第8章电源技术

1、 电 工 教 研 室 北北 京京 理理 工工 大大 学学 信息科学技术学院信息科学技术学院SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号SiO2结构示意图结构示意图N型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BP+P+DBSG符号符号结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底源极源极S漏极漏极D 栅极栅极G衬底引线衬底引线B耗尽层耗尽层3. N沟道耗尽型沟道耗尽型 N+N+正离子正离子N N型沟道型沟道SiO2DBSG符号符号 制造时制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子，在二氧化硅绝缘层中掺入大量

2、的正离子，形成原始导电沟道。形成原始导电沟道。GDBS符号符号P沟道耗尽型沟道耗尽型 N沟道耗尽型沟道耗尽型 SiO2结构示意图结构示意图P型硅衬底型硅衬底耗尽层耗尽层衬底引线衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0 D与与S之间是两个之间是两个PN结反向串联，结反向串联，无论无论D与与S之间加之间加什么极性的电压，什么极性的电压，总有一个总有一个PN结是反结是反向偏置，漏极电流向偏置，漏极电流均接近于零。均接近于零。5.5.2 场效应管的工作原理场效应管的工作原理P型硅衬底型硅衬底N+BSGD。耗尽层耗尽层ID = 0 由柵极指向衬底方由柵极指向衬底方向的电场使空穴向下移向的电场使空穴向下

3、移动动,电子向上移电子向上移 动动,在在P 型硅衬底的型硅衬底的 上表面形上表面形成耗尽层。成耗尽层。 仍然没有漏仍然没有漏极电流。极电流。 UGSN+N+UDSP型硅衬底型硅衬底N+BSGD。UDS耗尽层耗尽层ID 栅极下栅极下P型半导型半导体表面形成体表面形成N型导电型导电沟道，当沟道，当D、S加上加上正向电压后可产生正向电压后可产生漏极电流漏极电流ID 。 N型导电沟道N+N+UGS 通过控制通过控制ID。N型硅衬底型硅衬底N+BSGD。PMOS管结构示意图管结构示意图P沟道沟道PMOS管与管与NMOS管管互为对偶关系，使用互为对偶关系，使用时时UGS 、UDS的极性的极性也与也与NMO

4、S管相反。管相反。 P+P+UGSUDSID夹断电压夹断电压UGS(off)为正值，为正值， UGS 0时，导电沟道变宽；时，导电沟道变宽； UGS 0时导电沟道变窄时导电沟道变窄。为了使。为了使UGS能从能从ID=0开始控制开始控制 ID的大小，的大小， 应使应使UGS UGS(off)时管子导通，夹断电压时管子导通，夹断电压UGS(off)为负值。为负值。对于耗尽型对于耗尽型PMOS管：管：4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / V5

5、.5.3 场效应管的场效应管的特性曲线特性曲线UGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA（1）可变电阻区：）可变电阻区：UGS不变，不变，ID与与UDS成正比，漏源之成正比，漏源之间相当于一个受间相当于一个受UGS电压控制的可变电阻。电压控制的可变电阻。夹断区夹断区4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA（2）饱和区（放大区）：）饱

6、和区（放大区）：UDS大于一定值，大于一定值， ID几乎不随几乎不随UDS变化，变化， ID 受受UGS的控制。相当于电压控制电流源。的控制。相当于电压控制电流源。夹断区夹断区4321051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA（3）击穿区：）击穿区：UDS过大，过大，ID急剧增加。急剧增加。夹断区夹断区（4）夹断区：）夹断区： ，场效应管截止，场效应管截止，ID=04321

7、051015UGS =5V6V4V3V2VID /mAUDS =10V增强型增强型 NMOS 管的特性曲线管的特性曲线 0123饱和区饱和区击穿区击穿区可变电阻区可变电阻区246UGS / VUGs(th)输出特性输出特性转移特性转移特性 UDS / VID /mA转移特性：转移特性：常数常数 DS)(GSDUUfI 栅极对漏极电流的控制作用，场效应栅极对漏极电流的控制作用，场效应管是电压控制器件。管是电压控制器件。夹断区夹断区5.5.4 场效应管的场效应管的微变等效电路微变等效电路SiO2P型硅衬底型硅衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D 衬底引线衬底引线BN+N+DBSG符号符号 绝缘栅型场

8、效应管的栅源之间为一层绝缘物质，绝缘栅型场效应管的栅源之间为一层绝缘物质，即使在栅源之间加入电压，栅源之间也没有电流，管即使在栅源之间加入电压，栅源之间也没有电流，管子的输入电阻很高，认为栅源之间开路。子的输入电阻很高，认为栅源之间开路。5.5.4 场效应管的场效应管的微变等效电路微变等效电路DBSG符号符号场效应管工作在饱和区，表现出恒流特性，漏极电流的场效应管工作在饱和区，表现出恒流特性，漏极电流的变化量变化量 ID与栅、源极间的电压变化量与栅、源极间的电压变化量 UGS成比例变化，成比例变化，即即gsmdGSmDugiUgI或或 场效应管小信号的微变等效电路场效应管小信号的微变等效电路g

9、m ugsidugs+ + udsDGS 输出回路可等效为电压控制的受控电流源。场效应管输出回路可等效为电压控制的受控电流源。场效应管小信号的微变等效电路如图所示小信号的微变等效电路如图所示在在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。 指在一定的指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型压。它是增强型MOS管的参数，管的参数，NMOS为正，为正，PMOS为负。为负。 指在一定的指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型栅源电压。是耗尽

