晶闸管可控整流电路

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不控器件:电力二极管
半控器件:晶闸管SCR(Thyristor) 全控器件: 双极结型电力三极管GTR(半导体电力三极管) 根据是否 可关断晶闸管GTO 可控来分 电力场效应晶体管P-MOSFET 绝缘门极双极型晶体管IGBT 半导体电力开关模块和功率集成电路PIC
类 型 不可控器件 半控型器件 分 立 器 件 全 控 型 器 件
晶闸管反向导通,电流从A2流向A1。
A2 G
A1
3. 门极可关断晶闸管(全控型器件)
■晶闸管的一种派生器件,但 可以通过在门极施加负的脉冲 电流使其关断,因而属于全控 型器件。
■GTO的结构和工作原理 ◆GTO的结构 ☞是PNPN四层半导体结 构。 ☞是一种多元的功率集成 器件,虽然外部同样引出个 极,但内部则包含数十个甚 至数百个共阳极的小GTO 元,这些GTO元的阴极和门 极则在器件内部并联在一起。
静电感应晶闸管
功率模块
SITH
Power Module
System on a Chip
集成模块
单片集成模块
智能功率模块
IPM
1. 电力二极管
A K A I P J b) K N K
A a)
c)
电力二极管的外形、结构和电气 图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
■电力二极管是以半 导体PN结为基础的, 实际上是由一个面积 较大的PN结和两端引 线以及封装组成的。 从外形上看,可以有 螺栓型、平板型等多 种封装。
(4)交流-交流变换 :将交流电v1(AC) 变换成交流电v2(AC),包含频率变化和 幅值变化。
§7.2 半导体电力开关器件
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:
A K
电力电子器件的理想开关模型

§7.2 半导体电力开关器件
不可控器件
2. 晶闸管(四层、三结、三极)(半控型器件)
A
P1 N 1 J1 P 2 J2 J N2 3 K b) a)外形 b)结构
K
G
G
a)
A c) c)电气图形符号
晶闸管导通的条件: 1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向 电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向 电压或正向脉冲(正向触发电压)。 晶闸管导通后,控制极便失去作用。 依靠正反 馈,晶闸管仍可维持导通状态。 晶闸管关断的条件: 1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到小于其维持 电流,一般为几十~一百多毫安。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极 间加反相电压。
ωt
VT1控制 角起点
VT3控制 角起点
u 控制角α=0° v
1
2
ud
uu
uv
uw
uu
w
3
ωt uT1 ωt
uuv uuw
ud
R
id
晶闸管承受的最大反向 压降为
6U 2
电流连续,1、2、3晶 闸管导通角都为120°
控制角α=30°
u uw
1
2
ud
uu
uv
uu
v
ωt
w 3 ud
R
iT1
ωt
id
电流处于连续与断续的临界点,1、2、3 晶闸管导通角仍为120°
(二)带感性负载的工作情况
2
O ud
t
O id i VT O
1,4
t
Id
Id Id uu Id Id
t t t t t
i VT
O
2,3
O i2 u VT O
1,4
O b)
单相全控桥带感性负载时的电路及波形
输出电压仍然有“拖尾”现象,使输出直流电压减小。 移相范围减小,纯电感时,移相范围为0-900
电流控制器 件
名称
中文名称
电力二极管 晶闸管(可控硅)
英文名称
Power Diode Thyristor (SCR)
电力晶体管(双极型晶体管)
门极可关断晶闸管 电力场效应晶体管
GTR (BJT)
GTO Power MOSFET IGBT MCT SIT
绝缘栅双极型晶体管
电压控制器 件
场控晶闸管 静电感应晶体管
电源时用。
实际上属于单纯的某一种性质的负载是很少的。 确定负载性质必须根据实际情况作具体分析。
1. 单相半波可控整流电路
单相半波不控整流电路
u
O
自然换相点

t
uO
t
单相半波不控整流电路及波形
1. 单相半波可控整流电路
(一)电阻性负载
单相半波可控整流电路及波形 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


