机电传动第十章

1、第十章第十章 电力电子学电力电子学 学习要求学习要求掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义； 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点；掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制； 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理重点与难点重点与难点1.重点重点 晶闸管的导通与关断条件，可控性；晶闸管的导通与关断条件，可控性； 晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作

2、特点；晶闸管单相和三相基本可控整流电路在不同性质负载下的工作特点； 晶闸管额定通态平均电流晶闸管额定通态平均电流 的选择和额定电压的选择。的选择和额定电压的选择。2难点难点 整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况；整流电路接电感性负载、电动势负载时的工作情况； 额定通态平均电流的选择；额定通态平均电流的选择； 晶闸管额定通态平均电流的选择和额定电压的选择。晶闸管额定通态平均电流的选择和额定电压的选择。电力电子学是交叉于电力学、电子学、控制理论之间的一门边缘科电力电子学是交叉于电力学、电子学、控制理论之间的一门边缘科学。学。电力电子学的任务是利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变电力电子

3、学的任务是利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。换和控制。 概概 述述晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称简称SCR，可控硅整流器，可控硅整流器，主要作用是整流放大）是在主要作用是整流放大）是在60年代发展起来的一种电力半导体器件，晶年代发展起来的一种电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。从晶闸管的出现到现在不过从晶闸管的出现到现在不过20多年，而应用却非常普遍，发展异常多年，而应用却非常普遍，发展异常迅速，这是因为它有如下的优点：迅速，这是因为它有如下的优点：

4、(1) 用很小的功率用很小的功率(电流约几十电流约几十mA一百多一百多mA，电压约，电压约2V4V)可以可以控制较大的功率控制较大的功率(电流自几十电流自几十A几千几千A，电压自几百，电压自几百V几千几千V)，功率，功率放大倍数可以达到几十万倍；放大倍数可以达到几十万倍；(2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3) 损耗小、效率高，晶闸管导通时本身的压降很小损耗小、效率高，晶闸管导通时本身的压降很小(仅仅1V左右左右)，总，总效率可达效率可达97.5%，而一般机组效率仅为，而一般机组效率仅为85%左右；左右；(4) 体积

5、小、重量轻。体积小、重量轻。 此外，由于它没有旋转部分，所以无机械摩损，改善了工作条件，此外，由于它没有旋转部分，所以无机械摩损，改善了工作条件，而且维护方便，工作中一旦出现故障，只需将备用插件换上。而且维护方便，工作中一旦出现故障，只需将备用插件换上。晶闸管虽有上述许多优点，但也存在如下缺点：晶闸管虽有上述许多优点，但也存在如下缺点：(1) 过载能力弱过载能力弱,在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；留有余

6、量；(2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；产生误动作；(3) 导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；备；(4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得目前，采用晶闸管作

7、为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。越来越广泛的应用。10.1 .1电力半导体器件电力半导体器件 一、晶闸管的结构和符号一、晶闸管的结构和符号晶闸管的外形如图晶闸管的外形如图10.1所示，分为螺栓形和平板形两种，螺栓形带所示，分为螺栓形和平板形两种，螺栓形带有螺栓的那一端是阳极有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极，它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极K，细线是控制极，细线是控制极(又称门极又称门极)G，这种结构更换元件很方便，用于，这种结构更换元件很方便，用于100A以下的元件。以下的元件。平板形，中间的金属环是控制极平板形，中间的金属环是控制

8、极G，离控制极远的一面是阳极，离控制极远的一面是阳极A，近，近的一面是阴极的一面是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于，这种结构散热效果比较好，用于200A以上的元件。以上的元件。 晶闸管是由四层半导体构成的。晶闸管是由四层半导体构成的。 （a）内部结构）内部结构 （b）结构示意）结构示意 （c）表示符号）表示符号简单地说，晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个简单地说，晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个PN结，并在结，并在对应的半导体材料上引出了三个电极。对应的半导体材料上引出了三个电极。这三个电极分别称为：这三个电极分别称为：A-阳极，阳极，G-控制极，控制极，K-阴极。阴极。 二、晶

