按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：(2)半控型器件半控型器件控制信号可以控制导通而不能控制关断控制信号可以控制导通而不能控制关断晶闸管晶闸管Thyristor）(3)全控型器件全控型器件既可控制其导通又可控制其关断既可控制其导通又可控制其关断绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管IGBT）电力场效应晶体管电力场效应晶体管MOSFET）门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTO）(1)不可控器件不可控器件工作原理同普通二极管工作原理同普通二极管电力二极管电力二极管PowerDiode）:定义:电力电子电路中能实现电能的变换和控制的半导体电子器件。(Power Electronic Device)其基本模型：图电力电子器件的理想开关模型图电力电子器件的理想开关模型第一章第一章 电力电子器件知识电力电子器件知识:电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件的开关状态由外电路驱动电路来控制。在工作中器件的功率损耗通态、断态、开关损耗很大。为保证不至因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。:晶闸管是一种功率四层半导体器件，有三个引出极，阳极A）、阴极K）、门极G），常用的有螺栓式与平板式。A N N P KG P J1J2J3 AGK图图2晶闸管的图形符号和内部结构晶闸管的图形符号和内部结构2.1 2.1 晶闸管的结构晶闸管的结构:常用晶闸管的外形结构常用晶闸管的外形结构螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构大电流螺旋式大电流螺旋式大电流平板式大电流平板式:晶闸管模块晶闸管模块小电流塑封式小电流塑封式:晶闸管由四层半导体交替叠成，可等效看成两个晶体管1112与V2N122的组成。图图4晶闸管工作原理晶闸管工作原理:晶闸管导通后，控制极便失去作用，晶闸管维持导通晶闸管导通后，控制极便失去作用，晶闸管维持导通晶闸管导通后，控制极便失去作用，晶闸管维持导通晶闸管导通后，控制极便失去作用，晶闸管维持导通状态。状态。状态。状态。晶闸管的工作原理：可控的单向导电性。晶闸管的工作原理：可控的单向导电性。:晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： 流过晶闸管的阳极电流流过晶闸管的阳极电流IaIa小于晶闸管规定的维小于晶闸管规定的维持电流持电流IH IH 。关断实现的方式：关断实现的方式： 减小阳极电压减小阳极电压 增大负载电阻增大负载电阻 加反向阳极电压加反向阳极电压: (1)正向特性 1) IG=0时，器件两端施加正向电压，只有很小的正向漏电流，为正向阻断状态。 2) 正向电压超过正向转折电压UBO，则漏电流急剧增大，器件开通。 3)随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。 4) 晶闸管本身的压降很小，在1V左右。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UBOUDSMUDRMURRMURSM图图5 晶晶闸闸管的伏安特性管的伏安特性IG2IG1IG2.3 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性(静态特性静态特性): 1) 反向特性类似二极管的反向特性。 2) 反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。 3) 当反向电压达到反向击穿电压后，可能导致晶闸管发热损坏。正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM(2) 反向特性反向特性图图5 晶晶闸闸管的伏安特性管的伏安特性IG2IG1IG:晶闸管型号 K P 表示闸流特性表示闸流特性普通反向阻断型普通反向阻断型额定通态平均电流额定通态平均电流正反向重复峰值电压等级正反向重复峰值电压等级通态平均电压组别通态平均电压组别如如KP10012G表表示示额额定定电电流流为为100A,额额定定电电压压为为1200V,管管压压降降(通通态态平平均均电电压压)为为1V的的普普通通型晶型晶闸闸管管.:整流电路整流电路单相单相单相半波单相半波单相全波单相全波单相桥式单相桥式三相三相三相半控三相半控三相全控三相全控负载性质：负载性质： 电阻性电阻性 电感性电感性 反电势性反电势性:（一电阻性负载（一电阻性负载图图6 单单相半波可控整流相半波可控整流电电路及波形路及波形:n 单单相相变变压压器器二二次次侧侧电电压压U2为为50HZ正正弦弦波波;变变压压器器起起变变换换电压和电气隔离的作用。电压和电气隔离的作用。n电路输出电压电流平均值下标均用电路输出电压电流平均值下标均用d表示。表示。n晶晶闸闸管管VT,当当在在电电源源正正半半周周内内且且在在门门极极加加触触发发脉脉冲冲时时导导通通.VT导通时，导通时，Ud= U2,截止时截止时Ud= 0。n 电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。