1、电子技术电子技术5.1 常用电力电子器件常用电力电子器件5.2 可控整流电路可控整流电路5.3 晶闸管触发电路晶闸管触发电路5.4 逆变电路逆变电路5.5 交流电力控制电路交流电力控制电路5.6 变频电路变频电路第一节第一节 常用电力电子器件常用电力电子器件一、电力二极管一、电力二极管1.结构及工作原理结构及工作原理 电力二极管与普通半导体二极电力二极管与普通半导体二极管结构相同，由一个面积较大的结管结构相同，由一个面积较大的结和两端引线封装而成，外形如图和两端引线封装而成，外形如图5-1所示，图中（所示，图中（a）为螺栓型，（）为螺栓型，（b）为平板型。阳极与型半导体相连，为平板型。阳极与型
2、半导体相连，阴极与型半导体相连，其符号与普阴极与型半导体相连，其符号与普通二极管符号相同。通二极管符号相同。电力二极管的电力二极管的PN结也具有单向导电性，正向偏置时结也具有单向导电性，正向偏置时导通，反向偏置时截止。导通，反向偏置时截止。2元件特性元件特性 电力二极管的外特性分为静态特性和动态特性。电力二极管的外特性分为静态特性和动态特性。（1）静态特性）静态特性 静态特性又称伏安特性，电力二极管的伏安特性曲线静态特性又称伏安特性，电力二极管的伏安特性曲线如图如图5-2（a）所示，与普通二极管伏安特性曲线相同。）所示，与普通二极管伏安特性曲线相同。图图5-2 电力二极管特性电力二极管特性（a
3、）伏安特性曲线）伏安特性曲线（b）关断特性曲线）关断特性曲线（c）开通特性曲线）开通特性曲线（2）动态特性）动态特性 动态特性又称开关特性，是电力二极管的通态和断态之动态特性又称开关特性，是电力二极管的通态和断态之间转换时的特性，分为关断特性和开通特性。间转换时的特性，分为关断特性和开通特性。（1）普通二极管）普通二极管 普通二极管又称为整流管，多用于开关频率在普通二极管又称为整流管，多用于开关频率在1kHz以下以下的整流电路中，其反向恢复时间较长（约几十微秒），额定电的整流电路中，其反向恢复时间较长（约几十微秒），额定电流可达数千安，反向电压可达数千伏以上。流可达数千安，反向电压可达数千伏以
4、上。3主要类型主要类型（3）肖特基二极管）肖特基二极管 快恢复二极管的恢复时间很短，特别是反向恢复时间快恢复二极管的恢复时间很短，特别是反向恢复时间很短，其正向导通电压较高。快恢复二极管主要用于斩波很短，其正向导通电压较高。快恢复二极管主要用于斩波、逆变等电路中充当旁路二极管和阻塞二极管。、逆变等电路中充当旁路二极管和阻塞二极管。肖特基二极管是一种以金属与半导体接触形成的肖特基二极管是一种以金属与半导体接触形成的PN结结为基础的二极管，反向恢复时间很短（约为几十纳秒），为基础的二极管，反向恢复时间很短（约为几十纳秒），导通压降较低（约为导通压降较低（约为0.30.6V），但是其漏电流较大、耐）
5、，但是其漏电流较大、耐压能力低，通常用于高频低压仪表和开关电源中。压能力低，通常用于高频低压仪表和开关电源中。（2）快恢复二极管）快恢复二极管4主要参数主要参数（1）额定正向平均电流）额定正向平均电流F(AV)I（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压RRMU（3）正向压降）正向压降FU（4）反向漏电流）反向漏电流 RRI（5）最高工作结温）最高工作结温 JmT二、晶闸管二、晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称，最初被称为可控硅晶闸管是晶体闸流管的简称，最初被称为可控硅(SCR)。晶闸管于晶闸管于1956年诞生在美国，至今已成为电力器件中品种最年诞生在美国，至今已成为电力器件中品种最多的一种，包括
6、普通晶闸管（多的一种，包括普通晶闸管（SCR）、快速晶闸管（）、快速晶闸管（FST）、）、双向晶闸管（双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（）、逆导晶闸管（RCT）、可关断晶闸）、可关断晶闸管（管（GTO）和光控晶闸管等。其中普通晶闸管问世最早，广）和光控晶闸管等。其中普通晶闸管问世最早，广泛应用于整流、逆变、直流回路开关和调压等方面，本书主泛应用于整流、逆变、直流回路开关和调压等方面，本书主要介绍普通晶闸管（要介绍普通晶闸管（SCR）。）。1结构结构图图5-3 晶闸管的外形与符号晶闸管的外形与符号 晶闸管封装形式有平板式、螺旋式和小电流塑封式等，晶闸管封装形式有平板式、螺旋式和小电流塑封式等