9、闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理1实验分析：晶闸管是怎样工作的呢？，我们先看一个试验，再从实验分析：晶闸管是怎样工作的呢？，我们先看一个试验，再从理论上进行分析。理论上进行分析。 2工作原理工作原理从晶闸管的内部结构分析，可以将晶闸管等效为以如图所示方式相从晶闸管的内部结构分析，可以将晶闸管等效为以如图所示方式相连接的连接的NPN和和PNP两个三极管两个三极管VT1、VT2。设三极管设三极管VT1和和VT2的放大倍数分别为的放大倍数分别为 、 。当当AK间加正向电压时：间加正向电压时：VT1、VT2正向偏置。正向偏置。若在若在GK间施加正向电压，则会在三极间施加正向电压，则会在三极管管VT1

10、的基极产生初始触发电流的基极产生初始触发电流 。由于由于VT2和和VT1之间各自的集电极和对方之间各自的集电极和对方的基极相连，的基极相连， 经经VT1放大后的电流回到放大后的电流回到VT2的基极，从而形成强烈的电流正反馈。的基极，从而形成强烈的电流正反馈。晶闸管能在几微秒的时间内完成导通过程。晶闸管能在几微秒的时间内完成导通过程。 当当A-K间加反向电压时：间加反向电压时：VT1、VT2反向偏置，无论反向偏置，无论G-K端为正或端为正或反向电压。晶闸管不能导通。反向电压。晶闸管不能导通。 综上所述可得以下结论：综上所述可得以下结论：（1）正常情况下，若控制极不加正向电压，则不论阳极加正向电压

11、）正常情况下，若控制极不加正向电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；（2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时才能使晶闸管导通，）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时才能使晶闸管导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或

12、断开，或反向）。（4）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降为为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻RL 上。上。晶闸管的晶闸管的PN结可通过几十安几千安的电流。结可通过几十安几千安的电流。晶闸管触发导通的时间为几微秒。晶闸管触发导通的时间为几微秒。三、晶闸管的伏安特性三、晶闸管的伏安特性晶闸管阳极对阴极的电压和阳极电流之间的关系，称为晶闸管的伏安特性晶闸管阳极对阴极的电压和阳极电流之间的关系，称为晶闸管的伏安特性 。（1）正向阻断状态：控制极开路，加正向电压）正向阻断状态：控制

13、极开路，加正向电压 ，元件内有很小的电流，元件内有很小的电流（2）正向击穿：当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然化为导通）正向击穿：当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然化为导通此电压称为断态不重复峰值电压或称正向转折电压此电压称为断态不重复峰值电压或称正向转折电压（3）正向导通状态：当控制极加上电压后，正向导通，并且控制极电压越大，正）正向导通状态：当控制极加上电压后，正向导通，并且控制极电压越大，正向转折电压越小，当控制极电压足够大时，正向转折电压很小，一加上正向阳极电压，向转折电压越小，当控制极电压足够大时，正向转折电压很小，一加上正向阳极电压，晶体管就导通。晶体管就导通。 当阳极和阴

14、极间加上当阳极和阴极间加上6V直流电压时，能使晶闸管导通的控制极最小电流（电压）直流电压时，能使晶闸管导通的控制极最小电流（电压）称为触发电流（电压）称为触发电流（电压）（4）反向截止状态：反向不重复峰值电压，或称反向转折（击穿）电压）反向截止状态：反向不重复峰值电压，或称反向转折（击穿）电压 （5）反向击穿：）反向击穿： 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值。目录上给出了参数的平均值或极限值。1.断态重复峰值电压断态重复峰值电压 （正向击穿电

15、压）（正向击穿电压）在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折电压小端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折电压小100V。2.反向重复峰值电压反向重复峰值电压 （反向击穿电压）（反向击穿电压）在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，此在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，此电压数值规定比实测反向击穿电压小电压数值规定比实测反向击穿电压小100V。3.额定通态平均电流额定通态平均电流 （额定正向平均电流）（额定正向平均电流）在环境温度不大于在环

