chapter电力电子技术实用

会计学1chapter电力电子技术实用晶闸管（Silicon

ControlledRectifier）

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：第1页/共52页G控制极20.1

晶闸管20.1.1基本结构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KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形、结构及符号三个

PN

结第2页/共52页P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK第3页/共52页T1T220.1.2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第4页/共52页

晶闸管导通后，去掉EG

，依靠正反馈，仍可维持导通状态。20.2.2

工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反馈过程第5页/共52页晶闸管导通的条件：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。第6页/共52页正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流U20.1.3伏安特性第7页/共52页20.1.4主要参数UFRM:正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM

=80%UB0

。普通晶闸管UFRM

为100V—3000V反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。一般取URRM

=80%UBR

普通晶闸管URRM为100V—3000VURRM：第8页/共52页正向平均电流环境温度为40C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。

IF：IFt2如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A—1000A。第9页/共52页UF:

通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。IH:

维持电流在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。一般IH为几十~一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。第10页/共52页晶闸管型号及其含义导通时平均电压组别共九级,用字母A~I表示0.4~1.2V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K--快速晶闸管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。第11页/共52页20.2

可控整流电路20.2.1单相半波可控整流

1.电阻性负载(1)

电路

u

>0时：若ug=0，晶闸管不导通，u

<0时:

晶闸管承受反向电压不导通,

uo=0,uT=u，故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，uuoRL+–+uT+––Tio第12页/共52页(2)工作原理t12u

<

0时:

可控硅承受反向电压不导通即：晶闸管反向阻断

加触发信号，晶闸管承受正向电压导通tOu

>0时:tO第13页/共52页tO

接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形动画控制角t1tOtOt22tO导通角(3)工作波形第14页/共52页(4)整流输出电压及电流的平均值由公式可知：改变控制角，可改变输出电压Uo。第15页/共52页2.电感性负载与续流二极管(1)电路

当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。uuoR+–+uT+––T⃝LeL⃝

在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。第16页/共52页tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加续流二极管)第17页/共52页uuoR+–+uT+––LTioDiou>0时：

D反向截止，不影响整流电路工作。u

<0时：

D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压uo波形与电阻性负载相同(见波形图)。3.电感性负载(加续流二极管)+–(1)电路第18页/共52页(3)工作波形(加续流二极管)iLttOtO2tO第19页/共52页20.2.2单相半控桥式整流电路1.

电路2.

工作原理T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为T1、T2晶闸管D1、D2晶体管aRLD2T1b(1)电压u

为正半周时io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此时，T2和D1均承受反向电压而截止。第20页/共52页io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为(2)电压u

为负半周时bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。第21页/共52页ttOtO3.工作波形2动画tO第22页/共52页4.输出电压及电流的平均值第23页/共52页两种常用可控整流电路电路特点该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第24页/共52页电路特点1.该电路接入电感性负载时，D1、D2

便起续流二极管作用。(2)20.2.3三相半波可控整流电路动画2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-第25页/共52页20.2.4三相桥式半控整流电路2.工作原理1.电路动画u2a2u2bu2ct1t2uoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––第26页/共52页20.3

晶闸管的保护

晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。

晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；

晶闸管耐受过电压的能力极差，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。第27页/共52页20.3.1

晶闸管的过流保护1.

快速熔断器保护

电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。与晶闸管串联接在输入端~接在输出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。第28页/共52页2.

过流继电器保护3.

过流截止保护

在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。

在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。第29页/共52页2.

硒堆保护20.3.2

晶闸管的过压保护1.阻容保护CR

利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。RCRC

硒堆保护(硒整流片)CR~RL晶闸管元件的阻容保护第30页/共52页20.4

单结晶体管触发电路20.4.1单结晶体管结构及工作原理1.结构B2第二基极B1N欧姆接触接触电阻P发射极E第一基极PN结N型硅片(a)示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号(b)符号B2EB1第31页/共52页2.工作原理UE<

UBB+UD=UP时PN结反偏，IE很小；PN结正向导通,IE迅速增加。UE

UP时

–

分压比(0.5~0.9)UP

–

峰点电压UD–

PN结正向导通压降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效电路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1测量单结晶体管的实验电路由图可求得第32页/共52页3.单结晶体管的伏安特性UV、IV(谷点电压、电流):

维持单结管导通的最小电压、电流。

UP(峰点电压)：

单结管由截止变导通

所需发射极电压。IpIVoIEUEUP峰点电压UV谷点电压V负阻区截止区饱和区负阻区：UE>UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。P第33页/共52页1.UE<UP时单结管截止；UE>UP时单结管导通，UE<UV时恢复截止。单结晶体管的特点B2EB12.单结晶体管的峰点电压UP与外加固定电压UBB及分压比

有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电压UP不同。3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都不一样。谷点电压大约在2~5V之间。常选用

稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输出脉冲幅度和移相范围。第34页/共52页20.4.2单结晶体管触发电路1.振荡电路单结晶体管弛张振荡电路

单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47F第35页/共52页ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F2.

振荡过程分析设通电前uC=0。

接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。

当uC

UP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。UpUvUp-UDuCtugt电容放电至uC

Uv时，单结管重新关断，使ug0。(a)(b)第36页/共52页注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。upuv(c)电压波形uCttugOO第37页/共52页主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+20.4.3

单结管触发的半控桥式整流电路1.电路第38页/共52页2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtOZtOtO第39页/共52页(2)触发电路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)输出电压uLOOUZtOtO第40页/共52页问题讨论1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？

目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即角一样)以使输出平均电压不变。2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？

稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。第41页/共52页3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？如何改变控制角？

根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。改变充电时间常数即可改变控制角。控制角变化的范围称为移相范围。4.电压的调节R

电容充电速度变慢uL第42页/共52页单结晶体管触发电路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR

输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管D1,可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。第43页/共52页使用脉冲变压器的触发电器第44页/共52页20.5

应用举例1.电瓶充电机电路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充电瓶T1

该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。第45页/共52页工作原理R2

、RP