7、，三个电极分别为阳极三个电极分别为阳极、阴极、阴极 和控制极和控制极，其外形及符号如图，其外形及符号如图5-3所示。所示。图图5-4 晶闸管内部结构及等效电路图晶闸管内部结构及等效电路图晶闸管内部结构如图晶闸管内部结构如图5-4（a）所示。）所示。2工作原理工作原理（1）晶闸管的阻断状态）晶闸管的阻断状态 当晶闸管控制极不加电压，控制极电流当晶闸管控制极不加电压，控制极电流 时，如果时，如果在阳极在阳极A和阴极和阴极K之间加正向电压之间加正向电压 ，则晶闸管内部，则晶闸管内部PN结结 反向偏置，反向偏置，和和 正向偏置，参看图正向偏置，参看图5-4（a），晶闸管不导），晶闸管不导通，称其工作在
8、正向阻断状态。当阳极通，称其工作在正向阻断状态。当阳极A和阴极和阴极K之间加反向之间加反向电压时，电压时，PN结结 正向偏置，正向偏置，和和 反向偏置，晶闸管仍不能反向偏置，晶闸管仍不能导通，称其工作在反向阻断状态。导通，称其工作在反向阻断状态。0GIAU2J1J3J2J1J3J（2）晶闸管的导通状态）晶闸管的导通状态图图5-5 晶闸管内部电流的形成晶闸管内部电流的形成 在阳极在阳极 A 和阴极和阴极 K 之间加正向电压之间加正向电压UA，同时在控制，同时在控制极极 G与阴极与阴极K之间加正向电压之间加正向电压UG，晶闸管内部电压与电流，晶闸管内部电压与电流关系可用图关系可用图5-5所示电路来
9、说明。所示电路来说明。晶闸管导通之后，导通状晶闸管导通之后，导通状态完全依靠自身的正反馈来态完全依靠自身的正反馈来维持，即使控制极电流维持，即使控制极电流IG消消失，晶闸管仍能处于导通状失，晶闸管仍能处于导通状态。所以控制极态。所以控制极G 的作用仅的作用仅仅是触发晶闸管使其导通，仅是触发晶闸管使其导通，导通后控制极就失去了对晶导通后控制极就失去了对晶闸管的控制作用。闸管的控制作用。（3）晶闸管导通后的关断）晶闸管导通后的关断 晶闸管导通后，增大外电路电阻可以减小晶闸管阳极电晶闸管导通后，增大外电路电阻可以减小晶闸管阳极电流流 IA，当阳极电流，当阳极电流 IA降低到不能维持正反馈过程时，晶闸
10、降低到不能维持正反馈过程时，晶闸管将自行关断，恢复到阻断状态。对应于关断瞬间的阳极电管将自行关断，恢复到阻断状态。对应于关断瞬间的阳极电流称为维持电流，用流称为维持电流，用IH表示，它同时也是维持晶闸管导通的表示，它同时也是维持晶闸管导通的最小电流。如果将晶闸管的阳极电压降低到零或在阳极与阴最小电流。如果将晶闸管的阳极电压降低到零或在阳极与阴极之间加反向电压也能够关断晶闸管。极之间加反向电压也能够关断晶闸管。需指出，当阳极需指出，当阳极A和阴极和阴极K间加有反向电压时，由于间加有反向电压时，由于V1、V2的发射结处于反向偏置，无论控制极是否加有电压，晶的发射结处于反向偏置，无论控制极是否加有电
11、压，晶闸管均不能导通。闸管均不能导通。综上所述，晶闸管具有可控的单向导电特性。晶闸管导综上所述，晶闸管具有可控的单向导电特性。晶闸管导通条件为：阳极加正向电压（即通条件为：阳极加正向电压（即 UA0）且控制极加正向电）且控制极加正向电压（即压（即 UG0），关断条件为：阳极电流小于维持电流（即），关断条件为：阳极电流小于维持电流（即IAIH）或阳极加反向电压（即）或阳极加反向电压（即 UA0）。）。3伏安特性伏安特性图图5-6 晶闸管伏安特性曲线晶闸管伏安特性曲线 反向伏安特性曲线与一般二极管反向特性相似，当反向反向伏安特性曲线与一般二极管反向特性相似，当反向电压低于某一数值时，晶闸管阳极只有
12、很小的反向漏电流流电压低于某一数值时，晶闸管阳极只有很小的反向漏电流流过，晶闸管工作于反向阻断状态。当反向电压升高到某一数过，晶闸管工作于反向阻断状态。当反向电压升高到某一数值，反向漏电流急剧增大，这时所对应的阳极电压称为反向值，反向漏电流急剧增大，这时所对应的阳极电压称为反向击穿电压击穿电压。晶闸管伏安特性曲线晶闸管伏安特性曲线是晶闸管阳极与阴极间电是晶闸管阳极与阴极间电压压UA与阳极电流与阳极电流IA 之间的之间的关系曲线，如图关系曲线，如图5-6所示，所示，第一象限为正向特性，第第一象限为正向特性，第三象限为反向特性。三象限为反向特性。正向特性曲线分为阻正向特性曲线分为阻断状态和导通状态