16、境温度不大于 的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流定通态平均电流 ，简称为额定电流。，简称为额定电流。 4.维持电流维持电流 在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流称维持电流 。一般为几一般为几mA一百多一百多mA，其数值与元件的温度成反比，在，其数值与元件的温度成反比，在 时时的维持电流约为的维持电流约为 时的一半。时的一半。当晶

17、闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。五、晶闸管的测试五、晶闸管的测试用万用表的欧姆档来判别管子的好坏。 注意：注意：当AK间为高阻值，而KG间逆向电阻大于顺向电阻时，管子良好管子良好。测试点测试点表内电池极性表内电池极性测量范围测量范围测试结果测试结果AK顺向或逆向顺向或逆向R1000高电阻高电阻（表针不动）（表针不动）AG同上同上同上同上同上同上KG顺向：顺向：G “+”,“+”,K “-”“-”逆向：逆向：G -”, -”,K “+”“+”R1R110 10050 500 六、六、 型号及其含义（国产晶闸管）型号及其含义（国产

18、晶闸管） 例如：例如： 3CT50/500（ 为为50A， 为为500V）；）； KP5-7（K晶闸管，晶闸管，P普通型，额定电流普通型，额定电流5A，额定电压，额定电压700V）。）。3CT/DRMUTI可控整流元件 N型硅材料 三个电极 10.1.2 其它电力半导体器件其它电力半导体器件 双向晶闸管双向晶闸管 可关断晶闸管可关断晶闸管 功率晶体管功率晶体管 整流二极管整流二极管1. 双向晶闸管（TRIAC） l 特点 1) 三端子NPNPN元件； 2) 采用交流电源； 3) 相当于两只普通晶闸管反并联； 4) 双向控制，简化触发电路； 5) 成本低，可靠性好； 6) 主要应用于家用电器控制

19、，调节交流电压。 l 符号(如图所示) l 工作原理 1) 门极无信号时， 、 不导电。 2) 导通条件： + ， -，G + -， +，G - l 电压波形图(如图所示)1MT2MT2MT2MT1MT1MT2. 可关断晶闸管（GTO） l 特点1) 控制极控制元件的导通和关断，所需控制电流较大。 20 m A / 30A2) 动态特性较好，关断时间较短。 1s / (5 30) s3) 主要用于直流调压和直流开关电路。4) 电路简单，工作频率高。 l 符号 与晶闸管相似。3. 3. 功率晶体管功率晶体管（GTR） （300A，100V或100A，300V） 达林顿晶体管（200A，500V）

20、注：复合管注：复合管，正向导通压降，功率损耗。l l 特点1) 可在高电压和强电流定额下使用；2) 正向导通压降（0.3 0.8）V，功率损耗较晶闸管（1V）小；3) 基极电流消失或反偏时，晶体管立即截止（不存在关断问题）；4) 允许的电流变化率低；5) 处于导通状态，基极电路功率损耗大；6) 体积更小，价格更低（比晶闸管）。4. 4. 大功率二极管（整流二极管）大功率二极管（整流二极管） l 特点1) 可在高温下工作；（室温） 2) 加正向导通压降（0.8 1）V；3) 反向电压就截止，加正向电压就导通；4) 额定值可达200A和400V，或更高。注：注：它相当于一只开关开关。10.2 单相

21、可控整流电路单相可控整流电路 可控整流电路是一种把交流电源电压变换成大小可调的直流电压的可控整流电路是一种把交流电源电压变换成大小可调的直流电压的电路。电路。可控整流电路的一般结构如图所示：可控整流电路的一般结构如图所示：由晶闸管组成的可控整流电路，依所用交流电源的相数由晶闸管组成的可控整流电路，依所用交流电源的相数(单相、三相、单相、三相、多相等多相等)、整流主电路的结构形式（半波、桥式等）以及负载的类型、整流主电路的结构形式（半波、桥式等）以及负载的类型（电阻负载、电感负载、反电势负载等），构成多种形式的电路。（电阻负载、电感负载、反电势负载等），构成多种形式的电路。一、单相半波可控整流电