10、型MOS管的参数，管的参数，NMOS管是负值，管是负值，PMOS管是正值。管是正值。 UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导栅源电压的微变量之比称为跨导,即即 另外，漏源极间的击穿电压另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击、栅源极间的击穿电压穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限是管子的极限参数，使用时不可超过。参数，使用时不可超过。gm= ID / UGS UGS =常数常数 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能

11、力的一个重要参数。力的一个重要参数。 电力半导体器件是用来进行电力半导体器件是用来进行。它与前面介绍的半导体器件不同，一方面。它与前面介绍的半导体器件不同，一方面它必须要有高电压，大电流的承受能力，另一方面必须以它必须要有高电压，大电流的承受能力，另一方面必须以开关模式运行。电力半导体器件有很多种类和不同的分类开关模式运行。电力半导体器件有很多种类和不同的分类方式，按照开通、关断控制方式可分为三大类：方式，按照开通、关断控制方式可分为三大类：（1）。这是一类两个极的器件，一端是正极，。这是一类两个极的器件，一端是正极，另一端是负极，其开通和关断由两个极所加电压来决定另一端是负极，其开通和关断由

12、两个极所加电压来决定，常见的有大功率二极管、快速恢复二极管等。，常见的有大功率二极管、快速恢复二极管等。（2）。这类器件是三个极的器件，除了正负极。这类器件是三个极的器件，除了正负极外，还有一个控制极，它的开通可以通过控制极控制，外，还有一个控制极，它的开通可以通过控制极控制，但不能通过控制极控制关断。这类器件主要有晶闸管。但不能通过控制极控制关断。这类器件主要有晶闸管。 （3）。这类器件也是三个极的器件，控制极。这类器件也是三个极的器件，控制极不仅可以控制其开通，而且也能控制其关断，这类器不仅可以控制其开通，而且也能控制其关断，这类器件是电力半导体器件的主导方向，代表这类器件有控件是电力半导

13、体器件的主导方向，代表这类器件有控制极可关断晶闸管制极可关断晶闸管GTO，双极型大功率晶体管，双极型大功率晶体管BJT，绝缘栅型双极晶体管绝缘栅型双极晶体管IGBT等。等。晶闸管又称可控硅（晶闸管又称可控硅（SCR），是一种大功率半导体器件，），是一种大功率半导体器件，主要用于整流、逆变电路中，具有体积小，耐压高的特点主要用于整流、逆变电路中，具有体积小，耐压高的特点。5.6.1 晶闸管晶闸管晶闸管结构示意图及符号晶闸管结构示意图及符号P1P2N1N2J1J2J3KAGGAKTIA 晶闸管是一个晶闸管是一个PNPN四层结构的半导体器件，有三个四层结构的半导体器件，有三个PN结结J1、J2、J3

14、，引出三个极，分别为阳极，引出三个极，分别为阳极A，阴极，阴极K，控制，控制极极G。 当晶闸管阳极当晶闸管阳极A与阴极与阴极K两端加正向电压（两端加正向电压（uAK 0），J2结处于反向偏置状态，器件结处于反向偏置状态，器件A、K两端仍不导通，两端仍不导通，这种状态称为正向阻断状态。这种状态称为正向阻断状态。P1P2N1N2J1J2J3KAG 当在晶闸管阳极当在晶闸管阳极A与阴与阴极极 K 两 端 加 反 向 电 压 （两 端 加 反 向 电 压 （uAK 0），），J1、J3结处于反结处于反向偏置状态，器件向偏置状态，器件A、K两两端不导通，这种状态称为反端不导通，这种状态称为反向阻断状态。

15、向阻断状态。 并且即使电压并且即使电压uG消失，晶闸管仍可保持导通。因此消失，晶闸管仍可保持导通。因此控制极的作用只是使晶闸管触发导通，导通后控制极控制极的作用只是使晶闸管触发导通，导通后控制极就失去了控制用。晶闸管导通时，阳极与阴极之间的就失去了控制用。晶闸管导通时，阳极与阴极之间的正向压降一般为正向压降一般为0.61.2V。 在这种情况下若在晶闸管在这种情况下若在晶闸管的控制极的控制极G与阴极与阴极K间加一个间加一个正向电压正向电压uG，又称触发电压，又称触发电压，且且uG 0，这个触发电压使晶闸，这个触发电压使晶闸管管A、K两端导通，晶闸管一两端导通，晶闸管一旦导通，就显示出了与二极管旦

16、导通，就显示出了与二极管类似的正向特性。类似的正向特性。P1P2N1N2J1J2J3KAG 若要关断晶闸管，可减小阳极电流若要关断晶闸管，可减小阳极电流IA到到维持电流维持电流IH以以下，使它由导通状态变为正向阻断状态而关断；或在阳极下，使它由导通状态变为正向阻断状态而关断；或在阳极与阴极之间加与阴极之间加反向电压反向电压，使其由导通状态变为反向阻断状，使其由导通状态变为反向阻断状态而关断。态而关断。 综上所述，综上所述，晶闸管的导通条件晶闸管的导通条件为：为：。晶闸。晶闸管的管的关断条件关断条件：。因此可将晶闸管看成是一个可控的单向导电开关。因此可将晶闸管看成是一个可控的单向导电开关。 。它