13、。断状态和导通状态。4主要参数主要参数（l）正向断态重复峰值电压）正向断态重复峰值电压UDRM。控制极开路（。控制极开路（IG=0）且额）且额定结温下，允许重复加在晶闸管阳极上的正向峰值电压。定结温下，允许重复加在晶闸管阳极上的正向峰值电压。（2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM。控制极开路（。控制极开路（IG=0）且额定）且额定结温下，允许重复加在晶闸管阳极上的反向峰值电压。结温下，允许重复加在晶闸管阳极上的反向峰值电压。（3）额定电压）额定电压 UD。通常取。通常取 UDRM和和 URRM中较小的一个数值定中较小的一个数值定义为义为“正反向重复峰值电压正反向重复峰值电压”，并标为
14、器件的额定电压。，并标为器件的额定电压。（4）通态平均电流）通态平均电流IT。在规定环境温度和标准散热条件下，。在规定环境温度和标准散热条件下，允许通过工频正弦半波电流的平均值，也称为额定正向平均电允许通过工频正弦半波电流的平均值，也称为额定正向平均电流，简称正向电流。该电流值与环境温度、散热条件、导通角流，简称正向电流。该电流值与环境温度、散热条件、导通角及每个周期内元件的导通次数有关。及每个周期内元件的导通次数有关。（5）维持电流）维持电流 IH。在规定环境温度，控制极开路（。在规定环境温度，控制极开路（IG=0）情况下，维持晶闸管持续导通所需的最小电流称为维持电流。情况下，维持晶闸管持续
15、导通所需的最小电流称为维持电流。如果通过晶闸管阳极的电流小于如果通过晶闸管阳极的电流小于IH，元件将自行关断。，元件将自行关断。5晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件（1）快速晶闸管）快速晶闸管 快速晶闸管的外形、基本结构、特性及符号与普通快速晶闸管的外形、基本结构、特性及符号与普通晶闸管相同，只是普通晶闸管的开通和关断时间较长，晶闸管相同，只是普通晶闸管的开通和关断时间较长，主要用于工频电路中，而通过特殊工艺制造的快速晶闸主要用于工频电路中，而通过特殊工艺制造的快速晶闸管则缩短了晶闸管的开关时间，主要应用于斩波器、中管则缩短了晶闸管的开关时间，主要应用于斩波器、中频逆变电源等电力电子装置中。通常
16、快速晶闸管的关断频逆变电源等电力电子装置中。通常快速晶闸管的关断时间小于时间小于50微秒，工作频率高于微秒，工作频率高于400Hz，其中工作频率，其中工作频率在在10kHz以上的又称为高频晶闸管。以上的又称为高频晶闸管。（2）逆导晶闸管）逆导晶闸管 逆导晶闸管是一个反向也能导通的晶闸管，即将一个普逆导晶闸管是一个反向也能导通的晶闸管，即将一个普通晶闸管与一个二极管反并联集成在同一个硅片上构成的新通晶闸管与一个二极管反并联集成在同一个硅片上构成的新器件，其内部结构、等效电路及电气符号如图器件，其内部结构、等效电路及电气符号如图5-7所示。所示。（3）双向晶闸管）双向晶闸管 双向晶闸管的符号如图双
17、向晶闸管的符号如图5-8（a）所示。双向晶闸管具有）所示。双向晶闸管具有正反两个方向都能控制导通的特性，因此它有两个主电极正反两个方向都能控制导通的特性，因此它有两个主电极（T1和和T2）和一个控制极（）和一个控制极（G），其内部为五层结构，如图），其内部为五层结构，如图5-8（b）所示。）所示。图图5-8 双向晶闸管双向晶闸管（a）电气符号）电气符号 （b）内部结构与等效电路）内部结构与等效电路 （c）特性曲线）特性曲线（4）光控晶闸管）光控晶闸管 光控晶闸管是一种光控器件，在晶闸管的控制极区域中光控晶闸管是一种光控器件，在晶闸管的控制极区域中集成了一个光电二极管。在光照射下，光电二极管漏电
18、流增集成了一个光电二极管。在光照射下，光电二极管漏电流增加，此电流成为控制极触发电流使晶闸管导通。除此之外，加，此电流成为控制极触发电流使晶闸管导通。除此之外，光控晶闸管的工作原理、结构和特性与普通晶闸管相同，其光控晶闸管的工作原理、结构和特性与普通晶闸管相同，其符号如图符号如图5-9所示。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个电所示。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个电极，大功率光控晶闸管的控制极则带有光缆，光缆上有发光极，大功率光控晶闸管的控制极则带有光缆，光缆上有发光二极管或半导体激光器件作为触发光源。光控晶闸管一旦导二极管或半导体激光器件作为触发光源。光控晶闸管一旦导通，即使无光照，也不会
