电力电子技术第二章整流器

第1讲整流器主要内容：•功率（电力）二极管•单相整流器•三相整流器0.1.1电力电子器件的概念和特征主电路（MainPowerCircuit）—电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子器件（PowerElectronicDevice）—可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。0.1.1电力电子器件的概念和特征广义上电力电子器件可分为电真空器件（ElectronDevice）和半导体器件（SemiconductorDevice）两类。•两类中，自20世纪50年代以来，真空管（VacuumValve）仅在频率很高（如微波）的大功率高频电源中还在使用，而电力半导体器件已取代了汞弧整流器（MercuryArcRectifier）、闸流管（Thyratron）等电真空器件，成为绝对主力。因此，电力电子器件目前也往往专指电力半导体器件。•电力半导体器件（PowerSemiconductorDevice）所采用的主要材料仍然是硅0.1.1电力电子器件的概念和特征同处理信息的电子器件相比，电力电子器件的一般特征：1)能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是最重要的参数•其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级,大多都远大于处理信息的电子器件。0.1.1电力电子器件的概念和特征2)电力电子器件一般都工作在开关状态•导通时【通态（On－State）】阻抗（Impedance）很小，接近于短路，管压降（VoltageAcrosstheTube）接近于零，而电流由外电路决定•阻断时【断态（Off－State）】阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，而管子两端电压由外电路决定•电力电子器件的动态特性（DynamicSpeciality）【也就是开关特性（SwitchingSpeciality）】和参数，也是电力电子器件特性很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。•作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替0.1.1电力电子器件的概念和特征3)电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制•在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是电力电子器件的驱动电路(DrivingCircuit）4)为保证不致于因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，不仅在器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。•导通时器件上有一定的通态压降（On-stateVoltagedrop），形成通态损耗（On-stateLosses)•阻断时器件上有微小的断态漏电流（LeakageCurrent）流过，形成断态损耗(Off-stateLosses）0.1.1电力电子器件的概念和特征•在器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗（TurningonLosses）和关断损耗（TurningoffLosses），总称开关损耗（SwitchingLoss）•对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成器件发热的原因之一•通常电力电子器件的断态漏电流（LeakageCurrent）极小，因而通态损耗是器件功率损耗的主要成因•器件开关频率（SwitchingFrequency）较高时，开关损耗会随之增大而可能成为器件功率损耗的主要因素0.1.2应用电力电子器件的系统组成电力电子系统：由控制电路（ControlCircuit）、驱动电路（DrivingCircuit）和以电力电子器件为核心的主电路（MainCircuit）组成图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成0.1.2应用电力电子器件的系统组成控制电路（ControlCircuit）按系统的工作要求形成控制信号（ControlSignal），通过驱动电路（DrivingCircuit）去控制主电路（MainCircuit）中电力电子器件的通或断（Turn-onorTurn-off），来完成整个系统的功能。0.1.3电力电子器件的分类按照器件能够被控制电路信号所控制的程度，分为以下三类：1)半控型器件(Semi-controlledDevice)——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断•晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件；•器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定；0.1.3电力电子器件的分类2)全控型器件(Full-controlledDevice)——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件•绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）•电力场效应晶体管（PowerMOSFET，简称为电力MOSFET）•门极可关断晶闸管（Gate-Turn-OffThyristor—GTO）0.1.3电力电子器件的分类3)不可控器件(UncontrolledDevice)——不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路•电力二极管（PowerDiode）•只有两个端子，器件的通和断是由其在主电路中承受的电压和电流决定的；1.1功率二极管1.功率二极管的结构1.1SR的结构和工作原理电力二极管（PowerDiode）也称为半导体整流器，简称SR,属不可控电力电子器件。2.功率二极管的工作原理•由于PN结具有单向导电性，所以二极管是一个正方向单向导电、反方向阻断的电力电子器件。基本结构和工作、原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种。1.1.2功率二极管的特性和主要参数1.功率二极管的特性(1)功率二极管的伏安特性•二极管具有单向导电能力，二极管正向导电时必须克服一定的门槛电压Uth(又称死区电压)，当外加电压小于门槛电压时，正向电流几乎为零。