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1、1 绪论晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明时期。晶闸管由于 其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组。 并且，其应用围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸 管变流技术的发展而确立的。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使 其关断的器件，属于半控型器件。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制式， 简称相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶 闸管的应用受到了很大的局限。70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）、电 力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型 器
2、件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使 其开通又可使其关断。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为表 的复合型器件异军突起。它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优点。与此 相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了 MOSFET和 GTO。电力电子学，又称功率电子学（Power Electronics）。它主要研究各种电力电 子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电 能的变换和控制。它既是电子学在强电（高电压、大电流）或电工领域的一个分支， 又是电工学在弱电（低电压、小电流）或电子领域
3、的一个分支，或者说是强弱电相 结合的新科学。电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一 个新兴工程技术学科。在电气自动化专业中已成为一门专业基础性强且与生产紧 密联系的不可缺少的专业基础课。本课程体现了弱电对强电的控制，又具有很强 的实践性。能够理论联系实际，在培养自动化专业人才中占有重要地位。它包括 了晶闸管的结构和分类、晶闸管的过电压和过电流保护方法、可控整流电路、晶 闸管有源逆变电路、晶闸管无源逆变电路、PWM控制技术、交流调压、直流斩波 以及变频电路的工作原理。2 单相桥式全控整流电路的设计方案介绍2.1 单相全控桥式晶闸管整流电路的设计要求本课题设计要求电网供电电压为交
4、流100V/50HZ,输出功率为500W,移相围 为 0 度180 度。2.2 单相桥式全控整流电路设计方案2.2.1 设计方案设计方案如图 1 所示。保护电路单相电源输出 _ 触发电路 整流主电住 负载电路I 叫 I 9图 1 设计方案2.2.2 整流电路的设计 主电路原理图如图 2 所示。图 2 主电路原理图 单相整流电路中应用较多的 a 带电阻负载的工作原理如下：VT 和 VT 组成一对桥臂,在 u 正半周承受电压 u ,得到触发脉冲即导通 1 4 2 2当u过零时关断。2VT和VT组成另一对桥臂，在u正半周承受电压-u ,得到触发脉冲即导通,2 3 2 2当 u 过零时关断。2 其工作
5、波形如图 3 所示。I眄图 3 工作波形（1）在u2正半波的（0a）区间，晶闸管VT1、VT4承受正向电压， 但无触发脉冲，晶闸管VT2、VT3承受反向电压。因此在0a区间，4个晶闸 管都不导通。（2）在u2正半波的（an）区间，在st = a时刻，触发晶闸管VT1、 VT4 使其导通。（3）在u2负半波的（nn + a）区间，在nn + a间，晶闸管VT2、 VT3承受正向电压，因无触发脉冲而处于关断状态，晶闸管VT1、VT4承受反向 电压也不导通。（4）在u2负半波的（n + a2n）区间，在= n + a时刻，触 发晶闸管VT2、VT3使其元件导通，负载电流沿bTVT3TRTVT2TaT
6、T的二 次绕组Tb流通，电源电压沿正半周期的方向施加到负载电阻上，负载上有输 出电压（ud二-u2 ）和电流，且波形相位相同。3 元件参数计算选取3.1 晶闸管基本结构及选型3.1.1 晶闸管简介晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流（SCR）,开 辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。自 20世纪 80 年代以来，晶 闸管开始被性能更好的全控型器件取代。晶闸管能承受的电压和电流容量最高， 工作可靠，以被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域，成为 功率低频（200Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管往往专指晶闸管的一种基本 类型-普通晶闸管。广义上
7、讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。3.1.2 晶闸管的结构与工作原理1）晶闸管的外形与结构图4所示为晶闸管的外形、结构、电器图形符号和模块外形。从外形上来看， 晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构，均引出阳极A、阴极K和门极G 三个连接端。晶闸管部是PNP N四层半导体结构，分别命名为P、N、P、N四个区。P区1 1 2 2 1引出阳极A，N区引出阴极K, P区引出门极G。四个区形成J、J、J三个PN2 2 1 2 3结。如果正向电压加到器件上，则J处于反向偏置状态，器件A、K两端之间处2 于阻断状态，只能流过很小的漏电流；如果反向电压加到器件上，则 J 和 J 反 13 偏，该器件也