19、自行关断，且转折电压随光照强度通，即使无光照，也不会自行关断，且转折电压随光照强度的增大而降低。由于光信号与电信号被很好隔离，绝缘性和的增大而降低。由于光信号与电信号被很好隔离，绝缘性和抗干扰性优越，所以光控晶闸管主要应用于高压直流输电和抗干扰性优越，所以光控晶闸管主要应用于高压直流输电和高压核聚变装置等大功率设备中。高压核聚变装置等大功率设备中。图图5-9 光控晶闸管符号光控晶闸管符号第二节第二节 可可 控控 整整 流流 电电 路路 整流电路能够将交流电转换为直流电。按整流元件不同整流电路能够将交流电转换为直流电。按整流元件不同，整流电路分为不可控整流和可控整流两种，其中不可控整，整流电路分
20、为不可控整流和可控整流两种，其中不可控整流利用电力二极管的单向导电性，将交流电变成电压固定的流利用电力二极管的单向导电性，将交流电变成电压固定的直流电，可控整流是利用晶闸管可控的单向导电性，通过控直流电，可控整流是利用晶闸管可控的单向导电性，通过控制其触发角，将交流电转换成大小可调的直流电。目前，可制其触发角，将交流电转换成大小可调的直流电。目前，可控整流电路广泛应用于直流电动机调速、同步发电机励磁等控整流电路广泛应用于直流电动机调速、同步发电机励磁等场合。可控整流电路类型很多，按输入交流电源的不同分为场合。可控整流电路类型很多，按输入交流电源的不同分为单相、三相和多相可控整流电路；按电路结构
21、不同分为半波单相、三相和多相可控整流电路；按电路结构不同分为半波、全波和桥式可控整流电路。此外，整流电路输出端所接负、全波和桥式可控整流电路。此外，整流电路输出端所接负载的性质对整流电路输出电压和电流的波形影响很大，常见载的性质对整流电路输出电压和电流的波形影响很大，常见负载有电阻性负载、电感性负载、反电动势负载等。本节主负载有电阻性负载、电感性负载、反电动势负载等。本节主要介绍晶闸管组成的单相半控桥式整流和三相半控桥式整流要介绍晶闸管组成的单相半控桥式整流和三相半控桥式整流电路。电路。图图5-10 电阻性负载单相半控桥式整流电路电阻性负载单相半控桥式整流电路图图5-11 电阻性负载单相电阻性
22、负载单相半控桥式整流电路波形图半控桥式整流电路波形图1电阻性负载电阻性负载一、单相半控桥式整流电路一、单相半控桥式整流电路 电阻性负载的单相半控桥式整流电路电阻性负载的单相半控桥式整流电路如图如图5-10所示，图中所示，图中VT1、VT2为共阴极为共阴极连接的两个晶闸管，连接的两个晶闸管，VD1、VD2为共阳极为共阳极连接的两个二极管，其工作波形如图连接的两个二极管，其工作波形如图5-11所示。所示。在在 的正半周（的正半周（a点电位高，点电位高，b点电位低），晶闸管点电位低），晶闸管VT1和二极管和二极管VD2承受正向电压，如果在承受正向电压，如果在 时，经控制极给时，经控制极给VT1加上触
23、发脉冲加上触发脉冲 ，则晶闸管，则晶闸管VT1在在 时刻导通，形成的时刻导通，形成的电流回路为：电流回路为：aVT1 VD2b，同时晶闸管，同时晶闸管VT2和二极和二极管管VD1承受反向电压而截止。晶闸管承受反向电压而截止。晶闸管VT1和二极管和二极管VD2的导通的导通压降均很小，压降均很小，几乎全部降落在负载几乎全部降落在负载 上，因此，在上，因此，在 正半正半周，周，两端电压两端电压 的波形与的波形与 正半周从正半周从 开始后的波形相开始后的波形相同，如图同，如图5-11所示。当所示。当 瞬时值接近于零时，瞬时值接近于零时，VT1阳极电流阳极电流小于维持电流小于维持电流 ，管子将自行关断，
24、同时引起二极管，管子将自行关断，同时引起二极管VD2截截止。止。2u1tGu1tLR2uLR2uLRou2u1t2uHI 在在 的负半周（的负半周（a点电位低，点电位低，b点电位高），晶闸管点电位高），晶闸管VT2和二极管和二极管VD1承受正向电压，如果在承受正向电压，如果在 时，对晶闸管时，对晶闸管VT2加触发脉冲加触发脉冲 ，VT2和和VD1同时导通，则电路中电流回路同时导通，则电路中电流回路为：为：bVT2 VD1a，此时，此时，VT1和和VD2因承受反向电因承受反向电压而截止。当压而截止。当 瞬时值接近于零时，瞬时值接近于零时，VT2自行关断，同时引自行关断，同时引起二极管起二极管VD
25、2也截止。因此，在也截止。因此，在 的负半周，的负半周，两端电压两端电压 的波形与的波形与 负半周从负半周从 开始后的波形相同，但电压方向不开始后的波形相同，但电压方向不变，变，值为正，如图值为正，如图5-11所示。所示。2uGuLR2uLR2uou2u2t2tou根据图根据图5-11中输出电压中输出电压 的波形，的波形，的平均值的平均值 为为:ououoU2cos19.0)cos1(2)(sin21222UUttdUUo式中，式中，为晶闸管承受正向电压而未导通的角度，称为控制角为晶闸管承受正向电压而未导通的角度，称为控制角(触发角触发角)，为晶闸管导通的角度，称为导通角。显然，为晶闸管导通的