22、路一、单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路实际应用较少，但电路简单，调整容易，且单相半波可控整流电路实际应用较少，但电路简单，调整容易，且对理解可控整流原理比较方便，所以，还是从它开始进行分析。对理解可控整流原理比较方便，所以，还是从它开始进行分析。1带电阻性负载的可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路图中，图中， 为输入电压，为输入电压， 为输出电压；为输出电压； 称为控制角，是晶闸管元件承受正向电称为控制角，是晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度；压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度； 称为导通角，是晶闸管在一周期时间内称为导通角，是晶闸管在一周期时间内导通的电

23、角度。导通的电角度。对单相半波可控整流电路而言，对单相半波可控整流电路而言， 的移相的移相范围是范围是 ，而对应的，而对应的 的变化范围的变化范围为为 ，可见，可见， 。当不加触发脉冲信号时晶闸管不导通，电当不加触发脉冲信号时晶闸管不导通，电源电压全部加于晶闸管上面，负载上电压为零源电压全部加于晶闸管上面，负载上电压为零(忽略漏电流忽略漏电流)。这时，晶闸管承受的最大正向。这时，晶闸管承受的最大正向与反向电压为与反向电压为 。当当 时，晶闸管上电压为时，晶闸管上电压为正，当控制极加上触发脉冲信号时，晶闸管正，当控制极加上触发脉冲信号时，晶闸管触发导通，电源电压将全部加于负载触发导通，电源电压将

24、全部加于负载( (忽略晶忽略晶闸管的管压降闸管的管压降) )。当当 时，电源电压从正变为零，晶时，电源电压从正变为零，晶闸管内流过的电流小于维持电流而关断，之闸管内流过的电流小于维持电流而关断，之后，晶闸管就承受电源的反向电压，直至下后，晶闸管就承受电源的反向电压，直至下个周期触发脉冲再次加到控制极上时，晶闸个周期触发脉冲再次加到控制极上时，晶闸管重新导通，改变管重新导通，改变 的大小就可以改变负载的大小就可以改变负载上电压波形，也就改变了负载电压（有效值）上电压波形，也就改变了负载电压（有效值）的大小（依此可实现调速）。的大小（依此可实现调速）。 输出电压平均值的大小可由下式求得输出电压平均

25、值的大小可由下式求得 2 2带电感性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路负载的感抗负载的感抗 和电阻和电阻 的大小相比不可忽略的大小相比不可忽略时称为电感性负载，如电机的励磁线圈、电抗器时称为电感性负载，如电机的励磁线圈、电抗器等。等。整流电路接电感性负载时的工作情况与电阻整流电路接电感性负载时的工作情况与电阻性负载有很大不同，为了便于分析，把电感与电性负载有很大不同，为了便于分析，把电感与电阻分开，如图所示。阻分开，如图所示。由于电感具有阻碍电流变化的作用，当电流由于电感具有阻碍电流变化的作用，当电流上升时，电感两端的自感电势上升时，电感两端的自感电势 阻碍电流的上阻碍电流的上升，所

26、以，晶闸管触发导通时，电流要从零逐升，所以，晶闸管触发导通时，电流要从零逐渐上升。渐上升。当电源电压下降以及过零变负时，电感中电当电源电压下降以及过零变负时，电感中电流在变小的过程中又由于自感效应，产生方向流在变小的过程中又由于自感效应，产生方向与上述相反的自感电势与上述相反的自感电势 来阻碍电流减小，只来阻碍电流减小，只要要 大于电源的负电压，负载上电流将继续流大于电源的负电压，负载上电流将继续流通，晶闸管继续导通，这时，电感中储存的能通，晶闸管继续导通，这时，电感中储存的能量放出来，一部分消耗在电阻上，一部分回送量放出来，一部分消耗在电阻上，一部分回送到电源去，因此，负载上电压瞬时值出现负