8、处于阻断状态，仅有极小的反向漏电流通过。2）晶闸管的工作原理晶闸管导通的工作原理可以用双晶体管模型来解释，如图5所示。如在器件 上取一倾斜的截面，则晶闸管可以看作由PN P和NPN构成的两个晶体管V、1 1 2 1 2 2 1V组合而成。如果外电路向门极注入电流I ,也就是注入驱动电流，贝U I流入晶2GG体管V的基极。即产生集电极电流I，它构成晶体管V的基极电流，放大成集2 c2 1电极电流I，又进一步增大V的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V和 c1 2 1V 进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门极的电流 I ，2G 晶闸管由于部已形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状
9、态。而若要使晶闸管关断 必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加反压，或者设法使流过晶闸管的 电流降低到接近于零的某一数值以下，晶闸管才能关断。所以，对晶闸管的驱动 过程更多的是成为触发，产生注入门极的触发电流I的电路称为门极触发电路。G 也正是由于通过其门极只能控制其开通，不能控制其关断，晶闸管才被称为半控 型器件。晶闸管在以下几种情况下也可能被触发导通：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 d/d 过高；结温较高；光直接照射硅片，即光 ut触发。这些情况除了由于光触发可以保证电路与主电路之间的良好绝缘而应用于 高压电力设备之外，其他都因不易控制而难以应用于实践。只有门
10、极触发是最精 确、迅速而可靠的控制手段。图4 晶闸管的外形、结构、电气图形符号和模块外形a)晶闸管外形b)部结构c)电气图形符号d)模块外形PIA1图5 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理3.1.3 晶闸管基本参数由于单相桥式全控整流带电阻性负载主电路主要元件是晶闸管，所以选取元件时主要考虑晶闸管的参数及其选取原则，晶闸管的主要参数如下：(1) 额定电压UTn通常取U和U中较小的，再取靠近标准的电压等级作为晶闸管型的额定DRM RRM电压。在选用管子时，额定电压应为正常工作峰值电压的23倍，以保证电路 的工作安全。晶闸管的额定电压：U =4min U , U /Tn DRM RRMU $(23)
11、 UTn TMU ：工作电路中加在管子上的最大瞬时电压TM(2) 额定电流IT(AV)I 又称为额定通态平均电流。其定义是在室温40和规定的冷却条件下，T(AV)元件在电阻性负载流过正弦半波、导通角不小于170的电路中，结温不超过额 定结温时，所允许的最大通态平均电流值。将此电流按晶闸管标准电流取相近的 电流等级即为晶闸管的额定电流。要注意的是若晶闸管的导通时间远小于正弦波 的半个周期，即使正向电流值没超过额定值，但峰值电流将非常大，可能会超过 管子所能提供的极限，使管子由于过热而损坏。(3)通态平均管压降 U 。T(AV) 指在规定的工作温度条件下，使晶闸管导通的正弦波半个周期阳极与阴极电压
12、的平均值，一般在0.41.2V。(4) 维持电流I 。H指在常温门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降到刚好能保持通态所需要 的最小通态电流。一般I值从几十到几百毫安，由晶闸管电流容量大小而定。H(5) 门极触发电流I 。g在常温下，阳极电压为6V时，使晶闸管能完全导通所需的门极电流，一般 为毫安级。(6) 断态电压临界上升率du/dto 在额定结温和门极开路的情况下，不会导致晶闸管从断态到通态转换的最大正向电压上升率。一般为每微秒几十伏。(7) 通态电流临界上升率di/dto在规定条件下，晶闸管能承受的最大通态电流上升率。若晶闸管导通时电流 上升太快，则会在晶闸管刚开通时，有很大的电流集中在门
13、极附近的小区域，从 而造成局部过热而损坏晶闸管。3.1.4 晶闸管选型1晶闸管承受最大的电压是在a=0o的时候，输入电压为100V, 50Hz的交 流电，功率 P=500W，利用 R二 U2/P=10000/500=20q 。2. 流过晶闸管的电流有效值：t（手sin ）2“血）2rv 2 sin2a+F=(100/1.414*20)*1=3.54A。3. 变压器二次电流有效值与输出直流电流有效值为：兀：(手sin血)2d蚀)=去云丄 sin2d +口:兀=100/20*1=5A。4. 这时整流电压平均值为：_1 “2y2U 1 + cos a1 + cos aU2U sintdt） =2=
14、0.9Ud 兀a2兀222=0.9*100*1=90V。5. 向负载输出的平均电流值为：U2、； 2U 1 + cos a U 1 + cos ad 2= 0.9-R兀R2R 2=90/20=4.5A。6.a角的移相围为Oo-18Oo。7.流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半（因为一个周期每个晶闸管只有半个周期导通)，即：=0.5*4.5=2.25A。T 1 T c U 1 + cos a I I 0.45dT 2 d R 28考虑2倍的裕量，那么额定电流l=2.25*2=4.5A。i9. U =倉U7U =DRM22RRM22 U =70.7V*3=210VTN综上所述：选择20。
15、的电阻，选择额定电压为210V，额定电流为4.5A, 号为kp20-4的晶闸管。3.2整流电路参数计算_由图知晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别为 迂u和、/iu。2 2 2 整流电压平均值为：U 丄Fu sin td( t) d 兀a22、； 2U 1 + cos a2 0.9U1 + cos a2(1)a=0 时，Ud= U=0.9Ua=180。时，U =0。可见，a 角的移相围为 180。 d02d向负载输出的直流电流平均值为：U2J2U 1 + cos aU 1 + cos a& 2 0.9 亠-d R兀R2R 2(2)流过晶闸管的电流平均值 ：T 1 T c U 1 + cos aI I 0.45 dT 2 dR 2流过晶闸管的电流有效值为：(3)=；(字sin )2d伽)=722R/ 血2a+变压器二次侧电流有效值-
