電力電子技術(shù)第二章整流器

電力電子技術(shù)第二章整流器2023/12/26電力電子技術(shù)第二章整流器主要內(nèi)容：功率（電力）二極管單相整流器三相整流器電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.1電力電子器件的概念和特征主電路（MainPowerCircuit）—電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。電力電子器件（PowerElectronicDevice）—可直接用于處理電能的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.1電力電子器件的概念和特征廣義上電力電子器件可分為電真空器件（ElectronDevice）和半導(dǎo)體器件（SemiconductorDevice）兩類。兩類中，自20世紀(jì)50年代以來，真空管（VacuumValve）僅在頻率很高（如微波）的大功率高頻電源中還在使用，而電力半導(dǎo)體器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、閘流管（Thyratron）等電真空器件，成為絕對(duì)主力。因此，電力電子器件目前也往往專指電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件（PowerSemiconductorDevice）所采用的主要材料仍然是硅電力電子技術(shù)第二章整流器電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.1電力電子器件的概念和特征同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征：能處理電功率的大小，即承受電壓和電流的能力是最重要的參數(shù)其處理電功率的能力小至毫瓦級(jí)，大至兆瓦級(jí),大多都遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)導(dǎo)通時(shí)【通態(tài)（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管壓降（VoltageAcrosstheTube）接近于零，而電流由外電路決定阻斷時(shí)【斷態(tài)（Off－State）】阻抗很大，接近于斷路，電流幾乎為零，而管子兩端電壓由外電路決定電力電子器件的動(dòng)態(tài)特性（DynamicSpeciality）【也就是開關(guān)特性（SwitchingSpeciality）】和參數(shù)，也是電力電子器件特性很重要的方面，有些時(shí)候甚至上升為第一位的重要問題。作電路分析時(shí)，為簡(jiǎn)單起見往往用理想開關(guān)來代替電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.1電力電子器件的概念和特征電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制在主電路和控制電路之間，需要一定的中間電路對(duì)控制電路的信號(hào)進(jìn)行放大，這就是電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路(DrivingCircuit）為保證不致于因損耗散發(fā)的熱量導(dǎo)致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設(shè)計(jì)，在其工作時(shí)一般都要安裝散熱器。導(dǎo)通時(shí)器件上有一定的通態(tài)壓降（On-stateVoltagedrop），形成通態(tài)損耗（On-stateLosses)阻斷時(shí)器件上有微小的斷態(tài)漏電流（LeakageCurrent）流過，形成斷態(tài)損耗(Off-stateLosses）電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.1電力電子器件的概念和特征在器件開通或關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生開通損耗（TurningonLosses）和關(guān)斷損耗（TurningoffLosses），總稱開關(guān)損耗（SwitchingLoss）對(duì)某些器件來講，驅(qū)動(dòng)電路向其注入的功率也是造成器件發(fā)熱的原因之一通常電力電子器件的斷態(tài)漏電流（LeakageCurrent）極小，因而通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因器件開關(guān)頻率（SwitchingFrequency）較高時(shí)，開關(guān)損耗會(huì)隨之增大而可能成為器件功率損耗的主要因素電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)：由控制電路（ControlCircuit）、驅(qū)動(dòng)電路（DrivingCircuit）和以電力電子器件為核心的主電路（MainCircuit）組成

圖1-1電力電子器件在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.2應(yīng)用電力電子器件的系統(tǒng)組成控制電路（ControlCircuit）按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號(hào)（ControlSignal），通過驅(qū)動(dòng)電路（DrivingCircuit）去控制主電路（MainCircuit）中電力電子器件的通或斷（Turn-onorTurn-off），來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.3電力電子器件的分類按照器件能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度，分為以下三類：半控型器件(Semi-controlledDevice)——通過控制信號(hào)可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件；器件的關(guān)斷由其在主電路中承受的電壓和電流決定；電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.3電力電子器件的分類全控型器件(Full-controlledDevice)——通過控制信號(hào)既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件絕緣柵雙極晶體管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PowerMOSFET，簡(jiǎn)稱為電力MOSFET）門極可關(guān)斷晶閘管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）電力電子技術(shù)第二章整流器0.1.3電力電子器件的分類不可控器件(UncontrolledDevice)——不能用控制信號(hào)來控制其通斷，因此也就不需要驅(qū)動(dòng)電路電力二極管（PowerDiode）

