晶体管及其基本电路

1、晶体管及其基本电路 电力电子学的定义：由电力学、电子学和控制理论三门学科交叉形成的学科，是研究采用功率半导体器件进行功率变换、控制以及大功率电路开关的技术及其应用范围的学科。 晶闸管的优点： 1）用弱电信号控制大功率的电能传输。 2）控制灵敏，反应快。控制时导通及截止快（微秒级）。 3）损耗小，效率高（压降仅1V）。 4）体积小，重量轻。第1页/共59页 晶闸管的缺点： 1）过载能力差。过电流，过电压时容易损坏，要采用保护措施，使用的电压及电流要留余量。 2）抗干扰能力差，易受冲击电压的影响。 3）导致电网电压波形畸变，产生高次谐波分量，对电网产生干扰。 4）控制电路复杂。目前的许多大功率器件

2、已经克服了这些缺点。第2页/共59页 10.1 电力半导体器件分类：1.不可控器件，例如功率二极管2.半控型器件，例如可控硅（SCR)3.全控型器件，GTO，GTR，功率MOSFET，IGBT第3页/共59页第4页/共59页 10.1.1 晶闸管（Silicon Controlled RectifierSCR) 1.晶闸管的结构和符号：是可控制的硅整流元件-可控硅。3个PN结的四层三端元件第5页/共59页2.晶闸管的工作原理： 晶闸管具有可控的单向导电性。 1）可控性：既当控制极（G）加电压才导通。 2）单向导通：反向电压时不导通。第6页/共59页将晶闸管等效地看成是两将晶闸管等效地看成是两只

3、晶体管的组合只晶体管的组合:一只为一只为PNP型晶体管型晶体管,另一只为另一只为NPN型晶体管型晶体管.中间的中间的PN结为两管共用结为两管共用.在在A-K和和G-K之间加上正之间加上正向电压向电压,会形成强烈的正反会形成强烈的正反馈馈,循环下去循环下去,晶闸管就导晶闸管就导通了通了.思考题:什么是闸流特性?第7页/共59页晶闸管的特性： 1）起始时若控制极不加电压，则无论阳极加正向电压或反向电压，晶闸管均不导通。 2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压晶闸管才导通，晶闸管导通同时具备的两个条件。 3）晶闸管导通后，控制极就失去了作用；要使晶闸管由导通变为关断，就要将晶闸管的正向电压降到一定值

4、（正向电压关断或正向电压反向）。 晶闸管PN结间可通过几十A几千A的电流。第8页/共59页3.晶闸管的伏安特性：(1)伏安特性伏安特性:晶闸管阳极晶闸管阳极电压与阳极电流的关系曲电压与阳极电流的关系曲线线.(2)伏安特性上几个点伏安特性上几个点:正向转折电压正向转折电压UBO(正向不正向不重复峰值电压重复峰值电压UDSM);正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDRM;UDRM约为约为UBO的的80%.第9页/共59页4)晶闸管的主要参数 (1)额定电压-正向或反向重复峰值电压UDRM或URRM 它的值是伏安特性中正反向转折电压的80%. 一般选择额定电压为晶闸管在电路中承受的正常峰值电压的2倍.

5、 (2)额定电流-通态平均电流IT 晶闸管额定电流是指环境温度40度,规定的冷却条件下,电阻性负载,单相正弦半波电流的平均值.第10页/共59页额定电流IT的选取：57. 1 KIITe57. 1K)25 . 1 (57. 1)25 . 1 ()25 . 1 (deTTIIIIeImmTIttdII)(sin2102)(sin21022mmeIttdII正弦半波电流的平均值其有效值故式中，K为波形系数为确保安全可靠地工作，一般按下式来选晶闸管，即式中， 为实际通过晶闸管的电流有效值， 为晶闸管允许的电流平均值， 为实际流过晶闸管的电流平均值。TIdI 显然，波形系数K值是与电路结构和导通角有关

6、的，可查手册选取。第11页/共59页10.1. 其他电力半导体器件.双向晶闸管：用于交流电路。相当于两只普通的晶闸管的反并联，或叫交流晶闸管。控制极对电源的两个半周均有触发控制作用。第12页/共59页.可关断晶闸管（GTO)(1)GTO的控制极可以控制元件的导通和关断，而晶闸管控制极只能控制元件的导通。优点：（1）只要在GTO的控制极加不同极性的脉冲触发信号就可以控制其导通与断开。（2）动态特性比晶闸管好，导通时间差不多，而关断时间短。不足：GTO所需的控制电流远较晶闸管大，例如，额定电流相同的GTO与晶闸管相比较，如果晶闸管需要30A的控制触发电流则GTO约需要20mA才能动作。第13页/共