17、是可以。它是可以两个方向控制导通的晶闸管两个方向控制导通的晶闸管，其符号如图所示。用，其符号如图所示。用T1和和T2分别表示两个极，分别表示两个极，G仍为控仍为控制极。制极。GT1T2 实际上它相当于两个反向并联晶闸管的组合，只是共实际上它相当于两个反向并联晶闸管的组合，只是共用一个控制极，通过在控制极施加正负电压来控制晶闸管用一个控制极，通过在控制极施加正负电压来控制晶闸管的双向导通。的双向导通。双向晶闸管双向晶闸管GT1T2T2T1G通常通常时，控制极与时，控制极与T1极间加正向电压，即极间加正向电压，即，双向晶闸管为正向导通；双向晶闸管为正向导通；，在控制极与，在控制极与T1极间加反向控

18、制电压，即极间加反向控制电压，即，双向晶闸管为反向导通。，双向晶闸管为反向导通。 晶闸管有两个工作区域。当晶闸管承受反向电压，且大小低于反晶闸管有两个工作区域。当晶闸管承受反向电压，且大小低于反向击穿电压向击穿电压UBR时，仅有极小的反向漏电电流，与二极管的反向特时，仅有极小的反向漏电电流，与二极管的反向特性类似。这时无论控制极是否有正向电压，晶闸管均不会导通，处性类似。这时无论控制极是否有正向电压，晶闸管均不会导通，处于反向阻断状态。于反向阻断状态。晶闸管的特性曲线晶闸管的特性曲线IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0 当反向电压超过一定值并达到反向击穿电压时，会使反向当反向电压

19、超过一定值并达到反向击穿电压时，会使反向漏电电流急剧增大，导致晶闸管损坏。漏电电流急剧增大，导致晶闸管损坏。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0 当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时，当晶闸管两端加入正向电压、而控制极未加电压时，IG0，晶，晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电电流闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电电流IA。若晶闸管两。若晶闸管两端正向电压增加到某一数值时（端正向电压增加到某一数值时（UDSM），电流），电流IA突然急剧增加，晶突然急剧增加，晶闸管在没有控制极电压作用下，由正向阻断变为导通，这个电压闸管在没有控制极电压作用下，由正向阻断变为导通

20、，这个电压UDSM称为晶闸管的正向转折电压。称为晶闸管的正向转折电压。 在正常工作时，一般不允许晶闸管上的正向电压值达到在正常工作时，一般不允许晶闸管上的正向电压值达到UDSM，因为这将失去晶闸管控制极的作用，同时这种导通方法容易造成晶因为这将失去晶闸管控制极的作用，同时这种导通方法容易造成晶闸管的损坏。闸管的损坏。IAUAKUBRUDSMIG=0IG1IG2IH0 若在控制极上加触发电压，则产生控制极电流，即若在控制极上加触发电压，则产生控制极电流，即IG 0，这会，这会降低转折电压，电流降低转折电压，电流IG越大，转折电压越低。电流越大，转折电压越低。电流IG从控制极流入从控制极流入晶闸管

21、、从阴晶闸管、从阴极流出晶闸管。极流出晶闸管。双向晶闸管的特性曲线在第双向晶闸管的特性曲线在第1和第和第3象限有对称的伏安特性象限有对称的伏安特性。双向晶闸管特性曲线双向晶闸管特性曲线IUIG=00（1） 正向重复峰值电压正向重复峰值电压UDRM UDRM是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的最大正向电压，通常最大正向电压，通常UDRM0.8UDSM(2) 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM URRM是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的是指控制极开路时，允许重复加在晶闸管上的最大反向电压，通常最大反向电压，通常URRM0.8UBR。普通晶闸管

22、的普通晶闸管的UDRM和和URRM的值为的值为1003000V。 (3) 额定正向平均电流额定正向平均电流IF IF是指在规定环境温度和标准散热及晶闸管全导通是指在规定环境温度和标准散热及晶闸管全导通条件下，允许晶闸管连续通过的工频正弦半波在一个周期条件下，允许晶闸管连续通过的工频正弦半波在一个周期内的平均值即内的平均值即 mm0Fsin21ItII（4） 维持电流维持电流IH IH是指在控制极开路和规定环境温度下，维持晶间是指在控制极开路和规定环境温度下，维持晶间管导通的最小电流。当晶闸管正向电流小于管导通的最小电流。当晶闸管正向电流小于IH时，晶闸管时，晶闸管将自行关闭。将自行关闭。（5）

23、 控制极触发电流控制极触发电流IG IG是指在室温和阳、阴极之间直流电压为是指在室温和阳、阴极之间直流电压为6V条件下条件下，使晶闸管完全导通所需的最小控制极直流电流，从几毫，使晶闸管完全导通所需的最小控制极直流电流，从几毫安至几百毫安。安至几百毫安。（6）控制极触发电压）控制极触发电压UG UG是指使晶闸管正向导通时，控制极所加电压，是指使晶闸管正向导通时，控制极所加电压，一般为一般为15V。5.6.2 晶闸管的应用晶闸管的应用(1) 电阻性负载电阻性负载 当电源电压为正半周时，晶闸管当电源电压为正半周时，晶闸管T承受正向电压，在承受正向电压，在t1时刻，控制时刻，控制极加入触发电压极加入触

24、发电压uG，晶闸管从，晶闸管从t1时刻开始导通，导通后负载上输出时刻开始导通，导通后负载上输出电压电压uo。当电压。当电压u下降接近零时，晶闸管因正向电流小于维持电流下降接近零时，晶闸管因正向电流小于维持电流而关断。而关断。tUu sin2设电压设电压uo RLT+ uTu+ iou0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo 在在u的负半周，晶闸管的负半周，晶闸管T承受反向电压而阻断。在下一个周期承受反向电压而阻断。在下一个周期的同一时刻再次加入触发电压，重复前一个周期的过程。的同一时刻再次加入触发电压，重复前一个周期的过程。u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo uo