只有兩個(gè)端子，器件的通和斷是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的；

電力電子技術(shù)第二章整流器1.1功率二極管1.功率二極管的結(jié)構(gòu)1.1SR的結(jié)構(gòu)和工作原理電力二極管（PowerDiode）也稱為半導(dǎo)體整流器，簡(jiǎn)稱SR,屬不可控電力電子器件。電力電子技術(shù)第二章整流器2.功率二極管的工作原理由于PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管是一個(gè)正方向單向?qū)щ?、反方向阻斷的電力電子器件?；窘Y(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。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種。

電力電子技術(shù)第二章整流器1.1.2功率二極管的特性和主要參數(shù)1.功率二極管的特性(1)功率二極管的伏安特性二極管具有單向?qū)щ娔芰?，二極管正向?qū)щ姇r(shí)必須克服一定的門檻電壓Uth(又稱死區(qū)電壓)，當(dāng)外加電壓小于門檻電壓時(shí)，正向電流幾乎為零。硅二極管的門檻電壓約為0.5V，當(dāng)外加電壓大于Uth后，電流會(huì)迅速上升。當(dāng)外加反向電壓時(shí)，二極管的反向電流IS是很小的，但是當(dāng)外加反向電壓超過二極管反向擊穿電壓URO后二極管被電擊穿，反向電流迅速增加。電力電子技術(shù)第二章整流器電力二極管的伏安特性曲線正向?qū)ǚ聪驌舸┓聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)電力電子技術(shù)第二章整流器（1）普通二極管：普通二極管又稱整流管（RD），其反向恢復(fù)時(shí)間在５μs以上，額定電流達(dá)數(shù)千安，額定電壓達(dá)數(shù)千伏以上。

（2）快恢復(fù)二極管：反向恢復(fù)時(shí)間在５μs以下的稱為快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode簡(jiǎn)稱FDR）。（3）肖特基二極管：肖特基二極管是一種金屬同半導(dǎo)體相接觸形成整流特性的單極型器件，其導(dǎo)通壓降的典型值為0.4～0.6V，而且它的反向恢復(fù)時(shí)間短，為幾十納秒。但反向耐壓在200Ｖ以下。2、電力二極管的主要類型：電力電子技術(shù)第二章整流器三、電力二極管的主要參數(shù)

額定正向平均電流——在指定的管殼溫（簡(jiǎn)稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。設(shè)該正弦半波電流的峰值為Im,則額定電流有效值為:（1）額定正向平均電流IF(AV)額定電流(平均電流)為:

正向平均電流是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，因此使用時(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有1.5~2倍的裕量。電力電子技術(shù)第二章整流器電力電子技術(shù)第二章整流器（2）反向重復(fù)峰值電壓ＵRRM：指器件能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓（額定電壓）此電壓通常為擊穿電壓UＢ的2/3。（3）正向壓降ＵF：指規(guī)定條件下，流過穩(wěn)定的額定電流時(shí)，器件兩端的正向平均電壓(又稱管壓降)。電力電子技術(shù)第二章整流器1.2單相整流器（不控整流）

1.2.1單相半波整流器帶電阻性負(fù)載1.工作原理電力電子技術(shù)第二章整流器(2)二極管承受的最大正反向電壓Um2數(shù)量關(guān)系(1)直流輸出電壓平均值Ud與輸出電流平均值Id直流輸出電壓平均值Ud:輸出電流平均值Id:電力電子技術(shù)第二章整流器1.2.2單相半波整流器帶電感性負(fù)載1.工作原理電源供給的能量一部分用于電阻發(fā)熱，一部分用于電感儲(chǔ)能；交流電壓過零時(shí)，由于電感電勢(shì)存在，二極管仍要導(dǎo)通部分時(shí)間。輸出直流電壓和電流的平均值減小；電力電子技術(shù)第二章整流器在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管當(dāng)u2過零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過VDR向SR施加反壓使其關(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)流期間ud為零，ud中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形電力電子技術(shù)第二章整流器(3)續(xù)流二極管的電流平均值IdDR與續(xù)流二極管的電流有效值IDR(4)整流二極管和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓整流和續(xù)流二極管承受的最大正反向電壓均為電源電壓的峰值。