硅二极管的门槛电压约为0.5V，当外加电压大于Uth后，电流会迅速上升。当外加反向电压时，二极管的反向电流IS是很小的，但是当外加反向电压超过二极管反向击穿电压URO后二极管被电击穿，反向电流迅速增加。电力二极管的伏安特性曲线正向导通反向击穿反向截止状态（1）普通二极管：普通二极管又称整流管（RD），其反向恢复时间在５μs以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。（2）快恢复二极管：反向恢复时间在５μs以下的称为快恢复二极管（FastRecoveryDiode简称FDR）。（3）肖特基二极管：肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.4～0.6V，而且它的反向恢复时间短，为几十纳秒。但反向耐压在200Ｖ以下。2、电力二极管的主要类型：三、电力二极管的主要参数额定正向平均电流——在指定的管壳温（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。设该正弦半波电流的峰值为Im,则0)(sin21mmAVFIttdII2)sin(2102mmFItdtII额定电流有效值为:（1）额定正向平均电流IF(AV)额定电流(平均电流)为:正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有1.5~2倍的裕量。FRFRFrms57.12III2020202002|))2sin(21(21)())2cos(1(21)())sin((2|)cos()()sin(mmmmmmIttItdtItdtIIttdtI（2）反向重复峰值电压ＵRRM：指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压）此电压通常为击穿电压UＢ的2/3。（3）正向压降ＵF：指规定条件下，流过稳定的额定电流时，器件两端的正向平均电压(又称管压降)。1.2单相整流器（不控整流）1.2.1单相半波整流器带电阻性负载1.工作原理TSRR0a)u1u2uVTudidt12tttu2uVTb)b)c)00Ud(2)二极管承受的最大正反向电压Um22mUU2数量关系(1)直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id•直流输出电压平均值Ud:•输出电流平均值Id:RUI2d45.02202d45.0π2dsin2π21UUttUU1.2.2单相半波整流器带电感性负载•1.工作原理•电源供给的能量一部分用于电阻发热，一部分用于电感储能；交流电压过零时，由于电感电势存在，二极管仍要导通部分时间。•输出直流电压和电流的平均值减小；a)u1TSRRLu2uVTudidu20t12tttt0id0uVT0b)d)e)f)++uD在整流电路的负载两端并联续流二极管当u2过零变负时，VDR导通，ud为零。此时为负的u2通过VDR向SR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，此过程通常称为续流。续流期间ud为零，ud中不再出现负的部分。a)SRidb)c)d)e)f)g)LTRu1u2udVDRiVDRIdttttOOOOiVDRu2udidIdttOOUsrisrIsrUsr图2-4单相半波带阻感负载有续流二极管的电路及波形(3)续流二极管的电流平均值IdDR与续流二极管的电流有效值IDR(4)整流二极管和续流二极管承受的最大正反向电压整流和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值。ddDR21IId02dDR22)(21ItdII2m2UU1.2.3单相全波整流器•电路拓扑•工作原理a)b)u1Tu2u2i1SR1SR2ududUsr2OOtt1.2.4单相桥式整流器•电路拓扑•工作原理Ti2aVT1VT3idRu1u2a)bVT2VT4udttt000i2udidb)c)d)ud(id)uVT1,41.3.1三相半波整流器a)b)c)d)e)f)u2abcTRudidVT2VT1VT3uaubucOt1t2t3udOOuabuacOiVT1uVT1tttt电路的特点：►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3次谐波流入电网。►三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。在t1~t2期间，VD1导通，ud=ua在t2~t3期间，VD2导通，ud=ub在t3~t4期间，VD3导通，ud=uc第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为uT1=0第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，uT1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，在VT3导通期间，uT1=ua-uc=uac为另一段线电压。1.3三相整流器（不控整流）1.3.2三相桥式整流器bacTn负载iaidudSR1SR3SR5SR4SR6SR2d2d1共阴极组阴极连接在一起的3个二极管（SR1，SR3，SR5）共阳极组阳极连接在一起的3个二极管（SR4，SR6，SR2）导通顺序：SR1－〉SR2－〉SR3－〉SR4－〉SR5－〉SR6自然换向时，每时刻导通的两个二极管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。共阴极组的3个二极管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。共阳极组的3个二极管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。u2ud1ud2u2LuduabuacuabuacubcubaucaucbuabuacuabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥuaucubt1OtOtOtOt=0iVT1uVT1a=0时，各晶闸管均在自然换相点换相分析Ud波形，可从相电压波形分析，也可从线电压波形分析从相电压波形共阴极组晶闸管导通时，整流输出电压ud1为相电压在正半周的包络线共阳极组晶闸管导通时，整流输出电压ud2为相电压在负半周的包络线总的整流输出电压ud=ud1-ud2是两条包络线的差值将其对应在线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线从线电压波形共阴极组处于通态的晶闸管对应最大的相电压共阳极组处于通态的晶闸管对