■GTR的基本特性 ◆静态特性 ☞在共发射极接法时的典型输出特性分为截 止区、放大区和饱和区三个区域。 ☞在电力电子电路中, GTR工作在开关状态,即工作在截止区或饱和 区。 ☞在开关过程中,即在截止区和饱和区之间 过渡时,一般要经过放大区。
5. 电力场效应晶体管
■分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅 型中的MOS型(MetalOxideSemiconductor FET),简称电力MOSFET(PowerMOSFET)。 ■电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流 的,它的特点有: ◆驱动电路简单,需要的驱动功率小。 ◆开关速度快,工作频率高。 ◆热稳定性优于GTR。 ◆电流容量小,耐压低,多用于功率不超过 10kW的电力电子装置。
控 制 电 路
检测 电路 保护 电路 驱动 电路
电气隔离
V 1 L R
V 2
主电路
2. 电力电子变换和控制的意义
在电力系统中,电网提供的是频率固定的 单相或三相交流电源,但是用电设备的类型和 功能千差万别,对电能的电压和频率各不相同。 例如,机械加工中的感应加热设备适宜用 中频或高频电源供电;化学工业中的电解,电 镀需要低压直流电源供电;通信设备大都需要 48V低压直流电源;要求调速的直流电机需要 可变的直流电压。
2. 单相桥式可控整流电路
D1
u2 > 0
u2 (a) u2 (b)
D1 R u1
T
i2 u2
a ud b
D3
id
R
D2
D4
单相桥式不控整流带电阻负载时的电路及工作原理
D4
D1
u2 < 0
u2 (b) u2 (a)
T D3 R u1
i2 u2
a ud b D2
D3
id
R
单相桥式不控整流带电阻负载时的电路及工作原理
冲止的电角度,用α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θ
表示 。
直流输出电压平均值为:
Ud 1 2


2U 2 sin td ( t )
2U 2 2
(1 cos ) 0 . 45 U 2
1 cos 2
VT的α移相范围为:0~180,晶闸管承受的最大反压为u2的峰 值。 这种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。
控制角α=60°
u uw
1 2
ud
uu
uv
uu
v
ωt
w 3 ud
R
iT1
id
ωt
α>30°时电流断续,1、2、3晶闸管导 通角小于120°
(1)输出电压平均值:
U d 01 . 17 U 2 cos
(二)电感性负载
整流电路直流负载的感抗ωLd和电阻Rd的大小相 比不可忽略时,这种负载称为电感性负载。 阻感负载的特点:电感对电流变化有抗拒作用,使得 流过电感的电流不发生突变。延迟了晶闸管的关断时 刻,使Ud波形上出现了负值。
拖尾 拖尾会使输出电压降低,电感负载端的负压可能危害设备安全。
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,因此, 负载电流由两部分合成。
D4
D2
(一)电阻性负载
工作原理及波形分析
a)
VT1 和VT4 组成一对桥臂,
在u2 正半周承受电压u2 ,得 到触发脉冲即导通,当u2 过 零时关断。 VT2 和VT3 组成另一对桥臂, b) 在u2负半周承受电压-u2,得 到触发脉冲即导通,当u2 过 零时关断。
c)
u
VT
u (i ) u d i
单相桥式半控整流电路
单相全控桥中,每个导电回路中有2个晶闸管, 1个晶闸管可以用二极管代替,从而简化整个电路。 如此即成为单相半控桥式整流电路。
单相半控桥式整流电路
3. 三相半波可控整流电路
u v 1 2
w 3 ud
R VT2控制 角起点
id
ud
uu
uv
uw
不可控整流电路的自然 换相点就是可控整流电 路控制角α的起点
d d d
0