27、值。到电源去，因此，负载上电压瞬时值出现负值。到某一时刻，当流过晶闸管的电流小于维持电流到某一时刻，当流过晶闸管的电流小于维持电流时，晶闸管关断，并且立即承受反向电压。所以，晶时，晶闸管关断，并且立即承受反向电压。所以，晶闸管在闸管在 时触发导通后在时触发导通后在 时关断。时关断。由此可见，在单相半波可控整流电路中，当负载由此可见，在单相半波可控整流电路中，当负载为电感性时，晶闸管的导通角为电感性时，晶闸管的导通角 将大于将大于 ，也就，也就是说，在电源电压为负时仍然可能继续导通。是说，在电源电压为负时仍然可能继续导通。负载电感愈大，导通角负载电感愈大，导通角 愈大，每个周期中负愈大，每个周期

28、中负载上的负电压所占的比重就愈大，输出电压和输出电载上的负电压所占的比重就愈大，输出电压和输出电流的平均值也就愈小。流的平均值也就愈小。 所以，单相半波可控整流电路用于大电感性负载所以，单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。和电流。为了提高大电感负载时的单相半波可控整流为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可在负载两端并联一只电路整流输出平均电压，可在负载两端并联一只二极管，电压不加于负载上，如图所示。二极管，电压不加于负载上，如图所示。电路中所接二极管叫续流二极管。电路中所

29、接二极管叫续流二极管。当晶闸管导通时，若电源电压为正，二极管当晶闸管导通时，若电源电压为正，二极管V V不通，负载上电压波形与不加二极管不通，负载上电压波形与不加二极管V V时相同，时相同，当电源电压变负时，当电源电压变负时，V V导通，负载两端电压仅为导通，负载两端电压仅为二极管管压降，接近于零，此时，由电感放出的二极管管压降，接近于零，此时，由电感放出的能量消耗在电阻上。能量消耗在电阻上。二、二、 单相桥式可控整流电路单相桥式可控整流电路1 1单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路在单相桥式整流电路中，把其中两只二极管换成晶闸管就组成了半在单相桥式整流电路中，把其中两只二极管换成晶闸管就

30、组成了半控桥式整流电路，如图所示。控桥式整流电路，如图所示。它与不可控桥式整流电路的它与不可控桥式整流电路的区别区别：二只晶：二只晶闸管代替二只二极管闸管代替二只二极管:工作原理如下：工作原理如下：当当1端电源为正的某一时刻，触发晶闸管端电源为正的某一时刻，触发晶闸管VS1，电流途经如图中红线，电流途经如图中红线箭头所示。这时箭头所示。这时VS2及及V1均承受反向电压而截止；均承受反向电压而截止；当当2端电源为正的下半周期，触发晶闸管端电源为正的下半周期，触发晶闸管VS2，电流途经如图中虚线，电流途经如图中虚线箭头所示，这时箭头所示，这时VS2及及V2均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止

31、。1 1）电阻性负载）电阻性负载晶闸管在晶闸管在 时触发导通，当电源电压过零变负时，电流降到零，时触发导通，当电源电压过零变负时，电流降到零，晶闸管关断。输出电压平均值晶闸管关断。输出电压平均值 与控制角与控制角 的关系为的关系为电流平均值电流平均值 为为在桥式整流电路中，元件承受的最大正反向电压是电源电压的最大在桥式整流电路中，元件承受的最大正反向电压是电源电压的最大值，即值，即 。2 2） 电感性负载电感性负载如图所示，半控桥式整流电路在电感性负载时也采用加接续流二极如图所示，半控桥式整流电路在电感性负载时也采用加接续流二极管的措施。管的措施。 只用只用一个晶闸管一个晶闸管进行控制的整流电

