10.1第一节晶闸管 (2)（基础教育）

1、第10章 电力电子技术了解电力电子技术的特点及发展方向；掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义;掌握单相可控整流电路的工作原理、波形画法及各电量的估算; 了解单结晶体管的结构及特点，理解其工作原理。电力半导体器件弱电强电什么是电力电子技术？信息电子技术信息处理电力电子技术电力变换电子技术一般即指信息电子技术，广义而言，也包括电力电子技术。模拟电子技术电子技术信息电子技术电力电子技术数字电子技术电力电子技术使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，即应用于电力领域的电子技术。目前电力电子器件均用半导体制成，故也称电力半导体器件。电力电子技术变换的“电力”，可大到数百MW甚至GW，也可小

2、到数W甚至mW级。 电力变换四大类 交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流表1 电力变换的种类逆变直流斩波直流交流电力控制变频、变相、调压整流交流交流直流 输出 输入一般工业： 交直流电机、电化学工业、冶金工业交通运输： 电气化铁道、电动汽车、航空、航海电力系统： 高压直流输电、柔性交流输电、无功补偿电子装置电源： 为信息电子装置提供动力家用电器： “节能灯”、变频空调其他： UPS、 航天飞行器、新能源、发电装置电力电子技术的应用轧钢机数控机床冶金工业电解铝1）一般工业2）交通运输3）电力系统SVC高压直流装置HVDC柔性交流输电FACTS4）电子装置用电源程控交换机电子装置微型计算

3、机5）家用电器6）其他大型计算机的UPS航天技术新型能源电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。晶闸管问世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出现和发展时代晶闸管时代水银（汞弧）整流器时代电子管问世全控型器件迅速发展时期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶体管诞生电力电子技术的发展史（Silicon Controlled Rectifier） 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆

4、变、调压及开关等方面。 体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。 优点：10.1 晶闸管(SCR)1310.1 晶闸管(SCR)一、晶闸管的结构和特号3个PN结的四层三端元件AAGGKKb)AGKP1N1P2N2J1J2J3G控制极一. 结构K 阴极G阳极 AP1P2N1N2四 层 半 导 体 晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。(c) 结构K GA(b) 符号(a) 外形三 个PN 结10.1 晶闸管(SCR)15螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构常用晶闸管的结构阳极阴极控制极辅助阴极螺

5、栓形晶闸管平板形晶闸管阴极阳极控制极P1P2N1N2K GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T2二、 工作原理A 在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。形成正反馈过程KGEA 0、EG 0EGEA+_R 晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反馈过程二、 工作原理 实验一开关S断开：灯L不亮。S与1闭合：门极电位高于阴极电位，门极承受正压灯L不亮。S与2闭合：门极承受反压，灯L不亮 。结论：阳极反压，晶闸管不导通

6、。若晶闸管的阳极电位低于阴极电位，无论门极电位是否高于阴极，晶闸管均不导通。1.晶闸管的导通条件 二、 工作原理 实验二开关S断开：灯L不亮。S与1闭合：门极电位高于阴极电位，门极承受正压，S与2闭合：门极承受反压，灯L不亮 。结论：阳极和门极同时承受正压时，晶闸管导通 。当晶闸管的阳极电位高于阴极电位，且仅在门极电位高于阴极时，晶闸管导通。灯L亮。1.晶闸管的导通条件 实验三：接上实验开关S断开：灯L亮。S与1闭合：门极电位高于阴极电位，门极承受正压，灯L亮。S与2闭合：门极承受反压，灯L亮 。结论：晶闸管一旦导通，门极失去作用 。控制晶闸管的导通只须正向脉冲电压称之为触发脉冲即可。1.晶闸

7、管的导通条件 简单描述晶闸管SCR相当于一个半可控的、可开不可关的单向开关。图 晶闸管的工作条件的试验电路晶闸管导通的条件： 1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件： 1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。正向特性反向特性URRMUDRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正

8、向平均电流维持电流U三. 晶闸管伏安特性28晶闸管的伏安特性(1)伏安特性:晶闸管阳极电压与阳极电流的关系曲线. (2)伏安特性上几个点: 正向转折电压UBO(正向不重复峰值电压UDSM); 正向重复峰值电压UDRM; UDRM约为UBO的80%.四.晶闸管型号及主要参数 导通时平均电压组别共九级, 用字母AI表示0.41.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）P-普通晶闸管S -双向晶闸管 晶闸管KP普通型如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。(1) 断态不重复峰值电压UDSM 门极开路时，施加于晶闸管的阳极电压

9、上升到正向伏安特性曲线急剧转折处所对应的电压值UDSM 。它是一个不能重复，且每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压。 UDSM值应小于转折电压Ub0。晶闸管的主要参数 晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的正向断态最大脉冲电压。 每秒50次每次持续时间不大于10ms， 规定UDRM为UDSM的90%。(2) 断态重复峰值电压UDRM它是一个不能重复施加且持续时间不大于10ms的反向脉冲电压。反向不重复峰值电压URSM应小于反向击穿电压。 门极开路，晶闸管承受反向电压时，对应于反向伏安特性曲线急剧转折处的反向峰值电压值URSM 。(3) 反向不重复峰值电压URSM(4)

