晶閘管整流電路PPT課件

1、 Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。2.1 不可控器件電力二極管引言整流二極管及模塊第1頁/共58頁基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號結(jié)與電力二極管的工作原理AKAKa)KAPNJb)c)AK第2頁/共58頁 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷?/p>

2、維持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)第3頁/共58頁主要指其伏安特性門檻電壓UT O，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF 。承受反向電壓時(shí)，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力二極管的伏安特性 電力二極管的靜特性IOIFUTOUFU第4頁/共58頁2.2 半控器件晶閘管1956年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子

3、技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）第5頁/共58頁AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個(gè)聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。第6頁/

4、共58頁常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu) 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第7頁/共58頁式中1和2分別是晶體管V1和V2的共基極電流增益；ICBO1和ICBO2分別是V1和V2的共基極漏電流。由以上式可得 ：晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a) 雙晶體管模型 b) 工作原理 按晶體管的工作原理晶體管的工作原理 ，得：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII)(121CBO2CBO1G2AIIII 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理第8頁/共58頁 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理在低發(fā)射極電流下 是很小的，而當(dāng)發(fā)射極電流建立起來之后， 迅速增大。 阻斷狀態(tài)：IG=

5、0，1+2很小。流過晶閘管的漏電流稍大于兩個(gè)晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致1+2趨近于1的話，流過晶閘管的電流IA，將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通。IA實(shí)際由外電路決定。第9頁/共58頁 晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理陽極電壓升高至相當(dāng)高的數(shù)值造成雪崩效應(yīng)陽極電壓上升率du/dt過高結(jié)溫較高光觸發(fā)光觸發(fā)可以保證控制電路與主電路之間的良好絕緣而應(yīng)用于高壓電力設(shè)備中，稱為光控晶閘管（Light Triggered ThyristorLTT）。只有門極觸發(fā)是最精確、迅速而可靠的控制手段。其他幾種可能導(dǎo)通的情況其他幾種可能導(dǎo)通的情況：第10頁/共58頁 晶閘管的靜態(tài)特性承受

6、反向電壓時(shí)，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：晶閘管正常工作時(shí)的特性總結(jié)如下：第11頁/共58頁（1）正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1V左右。晶閘管的伏安特性IG2IG1IG 晶閘管的靜態(tài)特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UAIA

7、IHIG2IG1IG=0Ubo-IA第12頁/共58頁 晶閘管的基本特性反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過。當(dāng)反向電壓達(dá)到反向擊穿電壓后，可能導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。晶閘管的伏安特性IG2IG1IG（2）反向特性反向特性正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UAIAIHIG2IG1IG=0Ubo-IA第13頁/共58頁2.3 單相可控整流電路單相可控整流電路第14頁/共58頁單相半波可控整流電路 單相半波可控整流電路及波形1 1）帶電阻負(fù)載的工作情況）帶電阻負(fù)載的工作情況變壓器T的作用：晶閘管為理想器件：正半周：負(fù)半周：電阻負(fù)載的特點(diǎn)電阻負(fù)載的特點(diǎn)：如改變觸發(fā)時(shí)刻：在一個(gè)周

8、期內(nèi)，輸出直流電壓脈動(dòng)1次。wwwwtTVTR0a)u1u2uVTudidwt1p2 ptttu2uguduVTq0b)c)d)e)00 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路第15頁/共58頁單相半波可控整流電路 VT的 移相范圍為180 通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。 首先，引入兩個(gè)重要的基本概念：觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用表示,也稱觸發(fā)角或控制角。導(dǎo)通角：晶閘管在一個(gè)電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示 。=-基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系直流輸出電壓平均值為：ppwwp2cos145. 0)cos

9、1 (22)(sin221222dUUttdUU第16頁/共58頁單相半波可控整流電路2) 帶阻感負(fù)載的工作情況 帶阻感負(fù)載的 單相半波電路及其波形阻感負(fù)載的特點(diǎn)：VT處于斷態(tài)時(shí)：觸發(fā)后VT開通：id=0，VT關(guān)斷承受反壓負(fù)載直流平均電壓下降討論負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a、晶閘管導(dǎo)通角的關(guān)系。wttwwtwtwu20wt1p2 ptug0ud0id0uVT0qb)c)d)e)f)+ + +第17頁/共58頁單相半波可控整流電路對單相半波電路的分析可基于上述方法進(jìn)行：當(dāng)VT處于斷態(tài)時(shí)，相當(dāng)于 電 路 在 V T 處 斷 開 ，id=0。當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，相當(dāng)于VT短路。單相半波可控整流電路的分段線性

