第九章晶閘管及相控變換器第一節(jié)

晶閘管第二節(jié)晶閘管相控整流電路的相控原理第三節(jié)

單相橋式相控整流電路（1）ACDC。把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，稱為整流，所用裝置為整流器。（2）DCAC。把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，稱為逆變，所用裝置為逆變器。（3）ACAC。把交流電能的任一參數(shù)（幅值、頻率和相位）加以轉(zhuǎn)換，稱為變頻，所用裝置為交流變換器或變頻器。（4）DCDC將直流電能的任一參數(shù)（幅值和極性）加以轉(zhuǎn)換，稱為斬波。實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的裝置稱為直流變換器或直流斬波器。第一節(jié)

晶閘管（硅可控整流器SCR）一、電力電子技術(shù)概述3/89二、電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號(hào)所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管PowerMOSFET。

?通過控制信號(hào)既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號(hào)來(lái)控制其通斷。G控制極三、基本結(jié)構(gòu)及工作原理K

陰極G陽(yáng)極

A四層半導(dǎo)體1.基本結(jié)構(gòu)和符號(hào)KGA符號(hào)外形結(jié)構(gòu)三個(gè)

PN

結(jié)P1P2N1N2常用晶閘管的圖片螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)2.晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)GKATSHL(a)HLGKATS(b)GKATSHL(c)GKATSHL(d)(c)去掉控制極正向電壓，燈泡亮。(d)陽(yáng)極加反向電壓，燈泡熄滅。(a)控制極不加電壓，燈泡不亮。(b)控制極加正向電壓，燈泡亮。①晶閘管導(dǎo)通的條件：

晶閘管陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓（UAK>0）。同時(shí)晶閘管控制極與陰極之間加正向觸發(fā)電壓或正向觸發(fā)脈沖。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。②晶閘管關(guān)斷的條件：

晶閘管陽(yáng)極電流小于維持電流（IA<IH），或?qū)㈥?yáng)極電源斷開或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反相電壓（UAK<0）。3.晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件P1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGNPPNNAGKP4.工作原理T1T2工作原理A

在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R

晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過程正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U四、

伏安特性及主要參數(shù)1.伏安特性2.主要參數(shù)(1)正向平均電流IF：環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。IFt2如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。(3)通態(tài)平均電壓（管壓降）UF:

在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時(shí)，晶閘管陽(yáng)、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。(2)維持電流IH:

在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。(4)正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）UFRM:

控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM=80%UB0。普通晶閘管UFRM

為100V—3000V(5)反向重復(fù)峰值電壓URRM：控制極開路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000V(6)控制極觸發(fā)電壓和電流UG、IG：室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流。一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。(7)浪涌電流IFSM：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，晶閘管中允許通過的最大過載電流。五、

晶閘管的保護(hù)

晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點(diǎn)。

晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞；

晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。

歷年典型考題2009、2010考題

歷年典型考題

2007、2008考題22.為保護(hù)晶閘管SCR安全可靠工作，要進(jìn)行過電壓及

保護(hù)。單相半波可控整流

1.電阻性負(fù)載(1)電路分析

u

>0時(shí)：若ug=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時(shí):

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uo=0,uT=u，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，uuoRL+–+uT+––Tio第二節(jié)晶閘管相控整流電路的相控原理(2)工作原理t12u

<

0時(shí):

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷

加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通tOu

>0時(shí):tOtO

接電阻負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1tOtOt22tO導(dǎo)通角(3)工作波形(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。2.電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路

當(dāng)電壓u過零后，由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔?。uuoR+–+uT+––T?LeL?

在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(shì)(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。tOtOtOt1tOt22（2）工作波形（未加續(xù)流二極管）uuoR+–+uT+––LTioDiou>0時(shí)：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時(shí)：

D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見波形圖)。（3）電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)+–工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO27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)ddaauVT1,4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。電路結(jié)構(gòu)為什么？第三節(jié)

單相橋式相控整流電路28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：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,429流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：由式（2-12）和式（2-13）得：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4思考：額定電壓、額定電流應(yīng)該如何取值？選擇晶閘管的額定電流：選擇晶閘管的額定電壓：注意：?jiǎn)蜗鄻蚴饺卣麟娐肪чl管承受的最大反向電壓為。正向電壓最大值為。312）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)，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至ωt=π+a時(shí)刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(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。32

數(shù)量關(guān)系（2-15）晶閘管移相范圍為90。晶閘管導(dǎo)通角θ與a無(wú)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。晶閘管承受的最大正反向電壓均為。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4333）帶反電動(dòng)勢(shì)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(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的電路及波形在|u2|>E時(shí)，才有晶閘管承受正電壓，有導(dǎo)通的可能。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，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，b)idOEudwtIdOwtaqd34當(dāng)α

<d時(shí)，觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。單相橋式全控整流電路接反電動(dòng)勢(shì)—電阻負(fù)載時(shí)的波形電流斷續(xù)觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng)wt=d時(shí)刻有晶閘管開始承受正電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為d。如圖所示id波形所示：電流連續(xù)ub)idOEdwtIdOwtαqd35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。為了克服此缺點(diǎn)，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)平波電抗器。這時(shí)整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與阻感負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的波形相同，ud的計(jì)算公式也一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：（2-17）圖2-8

單相橋式全控整流電路帶反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況twwOud0Eidtpdaq=p1.電路2.工作原理T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2二極管aRLD2T1b(1)電壓u

為正半周時(shí)io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRLD1T2a此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。ttOtO3.工作波形2tO4.輸出電壓及電流的平均值2-40單相橋式半控整流電路2-41在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD3續(xù)流。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT2，VT2導(dǎo)通，u2經(jīng)VT2和VD4向負(fù)載供電。u2過零變正時(shí)，VD4導(dǎo)通，VD3關(guān)斷。VT2和VD4續(xù)流，ud又為零。2-42避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。若無(wú)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，其平均值保持恒定，稱為失控。43單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu)

單相全控橋中，每個(gè)導(dǎo)電回路中有2個(gè)晶閘管，1個(gè)晶閘管可以用二極管代替，從而簡(jiǎn)化整個(gè)電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形電阻負(fù)載半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時(shí)的工作情況相同。應(yīng)為VD244單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時(shí)的電路及波形在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。

u2過零變負(fù)時(shí)，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時(shí)刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載