电力电子技术单相半控桥整流电路实验报告.docx
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电力电子技术单相半控桥整流电路实验报告
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
三、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
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：
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。
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。
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。
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：
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。
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。
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
时，电力二极管中只有很小的电流流过；当所加电压高于
时，正向电流急剧增加，曲线出现与纵轴平行的趋势。
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
，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。
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
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
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
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
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
。
将延迟时间
和电流下降时间
之和称为电力二极管的反向恢复时间
。
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
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
时，正弦半波电流平均值为
正弦半波电流有效值为
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
的电力二极管允许通过的电流有效值为1.57
。
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
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
。
使用时，一般按2～3倍裕量考虑选取。
（3）正向电压降
指在规定的+40℃环境温度和标准的散热条件下，电力二极管通以工频正弦半波额定正向平均电流时的最大电压降，也称为管压降。
的大小影响二极管的发热与损耗，一般选取管压降小的管子以降低其导通损耗。
（4）反向漏电流
对应于反向重复峰值电压
下的平均漏电流称为电力二极管的反向漏电流
。
（5）最高允许结温
结温是指整个PN结的平均温度，最高允许结温是指在PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度。
通常在125～175℃范围内。
以上资料参考自《电力电子技术》赵莉华、舒欣梅编
四、实验器件（该部分所有图像均由邹宜君同学采集）
电力电子及电气传动教学试验台MCL-
型（如下图所示）
该图像由邹宜君同学采集
数字示波器TDS1012（如下图所示）一台
该图像由邹宜君同学采集
数字万用表GDM-8145（如下图所示）一台
该图像由邹宜君同学采集
专用导线若干
五、实验过程（实验过程中所有图像均由邹宜君同学采集、绘制）
1.实现同步
从三相交流电源进端取线电压Uuw（约230V）到降压变压器（MCL-35），输出单相电压（约124V）作为整理输入电压u2；
在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（共12只）中，选定两只晶闸管，与整流二极管阵列（共6只）中的两只二极管组成共阴极方式的半空整流桥，保证控制同步，并外接纯阻性负载。
原理图如下:
AB
U1
U2Ud
该图由邹宜君同学绘制
按原理图连线：
