电力电子技术__单相半控桥整流电路实验报告

四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告1/30一、实验背景整流电路，尤其是单相半控整流电路，是电力电子技术中出现最早的一种电路，它与人类生产生活实际紧密联系，应用十分广泛。单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用原件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。较为常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥。该次实验内容就是有关单相半控桥整流电路的较为简单的研究。二、实验原理（该部分所有图像均由天舒同学绘制）单相桥式半控整流电路在电阻性负载时的工作情况与全控电路完全相同，这里只介绍电感性负载时的工作情况。单相桥式半控整流电路原理图如图所示。假设负载中电感很大，且电路已工作于稳态。当电源电压u2在正半周期，控制角为α时，触发晶闸管VT1使其导通，电源经VT1和VD4向负载供电。当u2过零变负时，由于电感的作用使VT1继续导通。因a点电位低于b点电位，使得电流从VD4转移至VD2，电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。此阶段忽略器件的通态压降，则ud＝0，不像全控电路那样出现ud为负的情况。在u2负半周控制角为a时触发VT3使其导通，则向VT1加反压使之关断，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通。VT3和VD4续流，ud又为零。此后重复以上过程。若无续流二极管，则当a突然增大至180°或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管VD时，续流过程由VD完成，在续流阶段晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。该部分资料参考自、相关资料补充（该部分所有图像均由天舒同学绘制）(一)晶闸管四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告2/30晶闸管是晶体闸流管的简称，又可以称作可控硅整流器，以前被称为可控硅。晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极、阴极和门极。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。1、定义晶闸管是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。2、结构晶闸管由一个P-N-P-N四层半导体构成，中间形成三个PN结。3、分类（1）按关断、导通及控制晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。（2）按引脚和极性晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。（3）按封装形式晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。（4）按电流容量分类晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。（5）按关断速度晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。（备注：高频不能等同于快速晶闸管）4、工作原理晶闸管在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。（1）半控型晶闸管的工作条件：①晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。②晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控特性。③晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。④晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。（2）全控型晶闸管的工作条件：①晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。②晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压（或电流）的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态。③一旦晶闸管开始导通，它就被钳住在导通状态，而此时门极电流可以取消。晶闸管不能被门极关断，像一个二极管一样导通，直到电流降至零和有反向偏置电压作用在晶闸管上时，它才会截止。当晶闸管再次进入正向阻断状态后，允许门极在某个可控的时刻将晶闸管再次触发导通。以上关于晶闸管的资料来源于（二）电力二极管电力电子装置中，常常要用到不可控型器件电力二极管（PowerDiode）。电力二极管结构和原理简单、工作可靠，自20世纪50年代初期二极管出现开始到现在，一直得到广泛应用。常用的电力二极管有整流二极管（RectifierDiode）、快恢复二极管（FastRecoveryDiode）和肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode）。整流二极管常在电力电子电路中作整流、续流和隔离用，快恢复二极管和肖特基二极管分别在中、高频整流和逆变电路以及低压高频整流的场合使用。1、电力二极管的结构电力二极管的基本结构与信息电路中的普通二极管相似，是一个面积较大的PN结两端引线构成的两端半导体器件。其中，两个引线分别为阳极（Anode）和阴极（Cathode）。