7、59页 .功率晶体管：适用于高电压和高电流的晶体管。 优点： （1）正向压降小，功耗小。 （2）当基极电流消失或反相时，晶体管立即截止，因而不存在关断问题。 缺点： （1）电压和电流额定值低； （2）基极功耗较大。第14页/共59页10.1.3 电力半导体器件的发展现状五个阶段：（1）二极管和晶闸管（2）功率MOSFET，GTO，GTR（3）绝缘栅双极晶体管（ IGBT ）（4）新的大功率型器件：对称栅极换流晶体管（SGCT），集成门极换向晶体管（IGCT）。高集成度模块化是另一个发展方向，如智能功率模块（IPM)。（5）功率集成电路（PIC）及其派生器件将电力电子器件与逻辑、控制、保护、传感

8、、检测、自诊断等信息电子电路集成在同一芯片上。第15页/共59页 10. 单相可控整流电路可组成单相半波，单相桥式，三相零式和三相桥式整流电路。10.1 单相半波可控整流电路1.带电阻负载的可控整流电路：第16页/共59页第17页/共59页.带电感性负载的可控整流电路：第18页/共59页.带电感性负载的可控整流电路（加续流二极管）：第19页/共59页例例:单相半波可控整流电路带电阻负载单相半波可控整流电路带电阻负载,已知已知:U2=220V,输出直流电压输出直流电压50V,输出直流电流输出直流电流20A.求求(1)晶闸管的控制角晶闸管的控制角;(2)电流有效值电流有效值;(3)选用选用晶闸管。

9、晶闸管。(2)电流有效值电流有效值(3)晶闸管允许的电流平均值晶闸管允许的电流平均值2cos145. 02UUd01U45. 02cos2dU090AKIIde4 .442022. 2K值查表得来AKIIdT3 .2857. 122. 22057. 1AIITT)6 .565 .42()25 . 1 (额定电压VUUDRM622222选 KP-50/700第20页/共59页10. 单相桥式可控整流电路.单相半控桥式整流电路；）.电阻性负载；第21页/共59页）.电感性负载；第22页/共59页）.反电势负载第23页/共59页电流是断续的,加平波电抗器后,负载的电流是连续的第24页/共59页2.单

10、相全控桥式整流电路： 用两只晶闸管代替半控桥中的两只二极管即组成全控桥。带电阻负载时电路的输出与半控桥相同。带电感负载且没有续流二极管，电压波形会出现负值。第25页/共59页10.3 三相可控整流电路10.3.1 三相半波可控整流电路 变压器的副边接成星形，有公共零点，也叫三相零式电路。负载上的电压为电源的相电压。改变触发脉冲的相位可得到不同的直流电压。1.电阻性负载：相邻两相的电压波形交点为自然换相点。控制角从自然换相点算起。三相触发角相差2/3。 第26页/共59页1）当=0时：第27页/共59页2）当0/6时：第28页/共59页3）当/6 5/6时：当=5/6时，Ud=0。电阻负载时,

11、的移相范围为05/6第29页/共59页2.电感性负载：由于电感的作用,电流的变化落后于电压的变化.第30页/共59页当=/2时，Ud=0。三相半波整流电路带电感负载时, 的移相范围为0/2.当=/3时三相半波整流电路只用三只晶闸管，但晶闸管承受的反向电压高.第31页/共59页10.3.2 三相桥式全控整流电路 对于共阴极组的晶闸管而言某一相电压较其他两相为正,同时又有触发脉冲,该相晶闸管触发导通；对于共阳极组的晶闸管而言某一相电压较其他两相为负,同时又有触发脉冲,该相晶闸管触发导通.第32页/共59页三相全控桥式整流电路是三相半波整流电路的两倍.电阻性负载电流连续时的输出电压：cos34. 2

12、2UUd第33页/共59页 三相桥式全控整流电路输出电压数值等于共阴极组与共阳极组输出电压之和，即为线电压.第34页/共59页10.4 逆变器 整流器定义：交流-直流称整流 逆变器定义：直流-交流称逆变 变流器定义: 既能整流,又能逆变的为变流器. 逆变器分类：有源逆变和无源逆变 逆变后的交流返回电网的称有源逆变; 供给负载的称无源逆变.第35页/共59页10.4.1 有源逆变电路1.1.整流状态（整流状态（0a/20a/2）（/2a/2a1时为谐波。)sin()(10nnntnAaty第43页/共59页几个基本概念：载波信号：高频振荡信号称为载波信号。调制信号：缓变信号称为调制信号。调制：利

