2
2
0Leabharlann π2π3π
t


uT
Tr
ug
id
0
t
ud id Ud
VT
ud id
0
t
u1
u2
ud
-
uT
t
0
2U 2
-
变压器Tr起变换电压和隔离的作用。
在电源电压正半波，晶闸管承受正向电压，在 ωt=α处触发晶闸管，晶闸管开始导通；负载上 的电压等于变压器输出电压u2。在ωt=π时刻， 电源电压过零，晶闸管电流小于维持电流而关断， 负载电流为零。 在电源电压负半波，uAK＜0，晶闸管承受反向电 压而处于关断状态，负载电流为零，负载上没有 输出电压，直到电源电压u2的下一周期。直流输 出电压ud和负载电流id的波形相位相同。
第3章 晶闸管整流电路
本章要点
功率二极管、晶闸管的结构、工作原理、特性、 参数 不同负载时，单相整流电路的结构、工作原理、 波形分析和数量关系
用于单相整流电路的简易触发电路
电力电子器件的命名、选择原则
1.1 功率二极管
1.1.1 功率二极管的结构和工作原理
1、功率二极管的结构
2、功率二极管的工作原理
导通角θ，是指晶闸管在一周期内处于通态的电角度。
（2） 移相与移相范围 移相是指改变触发脉冲ug出现的时刻，即改变控制角α的 大小。 移相范围是指触发脉冲ug的移动范围，它决定了输出电压 的变化范围。单相半波可控整流器电阻性负载时的移相范 围是0～180º 。
2、基本数量关系
（1）直流输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id
1.2.1 晶闸管的结构
1、晶闸管的结构
具有四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见
的外形有两种：螺栓型和平板型。
结构和图形符号
A A
K G VT
P1 N1
G
J1 J2
J3
G
P2 N2
A K K
1、晶闸管工作原理的实验说明
1.2.2 晶闸管的工作原理
由电源、晶闸管的阳极和阴极、白炽灯组成晶闸管主电路； 由电源、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路（触 发电路）。
7、断态电压临界上升率du/ dt
在额定结温和门极断路条件下，不导致器件从断 态转入通态的最大电压上升率。过大的断态电压 上升率会使晶闸管误导通。 8、通态电流临界上升率di / dt
在规定条件下，由门极触发晶闸管使其导通时， 晶闸管能够承受而不导致损坏的通态电流的最大 上升率。在晶闸管开通时，如果电流上升过快， 会使门极电流密度过大，从而造成局部过热而使 晶闸管损坏。
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。
1.1.2 功率二极管的伏安特性
1、功率二极管的伏安特性
2、功率二极管的开关特性
I dD
1.1.3 功率二极管的主要参数
1、额定正向平均电流（额定电流）
是指在规定的环境温度和标准散热条件下，管子允许长期 通过的最大工频半波电流的平均值。元件标称的额定电流
注意：晶闸管是以电流的平均值而非有效值作为 它的电流定额，这是因为晶闸管较多用于可控整 流电路，而整流电路往往按直流平均值来计算。
它的通态平均电流IT(AV)和正弦电流最大值Im之间 的关系表示为： 1 1 I T(AV) 0 I m sin td (t ) I m 2 正弦半波电流的有效值为： 1 1 2 IT 0 ( I m sint ) d (t ) I m 2 2
2 AK 2
3、数量关系
直流输出电压平均值Ud为
1 Ud 2U 2 sintd (t ) 2 从Ud的波形可以看出，由于电感的存在，电源电 压由正到负过零点也不会关断，输出电压出现了 负波形，输出电压和电流的平均值减小；当大电 感负载时输出电压正负面积趋于相等，输出电压 平均值趋于零，则id也很小。所以，实际的大感 电路中，常常在负载两端并联一个续流二极管。
电源电压反向后，从正向电流降为零起到 能重新施加正向电压为止定义为器件的电 路换向关断时间toff。反向阻断恢复时间trr与 正向阻断恢复时间tgr之和。
toff=trr+tgr
1.2.4 晶闸管的主要参数
1、额定电压UTn
（1）正向重复峰值电压UDRM
在控制极断路和正向阻断条件下，可重复加在晶 闸管两端的正向峰值电压。规定此电压为正向不 重复峰值电压UDSM的80%。 （2）反向重复峰值电压URRM
（5）晶闸管承受的最大正反向电压Um
晶闸管承受的最大正反向电压Um是相电压峰值。
U m 2U 2
二、单相半波可控整流电路（阻感性负载）
1、电路的结构
阻感性负载的等效电路可用一个电感和电阻的串联电路来表 示。
2、工作原理
（1）在ωt=0~α期间：晶闸管阳-阴极间的电压uAK大于零， 此时没有触发信号，晶闸管处于正向关断状态，输出电压、 电流都等于零。 （2）在ωt=α时刻，门极加触发信号，晶闸管触发导通，电 源电压u2加到负载上，输出电压ud= u2 。由于电感的存在， 负载电流id只能从零按指数规律逐渐上升。 （3）在ωt=ωt1~ ωt2期间：输出电流id 从零增至最大值。在 id的增长过程中，电感产生的感应电势力图限制电流增大， 电源提供的能量一部分供给负载电阻，一部分为电感的储 能。
