电工电子技术实践-电力电子技术

电工电子技术实践-电力电子技术

第9单元电力电子技术9.1专题1晶闸管与单向可控整流电路9.2专题2晶闸管触发电路电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，即使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。现已成为现代电气工程与自动化专业不可缺少的一门专业基础课，在培养该专业人才中占有重要地位。

电力电子学横跨“电力”“电子”“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。9.1专题1

晶闸管与单向可控整流电路它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等等。晶闸管只需几十到几百毫安的小电流，就能控制几百至几千安的大电流，使电子技术从弱电领域扩展到强电领域。晶闸管作为电力电子器件，具有体积小，重量轻，效率高等优点，因此应用极为广泛。9.1.1晶闸管晶闸管全称晶体闸流管，旧称可控硅简称SCR。

晶闸管的结构它有三个电极，分别是阳极A，阴极K和门极G，其内部等效电路如图9-2所示，由四层半导体（P1,N1,P2,N2）组成，形成三个PN结J1(P1N1),J2(N1P2),J3(P2N2)。从P1层引出的电极为阳极A，N2层引出的电极为阴极K，P2层引出的电极为门极G。门极G阳极A阴极K晶闸管符号晶闸管的外形

晶闸管的工作原理我们可以通过下图所示的电路图来说明晶闸管的工作原理。在该图中电源、晶闸管和负载白炽灯组成的回路为晶闸管主回路，由电源、开关、负载和晶闸管门极及阴极组成的回路为晶闸管控制回路。如图（a）晶闸管阳极经白炽灯接电源的正极，门极经电阻接电源的正极开关断开，灯不亮，说明没有触发信号，晶闸管不导通。如图（b）晶闸管阳极经白炽灯接电源的正极，门极经电阻接电源的正极，开关关闭，这时灯亮，说明晶闸管导通，这一过程说明触发导通。晶闸管导通后去掉控制极上的电压，如图9-3（c）所示，即开关断开，灯仍然亮，表明晶闸管继续导通。说明晶闸管一旦导通，控制极就失去了控制作用。如图（d）晶闸管的阳极和阴极均接正向电压，开关闭合，但是控制极相对于阴极接的是反向电压，这时灯不亮，说明晶闸管也不导通。图（e）晶闸管的控制极和阴极均接正向电压，阳极接反向电压，此时灯不亮，说明晶闸管也不导通，此时处于反向阻断状态。综上所述，可得出晶闸管有以下几个特点：（1）晶闸管导通是条件是阳极和门极均加正向电压。（2）晶闸管导通后，门极就失去了控制作用。（3）晶闸管的阻断条件是去掉阳极电压或阳极加反向电压，或减小阳极电压使晶闸管中的电流IA小于维持电流IH。。晶闸管的伏安特性曲线晶闸管阳极A与阴极K之间的电压与晶闸管阳极电流之间关系称为晶闸管伏安特性,如下图所示。正向特性位于第一象限,反向特性位于第三象限。当IG=0时，即控制极不加电压时，晶闸管处于正向阻断状态（简称段态）。随着正向阳极电压的增大，当UA达到UB0时，晶闸管突然从阻断状态转为导通状态（简称通态），此时的电压UB0称为正向转折电压。

导通后的晶闸管，其特性与二极管的正向伏安特性相似。当门极电流足够大时，只需很小的正向阳极电压就可使晶闸管从断态变为通态。晶闸管的这种导通称为触发导通已经导通的晶闸管，如果将阳极电流减小到IH，将从导通状态变为正向阻断状态。所以晶闸管只能稳定工作在阻断与导通两个状态。③额定电压②反向重复峰值电压URRM①断态重复峰值电压UDRM晶闸管的主要参数9.1.2单相可控整流电路用晶闸管组成的整流电路可以把交流电变成大小可调的直流电，称为可控整流。单向全波可控整流电路单相可控整流电路可分为单向半波可控整流电路1.电阻性负载的单向半波可控整流电路用晶闸管T替代单相半波整流电路中的二极管D，就可以得到单相半波可控整流电路的主电路，如下图(a)所示。工作原理设图中负载RL为电阻性负载（1）晶闸管的控制极上未加正向触发电压，那么根据晶闸管的导通条件，不论正弦交流电压u2

是正半周还是负半周，晶闸管都不会导通。这时，负载端电压uo=0、负载电流io=0，因而电源的全部电压都由晶闸管承受，即UT=U2。（2）当u2

由零进入正半周，设a点电位高于b点电位，晶闸管承受正向电压，如果在

时「见图（b）」，在控制极加上适当的触发脉冲电压，晶闸管将立即导通。电路中电流流向为a→T→RL→b。（3）当u2

在负半周时，因为晶闸管承受的是反向电压，所以即使控制极上加触发电压，晶闸管也不会导通。

从整流电路的工作波形图看，uo、io均是一个不完整的半波整流波形（阴影部分）。在晶闸管承受正向电压的半周内，加上触发脉冲电压，使晶闸管开始导通的相位角θ称为控制角，而晶闸管从开始导通到关断所经历的电角度α称为导通角，故θ=π-

α显然，α的大小是由加上触发脉冲的时刻来控制的。改变α的大小称为移相。α的变化范围称为移相范围。因此，改变α就可以方便地获得可调节的整流电压和电流。比较图（b）两个波形图，控制角α越小，则输出电压、电流的平均值越大。