25、RLT+ uTu+ io 称为控制角称为控制角，控制晶闸管的导通时刻，控制晶闸管的导通时刻， 称为导通称为导通角角。在单相半波整流电路中。在单相半波整流电路中 与与 的关系为的关系为 180 导通角越大，输出电压越高。整流电路输出电压平均值为导通角越大，输出电压越高。整流电路输出电压平均值为 2cos145.0sin221oUttdUU输出电流平均值为输出电流平均值为LooRUI oTII 整流元件中流过的电流平均值整流元件中流过的电流平均值 （2）电感性负载）电感性负载 由于电感的存在，使电流由于电感的存在，使电流io不能发生跃变。当晶闸管刚触发导不能发生跃变。当晶闸管刚触发导通时，电流通时

26、，电流io将由将由0逐渐增加（因为电感元件中的感应电动势阻碍电逐渐增加（因为电感元件中的感应电动势阻碍电流变化）电流达到最大值的时间滞后于电压流变化）电流达到最大值的时间滞后于电压uo达到最大值的时间。达到最大值的时间。当电压下降到零后，电流当电压下降到零后，电流io并不为零，在并不为零，在u变为负值以后仍能使晶闸变为负值以后仍能使晶闸管导通，这时感应电动势大于电压管导通，这时感应电动势大于电压u，且极性仍使晶闸管导通，只，且极性仍使晶闸管导通，只有当有当io降低到维持电流以下时，晶闸管才关断。降低到维持电流以下时，晶闸管才关断。 感性负载半波可控整流电路感性负载半波可控整流电路uoRLT+

27、uTu + io（a）L（b）u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiouo 在交流电压在交流电压u进入负半周以后，出现了一段晶闸管进入负半周以后，出现了一段晶闸管导通的时间，使输出电压导通的时间，使输出电压uo出现了负值。电感越大，出现了负值。电感越大，uo出现负值的时间越长，这样会使输出电压出现负值的时间越长，这样会使输出电压uo的平均值下的平均值下降。降。 为了避免这种情况出现，通常是在感性负载两端并联为了避免这种情况出现，通常是在感性负载两端并联一个二极管（称续流二极管）。当一个二极管（称续流二极管）。当u为正半周时，二极管为正半周时，二极管D截止。当截止。当u为负半周时，二极管

28、为负半周时，二极管D两端承受正向偏压而导两端承受正向偏压而导通，这时负载电流通，这时负载电流io（由感应电动势产生的）经二极管形（由感应电动势产生的）经二极管形成回路，则输出电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而成回路，则输出电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断，关断， （b）u0t0tuo0tuTuGuuGt1t2ioiououoRLT+ uTu + io（a）LD有续流二极管的感性负载半波可控整流电路有续流二极管的感性负载半波可控整流电路 （1）电阻性负载）电阻性负载 将单相桥式整流电路的两个二极管用晶闸管替代，即将单相桥式整流电路的两个二极管用晶闸管替代，即构成了单相半控桥式整流电路。

29、构成了单相半控桥式整流电路。单相半控桥电阻性负载整流电路单相半控桥电阻性负载整流电路 当电压当电压u为正半周时，为正半周时，T1、D2承受正向偏压，若在承受正向偏压，若在t1时刻对晶闸管时刻对晶闸管T1的控制极的控制极加入触发电压，则加入触发电压，则T1和和D2导导通，通，形成输出电压形成输出电压uo（上（上“”下下“”），此时），此时T2和和D1承受反向偏压而截止。承受反向偏压而截止。 uoioRLau + T1T2D1D2buuG0t0tuo0tuT1uuGt1t2ioiouo 当当u为负半周时。为负半周时。T2和和D1承受正向偏压。在承受正向偏压。在t2时刻对晶闸管时刻对晶闸管T2加入触

30、发电压，则加入触发电压，则T2和和D1导通，导通，形成输出电压形成输出电压uo（仍为上（仍为上“”下下“”）。此时）。此时T1和和D2承受反向偏压而截止。承受反向偏压而截止。 RLau + T1T2D1D2buoio整流电路接电阻性负载时的输出电压平均值为整流电路接电阻性负载时的输出电压平均值为 )cos1(2sin21oUttdUU2cos19 .0o UU输出电流平均值为输出电流平均值为 LooRUI 2oDTIII U2整流元件中流过电流的平均值为整流元件中流过电流的平均值为 晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压均为均为 （2）电感性负

31、载）电感性负载单相半控桥电感性负载整流电路单相半控桥电感性负载整流电路uoioRLu + T1T2D1D2LDu0t0tuouuGt1t2ioiouo u uGLooRUI U2 晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压晶闸管和二极管所承受的最大正向电压和反向电压均为均为uo平均值平均值 2cos19 .0o UU负载电流负载电流Io的平均值仍为的平均值仍为 由以上分析可以看出控制角由以上分析可以看出控制角 增大，输出电压平均值减增大，输出电压平均值减小，控制角小，控制角 减小，输出电压平均值增加。改变控制角减小，输出电压平均值增加。改变控制角 ，就改变了输出电压的大小。，就改变了输出电压

32、的大小。例例 单相半控桥电阻性负载整流电路，若单相半控桥电阻性负载整流电路，若RL10 ，U90V，试求，试求 30 时，整流电压平均值时，整流电压平均值Uo和整流电流平均和整流电流平均值值Io及整流元件所承受的最大反向电压。及整流元件所承受的最大反向电压。最大反向电压最大反向电压 V57.75230cos1909 .02cos19 .0o UUA557.71057.75Loo RUIV28.1279022RM UU解解 晶闸管是工作在开关状态，存在着产生高电压，大电流晶闸管是工作在开关状态，存在着产生高电压，大电流冲击的可能，因此要在电路中加入保护环节，避免造成晶冲击的可能，因此要在电路中加