: VT VT的的 移相范围为移相范围为0 0180180通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。 首先，引入两个重要的基本概念：控制角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度,用表示,也称触发角或触发延迟角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用表示 。直流输出电压平均值为直流输出电压平均值为:阻阻感感负负载载的的特特点点：电电感感对对电电流流变变化化有有抗抗拒拒作作用用，使使得得流流过过电电感感的的电电流流不不发发生生突突变变。延延迟迟了了晶晶闸闸管管的的关关断断时时刻刻，使，使Ud波形上出现了负值。波形上出现了负值。( (二二) )电感性负载电感性负载整流电路直流负载的感抗整流电路直流负载的感抗Ld和电阻和电阻Rd的大小相比不可忽略时，的大小相比不可忽略时，这种负载称为电感性负载。这种负载称为电感性负载。:图图7 带电带电感性感性负载负载的的单单相半波可控整流相半波可控整流电电路及波形路及波形( (二二) )电感性负载电感性负载:在带有大电感负载时，单相半波相控整流电路正常工作的关键是使负载端不出现负电压，因此要设法在电源电压U2负半周时，使晶闸管VT承受反压而关断。解决的办法是在负载两端并联一个二极管。 加了续流二极管以后，输出直流电压Ud的波形与电阻负载时一样，而电流波形则完全不同。电源电压正半周时，电流由电源经导通的晶闸管供给；电源电压负半周时，晶闸管关断，电流由续流电流维持，因而，负载电流由两部分合成。( (三三) )续流二极管续流二极管:L储储存的能量保存的能量保证证了了电电流流id在在Ld-Rd-VD回路中回路中流通，此流通，此过过程通常称程通常称为为续续流。流。图图8 电电感性感性负载负载接接续续流流二极管二极管时时的的电电路及波形路及波形( (三三) )续流二极管续流二极管:3.2 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路0TRu2u2单相全波可控整流电单相全波可控整流电路采用了二次侧带有路采用了二次侧带有中心抽头的变压器，中心抽头的变压器，每个二次绕组一周期每个二次绕组一周期内只工作一半时间，内只工作一半时间，利用率低。利用率低。:VTVT1 1VTVT2 2RdRdT TR Ru2u2电阻性负载电阻性负载3.2 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路图图9 单单相全波可控整流相全波可控整流电电路路单单相相全全波波可可控控整整流流与与单单相相桥桥式式全全控控整整流流电电路路输输出出的的直直流流电电压压都都是是全全波波相相控控电电压压,在在后后面面桥桥式式电电路路进进行行分析。分析。:3.3 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路单单相相全全波波可可控控整整流流与与单单相相全全控控桥桥式式整整流流电电路路不不同同之之处处在在于于: :全全波波电电路路只只需需两两个个晶晶闸闸管管，但但变变压压器器二二次次侧侧需需有有中中间间抽抽头头，晶晶闸闸管管承承受受变变压压器器二二次次侧侧全全部部电电压压；桥桥式式整整流流需需四四只只晶晶闸闸管管，变变压压器器不不需需抽抽头头，两两种种电电路路输输出出直直流电压相等。流电压相等。图图10 单单相全控相全控桥桥式整流式整流电电路路( (一一) )电阻性负载电阻性负载VT3VT3VT4VT4VT1VT1VT2VT2RdRd:工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和和VT4组组成成一一对对桥桥臂臂，在在u2正正半半周周承承受受电电压压u2，得得到到触触发发脉冲即导通，当脉冲即导通，当u2过零时关断。过零时关断。VT2和和VT3组组成成另另一一对对桥桥臂臂，在在u2负负半半周周承承受受电电压压-u2，得得到到触触发发脉脉冲冲即即导导通通，当当u2过过零零时时关关断。断。u (i )pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4图图11 11 单相桥式全控单相桥式全控带电阻负载时的电路及波形带电阻负载时的电路及波形a)( (一一) )电阻性负载电阻性负载:数量关系a 角的移相范围为角的移相范围为0180。 向负载输出的平均电流值为：向负载输出的平均电流值为： 流过晶闸管的电流平均值只有输流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：出直流平均值的一半，即：p pw wtwtwtw wt000i2udidb)c)d)a aa auVT1,4:流过晶闸管的电流有效值：流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流与输出直流电流I有效值相等：有效值相等：由上述两式得：由上述两式得：不考虑变压器的损耗时，要变压不考虑变压器的损耗时，要变压器的容量器的容量S=U2I2。