负载电压和电流

2.具有电感性负载的单相半波可控整流电路如下图（a）所示为一具有电感性负载的单相半波可控整流电路。为了便于分析，图中把电感性负载等效为由电感元件L和电阻R串联的电路。工作原理由于电磁感应作用，当通过电感元件L的电流发生变化时，在电感中产生阻碍电流变化的感应电动势，将使电流的变化总是滞后于外加电压的变化。因此，可控整流电路带有电感性负载时，其工作情况与电阻性负载不同。3.单向全波可控整流电路每个导电回路中有2个晶闸管，晶闸管VT1、VT2为共阴极接法，VT3、VT4为共阳极接法，如下图所示。电路工作时，共阴极的两只管子同时触发，但只有阳极电位高的管子导通，另一管子承受反向电压而保持截止；同理，共阳极的两只管子同时触发时，只有阴极电位低的管子导通，另一管子受反向电压而保持截止。工作原理在u2的正半周，VT1、VT3受电压，α时刻加触发脉冲后，VT1和VT3导通，电流路径为a→VT1→RL→VT3→b,RL上得到缺角的正半周电压。正半周结束时，u2降为零，VT1和VT3关断。同理，在负半周，α时刻触发后，VT2和VT4导通，电流路径为b→VT2→RL→VT4→a，RL上得到与正半周一样的电压。因此，单相桥式全控整流电路可以看做由两个相位相反的半波整流电路叠加而成。单相桥式可控整流输出电压平均值为单相半波的两倍：其电流亦是二倍即：9.2专题2

晶闸管触发电路9.2.1单结晶体管

单结晶体管又叫双基极二极管，是具有一个PN结的三端负阻器件。单结晶体管触发电路结构简单，输出脉冲前沿陡峭，抗干扰能力强，运行可靠，调试方便，广泛应用与小容量晶闸管触发控制。1.单结晶体管的结构和等效电路

在一个低掺杂的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成单结晶体管(UJT)。其结构如图(a)所示，P型半导体引出的电极为发射极E；N型半导体的两端引出两个电极，分别为基极B1和基极B2，B1和B2之间的N型区域可以等效为一个纯电阻，即基区电阻RBB。该电阻的阻值随着发射极电流的变化而改变。单结晶体管因有两个基极，故也称为双基极晶体管。其符号如图(b)所示。单结晶体管的等效电路如图(c)所示，发射极所接P区与N型硅棒形成的PN结等效为二极管D；N型硅棒因掺杂浓度很低而呈现高电阻，二极管阴极与基极B2之间的等效电阻为RB2，二极管阴极与基极B1之间的等效电阻为RB1；RB1的阻值受E-B1间电压的控制，所以等效为可变电阻。2、工作原理和特性曲线当e-b1电压Ueb1为零或(Ueb1<UA)时，二极管承受反向电压，发射极的电流Ie为二极管的反向电流，记作IEO。当Ueb1增大，使PN结正向电压大于开启电压时，则IE变为正向电流，从发射极e流向基极b1,此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的硅棒的A—b1区注入非平衡少子；由于半导体材料的电阻与其载流子的浓度紧密相关，注入的载流子使rb1减小；而且rb1的减小，使其压降减小，导致PN结正向电压增大，IE随之增大，注入的载流子将更多，于是rb1进一步减小；当IE增大到一定程度时，二极管的导通电压将变化不大，此时UEB1。将因rb1的减小而减小，表现出负阻特性。（6）峰点电流Ip单结晶体管刚开始导通时，发射极电压为峰点电压时的发射极电流（5）发射极饱和压降Ueo在最大发射极额定电流时，eb1间的压降。（4）反向电流Ieob1开路，在额定反向电压Ucb2下，eb2间的反向电流。（3）eb1间反向电压Ucb1b2开路，在额定反向电压Ucb2下，基极b1与发射极e之间的反向耐压。（2）分压比η由管子内部结构决定的常数，一般为0.3--0.85。3、单结晶体管的主要参数（1）基极间电阻Rbb发射极开路时，基极b1、b2之间的电阻，一般为2--10千欧，其数值随温度上升而增大。9.2.2晶闸管触发电路1.触发电路的要求（1）触发信号应具备足够大的触发功率。晶闸管的触发是用一个小功率输入去控制一个大功率输出。由于一般采用脉冲信号的形式作为触发信号，所以其触发电压、触发电流均可超过额定触发电压、额定触发电流，只要触发功率不超过门极峰值功率和平均功率即可。

（2）触发脉冲应具备一定的宽度，且前沿尽可能陡。晶闸管的导通需要时间，因而，要求触发脉冲的宽度必须大于导通时间。以保证晶闸管的导通电流上升到擎住电流以上，为了快速而可靠的触发大功率晶闸管，通常触发脉冲的前沿要尽可能陡，并叠加一个强触发脉冲。对于工频电路而言，一般脉冲宽度大于18°，即1ms。（4）触发脉冲的相位可以按要求移动。触发脉冲相位在一定的范围内进行移动的过程，就是改变控制角的过程，从而实现变流电路输出电压在一定范围内的调节。（3）触发脉冲必须与主电路同步。由于晶闸管只有承受正向电压时才能触发导通，所以要求其触发脉冲的输出及时准确，且能够保证不同周期、相同控制角时的触发时刻相同。2.单结晶体管触发电路下图(a)单结晶体管触发的单相半控整流电路。同步变压器T整流桥和稳压二极管组成的同步电路。可保证在每个正半周期以相同的控制角触发晶闸管，以得到稳定的直流输出电压。同步电路中，稳压二极管上的电压UBB为梯形波，用做触发电路的电源，其波形如图（b）所示。每当电源电压过零时，UBB=0，电容器中的电荷很快放完后,从零开始充电,使各周控制角一致。3、单结晶体管组成的