33、入保护环节，避免造成晶闸管的损坏。对晶闸管的保护主要有过电流和过电压保护闸管的损坏。对晶闸管的保护主要有过电流和过电压保护。 （1）过电流保护）过电流保护 快速熔断器快速熔断器。快速熔断器采用银质熔丝以保证。快速熔断器采用银质熔丝以保证在电流发生过载或短在电流发生过载或短路时在短时间内及时切断电路，保路时在短时间内及时切断电路，保护晶闸管不被损坏。快速熔断器可与被保护元件串联连护晶闸管不被损坏。快速熔断器可与被保护元件串联连接。接。 过电流继电器过电流继电器。 过流继电器只对电路过载时起保过流继电器只对电路过载时起保护作用，过流继电器通常串联接在输入端或输出端。护作用，过流继电器通常串联接在输

34、入端或输出端。3. 晶闸管的保护晶闸管的保护 过电压保护过电压保护。 引起过电压的原因是在具有电感元引起过电压的原因是在具有电感元件的电路中，当切断电路时，电路中电感元件会产生高件的电路中，当切断电路时，电路中电感元件会产生高电压，极易引起晶闸管的损坏。阻容保护是经常采用的电压，极易引起晶闸管的损坏。阻容保护是经常采用的一种过压保护措施，它是由电阻与电容的串联来吸收过一种过压保护措施，它是由电阻与电容的串联来吸收过电压，使元件上电压上升速度减慢。电压，使元件上电压上升速度减慢。 RLRCLCCRRCRCR晶闸管过压保护电路晶闸管过压保护电路D1D2T1T2 除了在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电

35、压外，除了在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压外，还必须在控制极与阴极之间加触发电压，才能使晶闸还必须在控制极与阴极之间加触发电压，才能使晶闸管导通。提供触发电压的电路称为触发电路，所需触管导通。提供触发电压的电路称为触发电路，所需触发电压是一系列的触发脉冲信号。对触发电路的要求发电压是一系列的触发脉冲信号。对触发电路的要求如下：如下：5.6.3 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 （1）有足够的触发功率。一般触发电压为有足够的触发功率。一般触发电压为410V，触，触发电流为数十至数百毫安。发电流为数十至数百毫安。（2）有足够的触发脉冲宽度，通常大于有足够的触发脉冲宽度，通常大于10 s。并且触。

36、并且触发电压波形的前沿要陡直。发电压波形的前沿要陡直。（3）触发时间要准确，并与整流电路的交流电源同步触发时间要准确，并与整流电路的交流电源同步。（4）触发电压能在足够宽的范围内平稳移动。触发电压能在足够宽的范围内平稳移动。单结晶体管符号单结晶体管符号B2PNB1EDRB2RB1B2B1EB2B1E 在一块在一块N型半导体上制成一个型半导体上制成一个PN结，从结，从P区引出发射极区引出发射极E，从，从N型半导体两端引出两个电极，分别称为第一基极型半导体两端引出两个电极，分别称为第一基极B1和第二基极和第二基极B2 B1和和B2两个基极与两个基极与N型半导体间有几千欧的电阻，发射极对型半导体间有

37、几千欧的电阻，发射极对B1B2均形成均形成PN结，结，PN结可等效为二极管结可等效为二极管D。基极。基极B1与与N型半导体型半导体间的电阻为间的电阻为RB1，RB1是一个可变电阻，基极是一个可变电阻，基极B2与与N型半导体间的电型半导体间的电阻为阻为RB2。单结晶体管单结晶体管单结晶体管等效电路单结晶体管等效电路0IEUEP截止区截止区导通区导通区UPVUVIPIVUEEDRB2RB1B2B1E+- - -+UBBUERAIEBB2B1B1BAURRRV 2B1B1BRRR BBAUV 称为单结体晶管的分压比，一般在称为单结体晶管的分压比，一般在0.30.9之间。若之间。若UE VAUD，PN

38、结处于反向偏置，单结晶体管的发射极电流结处于反向偏置，单结晶体管的发射极电流IE 0，单结晶，单结晶体管处于截止状态。当升高体管处于截止状态。当升高UE使使UEUPVAUD，PN结进入导通结进入导通状态，状态，UP为单结晶体管的峰点电压，对应的发射极电流为单结晶体管的峰点电压，对应的发射极电流IP为峰点电为峰点电流。流。A点电位为：点电位为：0IEUEP截止区截止区导通区导通区UPVUVIPIVUEEDRB2RB1B2B1E+- - -+UBBUERAIE 当当UE UP后，后，PN结正向导通，结正向导通，IE显著增加，但由于显著增加，但由于RB1随着随着PN结的导通而急剧下降，使结的导通而急

39、剧下降，使VA下降，从而导致下降，从而导致UE下降，这种下降，这种UE下降下降而而IE增加的现象称为负阻现象。当增加的现象称为负阻现象。当UE下降到某一值（下降到某一值（UV）时，）时，PN结将自动关断，结将自动关断，UV称为谷点电压，对应的称为谷点电压，对应的IE电流为谷点电流电流为谷点电流IV。 当单结晶体管的发射极电压当单结晶体管的发射极电压UEUP时，单结晶体管截止（工作时，单结晶体管截止（工作在截止区）；当在截止区）；当UEUP时，单结晶体管导通（工作在导通区）。导时，单结晶体管导通（工作在导通区）。导通后，当通后，当UE UV时，单结晶体管又恢复到截止状态。时，单结晶体管又恢复到截