选择晶闸管的额定电流为：选择晶闸管的额定电流为：p pw wtw wtw wt000i2udidb)c)d)a aa auVT1,4:u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4图图12 单相全控桥带单相全控桥带感性负载时的电路及波形感性负载时的电路及波形 n假假设设电电路路已已工工作作于于稳稳态态，id的的平平均均值值不不变变。n假假设设负负载载电电感感很很大大，负负载载电电流流id连连续续且波形近似且波形近似为为一水平一水平线线。nu2过过零零变变负负时时，晶晶闸闸管管VT1和和VT4并并不不关关断断。（由由于于电电感感的的感感应应电电动动势势，保持两个管子开通），保持两个管子开通）n至至t=+ 时时刻刻，晶晶闸闸管管VT1和和VT4关断，关断，VT2和和VT3两管两管导导通。通。nVT2和和VT3导导通通后后，VT1和和VT4承承受受反反压压关关断断，流流过过VT1和和VT4的的电电流流迅迅速速转转移移到到VT2和和VT3上上，此此过过程称程称换换相，亦称相，亦称换换流。流。( (二二) )带感性负载的工作情况带感性负载的工作情况u:2Ow wtOw wtOw wtudidi2b)Ow wtOw wtuVT1,4Ow wtOw wtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4晶晶闸闸管移相范管移相范围为围为090。 晶晶 闸闸 管管 导导 通通 角角 与与 无无 关关 ， 均均 为为180。电流的平均值和有效值：。电流的平均值和有效值： 变压器二次侧电流变压器二次侧电流i2的波形为正负各的波形为正负各180的矩形波，其相的矩形波，其相位由位由a角决定，有效值角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为晶闸管承受的最大正反向电压均为 。数量关系:(三三)反反电动势负载电动势负载反电动势负载有如下特点：反电动势负载有如下特点： 只有整流电压只有整流电压ud的瞬时值大于负载电动势的瞬时值大于负载电动势E时，整流时，整流桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有桥路中的晶闸管才能承受正压而触发导通，整流桥路才有电流电流id输出，当晶闸管导通时，输出，当晶闸管导通时， ud=u2=E+id0；当晶闸；当晶闸管关断时管关断时ud=E。因而，在反电动势负载时，电流不连续，。因而，在反电动势负载时，电流不连续，负载端直流电压负载端直流电压d升高。升高。图图13 单相全控桥式整流反电动势负载单相全控桥式整流反电动势负载 :电路结构电路结构 单相全控桥中，每个单相全控桥中，每个导电回路中有导电回路中有2 2个晶闸管，个晶闸管，1 1个晶闸管可以用二极管代个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如替，从而简化整个电路。如此即成为单相半控桥式整流此即成为单相半控桥式整流电路。电路。 ( (一一) )电阻负载电阻负载 半半控控电电路路与与全全控控电电路路在在电电阻阻负负载时的工作情况相同。载时的工作情况相同。图图14 14 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路:(二) 带感性负载的工作情况n在在u2正半周，正半周，u2经经VT1和和VD2向负载供电。向负载供电。nu2过零变负时，因电感作用电流不再流经过零变负时，因电感作用电流不再流经n变压器二次绕组，而是由变压器二次绕组，而是由VT1和和VD1续流。续流。n在在u2负半周触发角负半周触发角a时刻触发时刻触发VT2，VT2导通导通nVT1关断，关断，u2经经VT2和和VD1向负载供电。向负载供电。nu2过零变正时，过零变正时，VD2导通，导通，VD1关断。关断。VT2和和nVD2续流，续流，ud又为零。又为零。图图15单相桥式半控整流电路带感性负载时波形单相桥式半控整流电路带感性负载时波形i2:并联续流二极管时的单相桥式并联续流二极管时的单相桥式半控整流电路感性负载时波形半控整流电路感性负载时波形图图16 单单相半控相半控桥带桥带感性感性负载负载接接续续流二极管流二极管时电时电路及波形路及波形 :续流二极管的作用n避免可能避免可能发发生的失控生的失控现现象象n 若若无无续续流流二二极极管管，则则当当突突然然增增大大至至180或或触触发发脉脉冲冲丢丢失失时时，会会发发生生一一个个晶晶闸闸管管持持续续导导通通而而两两个个二二极极管管轮轮流流导导通通的的情情况况，这这使使ud成成为为正正弦弦半半波波，其其平平均均值值保保持恒定，称持恒定，称为为失控。失控。n有有续续流流二二极极管管VDR时时，续续流流过过程程由由VDR完完成成，避避免免了了失控的失控的现现象。象。n续续流期流期间导电间导电回路中只有一个管回路中只有一个管压压降，有利于降低降，有利于降低损损耗。耗。: 电路的特点：电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免而一次侧接成三角形避免3 3次次谐波流入电网。谐波流入电网。三个晶闸管分别接入三个晶闸管分别接入a a、b b、c c三三相电源，其阴极连接在一起相电源，其阴极连接在一起共阴极接法共阴极接法 。 图17 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形 自然换相点：把晶闸管换成二极管时，二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角的起点，即=0。