26、角度，称为导通角。显然，通过改变触发脉冲的送入时间，可以改变控制角通过改变触发脉冲的送入时间，可以改变控制角 ，使，使 波波形和平均值也随之改变。形和平均值也随之改变。角越大，输出电压角越大，输出电压 的平均值的平均值 就越小。就越小。ououoU输出电流平均值输出电流平均值 为为:oILLooRURUI2)cos1(9.02晶闸管及二极管中电流平均值为晶闸管及二极管中电流平均值为 oDTIII21输出电压有效值为输出电压有效值为 22121222sin)()sin(UtdtUU输出电流有效值为输出电流有效值为 2212sinLLRURUI通过整流元件的电流有效值为通过整流元件的电流有效值为
27、IRUtdtRUIILLdt212241221222sin)()sin(【例例5-1】某纯阻性负载，需要输出可调的直流电压，当某纯阻性负载，需要输出可调的直流电压，当 在在0100V调节时，负载电流调节时，负载电流 在在010A范围变化。采用单相半范围变化。采用单相半控桥式整流电路，试求：控桥式整流电路，试求：(1)交流电压有效值交流电压有效值 ；(2)选择整流选择整流元件；元件；(3)在控制角在控制角 时，输出电压平均值时，输出电压平均值 为多少。为多少。oUoI2U 60oU解解:（1）求交流电压有效值）求交流电压有效值 2U 为充分利用整流元件的承载能力，应尽可能使晶闸管在导为充分利用整
28、流元件的承载能力，应尽可能使晶闸管在导通角通角 接近最大值（接近最大值（）时达到最大输出电压，即）时达到最大输出电压，即 时，时，。180 0V100oU201901002cos.UV1119.01002U 考虑到电网电压波动、晶闸管压降，且导通角考虑到电网电压波动、晶闸管压降，且导通角 一般只一般只能达到能达到 ，因此交流电压实际值要比计算值，因此交流电压实际值要比计算值 ，故，故取取 。170160%10V1222U（2）选择整流元件）选择整流元件 流过晶闸管和二极管的平均电流为流过晶闸管和二极管的平均电流为 A5102121ODTIII为保证管子安全工作，一般情况下为保证管子安全工作，一
29、般情况下 和和 应按下述关系确定应按下述关系确定 DRMURRMURMFMRRMDRMUUUU).().(251251其中其中 V5172212222.UUURMFM因此因此 V3452595.172)25.1(RRMDRMUU 根据计算结果，可选用晶闸管根据计算结果，可选用晶闸管KP10(通态平均电流通态平均电流10A，峰值电压峰值电压500V)两只，整流二极管两只，整流二极管2CZ/500（正向电流（正向电流10A，最高反向电压最高反向电压500V）两只。）两只。（3）时时 60V4.82260cos11229.02cos19.02UUo2电感性负载电感性负载图图5-12 电感性负载单相半
30、控桥式整流电路电感性负载单相半控桥式整流电路图图5-13 电感性负载单相电感性负载单相半控桥式整流电路波形图半控桥式整流电路波形图 实际中，有些负载（如电机励磁线圈、各种电感线圈等）实际中，有些负载（如电机励磁线圈、各种电感线圈等）的电感与电阻数值相比不能忽略，称为电感性负载。电感性负的电感与电阻数值相比不能忽略，称为电感性负载。电感性负载可以等效为电感载可以等效为电感L与电阻与电阻RL的串联，图的串联，图5-12为电感性负载的为电感性负载的单相半控桥式整流电路。单相半控桥式整流电路。图图5-14 接有续流二极管的单相半控桥式整流电路接有续流二极管的单相半控桥式整流电路 为了避免失控现象，可在
31、负载两端并联续流二极管为了避免失控现象，可在负载两端并联续流二极管VD5，如图如图5-14所示。所示。【例例5-2】电感性直流负载由带续流二极管的单相半控桥式整电感性直流负载由带续流二极管的单相半控桥式整流电路供电，负载电阻为流电路供电，负载电阻为 ，输入交流电压为，输入交流电压为220V，控制，控制角角 ，试求：（，试求：（1）流过晶闸管的平均电流；（）流过晶闸管的平均电流；（2）晶闸）晶闸管所承受的最大电压；（管所承受的最大电压；（3）续流二极管中电流的平均值。）续流二极管中电流的平均值。10 45解解:（1）当）当 时，输出电压平均值为时，输出电压平均值为 45V169245cos122