40、止状态。 tuCUPUVuGt00 利用利用单结晶体管的负阻特性，可构成自激振荡电路单结晶体管的负阻特性，可构成自激振荡电路，将自激振，将自激振荡电路输出的脉冲信号作为晶闸管控制极触发电压信号荡电路输出的脉冲信号作为晶闸管控制极触发电压信号uG。 放放电电+ R2R1+ uCUBBuGE充电充电CB1B2RT 设电容设电容C的初始电压为零，接通电源后，的初始电压为零，接通电源后，UBB经电阻经电阻R向向C充电充电，uC按指数规律增加。当按指数规律增加。当uCUP，单结晶体管导通，则，单结晶体管导通，则uC经单结晶经单结晶体管的体管的EB1向电阻向电阻R1放电，由于放电，由于R1很小，放电很快结

41、束，在很小，放电很快结束，在R1上形上形成的输出电压为一个窄脉冲。当电容电压放电至成的输出电压为一个窄脉冲。当电容电压放电至uCUV时，单结晶时，单结晶体管截止，输出电压为零，完成一次振荡。然后体管截止，输出电压为零，完成一次振荡。然后C重新充电，重复重新充电，重复上述振荡过程上述振荡过程 。tuCUPUVuGt00 利用利用单结晶体管的负阻特性，可构成自激振荡电路单结晶体管的负阻特性，可构成自激振荡电路，将自激振，将自激振荡电路输出的脉冲信号作为晶闸管控制极触发电压信号荡电路输出的脉冲信号作为晶闸管控制极触发电压信号uG。 放放电电+ R2R1+ uCUBBuGE充电充电CB1B2RT 可以

42、看出改变可以看出改变电阻电阻R的大小的大小，可改变电容，可改变电容C充电的时间长短，从充电的时间长短，从而而改变了改变了UP出现的时刻出现的时刻。从而能使触发信号从而能使触发信号uG在半个周期内前后移动，满足了在半个周期内前后移动，满足了控制角控制角 可调的要求。可调的要求。 为了使可控整流电路输出稳定的电压，还应保证晶闸管在每为了使可控整流电路输出稳定的电压，还应保证晶闸管在每个导电周期内具有相同的导通角，即保证触发电路与整流电路严个导电周期内具有相同的导通角，即保证触发电路与整流电路严格同步。格同步。RZ单结晶体管同步触发整流电路单结晶体管同步触发整流电路uZu22+ DZ+R2R1+uC

43、RPuGECRLu21 uo+ T1T2D1D2LDu1+ Tui- -+ 在单结晶体管的触发电路中，在每半个周期内可能在单结晶体管的触发电路中，在每半个周期内可能产生几个脉冲，但只有第一个脉冲起作用。产生几个脉冲，但只有第一个脉冲起作用。工作波形工作波形uZui0tuZui0tuCuGt0t1uo0t 双向晶闸管通常应用在交流调压电路中，图所示电路双向晶闸管通常应用在交流调压电路中，图所示电路可实现白炽灯的调光。可实现白炽灯的调光。 R、C及双向二极管及双向二极管D组成简单的触发电路。组成简单的触发电路。 TDRCL交流调压电路交流调压电路 当交流电压处在正半周时，电源通过当交流电压处在正半

44、周时，电源通过R向向C充电，当电容电压达充电，当电容电压达到一定值时，双向二极管导通，触发电压加到双向晶闸管使其导通到一定值时，双向二极管导通，触发电压加到双向晶闸管使其导通，负载流过电流，当电源负半周时，负载流过电流，当电源负半周时，C被反向充电，触发过程同上被反向充电，触发过程同上。 改变电阻改变电阻R的大小，的大小，即可改变晶闸管导通角的即可改变晶闸管导通角的大小，从而调整了负载两大小，从而调整了负载两端的电压，达到了调光的端的电压，达到了调光的目的。目的。 GTO符号符号KAG5.6.4 全控型开关器件全控型开关器件 控制极可关断晶闸管又称门极可关断晶闸管，简称控制极可关断晶闸管又称门

45、极可关断晶闸管，简称GTO。GTO与晶闸管相类似，也具有与晶闸管相类似，也具有PNPN四层半导体结构，外部同样引四层半导体结构，外部同样引出阳极出阳极A、阴极、阴极K和控制极和控制极G。但内部设计时，对一些参数作了调整。但内部设计时，对一些参数作了调整，从而具有了控制极可关断的特征。，从而具有了控制极可关断的特征。 开通工作过程如下：开通工作过程如下： 在阳极与阴极之间加正向电压，使其处在阳极与阴极之间加正向电压，使其处在正向阻断状态，然后在控制极在正向阻断状态，然后在控制极G加正向触加正向触发电压，使发电压，使GTO由阻断状态变为完全导通状由阻断状态变为完全导通状态，即使撤走控制极电压也不会

46、改变其导通态，即使撤走控制极电压也不会改变其导通状态。状态。 GTO符号符号KAG5.6.4 全控型开关器件全控型开关器件关断工作过程如下：关断工作过程如下： 若要关断若要关断GTO不需要在阳极与阴极间施加反不需要在阳极与阴极间施加反向电压或减小阳极电流，而只需向电压或减小阳极电流，而只需在控制极在控制极G加入加入反向触发电压反向触发电压，即能使，即能使GTO由正向导通状态变为由正向导通状态变为关断状态。这时产生的控制极电流是从阳极电流关断状态。这时产生的控制极电流是从阳极电流中抽出来的一部分，称为负向电流。中抽出来的一部分，称为负向电流。 GTO导通时的正向电压为导通时的正向电压为23V，其