電力電子技術(shù)第二章整流器1.2.3單相全波整流器

電路拓?fù)涔ぷ髟黼娏﹄娮蛹夹g(shù)第二章整流器1.2.4單相橋式整流器

電路拓?fù)涔ぷ髟黼娏﹄娮蛹夹g(shù)第二章整流器1.3.1三相半波整流器電路的特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起為共陰極接法。在wt1~wt2期間，VD1導(dǎo)通，ud=ua在wt2~wt3期間，VD2導(dǎo)通，ud=ub在wt3~wt4期間，VD3導(dǎo)通，ud=uc第1段，VT1導(dǎo)通期間，為一管壓降，可近似為uT1=0第2段，在VT1關(guān)斷后，VT2導(dǎo)通期間，uT1=ua-ub=uab，為一段線電壓。第3段，在VT3導(dǎo)通期間，uT1=ua-uc=uac為另一段線電壓。1.3三相整流器（不控整流）

電力電子技術(shù)第二章整流器1.3.2三相橋式整流器共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)二極管（SR1，SR3，SR5）共陽極組陽極連接在一起的3個(gè)二極管（SR4，SR6，SR2）導(dǎo)通順序：SR1－〉SR2－〉SR3－〉SR4－〉SR5－〉SR6自然換向時(shí)，每時(shí)刻導(dǎo)通的兩個(gè)二極管分別對(duì)應(yīng)陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)和陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)。電力電子技術(shù)第二章整流器共陰極組的3個(gè)二極管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。共陽極組的3個(gè)二極管，陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)導(dǎo)通。任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。電力電子技術(shù)第二章整流器a=0時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)換相分析Ud波形，可從相電壓波形分析，也可從線電壓波形分析從相電壓波形共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線共陽極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線總的整流輸出電壓ud=ud1-ud2是兩條包絡(luò)線的差值將其對(duì)應(yīng)在線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線從線電壓波形共陰極組處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)最大的相電壓共陽極組處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)最小的相電壓輸出整流電壓ud為這兩個(gè)相電壓相減輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線圖2-18三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時(shí)的波形電力電子技術(shù)第二章整流器時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5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晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2－1所示6個(gè)晶閘管導(dǎo)通順序VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6表2-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=0時(shí)晶閘管工作情況電力電子技術(shù)第二章整流器1.4半控型器件：晶閘管及其派生常用晶閘管的結(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)電力電子技術(shù)第二章整流器自冷式風(fēng)冷式水冷式電力電子技術(shù)第二章整流器2.晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管是具有四層PNPN結(jié)構(gòu)、三端引出線(A、K、G)的器件。A圖1-4晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和符號(hào)晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR,普通晶閘管是一種具有開關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)第二章整流器欲使晶閘管導(dǎo)通需具備兩個(gè)條件：應(yīng)在晶閘管的陽極與陰極之間加上正向電壓。應(yīng)在晶閘管的門極與陰極之間也加上正向電壓和電流。晶閘管一旦導(dǎo)通，門極即失去控制作用，故晶閘管為半控型器件。為使晶閘管關(guān)斷，必須使其陽極電流減小到一定數(shù)值以下，這只有用使陽極電壓減小到零或反向的方法來實(shí)現(xiàn)。電力電子技術(shù)第二章整流器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（LightTriggeredThyristor——LTT）。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：電力電子技術(shù)第二章整流器承受反向電壓時(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：電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的基本特性（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。正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM1）靜態(tài)特性圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG電力電子技術(shù)第二章整流器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。圖1-8晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG正向?qū)ㄑ┍罁舸㎡+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM（2）反向特性電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓URRM

——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓UT——晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時(shí)的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時(shí)，一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓2~3倍。使用注意：1）電壓定額電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的主要參數(shù)通態(tài)平均電流IT(AV）——在環(huán)境溫度為40

C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)?！褂脮r(shí)應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流IH

——使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流IL

——晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。浪涌電流ITSM——指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。2）電流定額電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的主要參數(shù)

除開通時(shí)間tgt和關(guān)斷時(shí)間tq外，還有：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt

——指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。——電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會(huì)使晶閘管誤導(dǎo)通。通態(tài)電流臨界上升率di/dt

