第九章 晶闸管-自考--模拟、数字及电力电子技术

1、1目录目录第九章第九章 晶闸管及相控变换器晶闸管及相控变换器第一节第一节 晶闸管晶闸管第二节第二节 晶闸管相控整流电路的相晶闸管相控整流电路的相 控控 原理原理第三节第三节 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路2目录目录（1）AC DC。把交流电能转换成直流电能，称为。把交流电能转换成直流电能，称为整流，整流，所所用装置为整流器。用装置为整流器。（2）DC AC。把直流电能转换成交流电能，称为。把直流电能转换成交流电能，称为逆变逆变，所，所用装置为逆变器。用装置为逆变器。（3）AC AC。把交流电能的任一参数（幅值、频率和相位。把交流电能的任一参数（幅值、频率和相位）加以转换，称为）加以转

2、换，称为变频变频，所用装置为交流变换器或变频器。，所用装置为交流变换器或变频器。（4） DC DC 将直流电能的任一参数（幅值和极性）加以将直流电能的任一参数（幅值和极性）加以转换，称为转换，称为斩波斩波。实现这一转换的装置称为直流变换器或直。实现这一转换的装置称为直流变换器或直流斩波器。流斩波器。第一节第一节 晶闸管（硅可控整流器晶闸管（硅可控整流器SCR）一、电力电子技术概述一、电力电子技术概述3目录目录3/89二、电力电子器件的分类二、电力电子器件的分类按照能够被控制电路信号所控制的程度按照能够被控制电路信号所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶闸管（晶闸管（Thyris

3、tor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBT）和和功率场功率场效应晶体管效应晶体管Power MOSFET。 通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。 不可控器件不可控器件 电力二极管（电力二极管（Power Diode） 不能用控制信号来控制其通断。不能用控制信号来控制其通断。4目录目录5目录目录G P1P2N1N26目录目录常

4、用常用晶闸管的图片晶闸管的图片螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管晶闸管模块晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构平板型晶闸管外形及结构7目录目录GKATSHL(a)HLGKATS(b)GKATSHL(c)GKATSHL(d)(c)去掉控制极正向电压，灯泡亮。去掉控制极正向电压，灯泡亮。(d)阳极加反向电压，灯泡熄灭。阳极加反向电压，灯泡熄灭。(a)控制极不加电压，灯泡不亮。控制极不加电压，灯泡不亮。(b)控制极加正向电压，灯泡亮。控制极加正向电压，灯泡亮。8目录目录 阳极电流小于维持电流阳极电流小于维持电流 ，或将，或将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极电源断开或者在晶闸管的9目录目录P1P2N1N2K GAKA

5、 T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGNPPNNAGKP10目录目录 T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在极短时间内使在极短时间内使两个三极管均饱和导两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通，此过程称触发导通。通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2i11目录目录GEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 12目录目录URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2正向平均电流正向平均电流)(曲曲线线UfI 13目录目录)(sin21m0mF

6、IttdII 环境温度为环境温度为40 C及标准散热条件下，晶闸管处于全及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。IF t 2 i如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为I Im m, , 则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。14目录目录UFRM: 控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取两端的正向峰值电压。一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶闸管普通晶闸管 UFRM 为为100V 3000V15目录目录

7、URRM： 控制极开路时控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元允许重复作用在晶闸管元 件上的反件上的反向峰值电压。一般取向峰值电压。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管普通晶闸管 URRM为为100V3000VIFSM： 在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。16目录目录 ，一旦发生过，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将电流时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只件内部短路或开路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流过电流为为400A400A时，仅允许持续时，仅允许持续0.020

8、.02秒，否则将因过热而损秒，否则将因过热而损坏；坏； 电压超过其反电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。的电流较大，使器件受损。17目录目录 历年典型考题历年典型考题 2009、2010考题考题18目录目录 历年典型考题历年典型考题 2007、2008考题考题22. 为保护晶闸管SCR安全可靠工作，要进行过电压及 保护。19目录目录(1) 电路分析电路分析。uuu To, 0。0,To uuu+T第二节第二节 晶闸管相控

