就是电压控制。例如直流电动机的调压调速、调磁调速（实际也是调励磁电压）、电流控制也是靠控制电压实现I=（U-E）/R；异步电动机的变频调速实际上是改变电压变化的频率。,8.2 单相可控整流电路由晶闸管组成的可控整流电路类似于二极管整流电路。所不同
7、的是用可控元件（晶闸管）代替二极管,也可分为单相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。,8.2.1 单相半波可控整流电路特点： 应用较少，电路简单，调整容易。 直流输出电压低，脉动大。,电阻性负载分析： 1) 控制角（晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲作用点之间的电角度），导通角（晶闸管在一周期时间内导通的电角度）， ， 。 2) 最大正向、反向电压为 （电源变压器副边电压 的最大值）。 3) 负载（输出直流）电压平均值、负载电流平均值分别为：4) ，达到可控整流的目的。,对单相半波可控整流而言，的移相范围是0，而对应的的变化范围为0。 改变控制角的大小就可以改变负载上电压波形，也就
8、改变了负载电压的大小。,2. 电感性负载如：各种电机的励磁线圈等。,分析： 电感阻碍电流变化（ 自感电势或反电动势）。大于电源负电压，晶闸管继续导通，也就是说，导通角 负载电感 ，负载负（反向）电压 ，(有效电压： U+-U-变小)满足不了负载的要求。,3. 续流二极管的作用（大电感性负载）分析： 1) 负载两端并联一只二极管。 2) 电流电压过零变负时，续流二极管导通，晶闸管自行关断（无电流流回电源）。 3) 负载两端电压为二极管管压降，接近于零（电感放出能量消耗在电阻上）。 4) 波形与电阻性负载一样， 波形与之很不相同。当 时，电流脉动小， 波形近似于一条平行于横轴的直线。,8.2.2
9、单相桥式可控整流电路（应用很广）它与不可控桥式整流电路的区别：二只晶闸管代替二只二极管。1. 单相半控桥式整流电路,工作原理： l 输入电压正半周，触发VS1，VS2和V1反向截止，电流通路为：l 输入电压负半周，触发VS2，VS1和V2反向截止，电流通路为：,电阻性负载与半波整流相比较， 和 增加了一倍，分别为：,2. 单相全控桥式整流电路,83 三相可控整流电路 83.1 三相半波可控整流电路,我们先回顾一下二极管三相半波整流电路，当uAuB、uC时uA导通，一旦uA导通，uB、uC承受反电压截止，由图可以得出以下结论： （1）二极管导通的条件是所在的支路电压要高于另外两条支路的电压；（2
10、）任一时刻只有一条支路导通。,电压高于其他两相电压的转折点，称为自然换向点 。,整流变压器副边接成星形，有公共零点“0”，所以也叫三相零式电路,1、2、3点分别是uA，uB，uC电压高于其他两相电压的转折点，称为自然换向点。每一个管子导通1200,注意： 1、在自然换向点之前，晶闸管承受反电压，无论是否有触发脉冲，VS均不导通。,2、三相半波可控整流电路控制角的起始点（即=0）取为自然转折点。因此，它的可控范围为05/6（1500）,1、电阻性负载,当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为 ,可能承受的最大反向电压为 ,（承受线电压） （ 为相电压有效值， 为相电压峰值）,对于整流器
11、 ，我们关心的是整流后的平均电压、管子承受的正、反向电压（关系到管子是否会损坏）。 下面按不同控制角分下列三种情况讨论它的整流后的平均电压。,1）当0时（自然换相 ，触发脉冲在自然换相点加入),2）当0 /6时 （/6触发点刚好是前一导通相电压过零点）,3) /65/6 （5/6触发点刚好是后一导通相电压过零点）,负载上电压波形是断续的,2、电感性负载（自行分析）,三相带电感性负载的分析方法与单相带电感性负载相同， 由于有自感电势，与电阻性负载相比主要有如下几点不同： 1）电压过零时不能自行关断； 2）电流不突变，波形与电感大小有关； 3）控制角移相范围缩小为：02； 4）一般需加续流二极管。
12、,832 三相桥式全控整流电路,由于三相全控桥式整流电路可以看成是两组三相半波可控整流电路的串联，因此，整流电压Ud应比式（10.13）大一倍， Ud=2.34U2PCOS (0/3),把三只晶闸管的阳极接在一起，叫作共阳极组整流电路。,将变压器的两组次级绕组共用一个绕组，如图1029所示，就是三相桥式全控整流电路。其中，VS1、VS3、VS5晶闸管组成共阴极组，VS2、VS4、VS6晶闸管组成共阳极组。三相桥式全控整流电路一般与电动机连接时总是串联一定的电感，以减小电流的脉动和保证电流连续，这时负载的性质可以看作是电感性的。,对应于0的工作状况，即触发脉冲在自然换相点发出。对共阴极组的晶闸管
13、而言，电压比其他两相为正，同时又有触发脉冲，晶闸管就导通。而对共阳极组的晶闸管而言，电压比其他两相为负，同时又有触发脉冲，晶闸管也触发导通。因此，在同1时刻，总有两个晶闸管导通。如图t1时刻（uAB，下标AB表示A相、B相导通）共阴组A相电压较正、共阳组B相电压较负，如果给VS1、VS6触发脉冲，VS1、VS6导通，电流从A相经VS1、负载和VS6回到B相，A相电流为正，B相电流为负（电流为负表示电流的真实方向与图上所标正方向相反）。,图1030三相桥式全控整流电压电流触发波形图,小结,前面仅讨论了几种有代表性的可控整流电路。单相桥式电路各项性能较好，只是电压脉动频率较大（多用于电源），三相桥
14、式可控整流电路，各项指标都好，元件承受的峰值电压最低，最适合于大功率高压电路。所以，一般小功率电路应优先选用单相桥式电路，对于大功率电路，则应优先考虑三相桥式电路。只有在某种特殊情况下，才选用其他线路。对于桥式电路是选用半控桥还是全控桥，要根据电路的要求决定。对一般要求不高的负载，可采用半控桥。工作于逆变状态，必须选用全控桥。,84 逆变器,整流：把交流电变成直流电供给负载，称为整流；逆变：把直流电变成交流电，称之为逆变。（整流的逆向过程）逆变器：把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。 变流器：同一套晶闸管电路既可实现整流，又可实现逆变的装置，通常称为变流器。 有源逆变：变流器工作在逆变状态时
15、，如果把变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去，叫有源逆变；(即逆变后的交流与交流电源相接的逆变称为有源逆变） 无源逆变：如果变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载，则称为无源逆变。有源逆变器应用于直流电动机的可逆调速、线绕式异步电动机的串级调速等方面，无源逆变器通常用于变频器、交流电动机的变频调速等方面。,841 有源逆变电路,例如：用直流电机驱动的卷扬机，当提升重物时电机工作在电动状态，通过变流器从电网吸收能量克服重力负载作功（把交流整为直流）；当把重物放下时，重力加速度拖动电机发电，通过变流器，（把直流逆变为交流），向电网馈电。前者为“整流”是指电能由交流侧传送到直流侧；后者为逆变，电能由直流侧传送到交流侧。,842 无源逆变电路,1，无源逆变电路的工作原理,当开关S1、S4闭合，而开关S2、S3断开时，电流从电源正极经S1、负载RL、S4、回到电源负极,当开关S2、S3闭合，而开关S1、S4断开时，电流从电源正极经S3、负载RL、S2、回到电源负极,改变两组开关每秒内闭合和断开的次数，就可改变输出电压的频率，这就是它的变频作用。,逆变要解决两个基本问题：,