——指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率?！绻娏魃仙欤赡茉斐删植窟^熱而使晶閘管損壞。3）動(dòng)態(tài)參數(shù)電力電子技術(shù)第二章整流器1.5晶閘管的派生器件有快速晶閘管和高頻晶閘管。開關(guān)時(shí)間以及du/dt和di/dt耐量都有明顯改善。普通晶閘管關(guān)斷時(shí)間數(shù)百微秒，快速晶閘管數(shù)十微秒，高頻晶閘管10

s左右。高頻晶閘管的不足在于其電壓和電流定額都不易做高。由于工作頻率較高，不能忽略其開關(guān)損耗的發(fā)熱效應(yīng)。1）快速晶閘管（FastSwitchingThyristor——FST)電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的派生器件2）雙向晶閘管（TriodeACSwitch——TRIAC或Bidirectionaltriodethyristor）圖1-10雙向晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性a)b)IOUIG=0GT1T2可認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)聯(lián)接的普通晶閘管的集成。有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G。在第Ｉ和第III象限有對(duì)稱的伏安特性。電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的派生器件逆導(dǎo)晶閘管（ReverseConductingThyristor——RCT）a)KGAb)UOIIG=0圖1-11逆導(dǎo)晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性將晶閘管反并聯(lián)一個(gè)二極管制作在同一管芯上的功率集成器件。具有正向壓降小、關(guān)斷時(shí)間短、高溫特性好、額定結(jié)溫高等優(yōu)點(diǎn)。電力電子技術(shù)第二章整流器晶閘管的派生器件光控晶閘管（LightTriggeredThyristor——LTT）AGKa)AK光強(qiáng)度強(qiáng)弱b)OUIA圖1-12光控晶閘管的電氣圖形符號(hào)和伏安特性a)電氣圖形符號(hào)b)伏安特性又稱光觸發(fā)晶閘管，是利用一定波長(zhǎng)的光照信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管。光觸發(fā)保證了主電路與控制電路之間的絕緣，且可避免電磁干擾的影響。因此目前在高壓大功率的場(chǎng)合。電力電子技術(shù)第二章整流器2.1單相可控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式全控整流電路2.1.3單相全波全控整流電路2.1.4單相橋式半控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器2.1.1單相半波可控整流電路1.帶電阻負(fù)載的工作情況圖2-1單相半波可控整流電路及波形變壓器T起變換電壓隔離交流輸入為單相，直流輸出電壓波形只在交流輸入的正半周內(nèi)出現(xiàn)，故稱為單相半波可控整流電路。特點(diǎn)：電壓與電流成正比，兩者波形相同電力電子技術(shù)第二章整流器兩個(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a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)的電角度稱為，用θ表示。直流輸出電壓平均值為

a移相范圍為180

這種通過控制觸發(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（相控方式）（2-1）電力電子技術(shù)第二章整流器圖2-2帶阻感負(fù)載單相半波可控整流電路及波形2.帶阻感負(fù)載的工作情況阻感負(fù)載當(dāng)負(fù)載中感抗與電阻相比不可忽略時(shí)阻感負(fù)載的特點(diǎn)電感對(duì)電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不發(fā)生突變。電力電子電路中存在非線性的電力電子器件，決定了電力電子電路時(shí)非線性電路。若將器件看作理想開關(guān)，則可將電力電子電路簡(jiǎn)化為分段線性電路，分段進(jìn)行分析計(jì)算。電力電子技術(shù)第二章整流器負(fù)載阻抗角j、觸發(fā)角a

、晶閘管導(dǎo)通角θ的關(guān)系若j為定值，a越大，在u2正半周L儲(chǔ)能越少，維持導(dǎo)電的能力就越弱，θ越小；若a為定值，j越大，則L貯能越多，θ越大；且j

越大，在u2負(fù)半周L維持晶閘管導(dǎo)通的時(shí)間就越接近晶閘管在u2正半周導(dǎo)通的時(shí)間，ud中負(fù)的部分越接近正的部分，平均值Ud越接近零，輸出的直流電流平均值也越?。浑娏﹄娮蛹夹g(shù)第二章整流器為避免Ud太小，在整流電路的負(fù)載兩端并聯(lián)續(xù)流二極管