第一次连线得到的波形图一直不能稳定，在再一次检查连线后（如左下图），我们发现晶闸管选择错误。
在重新选择了晶闸管并连线（如右下图）后，得到了正确的波形。
思考：
接通电源和控制信号后，如何判断移相控制是否同步？
答：
通过观察示波器Ud的波形，若稳定有的波形不发生变化，则移相控制同步。
2.半控桥纯阻性负载实验
连续改变控制较α，测量并记录电路实际的最大移相范围，用数码相机记录α最小、最大和90°时的输出电压Ud波形（注意：
负载电阻不宜过小，确保当输出电压较大时，Id不超过0.6A）。
在最大移相范围内，调节不同的控制量，测量控制角α、输入交流电压U2、控制信号Uct和整流输出Ud的大小，要求不低于8组数据。
按1中的图连接电路，先控制α为最小，90°和最大，并用测量U2、Uct和Ud并用相机记录对应的输出电压波形，然后再调节α为另外5个角度并测量对应的数据。
触发角α最小时Ud的波形，拍摄此时示波器显示的波形如右图。
触发角α为90°时Ud的波形，拍摄此时示波器显示的波形如右图。
触发角α最大是Ud的波形，拍摄此时示波器显示的波形如右图。
在最大移相范围内，调节α，取8个不同的值，并测量相应数据，记录于下表：
控制角α（ms）
输入交流电压u2（V）
控制信号Uct（V）
整流输出Ud（V）
1
1.2
126.32
11.62
110
2
1.3
126.32
5.08
109
3
1.7
126.71
4.08
105
4
2.8
126.73
2.11
91
5
4.1
127.06
1.14
68
6
5.4
127.44
0.56
46.5
7
7
128.18
0.18
20
8
7.9
128.39
0.03
10
9
8.6
128.31
0.02
3.5
思考：
如何利用示波器测定移相控制角的大小？
答：
首先，使示波器定格，然后将两条垂直光标分别移动到整流后一个波形的末端与下一个波形的首端，通过观察示波器显示的增量t（即触发延迟时间），再利用公式
（注意：
T=1/f=1/50Hz=0.02s=20ms）算出控制角大小。
3.控桥阻-感负载（串联L=200mH）实验
断开总电源，将负载电感串入负载回路。
原理图如下：
AB
U1U2
该图由邹宜君同学绘制
（1）连续改变控制角α，记录α最小、最大和90°时的输出电压Ud波形，观察其特点（Id不超过0.6A）。
触发角α最小时Ud的波形，拍摄此时示波器显示的波形如右图。
波形特点：
只有正半周有波形，且较为完整。
触发角α为90°时Ud的波形，拍摄此时示波器显示的波形如右图。
波形特点：
只有正半周有波形，且只有一半的波形，并有干扰信号。
触发角α最大是Ud的波形，拍摄此时示波器显示的波形如右图。
波形特点：
只有正半周有波形，波形不规整。
（2）固定控制角α在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小（分别达到电流断续、临界连续和连续0.5A三种情况测量。
注意Id≤0.6A），记录电流Id波形，观察负载阻抗角的变化对电流Id波形的影响趋势。
固定控制角α在较大值，调节负载电阻由最大逐步减小，同时观察电流表，知道波形出现断续时，停止调节，并拍下此时的波形图（如右图）。
继续调小负载电阻，同时观察电流表，直到波形出现临界断续时，停止调节，并拍下此时的波形图（如右图）
继续调小负载电阻，同时观察电流表，直到电流表读数为0.5A时，停止调节，并拍下此时的波形图。
（3）保持控制角α<90°，适当调整负载电阻，使Id≈0.6A，突然断掉两路晶闸管的脉冲信号（模拟将控制角α快速推到180°），制造失控现象，记录失控前后的Ud波形，并提出如何判断哪一只晶闸管失控的测试方法。
保持控制角α<90°，适当调整负载电阻，使Id≈0.6A，拍摄下此时失控前的波形如图。
突然断掉两路晶闸管的脉冲信号，拍摄下此时失控后的波形如图。
思考：
如何判断哪一只晶闸管失控。
答：
失控是因为此时只有一个晶闸管导通，两个二极管轮流导通。
失控的晶闸管不能导通，所以失控前导通的晶闸管就无法关断，其电压为零，而失控的晶闸管两端电压不为零。
故可通过电压表测量晶闸管两端电压来判断哪只晶闸管失控。
思考：
如何在负载回路获取负载电流的波形？
答：
将示波器接到阻性负载R的两端，得到其电压波形。
又因阻性负载R的电流与电压呈线性关系，故电压波形即电流波形。
六、实验数据处理
1、半控桥纯阻性负载实验
该图由唐英同学绘制
表1半控桥纯阻性负载实验数据
（注：
实验时频率为50HZ）
2、计算Ud的误差
该图由唐英同学绘制
注：
实验时使用的交流频率为50HZ，即20ms,故将α（ms）转换为以角度表示的α（°），Ud理论计算公式为：
Ud=0.9U2（1+cosα）/2,Ud相对误差计算公式为{Ud（实际值）—Ud（理论值）}/Ud（实际值），并取U2理论值为127V。
如：
当α（ms）=1.2ms,则α（°）=1.2*360°/20=21.6°,Ud=0.9*127（1+cos21.6°）/2=110.29（V），此时Ud相对误差为（110-110.29）/110=-0.26％。
