Power Electronics电力电子技术 晶闸管.pdf

第一章晶闸管第一节晶闸管的结构和工作原理 第二节晶闸管的特性和主要参数2第一章晶闸管Q1:SCR的双晶体管模型Q2:SCR的工作原理Q3:SCR的导通关断条件Q4:SCR的额定电压Q5:SCR的额定电流定义Q6:SCR的额定电流选取方法Q7:SCR的维持电流与擎住电流Q8:SCR应用时为什么要限制du/dtQ9:SCR应用时为什么要限制di/dt复习AGKa)第一节晶闸管的结构和工作原理 晶闸管内部管芯结构：双晶体管模型b)c)复习第一节晶闸管的结构和工作原理1.晶闸管的导通关断条件1导通条件：Uak AN D Ugk0仇0适当值）2关断条件：减小至维持电流以下Uak减小到零或加反压来达到3 一旦导通，门极失去控制可用脉冲信号控制只能控制导通，不能控制关断5复习第一节晶闸管的结构和工作原理L晶闸管的工作原理导通的过程:Ig-Ib2-(Ibl)Id正反馈!复习第二节晶闸管的特性和主要参数一、晶闸管的伏安特性Uak与U之间的变化关系曲线复习第二节 晶闸管的特性和主要参数:、晶闸管的主要参数1）电压参数Udsm断态不重复峰值电压UDRM 一断态重复峰值电压Ursm 反向不重复峰值电压Urrm 反向重复峰值电压额定电压：min（UDRM，Urrm）取整Uon-通态平均电压（管压降）：通过正弦半波的额定通态平均电流和额定结温时，A-K电压降平均值8复习第二节 晶闸管的特性和主要参数八晶闸管的主要参数2）电流参数kav一通态平均电流（额定电流）允许通过皿工频正弦半波电流的平均值（环境温度+40度和规定的冷却条件下导通角不小于 170度阻性负载电路）允许通过的盾流有初管1t=l-57ITav1.57：正弦半波的波形系数&（=IT/Id）具体应用中的SCR初定名流遥放：根据有效值！Lv=(l52)It/1.57=(1.5-2)Kfld/1.579复习第二节 晶闸管的特性和主要参数八晶闸管的主要参数2）电流参数 I,L通态平均电流（额定电流）维持电流2H 强晶闸管维持导通所必需的最小电流 擎住电流IL晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流对同一晶闸管来说，通常人约为4的24倍 浪涌电流Itsm指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流 10复习第二节 晶闸管的特性和主要参数八晶闸管的主要参数3）动态参数 du/dt一断态电压临界上升率条件：额定结温，门极开路使SCR保持断态所能承受的最大电压上升率超过会误导通:J2结电容效应一位移电 流限制方法：在SCR A-K两端并RC（防止截止期间误导通）复习第二节晶闸管的特性和主要参数八晶闸管的主要参数3）动态参数 di/dt通态电流临界上升率在规定条件下，SCR门极触发开通时，SCR能承受的 不会导致损坏的通态电流最大上升率J hdi/dt超过会引起过热损坏：电流集中！限制方法：在阳极电路串一小电感；钥片快速上升町强触发脉冲可提Wjdi/dt承受能力 12第二节 晶闸管的特性和主要参数:、晶闸管的主要参数3）动态参数 3n-门极控制开通时间 tN=td（延时）+口上升）13第二节 晶闸管的特性和主要参数:、晶闸管的主要参数3）动态参数 电路换向关断时间.工（反向恢复）+1用（门极恢复）SCR承受反压时间必须大于丁小3第二节 晶闸管的特性和主要参数 动态特性15第二节 晶闸管的特性和主要参数三、晶闸管的门极伏安特性和参数定额门极伏安特性：UGK-g关系。与二极管相仅三个区：不触发区：0UqD一IqdUgd不触发电压Igd不触发电流可靠触发区：ABCGFEDUgt触发电压Igt触发电流不可靠触发区：ABCJIH第二节 晶闸管的特性和主要参数入晶闸管的门极伏安特性和参数定额(a)第一章学习要求!了解、掌握晶闸管的：电工符号，三个极名称；内部结构构成及工作原理（双晶体管模型）；开通和关断条件;基本特性（伏安特性）主要参数；额定电流 门极可靠触发区选取选择和使用中应注意的一些问题18晶闸管的选取方法!主要包括额定电压、额定电流参数两部分。额 定电压参数的选取主要是根据晶闸管所承受的 最大电压，再根据要求乘以电压安全裕量系数;额定电流参数的选取：根据实际应用中电流的 平均值、波形确定电流的有效值；按电流有效 值选通态电流平均值（有效值/L57）；再根据 要求乘以电流安全裕量系数。