32、路进行控制的整流电路 四个整流二极管组成单相桥式全波电路四个整流二极管组成单相桥式全波电路节省晶闸管元件。节省晶闸管元件。（a a）电阻性负载电阻性负载与半控桥一样与半控桥一样（b b）电感性负载电感性负载必须加续流二极管必须加续流二极管（c c）优缺点：优缺点： 控制线路简单，成本较低；控制线路简单，成本较低； 承受整流过的脉动电压，不承受反向电承受整流过的脉动电压，不承受反向电压；压； 整流元件较多，体积较大；整流元件较多，体积较大； 压降、损耗较大；压降、损耗较大； 选用维持电流较大的晶闸管，以免选用维持电流较大的晶闸管，以免失控。失控。3 3）电势负载）电势负载当整流电路输出接有电势负

33、载时，只有当电源的瞬时值大于反电势，当整流电路输出接有电势负载时，只有当电源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。桥式整流电路接反电势负载时，输出电压、电流波形如图所示。桥式整流电路接反电势负载时，输出电压、电流波形如图所示。解解 设 则交流电压有效值考虑到 达不到180，200V应加大10%到220V。因此，可不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。而交流电流有效值 例例10.110.1 一直流电源

34、的调节范围： 采用单相半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流的 有效值，并选择整流元件。，AIVU100180000，AIVU10180000VUU2009 . 002AAVVRUIL2 .1210/180220 为保证晶闸管瞬时过电压时不损坏，则 故选用晶闸管3CT10/600和二极管2CZ10/300(考虑留有余量，采用10A定额)。VVUUURMFM31022041. 122(反向）正向）AIIIVVS5210(二极管）VVUUVVUURMRRMFMDRM60031025 . 125 . 160031025 . 125 . 1）（）（）（）（ 10.3 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路

35、 向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。常用的触发电路有下面几种。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。）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。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。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。）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。缺点是需要单结晶其优点是简单

36、，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。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。它的优点是价格便宜，容易实现，输出功率）晶体管触发电路。它的优点是价格便宜，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。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。现已生产出单片集成晶闸管触发电路。 一、晶闸管对触发电路的要求一、晶闸管对触发电路的要求为了保证

37、晶闸管的可靠触发，晶闸管对触发电路有一定的要求。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：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）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发电压应该在4V以上，以上，10V以下，如图所示。以下，如图所示。 （2 2）由于晶闸管从截止状态到完全导通需要一定的时间，因此，触）由于晶闸管从截止状态到完全导通需要一定的时间，因此，触发脉冲的宽度必须在发脉冲的宽度必须在 以上（最好有以上（最好有 ），才能保证晶闸管），才能保证晶闸管可靠触发，如果负载是大电感，电流上升比较慢，那么，触发脉

38、冲的宽可靠触发，如果负载是大电感，电流上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。度还应该增大。（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小于）不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V0.20V，为了，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）；的负偏压（就是在控制极上加一个对阴极为负的电压）； （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）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。造成晶闸管的触发时间前后不

39、一致。例如，在图中，如果由于环境温度的改变，使得晶闸管所要求的触例如，在图中，如果由于环境温度的改变，使得晶闸管所要求的触发电压从发电压从 提高到提高到 ，晶闸管开始触发的时间就从，晶闸管开始触发的时间就从 变成变成 ，可见，可见，触发时间推迟了；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）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。围要足够宽。 二、单结晶体管触发电路二、单结晶体管触发电路 由于单结晶体管组成的触

40、发电路，具有线路简单、可靠、前沿陡、由于单结晶体管组成的触发电路，具有线路简单、可靠、前沿陡、抗干能力强、能量损耗小、温度补偿性能好等优点。抗干能力强、能量损耗小、温度补偿性能好等优点。所以，在所以，在50A以下晶闸管的单相或三相半控桥式系统中得到广泛的以下晶闸管的单相或三相半控桥式系统中得到广泛的应用。应用。1单结晶体管的结构与特征单结晶体管的结构与特征1）结构）结构 单结晶体管是一种特殊的半导体器件，单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，其中一个发射极和两个基它有三个电极，其中一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。极，故又叫双基极二极管。 它的外形与普通三相管相似，但特性它的