t
1,4
0 i
2
t
d)
0
t
单相桥式全控 带电阻负载时的电路及波形
数量关系:
输出电压平均值:
Ud 1



2U 2 sin t d ( t )
2 2U 2 1 cos

2
0 . 9U 2
1 cos 2
a 角的移相范围为0~180。 晶闸管可能承受的最大反压为u2的峰值电压 流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半。
从外延上看电力电子学的定义: 电力电子技术(电力电子学)
电力技术(发电机、变压器
等各种电力设备和处理电能 的电力网络)
电子技术(各种电子器件和
处理信息的电子电路)
控制技术(控制方法和控制
理论)
三者结合的交叉学
■电力电子器件在实际应用中,一般是由控制电路、驱动 电路和以电力电子器件为核心的主电路组成一个系统。
第7章
晶闸管整流电路
§7.1 电力电子技术概述
§7.2 半导体电力开关器件 §7.3 晶闸管可控整流电路 §7.4 本章复习
§7.1 电力电子技术概述
1. 什么是电力电子技术(电力电子学)
电力技术是一门涉及发电、输电、配电及电力应用的 科学技术。 强电 电子技术是研究电子器件,以及利用电子器件来处理 电子电路中电信号的产生、变换、处理、存储、发送 和接受问题,也称为信息电子技术或信息电子学。 弱电 早期的电力技术并不涉及电子技术,也不应用电子技 术。例如20世纪20年代法国建成一套直流输电系统, 采用交流电动机拖动直流发电机(整流),在直流输 电线末端采用直流电动机拖动交流发电机(逆变), 并不像现在的直流输电系统采用开关元件实现。
§7.3 晶闸管可控整流电路
常用整流电路类型:
单相 单相半波 单相全波 单相桥式 三相半控
பைடு நூலகம்
整流电路 三相
三相全控
§7.3 晶闸管可控整流电路
不同性质的负载对于整流电路输出的电压电流波形 有很大影响。 负载的性质大致分为以下几种:
电阻性负载——如电阻加热炉、电解、电镀和电焊等。
电感性负载——各种电机的励磁绕组,经电抗器滤波的负载。 电容性负载——整流输出端接大电容滤波的情况。 反电势负载——整流装置输出供蓄电池充电或供直流电动机作
6. 绝缘栅双极晶体管
■GTR和GTO是双极型电流驱动器件,由于具 有电导调制效应,其通流能力很强,但开关速度 较低,所需驱动功率大,驱动电路复杂。而电力 MOSFET是单极型电压驱动器件,开关速度快, 输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小而且 驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管(Insulatedgate Bipolar Transistor——IGBT或IGT)综合 了GTR和MOSFET的优点,因而具有良好的特 性。
GTO的内部结构和电气图形符号 a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 b) 并联单元结构断面示意图 c) 电气图形符号
4. 电力晶体管
■电力晶体管(Giant Transistor——GTR) 按英文直译为巨型晶体管,是一种耐高电压、 大电流的双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor——BJT) ■GTR的结构和工作原理 ◆与普通的双极结型晶体管基本原理是一 样的。 ◆最主要的特性是耐压高、电流大、开关 特性好。
3. 电力电子变换的类型
(1) 整流 :将交流电(AC)变换成直流 电(DC)。能够完成整流的电路称为整流 电路或整流器。
(2)逆变 :将直流电(DC)变换成交流 电(AC)。能够完成逆变的电路称为逆变 电路或逆变器。
有源逆变和无源逆 变
3. 电力电子变换的类型
(3)直流斩波 :将直流电V1(DC)变换 成直流流电V2(DC),又称斩波电路或直 流斩波器。
派生器件:双向晶闸管 特点:相当于两个晶闸管反向并联,两者共 用一个控制极。 G 控制极 符号: 第二电极 A2
A1 第一电极
通过控制控制极的电压可实现双向导通。
工作原理 UA1>UA2时,控制极相对于A2加正脉冲,
晶闸管正向导通,电流从A1流向A2。
UA2>UA1时,控制极相对于A2加负脉冲,
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