13、用缓变信号来控制调节高频振荡信号的某个参数，使其按缓变信号的规律变化。 调制波：载波被缓变信号调制后称为调制波。 (2) 脉宽调制(PWM)和SPWM第44页/共59页10.5 晶闸管的触发电路 向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。比较常用的触发电路有下面几种。 (1)单结晶体管触发电路，是最早应用的、基本的、常用的一种。它的优点是电路简单，可靠性高，适用于中小容量的晶闸管电路。缺点是输出脉冲不够宽。 (2)小容量晶闸管触发电路，其输出脉冲用于触发大功率晶闸管。其优点是简单，可靠，触发功率大，可得到宽脉冲。缺点是需要单结晶体管触发小容量晶闸管，用的元件比较多。 (3)晶体管触发电路。它的优

14、点是价格便宜，容易实现，输出功率比较大。所以，应用很广，特别广泛用于多相电路中。晶体管组成的触发电路种类很多，常用的有正弦波移相和锯齿波移相两种。现已生产出单片集成晶闸管触发电路。 第45页/共59页 10.5.1 晶闸管对触发电路的要求 为了保证晶闸管的可靠触发，晶闸管对触发电路有一定的要求。概括起来有： (1)触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下；(2)由于晶闸管从截止状态到完全导通需要一定的时间(一般在10us以下)，因此，触发脉冲的宽度(图1039中的t1)必须在10us以上(最好有20s50s)，才能保证晶闸管可靠触发； (3)不触发

15、时，触发电路的输出电压应该小于015V020V，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个1V2V的负偏压(就是在控制极上加一个对阴极为负的电压)； 第46页/共59页 (4)触发脉冲的前沿要陡，否则将会因温度、电压等因素的变化而造成晶闸管的触发时间前后不一致，例如，在图1041中，如果由于环境温度的改变，使得晶闸管的触发电压从Ug1提高到Ug2，晶闸管开始触发的时间就从t1变成t2，触发时间推迟了； (5)在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动(移相)，移相的范围要足够宽。 第47页/共59页 10.5.2 单结晶体

16、管移相触发电路 1)单结晶体管的结构和特性 一个PN结;三个极:发射极,第一基极,第二基极(又称双基极管). (1)其结构如图 (a)所示,等效电路图如图 (c),图中A点电压为： bbbbbbbAUUrrrU211第48页/共59页第49页/共59页下图是一个完整的可控整流电路.注意触发电路是怎样与主电路同步的;波形图是不同控制角时的电压和电流波形.(3)单结晶体管触发电路第50页/共59页第51页/共59页额定电流IT的选取：57. 1 KIITe57. 1K)25 . 1 (57. 1)25 . 1 ()25 . 1 (deTTIIIIeImmTIttdII)(sin2102)(sin2

17、1022mmeIttdII正弦半波电流的平均值其有效值故式中，K为波形系数为确保安全可靠地工作，一般按下式来选晶闸管，即式中， 为实际通过晶闸管的电流有效值， 为晶闸管允许的电流平均值， 为实际流过晶闸管的电流平均值。TIdI 显然，波形系数K值是与电路结构和导通角有关的，可查手册选取。第52页/共59页.带电感性负载的可控整流电路（加续流二极管）：第53页/共59页2.电感性负载：由于电感的作用,电流的变化落后于电压的变化.第54页/共59页10.4 逆变器 整流器定义：交流-直流称整流 逆变器定义：直流-交流称逆变 变流器定义: 既能整流,又能逆变的为变流器. 逆变器分类：有源逆变和无源逆变 逆变后的交流返回电网的称有源逆变; 供给负载的称无源逆变.第55页/共59页10.4.1 有源逆变电路1.1.整流状态（整流状态（0a/20a/2）（/2a/2a）2/6/第56页/共59页 2 单相无源逆变器的电压控制 对于交流变频调速，要求U/f不变，即在改变频率时必须改变端电压的大小，因此，要求逆变器必须进行电压控制。其控制方法有： 1）控制逆变器的输入直流电压 如果电源为交流，则可以通过可控整流电路，把交流变成可调的直流输入到逆变器，而控制逆变器的输出交流电压。这在交直交变频器中常用。 若为直流电源，则可利用直流变成