32、09.02cos19.02UUo负载电流负载电流 A9.1610169LooRUI晶闸管导通角晶闸管导通角 oo135180晶闸管电流的平均值晶闸管电流的平均值 A3.69.163601352oooTII（2）晶闸管承受的最大正反向电压为）晶闸管承受的最大正反向电压为 V31122U（2）续流二极管电流的平均值）续流二极管电流的平均值 A63.618045oooDII图图5-15 三相半控桥式整流电路三相半控桥式整流电路二、三相半控桥式整流电路二、三相半控桥式整流电路 单向可控整流电路结构简单，维护方便，但输出的直流单向可控整流电路结构简单，维护方便，但输出的直流电压脉动较大，只适用于小功率场
33、合。当负载容量较大或要电压脉动较大，只适用于小功率场合。当负载容量较大或要求电压脉动较小时，常采用三相可控整流电路。三相可控整求电压脉动较小时，常采用三相可控整流电路。三相可控整流电路输出电压高、脉动较小、脉动频率高、动态响应快，流电路输出电压高、脉动较小、脉动频率高、动态响应快，并且三相负荷比较均匀，在大功率场合得到广泛应用。本节并且三相负荷比较均匀，在大功率场合得到广泛应用。本节主要介绍三相半控桥式整流电路。主要介绍三相半控桥式整流电路。1.电路结构电路结构 2工作原理工作原理 下面以电阻性负载为例，说明三相半控桥式整流电路的下面以电阻性负载为例，说明三相半控桥式整流电路的工作过程。工作过
34、程。（1）时时 o0 变压器副边三相交流电压的一个周期被六个自然换流点变压器副边三相交流电压的一个周期被六个自然换流点划分为六段，如图划分为六段，如图5-16（a）所示，共阴极组三个晶闸管的）所示，共阴极组三个晶闸管的自然换相点在自然换相点在 、时刻，共阳极组三个二极管的自时刻，共阳极组三个二极管的自然换相点在然换相点在 、时刻。时刻。1t3t5t2t4t6t 任何时刻负载上电压为该时刻导通元件所连接的线电压，任何时刻负载上电压为该时刻导通元件所连接的线电压，进而得到负载电压进而得到负载电压 波形，如图波形，如图5-16（a）所示。）所示。ou图图5-16 三相半控桥式整流电路波形图三相半控桥
35、式整流电路波形图（a）0（2）时时 0 晶闸管和二极管不在自然换相点换相，而是从自然换相点晶闸管和二极管不在自然换相点换相，而是从自然换相点后移后移 角时开始换相，其工作过程与角时开始换相，其工作过程与 时基本相同，图时基本相同，图5-16（b）和（）和（c）分别为）分别为 和和 时输出电压的波形。时输出电压的波形。03090ou 当当 时，时，一个周期内仍有六个波峰，波形是连一个周期内仍有六个波峰，波形是连续的，但脉动不均匀。当续的，但脉动不均匀。当 600 时，一个周期内只有三个波时，一个周期内只有三个波峰，电压波形不连续，因此峰，电压波形不连续，因此 是是 波形连续的临界状态波形连续的临
36、界状态.600 60ou 由由 波形可见，三相半控桥式整流电路的触发脉冲间隙是波形可见，三相半控桥式整流电路的触发脉冲间隙是1200，每个脉冲的最大移相范围是，每个脉冲的最大移相范围是1800，每个晶闸管的最大，每个晶闸管的最大导通角为导通角为1200，调节控制角，调节控制角 的大小可改变输出电压的大小可改变输出电压 的波的波形及大小。形及大小。ouou图图5-16 三相半控桥式整流电路波形图三相半控桥式整流电路波形图（b）30（c）903参数计算参数计算 时，输出电压波形如图时，输出电压波形如图5-16（b）所示，整流输出）所示，整流输出电压电压 的平均值等于的平均值等于 期间曲线面积的平均
37、值。为便于期间曲线面积的平均值。为便于分析，以分析，以 点为坐标原点，输出电压平均值为点为坐标原点，输出电压平均值为 30ou21tt0)()(3/213/23/23/aacaabotdutduU213422cos.U90 时，输出电压波形如图时，输出电压波形如图5-16（c）所示，整流输出）所示，整流输出电压的平均值等于电压的平均值等于 期间曲线面积的平均值期间曲线面积的平均值 11tt213422332122cos.)(sin/UttdUUo213422cos.UUo 因此，因此，时三相半控桥式整流电路输出电压平均值时三相半控桥式整流电路输出电压平均值为：为：0负载电流平均值为：负载电流平
38、均值为：LooRUI 流过整流元件的电流平均值和有效值分别为：流过整流元件的电流平均值和有效值分别为：oDTIII2odtIII2 整流元件承受的最大正、反向电压等于三相线电压的整流元件承受的最大正、反向电压等于三相线电压的最大值为：最大值为：2245223UUURM.【例例5-3】三相半控桥式整流电路，带大电感负载并接有续流三相半控桥式整流电路，带大电感负载并接有续流二极管。要求输出整流电压在二极管。要求输出整流电压在30100V可调，负载电阻为可调，负载电阻为 ，最小控制角最小控制角 。求（。求（1）最大控制角）最大控制角 ；（；（2）流过晶）流过晶闸管及整流二极管的电流平均值和有效值。闸
39、管及整流二极管的电流平均值和有效值。1030minmax解解:（1）由最小控制角）由最小控制角 和最大整流输出电压可得变压器二和最大整流输出电压可得变压器二次侧电压次侧电压 为为 min2U)()cos(.)cos(.V463013421002134222oUU当时，整流输出电压最小，即当时，整流输出电压最小，即 46)cos1(34.2302max116146342302).arccos(max（2）晶闸管和整流二极管电流平均值的最大值发生在）晶闸管和整流二极管电流平均值的最大值发生在时，时，30min)(A1010100LooRUI此时此时 ，流过晶闸管的电流平均值和有效值为，流过晶闸管的
40、电流平均值和有效值为 150180)(.A174103601502oDTIII6.45(A)103601502odtIII 对于三相桥式半控整流电路而言，只有当对于三相桥式半控整流电路而言，只有当 时，续时，续流二极管中才有电流流过。流二极管中才有电流流过。60第三节第三节 晶闸管触发电路晶闸管触发电路 在可控整流电路中，要使晶闸管导通，除需要在晶闸管阳在可控整流电路中，要使晶闸管导通，除需要在晶闸管阳极和阴极之间加正向电压外，还需同时在控制极和阴极之间加极和阴极之间加正向电压外，还需同时在控制极和阴极之间加触发电压。能够按要求产生控制极触发电压的电路称为晶闸管触发电压。能够按要求产生控制极触
41、发电压的电路称为晶闸管触发电路。为保证晶闸管能够可靠稳定地工作，对晶闸管触发触发电路。为保证晶闸管能够可靠稳定地工作，对晶闸管触发电路有如下几点要求：电路有如下几点要求：（1）触发信号可为直流、交流或脉冲信号。）触发信号可为直流、交流或脉冲信号。（2）触发电路应能提供足够大的触发电压和触发电流，即足）触发电路应能提供足够大的触发电压和触发电流，即足够大的触发功率，以保证晶闸管能够可靠触发。够大的触发功率，以保证晶闸管能够可靠触发。（3）触发信号应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使晶）触发信号应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使晶闸管在触发导通后，阳极电流能迅速上升。闸管在触发导通后，阳极电
42、流能迅速上升。（4）触发脉冲必须与晶闸管阳极交流电压同步，脉冲移相范）触发脉冲必须与晶闸管阳极交流电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。围必须满足电路要求。在可控整流电路中，为保证控制的规律性，要求每个晶闸在可控整流电路中，为保证控制的规律性，要求每个晶闸管的阳极电压在相同的控制角触发导通，因此要求触发脉冲的管的阳极电压在相同的控制角触发导通，因此要求触发脉冲的频率必须与阳极电压一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保频率必须与阳极电压一致，且触发脉冲的前沿与阳极电压应保持固定的相位关系，这称为触发脉冲与阳极电压同步。持固定的相位关系，这称为触发脉冲与阳极电压同步。除了这些基本要求外，还要求触发
43、电路工作可靠、简单经除了这些基本要求外，还要求触发电路工作可靠、简单经济、体积小、重量轻等。济、体积小、重量轻等。触发电路种类很多，本节主要介绍单结晶体管触发电路。触发电路种类很多，本节主要介绍单结晶体管触发电路。一、单结晶体管的结构和特性一、单结晶体管的结构和特性 1结构结构 单结晶体管的外形与小功率三极管相似，有三个电极，单结晶体管的外形与小功率三极管相似，有三个电极，分别为两个基极（第一基极分别为两个基极（第一基极B1、第二基极、第二基极B2）和一个发射极）和一个发射极E。单结晶体管的符号和结构如图。单结晶体管的符号和结构如图5-17所示。所示。图图5-17 单结晶体管结构与符号单结晶体
44、管结构与符号(a)结构结构 (b)符号符号2伏安特性伏安特性 单结晶体管的伏安特性是指当两个基极单结晶体管的伏安特性是指当两个基极B1和和B2间电压间电压EBB不变时，发射极电流不变时，发射极电流IE与发射极电压与发射极电压UE之间的关系。实验电之间的关系。实验电路及等效电路如图路及等效电路如图5-18所示，特性曲线如图所示，特性曲线如图5-19所示。所示。图图5-18 单结晶体管特性曲线测试电路单结晶体管特性曲线测试电路（a）实验电路）实验电路 （b）等效电路）等效电路图图5-19 单结晶体管特性曲线单结晶体管特性曲线图图5-20 单结晶体管驰张振荡电路单结晶体管驰张振荡电路 （a）电路图）