當(dāng)u2過零變負(fù)時(shí)，VDR導(dǎo)通，ud為零。此時(shí)為負(fù)的u2通過VDR向VT施加反壓使其關(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)流期間ud為零，ud中不再出現(xiàn)負(fù)的部分。圖2-4單相半波帶阻感負(fù)載有續(xù)流二極管的電路及波形電力電子技術(shù)第二章整流器若近似認(rèn)為id為一條水平線，恒為Id，則有（2-5）（2-6）（2-7）（2-8）VT的a移相范圍為180

電力電子技術(shù)第二章整流器單相半波可控整流電路的特點(diǎn)簡(jiǎn)單，但輸出脈動(dòng)大，變壓器二次側(cè)電流中含直流分量，造成變壓器鐵芯直流磁化。分析該電路的主要目的在于利用其簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，建立起整流電路的基本概念。

電力電子技術(shù)第二章整流器2.1單相可控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式全控整流電路2.1.3單相全波全控整流電路2.1.4單相橋式半控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器

2.1.2單相橋式全控整流電路工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對(duì)橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時(shí)關(guān)斷。

1.帶電阻負(fù)載的工作情況若4個(gè)晶閘管都不導(dǎo)通，負(fù)載電流為零，VT1和VT4串聯(lián)承受電壓u2，設(shè)兩個(gè)管子漏電阻相等，則各自承受u2的一半。電力電子技術(shù)第二章整流器（2-10）（2-11）數(shù)量關(guān)系a

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（2-9）電力電子技術(shù)第二章整流器（2-12）（2-13）（2-14）過晶閘管的電流有效值：變壓器二次測(cè)電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：不考慮變壓器的損耗時(shí)，要求變壓器的容量S=U2I2由式（2-12）和式（2-13）電力電子技術(shù)第二章整流器圖2-6單相全控橋帶阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形假設(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。u2過零變負(fù)時(shí)，由于電感的作用晶閘管VT1和VT4中仍流過電流id，并不關(guān)斷。至ωt=π+a

時(shí)刻，給VT2和VT3加觸發(fā)脈沖，因VT2和VT3本已承受正電壓，故兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，u2通過VT2和VT3分別向VT1和VT4施加反壓使VT1和VT4關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。2.帶阻感負(fù)載的工作情況分清楚：續(xù)流和換流電力電子技術(shù)第二章整流器

數(shù)量關(guān)系晶閘管移相范圍為90

晶閘管承受的最大正反向電壓均為晶閘管導(dǎo)通角θ與a無關(guān)，均為180，平均值和有效值分別為：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。（2-15）和電力電子技術(shù)第二章整流器圖2-7單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形3.帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作情況|u2|>E時(shí)，晶閘管承受正電壓，才有導(dǎo)通的可能。導(dǎo)通之后

ud=u2，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關(guān)斷，此后ud=E與電阻負(fù)載時(shí)相比，晶閘管提前了電角度δ停止導(dǎo)電，δ稱為停止導(dǎo)電角（2-16）在a角相同時(shí)，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時(shí)大。電流斷續(xù)

id波形在一周期內(nèi)有部分時(shí)間為0的情況電流連續(xù)

id波形在一周期內(nèi)不出現(xiàn)為0的情況當(dāng)a

﹤δ時(shí)，觸發(fā)脈沖到來時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不能導(dǎo)通。為使晶閘管可靠導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖需足夠的寬度，保證當(dāng)ωt=δ時(shí)，晶閘管承受正電壓，觸發(fā)脈沖仍然存在，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為δ，即a

=δ

電力電子技術(shù)第二章整流器2.1單相可控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式全控整流電路2.1.3單相全波全控整流電路2.1.4單相橋式半控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器2.1.3單相全波可控整流電路圖2-9單相全波可控整流電路及波形單相全波可控整流電路又稱單相雙半波可控整流電路單相全波與單相全控橋從直流輸出端或從交流輸入端看均是基本一致的。變壓器不存在直流磁化的問題。