47、开关时间在几，其开关时间在几 s至至25 s之间之间。由于。由于GTO的工作电压高和电流大，适用于开关频率为数百的工作电压高和电流大，适用于开关频率为数百Hz至至10KHz的大功率场合。的大功率场合。 电压控制器件，以具有开关速度快、输入阻抗高等优点获得广电压控制器件，以具有开关速度快、输入阻抗高等优点获得广泛应用。泛应用。 CEGCEGICUGEUGE（th）0 IGBT的转移特性描述的是集电的转移特性描述的是集电极电流极电流IC与栅射极电压与栅射极电压UGE之间的之间的关系。关系。UGE（th）是是IGBT实现导通的实现导通的开启电压，当开启电压，当UGE UGE（th）时，时，IGBT关

48、断，关断，IC 0。正向阻断区正向阻断区反向阻断状态反向阻断状态UGE（th）IC饱和区饱和区线线区区性性UCE0I G B T 的 输 出 特 性 表 示的 输 出 特 性 表 示IGBT集射极电压集射极电压UCE和集和集电极电流电极电流IC之间的关系，输之间的关系，输出特性曲线分为正向阻断出特性曲线分为正向阻断区，饱和区和线性区。当区，饱和区和线性区。当UCE 0时，时，IGBT为反向阻为反向阻断工作状态。在电力电子断工作状态。在电力电子电路中，电路中，IGBT工作在开关工作在开关状态，因而它是工作在正状态，因而它是工作在正向阻断区和饱和区。向阻断区和饱和区。 IGBT工作时，工作时，集电

49、极接高电位集电极接高电位，发射极接低电位发射极接低电位，栅极与发射栅极与发射极间加控制电压极间加控制电压。当。当IGBT作为开关管使用时，为了使其导通，应作为开关管使用时，为了使其导通，应在栅极与发射极间加正向偏压，为了使其截止，应在栅极与发射极在栅极与发射极间加正向偏压，为了使其截止，应在栅极与发射极间加反向偏压。间加反向偏压。第第8章章 电源技术电源技术8.1 电源技术的基本内容电源技术的基本内容8.2 直流稳压电源直流稳压电源8.3 开关型稳压电源开关型稳压电源8.4 交流稳压电源交流稳压电源电工和电子技术电工和电子技术电源可分为三种类型：电源可分为三种类型：(1)一次性电源一次性电源，

50、即供电电源。，即供电电源。(2)二次性电源二次性电源，即在供电电源与负载之间对电能进，即在供电电源与负载之间对电能进行转换以满足电气设备需要的电源。行转换以满足电气设备需要的电源。(3)蓄电池电源蓄电池电源，将其它形式的能量转换成电能储存，将其它形式的能量转换成电能储存起来，然后再提供给负载。起来，然后再提供给负载。第第8章章 电源技术电源技术8.1 电源技术的基本内容电源技术的基本内容(1)将交流电变为直流电，实现这一功能的电路称为将交流电变为直流电，实现这一功能的电路称为整流电路整流电路。(2)将直流电变为交流电，实现这一功能的电路称为将直流电变为交流电，实现这一功能的电路称为逆变电路逆变

51、电路。(3)将一种直流电变为另一种直流电，这种变换能实将一种直流电变为另一种直流电，这种变换能实现直流电的幅值或极性的改变。现直流电的幅值或极性的改变。(4)将一种交流电变为另一种交流电，这种变换能实将一种交流电变为另一种交流电，这种变换能实现交流电的大小和频率的变化。现交流电的大小和频率的变化。功率变换电路可分为功率变换电路可分为4类：类：(1)体积小、重量轻、造价低。体积小、重量轻、造价低。(2)电源输出不间断。电源输出不间断。(3)效率高、节能。效率高、节能。(4)输出电压或输出电流要稳定输出电压或输出电流要稳定 1.直流稳压电源直流稳压电源 直流稳压电源有两种控制方式，即直流稳压电源有

52、两种控制方式，即连续线性控制连续线性控制和和断续开关控制断续开关控制方式。方式。 连续线性控制方式电源的特点是连续线性控制方式电源的特点是功率器件工作在功率器件工作在放大状态放大状态。如串联型稳压电源就属于这种控制方式。如串联型稳压电源就属于这种控制方式。 断续开关控制方式电源的主要特点是断续开关控制方式电源的主要特点是功率器件工功率器件工作在开关状态。作在开关状态。电子设备对电源的要求是：电子设备对电源的要求是：2.交流稳压电源交流稳压电源交流稳压电源包含稳压电源和不间断电源。交流稳压电源包含稳压电源和不间断电源。 8.2 直流稳压电源直流稳压电源1.直流稳压电源的主要技术指标直流稳压电源的

53、主要技术指标2.直流稳压电源的种类直流稳压电源的种类:(1)按电源中调整元件与负载的连接方式分，有并按电源中调整元件与负载的连接方式分，有并联式稳压电源和串联式稳压电源。联式稳压电源和串联式稳压电源。(2)按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和按调整元件的工作状态分，有线性稳压电源和开关稳压电源。开关稳压电源。8.2.2 串联式线性稳压电源串联式线性稳压电源 变变压压整整流流滤滤波波稳稳压压负负载载交流电交流电交流电变为直流电的过程示意图交流电变为直流电的过程示意图串联式线性稳压电源串联式线性稳压电源由由采样采样、基准基准、比较放大比较放大和和调整调整四个环节组成四个环节组成串联型稳压电路串