b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwta)( (一一) )电阻负载电阻负载:n =0时的工作原理分析时的工作原理分析n变变压压器器二二次次侧侧a相相绕绕组组和和晶晶闸闸管管VT1的的电电流流波波形形，变变压压器器二二次次绕绕组电流有直流分量。组电流有直流分量。n晶闸管的电压波形，由晶闸管的电压波形，由3段组成。段组成。n=30的波形图的波形图18-a）n特特点点：负负载载电电流流处处于于连连续和断续之间的临界状态。续和断续之间的临界状态。n30的情况图的情况图18-b）n特特点点：负负载载电电流流断断续续，晶晶闸闸管管导导通通角角小小于于120。a)b)c)d)e)f)u2Riduaubuca =0Owt1wt2wt3uGOudOOuabuacOiVT1uVT1wtwtwtwtwt 图17 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及=0时的波形 : 图18-a =30时的波形 图18-a 30时的波形 n当当=0时时整流整流电压电压最大最大,增大增大,整流整流电压电压便减小。便减小。n当当=150时时,整流整流电压为电压为零零,所以所以电电阻阻负载时负载时,移向范移向范围为围为0150。n当当30时时,负载电负载电流流连续连续,各相晶各相晶闸闸管每周期管每周期导电导电120,即即导导通角通角=120。n当当30时时,负载电负载电流断流断续续,各晶各晶闸闸管管导电时间导电时间小于小于120, 即即导导通角通角=150-。:(二)感性负载 图图19 三相半波可控整流三相半波可控整流电电路路带带阻感阻感负载时负载时的的电电路及路及a =60时时的波形的波形n特特点点：感感性性负负载载，L值值很很大大，id波形基本平直。波形基本平直。na30时时：整整流流电电压压波波形形与与电阻负载时相同。电阻负载时相同。na30时时如如a=60时时的的波波形如图所示）。形如图所示）。nu2过过零零时时，VT1不不关关断断，直直到到VT2的的脉脉冲冲到到来来，才才换换流流，ud波形中出现负的部分。波形中出现负的部分。nid波波形形有有一一定定的的脉脉动动，但但为为简简化化分分析析及及定定量量计计算算，可可将将id近似为一条水平线。近似为一条水平线。n感感性性负负载载时时的的移移相相范范围围为为90。udiauaubucibiciduacOwtOwtOOwtOOwtawtwt:三相桥式电路实质三相桥式电路实质:是三相半波共阴与共阳是三相半波共阴与共阳极组的串联。极组的串联。三相桥式全控整流电路对触发脉冲有特定要求。为了使六个晶闸管的触发导通顺序符合自然顺序，在三相电源正序情况下，编号为VT1、VT4管分别接A相(A相可任意指定但相序不能反)，VT3、VT6接B相，VT5、VT2接C相，这样触发脉冲与管子导通的顺序为123456，间隔为60o。 图图20 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路路: 图图21 三相三相桥桥式全控整流式全控整流电电路波形路波形(=0)n移相范移相范围围090。n 90时时，负载负载端端电压电压n连续连续， Ud=2.34U2cos n三相全控三相全控桥负载桥负载端端电压电压n为线电压为线电压。: ( (一一) )电阻性负载：电阻性负载： 当当=6060,60,负载端电压波形断续负载端电压波形断续 ( (二二) )电感性负载：电感性负载： 与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因此在带电感性负载与单相半控桥式整流电路一样，桥内二极管有续流作用，因此在带电感性负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出现负电压。为避免失控现象，负载时，输出波形与带电阻性负载时一样，不会出现负电压。为避免失控现象，负载端要接续流二极管。端要接续流二极管。 图图22 三相三相桥桥式半控整流式半控整流电电路路:控制角控制角=30负载断电压波形连续，一个周期有负载断电压波形连续，一个周期有6个波头。个波头。:控制角控制角=120=120控制角控制角=60=60当控制角当控制角6060时，负载端电压波形在一个周期内时，负载端电压波形在一个周期内只有三个波头且电压波形由连续变成断续。只有三个波头且电压波形由连续变成断续。:三相半控桥式整流电路与三相全控桥式三相半控桥式整流电路与三相全控桥式整流电路的比较整流电路的比较n三三相相全全控控桥桥式式整整流流电电路路能能工工作作于于有有源源逆逆变变状状态态，而而三三相相半半控控桥桥式式整整流流电电路路只只能能作作可可控控整整流流，不不能工作于逆变状态。能工作于逆变状态。n三三相相全全控控桥桥式式整整流流电电路路输输出出电电压压脉脉动动小小，基基波波频频率率为为300HZ,300HZ,比比三三相相半半控控桥桥式式整整流流电电路路高高一一倍。倍。n三三相相半半控控桥桥式式整整流流电电路路只只用用三三个个晶晶闸闸管管，只只需需三三套套触触发发电电路路，不不需需要要宽宽脉脉冲冲或或双双窄窄脉脉冲冲，线线路简单经济。路简单经济。n三相全控桥式整流电路控制增益大，灵敏度高。三相全控桥式整流电路控制增益大，灵敏度高。: