Chapter8 電力電子學(xué)-晶閘管及其基本電路

1第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路主要內(nèi)容：

8.1電力半導(dǎo)體器件

8.2單相可控整流電路

8.3三相可控整流電路

8.4逆變器

8.5晶閘管的觸發(fā)電路

8.6晶閘管的串并聯(lián)和保護(hù)2第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路學(xué)習(xí)要求:

掌握晶閘管的基本工作原理、特性和

主要參數(shù)的含義；掌握幾種單相和三相基本可控整流電路

的工作原理及特點(diǎn)；熟悉逆變器的基本工作原理、用途和控制；了解晶閘管工作時(shí)對(duì)觸發(fā)電路的要求和觸發(fā)

電路的基本工作原理。

3第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路重點(diǎn)：

1.晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷條件，可控性；

2.晶閘管單相和三相基本可控整流電路在不同性質(zhì)負(fù)載下的工作特點(diǎn)；

3.晶閘管額定通態(tài)平均電流IT的含義及基本可控整流電路中IT的選擇和額定電壓的選擇。4第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路難點(diǎn)：

1.整流電路接電感性負(fù)載、電動(dòng)勢(shì)負(fù)載時(shí)的工作狀況；

2.晶閘管額定通態(tài)平均電流IT的選擇；

3.逆變器的工作原理。5第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路前言?íì??電力（強(qiáng)）電子學(xué)電力半導(dǎo)體器件微（弱）電子學(xué)集成電路半導(dǎo)體器件電力電子學(xué)的任務(wù)：

利用電力半導(dǎo)體器件和線路來實(shí)現(xiàn)電功率的變換和控制。電力半導(dǎo)體器件弱電強(qiáng)電6第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路???????íì大功率二極管功率晶體管可關(guān)斷晶閘管雙相晶閘管單相晶閘管電力半導(dǎo)體器件

晶閘管（Thyristor,可控整流器，SiliconControlledRectifier,簡稱SCR）是60年代發(fā)展起來的一新型電力半導(dǎo)體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強(qiáng)電輸出之間的橋梁作用。7第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路優(yōu)點(diǎn)：(1)用很小的功率（電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2~4V）可以控制較大的功率（電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏）功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬倍；(2)控制靈敏、反應(yīng)快

晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)；(3)損耗小、效率高

晶閘管本身的壓降很?。▋H1V左右）總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右；(4)體積小、重量輕。8第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路缺點(diǎn)：(1)過載能力弱

在過電流、過電壓情況下很容易損壞，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護(hù)措施，在選用時(shí)，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量；(2)抗干擾能力差

易受沖擊電壓的影響，當(dāng)外界干擾較強(qiáng)時(shí)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；(3)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變

高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備；(4)控制電路較復(fù)雜，對(duì)維修人員技術(shù)水平要求高。9第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路用途：(1)可控整流電路--交流變固定或可調(diào)的直流電壓

直流電機(jī)調(diào)速，成套產(chǎn)品冶金、機(jī)械、造紙、紡織

高壓直流輸電。(2)交流調(diào)壓電路—固定的交流電壓變可調(diào)的交流電壓

燈光控制、溫度控制、交流電機(jī)調(diào)速等。(3)逆變電路—直流變固定或可調(diào)頻率的交流

不間斷電源（UPS）,高壓直流輸電終端。(4)變頻電路中、高頻加熱，交流電機(jī)變頻調(diào)速(5)斬波電路—直流電壓從固定變可調(diào)直流電機(jī)控制(6)電子開關(guān)

開關(guān)狀態(tài)，無觸點(diǎn)，代替繼電器、接觸器10第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管

1.晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)

2.晶閘管的工作原理

3.晶閘管的伏安特性

4.晶閘管的主要參數(shù)

5.晶閘管的應(yīng)用11

1.晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)陽極控制極陰極控制極<100A>200A8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管12

8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管1.晶閘管結(jié)構(gòu)與符號(hào)13

8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管2.晶閘管的工作原理實(shí)驗(yàn)電路:

主電路交流電壓~u2，

控制極電路接入Eg。在t1

瞬間合上開關(guān)S，在t4

瞬間拉開開關(guān)S。(a)實(shí)驗(yàn)電路14

8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管2.晶閘管的工作原理

波形圖u2、ug、ud的波形關(guān)系：

（1）在0~t1之間:開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；

（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；

（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，

但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；

（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時(shí)ug>0,而，

所以，晶閘管又導(dǎo)通；

（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；

（6）當(dāng)t=t5

時(shí)，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

15

8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管2.晶閘管的工作原理結(jié)論：1.SCR具有雙向阻斷能力;2.SCR的A、G兩極正電壓才導(dǎo)通;3.SCR導(dǎo)通后，G極失去作用；欲使SCR再次阻斷，則須將陽極（A極）電壓降低、斷電或反向。168.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管3.晶閘管的伏安特性

--SCR的陽極電壓與陽極電流的關(guān)系觸發(fā)電壓（電流）----A、K間加直流6V時(shí)，G極最小電壓（電流）171819202122

在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA～一百多mA23

8.1電力半導(dǎo)體器件--晶閘管5.晶閘管的應(yīng)用1)整流裝置（交流電變成直流電）可變電壓電源、恒壓、恒流源、直流電機(jī)電源2)逆變裝置（直流變成交流電源）頻率精度高，負(fù)荷變化時(shí)輸岀穩(wěn)定，恒頻率電源、不間斷電源、交流電機(jī)電源。

3)變頻裝置（順變和逆變的組合）用于同步機(jī)和異步機(jī)的調(diào)速。4)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（可代替直流發(fā)電機(jī)）效率高、響應(yīng)快、體積小、重量輕。24

8.1電力半導(dǎo)體器件8.1.2

其它電力半導(dǎo)體器件1.雙向晶閘管25

8.1電力半導(dǎo)體器件8.1.2

其他電力半導(dǎo)體器件2可關(guān)斷晶閘管Gate-Turn-OffThyristor,GTO1.G極可控制元件導(dǎo)通與關(guān)斷（不同極性脈沖信號(hào)）2.觸發(fā)電流(20mA)比普通晶閘管大(30uA）3.動(dòng)態(tài)特性好（關(guān)斷1us）而晶閘管需（5-30us）4.用于直流調(diào)壓和開關(guān)電路。26

8.1電力半導(dǎo)體器件8.1.2

其他電力半導(dǎo)體器件3絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件

兼有電力場效應(yīng)晶體管MOSFET的通斷控制功率小和電力晶體管GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。

非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。27

8.1電力半導(dǎo)體器件8.1.2

其他電力半導(dǎo)體器件3絕緣柵雙極晶體管IGBTIGBT的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓（C-E）形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。

加反向門極電壓消除溝道，切斷基極電流，使IGBT關(guān)斷。

選用IGBT模塊時(shí)額定電流應(yīng)大于負(fù)載電流。特別是用作高頻開關(guān)時(shí)，由于開關(guān)損耗增大，發(fā)熱加劇，選用時(shí)應(yīng)該降等使用。

還應(yīng)注意正確使用和保管

28第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路主要內(nèi)容：

8.1電力半導(dǎo)體器件

8.2單相可控整流電路

8.3三相可控整流電路

8.4逆變器

8.5晶閘管的觸發(fā)電路

8.6晶閘管的串并聯(lián)和保護(hù)29第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路8.2單相可控整流電路

8.2.1單相半波可控整流電路

帶電阻性負(fù)載的可控整流電路帶電感性負(fù)載的可控整流電路

8.2.2單相橋式可控整流電路

單相半控橋式整流電路單相全控橋式整流電路30

8.2.1單相半波可控整流電路1.帶電阻性負(fù)載的

可控整流電路u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；311.帶電阻性負(fù)載的

可控整流電路

－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。

?

－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。

8.2.1單相半波可控整流電路321.帶電阻性負(fù)載的

可控整流電路輸入電壓：負(fù)載平均電壓：輸出電壓平均值負(fù)載平均電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：

8.2.1單相半波可控整流電路332.帶電感性負(fù)載的

可控整流電路負(fù)載上得不到所需要的電壓和電流。

8.2.1單相半波可控整流電路343.續(xù)流二極管的作用

8.2.1單相半波可控整流電路

如圖所示半波可控整流電路，在電感性負(fù)載時(shí)采用加接續(xù)流二極管的措施。3536第8章電力電子學(xué)-

晶閘管及基本電路8.2單相可控整流電路

8.2.1單相半波可控整流電路

帶電阻性負(fù)載的可控整流電路帶電感性負(fù)載的可控整流電路

8.2.2單相橋式可控整流電路

單相半控橋式整流電路單相全控橋式整流電路37

1.單相半控橋式整流電路

1)電阻性負(fù)載

整流電路電流、電壓波形8.2.2單相橋式可控整流電路381.單相半控橋式整流電路1)電阻性負(fù)載晶閘管承受的最大正反向電壓值負(fù)載平均電壓：負(fù)載平均電流：8.2.2單相橋式可控整流電路391.單相半控橋式整流電路2)電感性負(fù)載a8.2.2單相橋式可控整流電路401.單相半控橋式整流電路2)電感性負(fù)載b8.2.2單相橋式可控整流電路晶閘管串聯(lián)的半控橋式整流電路及電壓、電流波形411.單相半控橋式整流電路2)電感性負(fù)載c單向脈動(dòng)