電力電子技術(shù)第二章整流器單相全波與單相全控橋的區(qū)別單相全波中變壓器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，繞組及鐵芯對(duì)銅、鐵等材料的消耗多。單相全波只用2個(gè)晶閘管，比單相全控橋少2個(gè)，相應(yīng)地，門極驅(qū)動(dòng)電路也少2個(gè)；但是晶閘管承受的最大電壓為，是單相全控橋的2倍。單相全波導(dǎo)電回路只含1個(gè)晶閘管，比單相橋少1個(gè)，因而管壓降也少1個(gè)。從上述（2）、（3）考慮，單相全波電路有利于在低輸出電壓的場(chǎng)合應(yīng)用。電力電子技術(shù)第二章整流器2.1單相可控整流電路2.1.1單相半波可控整流電路2.1.2單相橋式全控整流電路2.1.3單相全波全控整流電路2.1.4單相橋式半控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器2.1.4單相橋式半控整流電路圖2-10單相橋式半控整流電路，假設(shè)負(fù)載中電感很大，且電路已工作于穩(wěn)態(tài)在u2正半周，觸發(fā)角a處給晶閘管VT1加觸發(fā)脈沖，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用使電流連續(xù)，VT1繼續(xù)導(dǎo)通。但因a點(diǎn)電位低于b點(diǎn)電位，使得電流從VD4轉(zhuǎn)移至VD2，VD4關(guān)斷，電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。帶阻感負(fù)載的情況在u2負(fù)半周觸發(fā)角a

時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，則向VT1加反壓使之關(guān)斷，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。電力電子技術(shù)第二章整流器續(xù)流二極管的作用若無續(xù)流二極管，則當(dāng)a

突然增大至180

或觸發(fā)脈沖丟失時(shí)，會(huì)發(fā)生一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使ud成為正弦半波，即半周期ud為正弦，另外半周期ud為零，其平均值保持恒定，稱為失控。有續(xù)流二極管VDR時(shí)，續(xù)流過程由VDR完成，晶閘管關(guān)斷，避免了某一個(gè)晶閘管持續(xù)導(dǎo)通從而導(dǎo)致失控的現(xiàn)象。同時(shí)，續(xù)流期間導(dǎo)電回路中只有一個(gè)管壓降，有利于降低損耗。電力電子技術(shù)第二章整流器圖2-11單相橋式半控整流電路的另一接法單相橋式半控整流電路的另一種接法：相當(dāng)于把圖2-5a中的VT3和VT4換為二極管VD3和VD4，這樣可以省去續(xù)流二極管VDR，續(xù)流由VD3和VD4來實(shí)現(xiàn)。電力電子技術(shù)第二章整流器2.2三相可控整流電路2.2.1三相半波可控整流電路2.2.2三相橋式全控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器交流測(cè)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、易濾波時(shí)用?；镜氖侨喟氩煽卣麟娐罚鄻蚴饺卣麟娐?、雙反星形可控整流電路、十二脈波可控整流電路等，均可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析

。2.2三相可控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器2.2.1三相半波可控整流電路圖2-12三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

電路的特點(diǎn)：變壓器二次側(cè)接成星形得到零線，而一次側(cè)接成三角形避免3次諧波流入電網(wǎng)。三個(gè)晶閘管分別接入a、b、c三相電源，其陰極連接在一起為共陰極接法。自然換相點(diǎn)：假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，用VD表示，成為三相半波不可控整流電路。一周期中在wt1~wt2期間，VD1導(dǎo)通，ud=ua在wt2~wt3期間，VD2導(dǎo)通，ud=ub在wt3~wt4期間，VD3導(dǎo)通，ud=uc1.電阻負(fù)載電力電子技術(shù)第二章整流器二極管換相時(shí)刻為自然換相點(diǎn)，是各相晶閘管能觸發(fā)導(dǎo)通的最早時(shí)刻，將其作為計(jì)算各晶閘管觸發(fā)角a的起點(diǎn)，即a

=0

。

圖2-12三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

a

=0

時(shí)的工作原理分析：變壓器二次側(cè)a相繞組和晶閘管VT1的電流波形，變壓器二次繞組電流有直流分量。晶閘管的電壓波形，由3段組成：第1段，VT1導(dǎo)通期間，為一管壓降，可近似為uT1=0第2段，在VT1關(guān)斷后，VT2導(dǎo)通期間，uT1=ua-ub=uab，為一段線電壓。第3段，在VT3導(dǎo)通期間，uT1=ua-uc=uac為另一段線電壓。電力電子技術(shù)第二章整流器圖2-13三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=30時(shí)的波形a=30

時(shí)的波形負(fù)載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)，各相仍導(dǎo)電60

電力電子技術(shù)第二章整流器a>30

的情況負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角小于120

。圖2-14三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，a=60時(shí)的波形電力電子技術(shù)第二章整流器整流電壓平均值的計(jì)算：（1）a≤30