9、整流电路的相晶闸管相控整流电路的相 控原理控原理20目录目录 t1 2 。uu,u T 0o:1t 。0,To uuu tuO晶晶闸闸管管不不导导通通。,0,0g1 ut t 。uuu To, 0gu tO21目录目录 tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO导通角导通角22目录目录 tuUd21O )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U23目录目录 +TLeL24目录目录 tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 25目录目录+LTD+26目录目录iL tOu tuO tTuO 2 tguO27目录目录27

10、单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路1) 带电阻负载的工作情况带电阻负载的工作情况a)u (i )ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构电路结构为什么？第三节第三节 单相桥式相控整流电路单相桥式相控整流电路28目录目录28数量关系数量关系2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUUa

11、角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTRUII2cos19 . 02cos12222ddRURURUIttt000i2udidb)c)d)dduVT1,429目录目录29流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2I21IITttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4思考：额定电压、额定电流应该如何取值？3

12、0目录目录57.1)25.1(aTIIT选择晶闸管的额定电流：选择晶闸管的额定电压：2U2)32(UT注意：注意：单相桥式全控整流电路晶闸管承受的最大反单相桥式全控整流电路晶闸管承受的最大反向电压为向电压为 。正向电压最大值为。正向电压最大值为 。2U222U22sin2122RUI2cos12dRUI)cos1 (2/2sin21I22RUId2I21TI31目录目录312）带阻感负载的工作情况）带阻感负载的工作情况 u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4单相全控桥带阻感负载时的电路及波形 假设电路已工作于稳态，id的平均值不

13、变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+ 时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相换相，亦称换流换流。32目录目录32 数量关系数量关系cos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。ddT21IIddT7

14、07. 021III晶闸管承受的最大正反向电压均为 。22U2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,433目录目录333） 带反电动势负载时的工作情况带反电动势负载时的工作情况单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 在|u2|E时，才有晶闸管承 受正电压，有导通的可能。在a 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶闸管关断，此后ud=E 。REuidd与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度停止导电， 称为停止导电角，212sinUEb)idOEudtIdOt

15、34目录目录34当 时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。单相桥式全控整流电路接反电动势电阻电阻负载时的波形 电流断续电流断续触发脉冲有足够的宽度，保证当 t= 时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为 。 如图所示id波形所示：电流连电流连续续ub)idOEdtIdOt35目录目录35负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机 的机械特性将很软 。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：

16、dmin23dmin21087.222IUIUL（2-17）图2-8 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况tOud0Eidt = 36目录目录aRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+37目录目录+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a38目录目录 tOu tuO tT1uO2 tguO39目录目录 tuUd1O )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2cos19 . 0 U40目录目录2-40单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路41目录目录2-41在在u2正半周，正半周，u2经经VT1和和VD4向负载供电。向负载供电。 u2过零

17、变负时，因电感作用电流不再流经过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由变压器二次绕组，而是由VT1和和VD3续流。续流。在在u2负半周触发角负半周触发角a时刻触发时刻触发VT2，VT2导通，导通，u2经经VT2和和VD4向负载供电。向负载供电。u2过零变正时，过零变正时，VD4导通，导通，VD3关断。关断。VT2和和VD4续流，续流，ud又为零。又为零。42目录目录2-42 避免可能发生的失控现象。避免可能发生的失控现象。 若无续流二极管，则当若无续流二极管，则当a 突然增大突然增大至至180 或触发脉冲丢失时，会发生一个晶或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管

18、轮流导通的情闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为恒定，称为失控失控。43目录目录43单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路电路结构电路结构 单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。 如此即成为单相桥式半控整流单相桥式半控整流电路电路（先不考虑VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR单相桥式半控整流电路，有续流二极单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形管，阻感负载时的电路及波形电阻负载电阻负载 半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。应为应为VD244目录目录44单相半控桥带阻感负载的情况单相半控桥带阻感负载的情况单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。 u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD2关断。VT3和VD4续流，ud又为零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iV