10、 反向重复峰值电压URRM 晶闸管在门极开路而结温为额定值时，允许重复加于晶闸管上的反向最大脉冲电压。 每秒50次每次持续时间不大于10ms。 规定URRM为URSM的90%。 断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM两者中较小的一个电压值规定为额定电压UR。 在选用晶闸管时，应该使其额定电压为正常工作电压峰值UM的23倍，以作为安全裕量。(5) 额定电压UR 规定为额定电流时的管子导通的管压降峰值。 一般为1.52.5V，且随阳极电流的增加而略为增加。 额定电流时的通态平均电压降一般为1V左右。(6)通态峰值电压UTM (7) 通态平均电流IT(AV） 在环境温度为+40和规定的散

11、热冷却条件下，晶闸管在导通角不小于170电阻性负载的单相、工频正弦半波导电，结温稳定在额定值125时，所允许通过的最大电流平均值。 允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 选用一个晶闸管时，要根据所通过的具体电流波形来计算出容许使用的电流有效值，该值要小于晶闸管额定电流对应的有效值。晶闸管才不会损坏。设单相工频正弦半波电流峰值为Im时通态平均电流为：正弦半波电流有效值为：有效值与通态平均电流比值为：则有效值为： 根据有效值相等原则来计算晶闸管的额定电流。若电路中实际流过晶闸管的电流有效值为I，平均值Id， 定义 波形系数：则 由于晶闸管的热容量小，过载能力低，因此在实际选择时，一般取1.52

12、倍的安全系数，(8) 维持电流IH (针对关断过程) 是指晶闸管维持导通所必需的最小电流。一般为几十到几百毫安。维持电流与结温有关，结温越高，维持电流越小，晶闸管越难关断。(9) 断态电压临界上升率du/dt 电压上升率过大，就会使晶闸管误导通。 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。(10) 通态电流临界上升率di/dt 如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏402、新型电力电子元件简介(1)双向晶闸管(TRIAC)(2)可关断晶闸管(GTO) (3)功率晶体管GTR(4)绝缘栅双极型晶体管IGBT知识回顾晶闸管的结构晶闸管的导通条件晶闸

13、管的主要参数4210.3可控整流电路1.单相半波可控整流电路 .1)电阻性负载(1)自然换向点:阳极电压由负变正的过零点.在该点,二极管自然导通. (2)控制角 (移相角,滞后角) 触发脉冲发出的时刻与自然换向点之间的夹角. (3)导通角 (4)输出电压平均值U2为变压器二次侧电压有效值(5)输出电流 Id=Ud/R432)电感性负载(1)特点:电感具有阻碍电流变化 的作用.当阳极电压(电源电压)过零变负时,一段时间,电感电压大于电源电压,加在晶闸管上的电压仍为正,继续维持导通.输出电压就是电源电压的包络线.于是有: 输出电压出现负值,使输出平均电压降低; 晶闸管由正变负时不能关断而失控. (

14、2)解决方法:反向并联续流二极管.44而负载电流 Id=Ud/R 3)续流二极管的作用 接续流二极管后,输出电压波形和计算 式同电阻负载;而输出电流波形有不同. 流过晶闸管的电流平均值流过续流二极管的电流平均值:控制角0306090120150180 K1.571.661.882.222.783.99 单相半波、全波、桥式电路纯电阻负载在不同控制角时的K值课外知识46例:单相半波可控整流电路带电阻负载,已知:U2=220V,输出直流电压50V,输出直流电流20A.求(1)晶闸管的控制角;(2)电流有效值;(3)选用晶闸管解;(1) 得(2)电流有效值K值查表得来(3)晶闸管允许的电流平均值额定

15、电压选 KP-50/700472.单相桥式可控整流电路1)单相半控桥 (1)电阻性负载48(2)电感性负载带续流二极管 流过晶闸管的平均电流:流过续流二极管的平均电流:49单相半控桥带电感性负载的另一种接线 晶闸管既不是共阴极组接法,也不是共阳极组接法. 这种接线可以省去续流二极管.50(3)反电势负载 如直流电动机的电枢;蓄电池. 特点:只有输出电压大于反电势时 才有电流输出.晶闸管导电时间短,电流大,一般要串电抗器来平滑电流的脉动. 输出平均电流513.三相半波可控整流电路 1)电阻性负载 控制角小于或等于30度时的输出电压:式中U2为二次侧相电压晶闸管元件在电路中承受的最高电 压为线电压峰值,即思考题;A相的自然换向点在哪儿?52 2)电感性负载(1)输出电压出现负值; (2)如果电感足够大,输出电流脉动小,电流波形近似一条水平线.53电感性负载