3、实验讨论
（1）阐述选择实验面板晶闸管序号构成半空桥的依据。
解：
选择实验面板上不同的晶闸管序号构成半空桥时，要使整流电路输出直流电压稳定，则要求每个周期中晶闸管触发延迟角α都相同，所以要求触发脉冲信号与电源电压在频率和相位上要协调配合，即保持同步。
在（MCL-33）两组基于三相全控整流桥的晶闸管阵列（12）只中，选定两只晶闸管，与整流二极管整列（6）只中的两只二级管组成共阴极方式的半控整流桥，保证控制同步，并外接纯阻性负载，我们实验时选择序号为1、4或2、5或3、6的晶闸管然后在任意选择两只二极管。
（2）测绘负载电阻时Ud=f（ɑ）和Ud=f（Uct）的实验特性曲线
该图由唐英同学绘制
表2-纯阻性负载时Ud=f（α）的实验特性曲线
该图由唐英同学绘制
表3-纯阻性负载时Ud=f（Uct）的实验特性曲线
通过比较表2和表3可知Ud=f（ɑ）和Ud=f（Uct）的实验特性曲线，可知晶闸管的控制信号越越大使得其触发角越小，导通角越大，相应的Ud也越大，与理论分析一致。
该图由唐英同学绘制
表4纯阻性负载时Ud=f（α）的特性曲线
由表4可看出，半控桥纯阻性负载实验时Ud的实际值比理论值偏小，究其原因，我们发现晶闸管和二极管并非理想器件，在晶闸管和二极管导通时通态压降不为0，即存在一定的电阻，会分去一定的电压，使负载电压偏低，而在阻断状态下漏电流不为0，且期间开关过程中开关时间不为0，另外变压器漏电抗也对电路有一定的影响，在读数过程中读数也存在误差，即观测误差，并且可能由于操作失误会带来偶然误差。
还有在计算过程中，由于我们和计算机都要进行四舍五入，从而产生误差即舍入误差，再有在Ud的理论计算公式为Ud=0.9U2（1+cosα）/2，该公式是根据Ud的理想波形（即考虑晶闸管、二极管、变压器都是理想器件），所以理论值与实际值必然有误差存在。
在实验中我们应该尽量避免由人为带来的误差，严格按照实验要求规范操作，同时尽可能优化实验方案。
（3）分析阻—感性负载时，为什么电流波形与教材有差异？
电路能否接纯感性负载（如果有较大的感抗值）工作，为什么？
该图由邹宜君同学采集
（实验时的电流波形）
id
该图由李婷婷同学绘制
0ωt
（教材的电流波形）
分析：
由上两图可知，实验的电流波形与教材上的波形相去甚远，那是因为，教材所用的实验器材都是理想的，即，理想晶闸管导通时通态压降为零，阻断状态下漏电流为零，且开关时间为零；理想电路忽略了变压器漏电抗对电路的影响；理想电感无穷大，至少远大于电阻。
而实际实验中，主要误差原因是：
我们使用的电感感抗有限，当它储存能量时id增大，释放能量时id逐渐减小，便如得到实验时的波形。
电路不能直接接纯感性负载，感抗很大也不行，因为电感只储能而不释放能量，会使电流不断增加，当电流到达一定值时就会烧坏仪器。
2）分析同样的阻感负载时，本电路与单相全控桥电路的输出电压的特征差异，说明原因。
该图由李婷婷同学绘制
U2
0αωt
Ud
ωt
0
图a（单相全控桥整流电路）
Ud
Oωt
图b（单相桥式半控整流电路）
分析：
如图，在U2电压正半周，触发角为α时，单相桥式半控整流电路触法VT1，VT1和VD4导通。
当U2过零变负时，因电感作用是电流续流，VT1继续导通。
但因VT1阳极电位低于VT3阳极电位，使得VD2正偏导通，而VD4反偏截止，电流从VD4转移至VD2，电流id不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。
此时整流桥输出电压为VT1何VD2的正向压降，接近于零，所以整流输出电压Ud没有负半波。
这种现象被称为自然续流，在这点上晶闸管半控桥与全控桥式不同的。
而在U2电压负半周，具有与正半周相似的特性，触发角α时触发VT3，VT3和VD2导通，U2过零变正式电流id经VT3和VD4自然续流。
避免失控与实验改进：
晶闸管单相半空桥式整流电路带大电感负载时虽然本身具有自然续流能力，但在实际运行时，当α角突然增大至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，即半周期Ud为正弦，另外半周期Ud为零，其平均值保持恒定，α失去控制作用，称为失控。
为避免失控，我们有两个解决的方案。
如下：
方案一：
加续流二极管与负载并联如右图
该图由天舒同学用Visio软件绘制
有续流二极管VDR时，当U2电压降到零时，负载电流经VDR完成续流，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，同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，也有利于降低损耗。
该图由天舒同学用Visio软件绘制
方案二：
保留VT1和VT2，VT3和VT4换为二极管VD3和VD4，这样可以省去续流二极管，续流由VD3和VD4来实现，其电路图如右图所示：
该图由天舒同学用Visio软件绘制
实验改进：
为了在实验中得到更为平稳的电流波形，我
们
升级会员 