直流電用一只晶閘管的單相橋式整流電路8.2.2單相橋式可控整流電路421.單相半控橋式整流電路3)反電勢(shì)負(fù)載8.2.2單相橋式可控整流電路431.單相半控橋式整流電路3)反電勢(shì)負(fù)載有電感濾波時(shí)的電路及電流、電壓波形8.2.2單相橋式可控整流電路442.單相全控橋式整流電路8.2.2單相橋式可控整流電路45

8.2單相可控整流電路例8.1一臺(tái)白熾燈泡調(diào)光電路，需要可調(diào)的直流電源，U0=0～180V，電流I0=0～10A，采用半控橋式整流電路如圖，試求最大交流電壓和電流的有效值，并選用元件。解：設(shè)導(dǎo)通角θ=πα=0U0=180V,I0=10A有效值U=U0/0.9=180V/0.9=200VI=U/RL=220/(180V/10A)=12.2A平均電流Ivs=Iv=10A/2=5AUFM=URm=1.414U=1.414×220=310V≈2×310≈600V選用3cT10/600,2cz10/30046

8.3三相可控整流電路8.3.1三相半波可控整流電路1.電阻性負(fù)載(α=0)478.3三相可控整流電路8.3.1三相半波可控整流電路1.電阻性負(fù)載(0<α≤π/6)48

8.3三相可控整流電路8.3.1三相半波可控整流電路1.電阻性負(fù)載(0<α≤5π/6)49

8.3三相可控整流電路8.3.1三相半波可控整流電路2.電感性負(fù)載50

8.3三相可控整流電路8.3.1三相半波可控整流電路2.電感性負(fù)載518.3三相可控整流電路8.3.1三相半波可控整流電路2.電感性負(fù)載變壓器利用率低，易產(chǎn)生變壓器鐵芯飽和52

8.3三相可控整流電路8.3.2三相橋式全控整流電路三相橋式全控負(fù)載

平均電壓Ud=Ud陰+Ud陽53

8.3三相可控整流電路8.3.2三相橋式全控整流電路共陰Vs1,Vs3,Vs5,共陽Vs2,Vs4,Vs65455可控整流電路小結(jié)

單相半波電路簡單，指標(biāo)差，只適用于小功率要求不高的場合。單相橋式電路性能指標(biāo)好，電壓脈動(dòng)頻率大,適用于小功率電路。晶閘管在直流負(fù)載側(cè)的單相橋式電路，接線簡單，適用于小功率的反電勢(shì)負(fù)載。三相半波可控整流電路，指標(biāo)一般，較少采用。三相橋式可控電路，各項(xiàng)指標(biāo)好，最適合大功率高壓電路。三相全控橋可工作在整流狀態(tài)，同時(shí)還能工作在逆變狀態(tài)。568.4逆變器8.4.1有源逆變電路1.整流狀態(tài)(0<α<π/2)57

8.4逆變器8.4.1有源逆變器2.逆變狀態(tài)(π/2<α<π)58

8.4逆變器8.4.2無源逆變器1).無源逆變器的簡單工作原理598.4逆變器8.4.2無源逆變器2).單相晶閘管橋式逆變器608.4逆變器8.4.2無源逆變器2.單相無源逆變器的電壓控制(1)控制輸入直流電壓(2)內(nèi)部控制脈寬控制61

8.4.2無源逆變器2.單相無源逆變器的電壓控制脈寬調(diào)制改變脈沖數(shù)改變脈沖寬度頻率、電壓協(xié)調(diào)控制(U/f保持不變)如f降低則保持脈沖數(shù)不變，間隔拉大使輸岀電壓U降低62

8.4.2無源逆變器2.單相無源逆變器的電壓控制波形的改善—輸出正弦電壓波形63

8.4.2無源逆變器3.無源逆變器的換相（換流）648.4.2無源逆變器3.無源逆變器的換相（換流）65

8.5

晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求(1)觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，要求觸發(fā)電壓4V<Ug<10V；(2)觸發(fā)時(shí)間(一般在10us以下)，因此，觸發(fā)脈沖的寬度必須在10us以上(最好有20us