根据计算的电压和电流的数值，及生产厂家提 供的晶闸管的参数表，就可确定所选晶闻管的 型号。(P10 表 1-1)19电力电子技术Power Electronics第二章可控整流电路20第二章可控整流电路本课程重点内容之一（一般30%）主要内容：几种常用的可控整流电路及工作原理，不同性质 负载下电压电流波形，电量基本关系，掌握分析 方法；工作原理一波形分析一定量分析掌握各种电路特点和应用范围，根据用电设备要 求正确设计可控整流电路及元件的参数21可控整流电路简介A电能的变换：整流器、逆变器、斩波器、交 流调压器A整流电路的定义：将交流电变换成大小可以 调节的直流电，是出现最早的电力电子电路A整流电路的分类：按组成的器件可分为不可控、半控、全控按电路结构可分为桥式电路和零式电路按交流输入相数分为单相电路和多相电路22几种典型的单相可控整流电路A单相半波整流电路A单相桥式全控整流电路A单相桥式半控整流电路带电阻负载的工作情况带阻感负载的工作情况带反电动势负载时的工作情况23可控整流电路的学习要领A熟悉可控整流电路并掌握分析方法A根据电路负载性质，分析导通关断物理过程A不同性质负载下电压电流波形，电量基本关系掌握各种电路特点和应用范围A根据用电设备要求正确设计可控整流电路及元 件的参数24单相半波可控整流电路单相半波整流电路纯阻性负载工作情况阻感性负载工作情况带续流二极管的阻感性负载工作情况25单相半波可控整流电路带电阻负载的工作情况电路由变压器、晶闸管 和电阻负载组成变压器T起幅值变换和电 气隔离的作用电阻负载的特点：电压 与电流成正比，两者波 形相同。基础：晶闸管的开通和关断条件晶闸管正常工作时的开通和关断原理:金承受反向电压时，不论门极是否有触发电 流，晶闸管都不会导通。小承受正向电压时，仅在门极有触发电流的 情况下晶闸管才能开通。+晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。中要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降 到接近于零的某一数值以下。27单相半波可控整流电路带电阻负载的工作情况(0,u)t 1)末加门极驱动电压情况：假设：SCR(VT)为理想开关 u2=U2mSinu)t单相交流电源%0 时：SCR承受正向电压 若无门极触发信号：SCR一正向阻断；承受电压为：u2；5=0单相半波可控整流电路带电阻负载的工作情况(cot 1,71)当 u)t=a 时：加触发信号：SCR导通iT=id=i2(副边回路)Ud=U2id=ud/R=u2/R 3t=TT 时：1T=d=2=0SCR关断单相半波可控整流电路带电阻负载的工作情况（71 9 2兀）SCR承受反压阻断a）单相半波可控整流电路%为脉动直流，只在2 正半周出现，一半波 整流可控器件+交流输入为 单相一单相半波可控 整流电路%波形在一个电源周 期中只脉动1次一单脉 波整流电路单相半波可控整流电路几个重要的基本概念:-触发角a：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-导通角0：晶闸管在一个 电源周期中处于通态的电 角度-移相范围：控制角的变化 范围单相半波可控整流带电阻负载的工作情况直流输出电压平均值为J7d=-血。？sin td(t)2冗%V2Z7?、八一7 l+cosaU&=(I+cosof)0.45U 2-d)VT的a移相范围为180。相控整流：通过控制触发 脉冲的相位，即可控制直流 输出电压大小e)单相半波可控整流电路阻性负载情况小结*SCR管触发导通，将交流电变成脉动的直流电*改变a角，可以改变输出电压电流波形和大小*SCR管可能承受的最大反向电压为5电压峰值,:大正向电压为5峰值SCR是否能触发导通的依据是电压正偏卜SCR从导通变关断的依据是流过SCR的电流为零（或AK两端电压小于零）34单相半波可控整流电路单相半波整流电路纯阻性负载工作情况阻感性负载工作情况带续流二极管的阻感性负载工作情况35单相半波可控整流电路电感的特性 根据电磁感应定律：当有变动电流通过电感时，由于穿过 线圈的磁通随之而变动，线圈中将会有感应电动势产生；根据楞次定律：感应电流产生的磁通总是反抗回路中原磁 