時(shí)，負(fù)載電流連續(xù)，有：（2-18）當(dāng)a=0時(shí)，Ud最大，為Ud=Ud0=1.17U2

（2）a>30

時(shí)，負(fù)載電流斷續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小，此時(shí)有：（2-19）電力電子技術(shù)第二章整流器負(fù)載電流平均值為晶閘管承受的最大反向電壓，為變壓器二次線電壓峰值，即晶閘管陽極與陰極間的最大正向電壓等于變壓器二次相電壓的峰值，即（2-20）（2-21）（2-22）電力電子技術(shù)第二章整流器圖2-16三相半波可控整流電路，阻感負(fù)載時(shí)的電路及a=60

時(shí)的波形特點(diǎn)：阻感負(fù)載，L值很大，id波形基本平直。a≤30

時(shí)整流電壓波形與電阻負(fù)載時(shí)相同a>30

時(shí)u2過零時(shí)，VT1不關(guān)斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，由VT2導(dǎo)通向負(fù)載供電，同時(shí)向VT1施加反壓使其關(guān)斷——ud波形中出現(xiàn)負(fù)的部分。id波形有一定的脈動(dòng)，但為簡(jiǎn)化分析及定量計(jì)算，可將id近似為一條水平線。阻感負(fù)載時(shí)的移相范圍為90

2.阻感負(fù)載電力電子技術(shù)第二章整流器數(shù)量關(guān)系由于負(fù)載電流連續(xù)，

Ud可由式（2－18）求出，即變壓器二次電流即晶閘管電流的有效值為晶閘管的額定電流為晶閘管最大正、反向電壓峰值均為變壓器二次線電壓峰值三相半波的主要缺點(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。（2-23）（2-24）（2-25）電力電子技術(shù)第二章整流器2.2三相可控整流電路2.2.1三相半波可控整流電路2.2.2三相橋式全控整流電路電力電子技術(shù)第二章整流器2.2.2三相橋式全控整流電路三相橋是應(yīng)用最為廣泛的整流電路圖2-17三相橋式全控整流電路原理圖共陰極組陰極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組陽極連接在一起的3個(gè)晶閘管（VT4，VT6，VT2）導(dǎo)通順序：VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6自然換向時(shí)，每時(shí)刻導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管分別對(duì)應(yīng)陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)和陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)。電力電子技術(shù)第二章整流器1.帶電阻負(fù)載時(shí)的工作情況假設(shè)將電路中的晶閘管換作二極管，相當(dāng)于晶閘管觸發(fā)角a=0時(shí)，共陰極組的3個(gè)晶閘管，陽極所接交流電壓值最高的一個(gè)導(dǎo)通。共陽極組的3個(gè)晶閘管，陰極所接交流電壓值最低的一個(gè)導(dǎo)通。任意時(shí)刻共陽極組和共陰極組中各有一個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓。電力電子技術(shù)第二章整流器a=0時(shí)，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)換相分析Ud波形，可從相電壓波形分析，也可從線電壓波形分析從相電壓波形共陰極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud1為相電壓在正半周的包絡(luò)線共陽極組晶閘管導(dǎo)通時(shí)，整流輸出電壓ud2為相電壓在負(fù)半周的包絡(luò)線總的整流輸出電壓ud=ud1-ud2是兩條包絡(luò)線的差值將其對(duì)應(yīng)在線電壓波形上，即為線電壓在正半周的包絡(luò)線從線電壓波形共陰極組處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)最大的相電壓共陽極組處于通態(tài)的晶閘管對(duì)應(yīng)最小的相電壓輸出整流電壓ud為這兩個(gè)相電壓相減輸出整流電壓ud波形為線電壓在正半周的包絡(luò)線圖2-18三相橋式全控整流電路帶電阻負(fù)載a=0時(shí)的波形電力電子技術(shù)第二章整流器時(shí)段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5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晶閘管及輸出整流電壓的情況如表2－1所示6個(gè)晶閘管導(dǎo)通順序VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6表2-1三相橋式全控整流電路電阻負(fù)載a=0時(shí)晶閘管工作情況電力電子技術(shù)第二章整流器三相橋式全控整流電路的特點(diǎn)（1）2個(gè)晶閘管同時(shí)通形成