45、电路图 （b）电压波形图）电压波形图二、单结晶体管触发电路二、单结晶体管触发电路1弛张振荡电路弛张振荡电路 利用单结晶体管的负阻特性，接上适当的电阻、电容，利用单结晶体管的负阻特性，接上适当的电阻、电容，即可构成单结晶体管驰张振荡电路，电路如图即可构成单结晶体管驰张振荡电路，电路如图5-20（a）所）所示。示。单结晶体管两个基极分别串接了电阻单结晶体管两个基极分别串接了电阻R1和和R2，其中，其中R1用用来输出频率可调的脉冲电压，来输出频率可调的脉冲电压，R2用来进行温度补偿。当温度用来进行温度补偿。当温度升高时，升高时，PN结的正向导通压降会有所降低结的正向导通压降会有所降低(负温度系数负温
46、度系数)，当，当UBB一定时，一定时，UP便会随之降低。串接便会随之降低。串接R2以后，当温度升高时，以后，当温度升高时，单结晶体管的内电阻单结晶体管的内电阻RBB随之增大，因而在电压一定情况下，随之增大，因而在电压一定情况下，流过流过R2的电流会减小，的电流会减小，UBB随之增大，从而限制了随之增大，从而限制了UP的下降。的下降。2.触发电路触发电路图图5-21 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 由单结晶体管构成的触发电路如图由单结晶体管构成的触发电路如图5-21所示，图中上半部所示，图中上半部分是主电路，为半控桥式整流电路带阻性负载，下半部分为分是主电路，为半控桥式整流电路带阻性负载，
47、下半部分为触发电路，从触发电路，从R1两端输出的触发脉冲两端输出的触发脉冲uG直接加到晶闸管的控直接加到晶闸管的控制极与阴极之间，为主电路中的晶闸管制极与阴极之间，为主电路中的晶闸管VT1和和VT2提供控制极提供控制极触发信号。触发信号。图图5-22 单结晶体管触发电路各部分电压波形单结晶体管触发电路各部分电压波形第四节第四节 逆变电路逆变电路 整流电路将交流电转换为直流电，完成整流电路将交流电转换为直流电，完成AD/DC变换，逆变换，逆变电路则是将直流电转换为交流电，完成变电路则是将直流电转换为交流电，完成DC/AC变换，因此变换，因此逆变为整流的逆过程。将直流电转换为交流电直接供给负载逆变
48、为整流的逆过程。将直流电转换为交流电直接供给负载的逆变电路称为的逆变电路称为无源逆变电路（无源逆变器）无源逆变电路（无源逆变器）；将直流电转；将直流电转换为交流电又馈送到交流电网的逆变电路称为换为交流电又馈送到交流电网的逆变电路称为有源逆变电路有源逆变电路（有源逆变器）（有源逆变器）。无源逆变电路可以将直流电转换为频率、幅值固定或可无源逆变电路可以将直流电转换为频率、幅值固定或可变的交流电并直接供给负载。变的交流电并直接供给负载。“无源无源”是指逆变电路的输出是指逆变电路的输出与电网交流电无关。无源逆变电路在生产中得到广泛应用，与电网交流电无关。无源逆变电路在生产中得到广泛应用，如金属冶炼、感
49、应加热、淬火时使用的中频和高频交流电源；如金属冶炼、感应加热、淬火时使用的中频和高频交流电源；交流电动机变频调速时使用的变频电源；搅拌、振动等设备交流电动机变频调速时使用的变频电源；搅拌、振动等设备使用的低于使用的低于50Hz的交流电源，等等。的交流电源，等等。一、无源逆变电路一、无源逆变电路 无源逆变常与变频的概念联系在一起，变频电路是指能无源逆变常与变频的概念联系在一起，变频电路是指能改变交流电频率的电路。变频电路按电路转换情况分为两种：改变交流电频率的电路。变频电路按电路转换情况分为两种：交交直直交变频和交交变频和交交变频。其中，交交变频。其中，交直直交变频电路交变频电路由交由交直变换电
50、路和直直变换电路和直交变换电路两部分组成，其中交变换电路两部分组成，其中“直直交变换电路交变换电路”就属于无源逆变电路，是交就属于无源逆变电路，是交直直交变交变频电路的核心。频电路的核心。无源逆变电路种类很多：按相数可分为单相逆变和三相无源逆变电路种类很多：按相数可分为单相逆变和三相逆变，单相逆变适用于小功率场合，三相逆变应用于中大功逆变，单相逆变适用于小功率场合，三相逆变应用于中大功率场合；按输入直流电源的特点可分为电压型逆变（输入电率场合；按输入直流电源的特点可分为电压型逆变（输入电源为恒压源）和电流型逆变（输入电源为恒流源）；按电路源为恒压源）和电流型逆变（输入电源为恒流源）；按电路结构