通量的变化，即与电流净增加方向相反；根据电感电流的变化，可以得知感应电动势的大小和方向d(Li)T di u Ldt dt 所以感应电动势的实际方向总是企图阻止电流的变化；电 感电流不能发生突变单相半波可控整流电路电感的能量 电感所储存的磁场能量1 9 WL(t)=-Lit)当电流绝对值增加时，电感元件储能增加，元件吸 收电能转变为磁场能量 当电流绝对值减小时，电感元件储能减小，元件将 磁场能量释放出来转变成电能 电感是一种储能元件，并不将吸收的能量消耗掉，而是以磁场能量形式储存，也不会释放出多于吸收 储存的能量-无源器件37单相半波可控整流电路电感的伏秒积平衡 如果电感电流周期性变化，且工作在稳定状态，即 电感的电流在周期开始时的值等于该周期结束时的 值，那么电感一个周期内的伏秒积为零，即电感的 二端的电压平均值为零dt L1 rTs乙（力一乙（0）=7上 A（t）dt=O10uL=0=uL38单相半波可控整流电路带感性负载的工作情况阻感负载的特点：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。电压过零时VT维持导通；电流过零时VT关断；负载端电压平均值下降1 COL+0/-Ud=-V 2U2 sin cotd(cot)27c Jc=V2Z721cosc cosQ+9)单相半波可控整流电路带感性负载的工作情况导通角的计算VT处于通态时，如下方程成立：L色+Ri.=V2t72 sin cot dt初始条件：wt=a，id=0,求解z=Jr2+(2,4iu2,z、d=一丁 sin(a-9)e一-a)2./、3L+-sin(cot-9)7ja)L(p=arctan R当3t=8+a时，id=。，代入式整理得3负载阻抗、阻抗角sin(cr-cp)e tan=sin(g+cr 0)40单相半波可控整流电路负载阻抗角6触发角a、晶闸管导通角0的关系-若(P为定值，a越大,在山正半周L储能越少，维持导电的能力就越弱，6越小-若a为定值，中越大,电感量越大，则L贮能越多，e 越大-若a为定值，中越大,在为负半周L维持晶闸管 导通的时间长，川中负的部分也越多，平均值Ud越小 sin(a-(p)e tan=sm(9+a-(p)单相半波整流电路单相半波整流电路纯阻性负载工作情况阻感性负载工作情况带续流二极管的阻感性负载工作情况42单相半波可控整流电路带续流二极管为避免Ud太小，在整流电路 的负载两端并联续流二极管续流过程：-当火过零变负时，VDr导通，%为零-续流期间/为零，中不再出 现负的部分-此时为负的由通过VDr向VT施 加反压使其关断，L储存的能 量保证了电流id在L-R-VDr回 路中流通-续流b)c)d)e)f)g)单相半波可控整流电路带续流二极管与不带续流二极型占Jb)续流期间为0,4 44 中不再出现负的部分在的正半周时两者工作情况一样单相半波可控整流电路带续流二极管电路计算 当电感足够大时u)L R*一般可认为输出电流近似维持不 变，id为一条水平线，恒为耳 平均值：71 a t _ +”/dVT=2/4 dVDR 2万 有效值：单相半波可控整流电路的特点A这种电路结构简单，但输出电压脉动大A变压器二次侧电流中含直流分量，造成变 压器铁芯直流磁化A实际上很少应用此种电路46单相半波可控整流电路的小结熟悉单相半波可控整流电路和工作原理，建立起 整流电路的基本概念，学会此类电路的通用分析 方法掌握单相半波可控整流的分析方法-根据工作模态作出等效电路-列出工作模态的稳态方程-求解微分方程，获得表达式掌握两种负载下的电压电流波形，电量基本关系-根据模态作出电压和电流波形-根据时域波形求解出电压和电流的平均值和有效值47作业 P60-2-1,2-2-其中在题2-2中，（电压与电流的安全裕量均取2倍）48答疑安排答疑地点：一号楼二楼西南角的教师休息室（在1208教室旁边）答疑时间：每周一晚上18:3020:30（自第六周开始）49例题2-1题图2-1为带有续流二极管的单相半波可控整流电路，大电感负载保证电流连续。试证明输出整流电压平均值S=亚4匕7Tcos a，并画出控制角为Q时的输出整流电压2力晶闸管承受电压“T的波形LR50例题2 2-2 在上题中，U2=220V,R=10Q,要求 输出整流电压平均值030V连续可调。试求 控制角导通角e的变化范围，选择晶闸 管定额并计算变压器次级容量。（电压与 电流的安全裕量均取2倍）T51