当晶闸管阳极承受正向电压，控制极也加正向电压时，
形成了强烈的正反馈，正反馈过程如下：
IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑
晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子本身的
正反馈作用来维持，即使控制极电流消失，晶闸管仍将 处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管使 其导通，导通之后，控制极就失去了控制作用。要想关 断晶闸管可采用的方法有 : 将阳极电源断开；改变晶闸 管的阳极电压的方向，即在阳极和阴极间加反向电压。
U2 I IT I2 R
1 π sin 2 4π 2π
（4）功率因数cosφ
整流器功率因数是变压器二次侧有功功率与视在 功率的比值
cos P UI 2 S U2I2 1 π sin 2 4π 2π
式中 P—变压器二次侧有功功率，P=UI=I2R
S—变压器二次侧视在功率，S=U2I2
K f I T 1.57 I T(AV )
式中 Kf―为波形系数
流过晶闸管的电流波形不同，其波形系数也不同，
实际应用中，应根据电流有效值相同的原则进行
换算，通常选用晶闸管时，电流选择应取(1.5～2) 倍的安全裕量。
3、维持电流IH
在室温和门极断路时，晶闸管已经处于通态后， 从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小阳 极电流。
U 1 2π
2U sint dt
2
2
U2
1 π sin 2 4π 2π
输出电流有效值I:
U U2 I R R 1 π sin 2 4π 2π
（3）晶闸管电流有效值和变压器二次侧电流有效值 单相半波可控整流器中，负载、晶闸管和变压器二次侧流 过相同的电流，故其有效值相等，即：
通过上述实验可知，晶闸管导通必须同时具备两个条件: （1）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为 半控型器件。为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到 一定数值以下，这只有通过使阳极电压减小到零或反向的 方法来实现。
2、晶闸管工作原理的等效电路说明
（4）在ωt=ωt2~ ωt3期间：负载电流从最大值开始下 降，电感电压改变方向，电感释放能量，企图维持 电流不变。 （5）在ωt=π时，交流电压u 过零，由于感应电压的 存在，晶闸管阳极、阴极间的电压u 仍大于零，晶 闸管继续导通，此时电感储存的磁能一部分释放变 成电阻的热能，另一部分磁能变成电能送回电网， 电感的储能全部释放完后，晶闸管在u 反压作用下 而截止。直到下一个周期的正半周，即ωt=2π+α时， 晶闸管再次被触发导通，如此循环不已。
晶闸管的开关特性如图所示。
晶闸管开关特性的说明
第一段延迟时间td。阳极电流上升到10％所需时间，此时J2 结仍为反偏，晶闸管的电流不大。
第二段上升时间tr，阳极电流由0.1上升到0.9所需时间，这 时靠近门极的局部区域已经导通，相应的J2结已由反偏转 为正偏，电流迅速增加。 通常定义器件的开通时间ton为延迟时间td与上升时间tr之和。 即 ton=td+tr
直流输出电压平均值Ud:
1 Ud 2π



2U 2 sin tdt
2U 2 1 cos 1 cos 0.45U 2 π 2 2 输出电流平均值Id:
Ud U 2 1 cos Id 0.45 R R 2
（2）输出电压有效值U与输出电流有效值I 输出电压有效值U:
在控制极断路时，以重复加在晶闸管两端的反向 峰值电压。此电压取反向不重复峰值电压URSM的 80%。
晶闸管的额定电压则取UDRM和URRM的较小值且靠 近标准电压等级所对应的电压值。 选择管子的额定电压UTn应为晶闸管在电路中可能 承受的最大峰值电压的2~3倍。
2、额定电流IT(AV)
是指：在环境温度为40度和规定的散热条件下， 晶闸管在电阻性负载时的单相、工频（50Hz）、 正弦半波（导通角不小于170度）的电路中，结温 稳定在额定值125度时所允许的通态平均电流。
4、擎住电流IL 晶闸管从断态转换到通态时移去触发信号之后， 要器件维持通态所需要的最小阳极电流。对于同 一个晶闸管来说，通常擎住电流IL约为维持电流IH 的(2～4)倍。
5、门极触发电流IGT
在室温且阳极电压为6V直流电压时，使晶闸管从 阻断到完全开通所必需的最小门极直流电流。 6、门极触发电压UGT 对应于门极触发电流时的门极触发电压。触发电 路给门极的电压和电流应适当地大于所规定的UGT 和IGT上限，但不应超过其峰值IGFM 和 UGFM。