10、等效電路a)VT處于關(guān)斷狀態(tài) b)VT處于導(dǎo)通狀態(tài) a)b)VTRLVTRLu2u2電力電子電路的一種基本分析方法通過器件的理想化，將電路簡化為分段線性電路。器件的每種狀態(tài)對應(yīng)于一種線性電路拓?fù)洹５?8頁/共58頁單相半波可控整流電路當(dāng)VT處于通態(tài)時(shí)，如下方程成立：VTb)RLu2tURitiLwsin2dd2dd)sin()sin(tanjqjjqe初始條件：t= ，id=0。求解上式并將初始條件代入可得當(dāng)t=+時(shí)，id=0，代入上式并整理得 )sin(2)sin(22)(2jwjwwtZUeZUitLRd22)( LRZwRLwjarctan其中： 第19頁/共58頁單相半波可控整流電路續(xù)

11、流二極管u2udiduVTiVTIdIdwt1wtwtwtwtwtwtOOOOOOp-p+b)c)d)e)f)g)iVDRa) 單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形 當(dāng)u2過零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零，VT承受反壓關(guān)斷。L儲(chǔ)存的能量保證了電流id在L-R-VDR回路中流通，此過程通常稱為續(xù)流續(xù)流。續(xù)流時(shí)的ud和id： 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系(id近似恒為Id）ddVDddVDddVTddVTRRItdIIIIItdIIIIppwpppppwpppppp2)(2122)(212222第20頁/共58頁單相半波可控整流電路VT的 移相范圍為180 。簡單，但輸出脈動(dòng)大，一個(gè)周期脈動(dòng)一次。變壓器

12、的利用率低，直流磁化問題。實(shí)際上很少應(yīng)用此種電路。分析該電路的主要目的建立起整流電路的基本概念。 單相半波可控整流電路的特點(diǎn)單相半波可控整流電路的特點(diǎn)第21頁/共58頁單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負(fù)載的工作情況a)u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)dduVT1,4單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形工作原理及波形分析0：得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，路徑。討論此時(shí)的管壓降當(dāng)u2過零時(shí)VT1和VT4關(guān)斷。 VT2和VT3開始承受正壓VT2和VT3得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：兩對橋臂第22頁/共58頁單相橋式全控整流電路a)b)c)d)u (i )pw

13、twtwt000i2udiddduVT1,4單相全控橋式帶電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形特點(diǎn)特點(diǎn)全波整流全波整流在一個(gè)周期內(nèi)，整流電壓波形脈動(dòng)兩次。雙脈波整流電路。變壓器繞組利用率高，沒有直流磁化問題。第23頁/共58頁單相橋式全控整流電路數(shù)量關(guān)系ppwwp2cos19 . 02cos122)(dsin21222dUUttUUa 角的移相范圍為180。向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：2cos145. 0212ddVTRUII2cos19 . 02cos12222ddpRURURUIpwtwtwt000i2udidb)c)d)dduVT1,4第24頁/共58

14、頁單相橋式全控整流電路流過晶閘管的電流有效值：變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由以上兩式得：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量 S=U2I2。pppwwpp2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUIpppwwpp2sin21)()sin2(12222RUtdtRUIIII21VTpwtwtwt000i2udidb)c)d)dduVT1,4第25頁/共58頁單相橋式全控整流電路2）帶阻感負(fù)載的工作情況 u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形

15、 設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。觸發(fā)后VT1和VT4導(dǎo)通ud=u2 u2過零變負(fù)時(shí)，VT1和VT4不關(guān)斷。至t=+ 時(shí)刻，VT2和VT3導(dǎo)通。換流換流。第26頁/共58頁單相橋式全控整流電路 數(shù)量關(guān)系ppwwpcos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU晶閘管移相范圍為90。晶閘管導(dǎo)通角與a無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值：變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT707. 021III晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U2OwtOwtOw

16、tudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4u第27頁/共58頁單相橋式全控整流電路3） 帶反電動(dòng)勢負(fù)載時(shí)的工作情況單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形 在a 角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。導(dǎo)通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，晶閘管關(guān)斷，ud=E REui)(dd 停止導(dǎo)電角，212sinUEb)idOEudwtIdOwtq晶閘管承受正向電壓的條件：導(dǎo)通前，ud=E 第28頁/共58頁單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢電阻負(fù)載時(shí)的波形 電流斷續(xù)如圖所示id波形：電流連續(xù)ub)idOEdwt

17、IdOwtq負(fù)載為直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動(dòng)機(jī) 的機(jī)械特性將很軟 。第29頁/共58頁單相橋式全控整流電路在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：dmin23dmin21087.222IUIULpw單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況twwOud0Eidtpq = p第30頁/共58頁2.4 三相可控整流電路第31頁/共58頁2.4 三相可控整流電路引言交流測由三相電源供電。負(fù)載容量較大，或要求直流電壓脈動(dòng)較小、容易濾波。三相半波可控整流電路，三相橋式全控整流電路應(yīng)用最廣 。第32頁/共58頁三相半波可控整流電