54、联型稳压电路T2DZR4T1RLR1R2RPRP UZRP R3+ UiUo+ + UB2+ UfUCE2IC2UCE1UBE1 +8.2.2串联式线性稳压电源串联式线性稳压电源 串联型稳压电路串联型稳压电路T2DZR4T1RLR1R2RPRP UZRP R3+ UiUo+ + UB2+ UfUCE2IC2UCE1UBE1 +(1)采样环节：由采样环节：由R1、 R2、 RP组成。组成。)(P2P21oRRRRRUUf )(P21P21BEoRRRRRUUUZ 反馈电压反馈电压输出电压输出电压8.2.2串联式线性稳压电源串联式线性稳压电源 串联型稳压电路串联型稳压电路T2DZR4T1RLR1R

55、2RPRP UZRP R3+ UiUo+ + UB2+ UfUCE2IC2UCE1UBE1 +(2)基准电压环节：由基准电压环节：由DZ和和R3组成。组成。(3)比较放大环节：由比较放大环节：由T1构成。构成。8.2.2串联式线性稳压电源串联式线性稳压电源 T2DZR4T1RLR1R2RPRP UZRP R3+ UiUo+ + UB2+ UfUCE2IC2UCE1UBE1 +(4)调整环节：由工作在线性区的功率管（调整管）调整环节：由工作在线性区的功率管（调整管）T2组组成。成。 若某种原因使输出若某种原因使输出电压升高电压升高，其稳压过程为：，其稳压过程为：Uo Uf UBE1 UCE1 U

56、B2 IC UCE2 Uo 采用运算放大器，其稳压过程为：采用运算放大器，其稳压过程为： Uo Uf UB IC UCE Uo Uo由运算放大器组成的串联型稳压电路由运算放大器组成的串联型稳压电路TDZR3RLR1RPRP +UZ RP R2+ Ui+ + UB+ Uf + UCEIC 常用的集成稳压器有下列几种：常用的集成稳压器有下列几种：(1)多端可调式集成稳压器。多端可调式集成稳压器。(2)三端可调式集成稳压器。三端可调式集成稳压器。(3)三端固定式集成稳压器。三端固定式集成稳压器。 W7800系列、系列、 W7900系列。系列。三端集成稳压器基本应用电路三端集成稳压器基本应用电路W78

57、05Ci+ UiCoUo+ 123W7800系列输出正电压系列输出正电压，如，如W7805，表示输出电压为，表示输出电压为5V。W7900系列输出负系列输出负 电压电压，如，如W7915，表示输出电压为，表示输出电压为15V。Ci：改善纹波。：改善纹波。Co：改善负载的瞬态响应。：改善负载的瞬态响应。8.2.3集成稳压器集成稳压器三端固定式集成稳压器的几种应用电路三端固定式集成稳压器的几种应用电路(1)正负电压同时输出的稳压电路。正负电压同时输出的稳压电路。220VC+5V 5VCi+CoCi+CoW7805W7905C12V12V123123(2)提高输出电压的稳压电路。提高输出电压的稳压电

58、路。12W78XXCi+ UiCoR1+ 3R2+ UXXUoIRIQ若若IR5IQ，则，则)(QR2XXoIIRUU XX12XX12XXR2XXo)1(URRURRUIRUU W78XXCi+ UiCoUo+ 123 +R1R2 + U (3)输出电压可调的稳压电路。输出电压可调的稳压电路。 )1()(12XX211XXoRRURRRUU （4）扩大输出电流的稳压电路）扩大输出电流的稳压电路W78XXCi+ UiCOUo+ 123R IBI3IRI1ICI2RLIoTUBE 通常通常I3较小，所以较小，所以I2 I1。当。当IR电流不足以使电流不足以使T导通时，导通时，IC0，IoI2 I

59、1，若，若IR电流增大到一定值时，使电流增大到一定值时，使T导通，则导通，则IoI2IC，调整调整R的大小使功率管在输出电流较大时导通。的大小使功率管在输出电流较大时导通。I2 I1=IR+IB= CBEIRU C1BE1IIUR ()一次整流滤波电路：一次整流滤波电路：()开关调整管：开关调整管：8.3 开关型稳压电源开关型稳压电源一次整流一次整流开关调整管开关调整管二次滤波二次滤波开关控制开关控制比较放大比较放大取样电路取样电路基准电路基准电路+ ui+ Uo滤波滤波电路电路开关型稳压电源结构框开关型稳压电源结构框()二次滤波：二次滤波：()开关控制电路：开关控制电路：()取样电路，比较放

60、大，基准电路作用同取样电路，比较放大，基准电路作用同一次整流一次整流开关调整管开关调整管二次滤波二次滤波开关控制开关控制比较放大比较放大取样电路取样电路基准电路基准电路+ ui+ Uo滤波滤波电路电路开关型稳压电源结构框开关型稳压电源结构框 开关型稳压电源的分类方法很多，按电路结构分，开关型稳压电源的分类方法很多，按电路结构分，有有串联开关稳压电源和并联开关稳压电源串联开关稳压电源和并联开关稳压电源：按调制方：按调制方式分，有式分，有脉宽调制型、脉频调制型和混合调制型脉宽调制型、脉频调制型和混合调制型。目。目前前脉宽调制型应用比较普遍脉宽调制型应用比较普遍。LT电压比较器电压比较器RLR1R2