41、外形与普通三相管相似，但特性与晶体三极管不同，其结构如图所示。与晶体三极管不同，其结构如图所示。（a）结构）结构 （b）图形符号）图形符号 （c）等效电路）等效电路单结晶体结构单结晶体结构 在在N型硅半导体基片的一侧引出两个基极，型硅半导体基片的一侧引出两个基极，b1为第一基极，为第一基极，b2为第为第二基极，在硅片的另一侧用合金或扩大散法渗入二基极，在硅片的另一侧用合金或扩大散法渗入P型杂质，引出发射极型杂质，引出发射极e。因为，发射极因为，发射极e与与b1和和b2之间是一个之间是一个PN结，所以，相当于一只二极结，所以，相当于一只二极管。管。两个基极之间是硅片本身的电阻，呈纯电阻性。两个基

42、极之间是硅片本身的电阻，呈纯电阻性。等效电路中的等效电路中的 为第一基极与发射极之间的电阻；为第一基极与发射极之间的电阻； 为第二基极与发射极之间的电阻。为第二基极与发射极之间的电阻。如果两个基极间加入一定电压如果两个基极间加入一定电压 （b1接负、接负、b2接正），则接正），则A点电压点电压为为 。 式中，式中， 称为单结晶体管的分压系数（或称为单结晶体管的分压系数（或分压比），它是一个很重要的参数，其数值与管子的结构有关，一般在分压比），它是一个很重要的参数，其数值与管子的结构有关，一般在0.30.9之间。之间。2）特征）特征单结晶体管有两个特征电压：单结晶体管有两个特征电压： - 峰值电

43、压；峰值电压； - 谷点电压。谷点电压。当发射极当发射极e上外加正向电压小于峰值电压时，上外加正向电压小于峰值电压时， 呈现很大的阻值，这呈现很大的阻值，这时单结晶体管处于截止状态，这一区域称为截止区。时单结晶体管处于截止状态，这一区域称为截止区。当发射极当发射极e上外加正向电压等于峰值电压时，上外加正向电压等于峰值电压时，e对对b1开始导通，开始导通， 迅迅速减小。由于速减小。由于 的减小，促使的减小，促使 降低，导致降低，导致 进一步增大，而进一步增大，而 的的增大，又使增大，又使 进一步减小，促使进一步减小，促使 急剧下降，因此，随着急剧下降，因此，随着 的增加，的增加，则则 不断下降，

44、呈现出负阻特性。不断下降，呈现出负阻特性。开始出现负阻特性的点开始出现负阻特性的点P称为峰点，该点的电压和电流称为峰点电压称为峰点，该点的电压和电流称为峰点电压和峰点电流。和峰点电流。随着随着 的不断增加，当的不断增加，当 下降到某一点下降到某一点V时，时， 便不再有显著变化，便不再有显著变化， 也不再继续下降，而是随着也不再继续下降，而是随着 按线性关系增加，点按线性关系增加，点V称为谷点，该点的称为谷点，该点的电压和电流称为谷点电压和谷点电流，对应于由峰点电压和电流称为谷点电压和谷点电流，对应于由峰点P至谷点至谷点V时的负时的负阻特性段称为负阻区，谷点以后的线段称为饱和区。阻特性段称为负阻

45、区，谷点以后的线段称为饱和区。当当 时，发射极与第一基极间便恢复截止。时，发射极与第一基极间便恢复截止。 截止区负载区饱和区峰点P谷点V0eUV/UVIPUPVI2单结晶体管的自振荡电路单结晶体管的自振荡电路用单结晶体管的负阻特性和用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路，如充放电特性，可组成自振荡电路，如图所示。图所示。 （a）电路图）电路图 （b）波形图）波形图单结晶体管的自振荡电路单结晶体管的自振荡电路 工作原理如下：工作原理如下：假设在接通电源前，电容假设在接通电源前，电容C上的电压为零。上的电压为零。当合上电源开关当合上电源开关S时，电源时，电源E一方面通过一方面通过