2、电力二极管的主要类型根据二极管反向恢复特性的不同，电力二极管主要可以分为以下三类。（1）普通二极管普通二极管又称整流二极管，多用于开关频率不高（一般在1kHz以下）的整流电路中。其反向恢复时间较长，一般在25μs左右，但正向电流和反向电压的额定值可以达到数千安和数千伏。（2）快速恢复二极管快速恢复二极管又称为开关二极管，它在制造时采用了掺金工艺，使其恢复过程时间很短，特别是反向恢复时间很短，一般在5μs以下。超快恢复二极管的反向恢复时间更短，可低于50ns。快速恢复二极管的正向压降很低，一般用于高频整流电路、斩波电路和逆变电路中。（3）肖特基二极管肖特基二极管是肖特基垒势二极管的简称，它通过金属与半导体接触形成势垒。当金属与半导体接触后，电子从导体向金属区扩散，在半导体一侧形成空间电荷区、内电场和势垒。在外电场作用下，肖特基二极管也表现出单向导电性。与以PN结为基础的结型二级管比较，肖特基二极管有以下优点：反向恢复时间短，一般在10～40μs；正向恢复过程没有明显的电压过冲；在外加电压较低时，正向压降小。但其反向电流较大，电压定额较低。多用于200V一下的低压场合。3、电力二极管的基本工作特性（1）静态工作特性电力二极管的静态工作特性是指电力二极管阳极和阴极之间的电压U与阳极电流I之间的关系，也称为伏安特性（如图所示）。图中，横坐标为阳极和阴极之间的电压，纵坐标为阳极的电流。第一象限为正向伏安特性区，表现为正向导通状态；第三象限为反向伏安特性区，表现为反向阻断状态。当电力二极管两端所加正向电压小于UTO时，电力二极管中只有很小的电流流过；当所加电压高于UTO时，正向电流急剧增加，曲线出现与纵轴平行的趋势。UTO被称为门槛电压或阈值电压。电力二极管导通后，阳极电流大小由外电路决定，电力二极管只有很小的正向管压降UF，一般为0.4～1.2V。当在电力二极管两端施加反向阳极电压时，只有很小的反向漏电流，其特性曲线几乎平行于横轴。随着反向电压的增加，反向电流有所增大。当反向电压增加到一定程度时，反向电流将急剧增大，这种现象称为电力二极管的击穿，此时所对应的电压叫做击穿电压。IIFOUTOUFU电力二极管的伏安特性该图由天舒同学用Visio软件绘制四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告4/30电力二极管的静态特性是非线性的，在正向偏置时为低阻状态，正向管压降很低，近似为短路；在反向偏置时，二极管呈高阻状态，反向电流很小，近似为开路。实际电路分析及计算时，需根据精度要求对静态特性做适当简化，以得到合适的数学模型，如把二极管看作为二值电阻或理想开关等。（2）动态工作特性电力二极管的动态工作特性是指二极管在导通和截止两种状态之间转换过程中的特性，也即电力二极管的开通和关断特性，简称开关特性。由于电力二极管结电容的存在，使其开通和关断过程不能瞬时完成，需要一定的时间，从而限制了电力二极管的工作频率。如图所示为电力二极管由零偏置到正向偏置（即开通）的动态过程波形。从图中可以看出，开通初期电力二极管两端出现较高的瞬态压降，经过一个正向恢复时间tfr达到稳态时，导通压降才降为很小。二极管导通时出现电压过冲的原因是：电导调制效应开始作用所需的大量少数载流子存储需要一定的时间，此阶段二极管导通电阻较大，所以二极管达到稳态导通前管压降较大；电力二极管开通时呈现明显的电感效应，电流上升越快，电压过冲UFP越大。如图所示为电力二极管由正向偏置到反向偏置（即关断）的动态过程波形。电力二极管在由正向偏置到反向偏置过程中，会出现一个较大的反向电流，并伴随明显的反向电压过冲。这是因为电力二极管在正向偏置时，PN结两边的多数载流子不断向对方区域扩散，成为对方区域的少数载流子，这不仅使空间电荷区变窄，而且使PN结两侧有大量的少数载流子存储。正向电流越大，所存储的少数载流子越多。当输入电压突然由正向电压变为反向电压时，PN结两边存储的载流子在反向电压作用下向各自原来的区域运动，形成反向漂移电流。由于开始时空间电荷区很窄，则二极管电阻很小，所以此时反向电流很大。经过延迟时间td后，PN结两侧存储的载流子显著减少，空间电荷区逐渐变宽，电力二极管开始重新恢复阻断能力，反向电流减小，直至经过下降时间tf后，二极管截止。在电流下降过程中，由于回路中电感的存在，会在电力二极管两端产生很高的反向电压过冲URP。将延迟时间td和电流下降时间tf之和称为电力二极管的反向恢复时间trr。4、电力二极管的主要参数要正确选择和使用电力电子器件，除了需要掌握其工作特性外，还应该了解其主要技术参数。电力二极管的主要技术参数包括正向平均电流、正向电压降、反向重复峰值电压、反向漏电流，以及前面已经介绍过的正、反向恢复时间等参数。（1）正向平均电流IF（AV）IF（AV）指在规定的壳温（+40℃）和散热条件下，器件结温达到额定温度切稳定时，电力二极管允许长时间通过的工频正弦半波电流的平均值。在选择电力二极管时，正向平均电流的确定是按照发热条件决定的，即需按电流有效值来选取。对于工频正弦半波电流，波形如图所示，当电流峰值为Im时，正弦半波电流平均值为u，iUFPiF2VuFtfrt该图由天舒同学用Visio软件绘制iFUFdiFdttFt0t1t2tdtftrrtURIRPURPdiRdt该图由天舒同学用Visio软件绘制IRPURt该图由天舒同学用Visio软件绘制四川大学电气信息学院电力电子技术实验报告5/30Id=12π∫Imsinωtd（ωt）π0=Imπ正弦半波电流有效值为I=√12π∫（Imsinωt）2d(ωt)π0=Im2所以，正弦半波电流的有效值与平均值之比为1.57。根据正向平均电流的定义可知，额定电流为IF（AV）的电力二极管允许通过的电流有效值为1.57IF（AV）。此外，对于电力二极管工作在较高频率时，开关损耗不能忽略，在选择额定电流时，应加以考虑。（2）反向重复峰值电压URRMURRM指电力二极管在额定结温下，所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是反向不重复峰值电压（击穿电压）的23⁄。使用时，一