18、路電路的特點(diǎn)：變壓器接線特點(diǎn)三個(gè)晶閘管共陰極接法 。三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及a =0時(shí)的波形 1)電阻負(fù)載電阻負(fù)載自然換相點(diǎn)：二極管共陰極接法導(dǎo)通管特點(diǎn)：一個(gè)周期內(nèi)VD1、2、3輪流導(dǎo)通，輸出直流電壓為三相相電壓在正半周期的包絡(luò)線。自然換相點(diǎn)定義自然換相點(diǎn)定義各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻b)c)d)e)f)u2iduaubuc =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwtRa)第33頁/共58頁三相半波可控整流電路a =0 時(shí)的工作原理分析時(shí)的工作原理分析工作情況和三相半波不控整流相同。變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的

19、電壓波形，由3段組成。三相半波可控整流電路共陰極接法電阻負(fù)載時(shí)的電路及a =0時(shí)的波形 b)c)d)e)f)u2uaubuc =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)R第34頁/共58頁三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載， a=30時(shí)的波形 =30uaubucuabuacu20wt0wt0wtwtwtuGudwt10iVT10uVT1uaca=30 的波形特點(diǎn)：負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。第35頁/共58頁a30 的情況三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載， a=60時(shí)的波形wwttwtwt =60u2uaubucOOOOuGudiVT1特點(diǎn)

20、：負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角90小于120 。討論的移相范圍第36頁/共58頁三相半波可控整流電路pwwpppcos17. 1cos263)(sin2321226562UUttdUUd當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大，為 。2d0d17. 1UUU)6cos(1675. 0)6cos(1223)(sin2321262pppwwpppUttdUUd整流電壓平均值的計(jì)算整流電壓平均值的計(jì)算a30時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：a30時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：第37頁/共58頁三相半波可控整流電路Ud/U2隨變化的規(guī)律如圖中的曲線1所示。三相半波可控整流電路Ud/U2隨a變化的關(guān)系1電阻負(fù)載 2電感負(fù)載

21、 3電阻電感負(fù)載第38頁/共58頁三相半波可控整流電路 負(fù)載電流平均值為晶閘管承受的最大反向電壓：晶閘管承受的最大正向電壓：RUIdd222RM45. 2632UUUU22UUFM第39頁/共58頁三相半波可控整流電路2）阻感負(fù)載阻感負(fù)載時(shí)的電路及 =60時(shí)的波形阻感負(fù)載特點(diǎn)：電流平直a30時(shí)：整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同。a30時(shí)：u2過零時(shí)id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍：090。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtwtwt第40頁/共58頁三相半波可控整流電路數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)， Ud可由前面的公式求出，即Ud/U2與a成余弦關(guān)系。如果負(fù)載中

22、的電感量不是很大，Ud/U2與a的關(guān)系將介于曲線1和2之間。pwwpppcos17. 1cos263)(sin2321226562UUttdUUd第41頁/共58頁三相半波可控整流電路變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管最大正、反向電壓峰值相等：三相半波的主要缺點(diǎn)主要缺點(diǎn)在于其變壓器二次電流中含有直流分量，為此其應(yīng)用較少。電壓波形一個(gè)周期脈動(dòng)三次ddVT2577. 031IIII2RMFM45. 2UUU第42頁/共58頁三相橋式全控整流電路三相橋式全控整流應(yīng)用是最為廣泛的共陰極組陽極所接交流電壓最大的一個(gè)導(dǎo)通共陽極組陰極所接交流電壓最小的那個(gè)導(dǎo)通。三相橋式全控整流電路原理圖導(dǎo)通順序：

23、VT1VT2 VT3 VT4 VT5 VT6第43頁/共58頁三相橋式全控整流電路1）帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況當(dāng)a60 時(shí)，ud波形均連續(xù)，id波形與ud波形形狀相同 波形圖： a =0 a =30 a =60 當(dāng)a60 時(shí)，ud波形每60中有一段為零 波形圖： a =90 帶電阻負(fù)載時(shí)三相橋式全控整流電路a角的移相范圍是0120第44頁/共58頁三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時(shí)的波形任意時(shí)刻，上下橋臂都有一個(gè)晶閘管導(dǎo)通，ud為線電壓。自然換相點(diǎn)：第45頁/共58頁三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如下表所示時(shí) 段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3V

24、T3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb第46頁/共58頁帶電阻負(fù)載a= 30 時(shí)的波形導(dǎo)通角推遲30直流電壓平均值下降VT1管壓降波形T二次側(cè)電流波形第47頁/共58頁帶電阻負(fù)載a= 60 時(shí)的波形開始出現(xiàn)ud瞬時(shí)值等于零的情況第48頁/共58頁帶電阻負(fù)載a= 90 時(shí)的波形=120時(shí)，ud=0移相范圍：0120第49頁/共58頁三相橋式全控整流電路（2）對觸發(fā)脈沖的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個(gè)橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。 三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)特點(diǎn)（1）2管同時(shí)通形成供電回路，其中