46、R1和和R2加于单结晶体管的加于单结晶体管的b1和和b2上，同时又通过充电电阻上，同时又通过充电电阻R向电容向电容C充电，电压便按指数曲线逐充电，电压便按指数曲线逐渐升高。渐升高。在电容在电容C电压较小时，发射极电流极小，单结晶体管的发射极电压较小时，发射极电流极小，单结晶体管的发射极e和第和第一基极之间处于截止状态；一基极之间处于截止状态；当电容两端的电压充电到单结晶体管的峰点电压时，当电容两端的电压充电到单结晶体管的峰点电压时，e和和b1间由截止间由截止变为导通，电容变为导通，电容C通过发射极通过发射极e与第一基极迅速向电阻放电，由于与第一基极迅速向电阻放电，由于R1阻阻值较小值较小(一般

47、只有一般只有50100)，而导通后，而导通后e与与b1之间的电阻更小，因此，电之间的电阻更小，因此，电容容C的放电速度很快，于是在的放电速度很快，于是在R1上得到一个尖峰脉冲输出电压。上得到一个尖峰脉冲输出电压。由于由于R的阻值较大，当电容上的电压降到谷点电压时，经的阻值较大，当电容上的电压降到谷点电压时，经R供给的电供给的电流便小于谷点电流，不能满足导通的要求，于是流便小于谷点电流，不能满足导通的要求，于是e与与b1之间电阻迅速增之间电阻迅速增大，单结晶体管便恢复截止。大，单结晶体管便恢复截止。此后电源此后电源E又对电容又对电容C充电，这样电容充电，这样电容C反复进行充电放电，结果在反复进行

48、充电放电，结果在电容电容C上形成锯齿波电压，在上形成锯齿波电压，在R1上则形成脉冲电压，如图所示。上则形成脉冲电压，如图所示。这就是单结晶体管自振荡电路的工作原理。这就是单结晶体管自振荡电路的工作原理。由以上分析可知，要使单结晶体管振荡电路产生振荡，充电电阻由以上分析可知，要使单结晶体管振荡电路产生振荡，充电电阻R必须必须满足以下两点：满足以下两点：(1)当发射极电压当发射极电压(即即 )等于峰点电压等于峰点电压 时，为确保单结晶体管由截止时，为确保单结晶体管由截止转为导通，实际通过充电电阻转为导通，实际通过充电电阻R流入单结晶体管的电流必须大于峰点电流，流入单结晶体管的电流必须大于峰点电流，

49、即即(2)当发射极电压等于谷点电压时，为确保单结晶体管导通后能恢复截当发射极电压等于谷点电压时，为确保单结晶体管导通后能恢复截止，实际通过止，实际通过R流入单结晶体管的电流必须小于谷点电流，流入单结晶体管的电流必须小于谷点电流，即即可见，充电电阻可见，充电电阻R的阻值既不能太大，也不能太小，否则都会停止振荡，的阻值既不能太大，也不能太小，否则都会停止振荡，即：即： 截止区负载区饱和区峰点P谷点V0eUV/UVIPUPVI电阻两端输出尖峰脉冲电压的振荡周期电阻两端输出尖峰脉冲电压的振荡周期T，主要由电容，主要由电容C的充电时间的充电时间常数常数(RC)所决定，近似等于电容器两端的电压由零充电到峰点电压所需所决定，近似等于电容器两端的电压由零充电到峰点电压所需的时间。的时间。在两端输出的脉冲宽度，主要决定于电容的放电时间常数。在两端输出的脉冲宽度，主要决定于电容的放电时间常数。当电容当电容C两端的电压充电到峰点电压时，单结晶体管的两端的电压充电到峰点电压时，单结晶体管的e与与b1之间立之间立即导通，因此在即导通，因此在R1上输出的