第11章 电力电子技术

第11章电力电子技术

内容提要

电力电子技术是电子技术中一个很主要的环节，本章主要介绍：整流、滤波、稳压电路；普通晶闸管的工作原理、特性参数及一些简单的应用电路；晶闸管及其可控整流电路、单结晶体管触发电路；晶闸管交流调压电路；晶闸管逆变器。返回11.1直流电源11.2晶闸管及其应用11.3交流调压电路11.4晶闸管逆变器11.5晶闸管的保护11.1直流电源直流电源一般由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成，其框图如图11.1所示，各部分作用介绍如下。电源变压器的作用是为用电设备提供所需的交流电压；整流电路和滤波电路的作用是把交流电变换成平滑的直流电；稳压电路的作用是克服电网电压、负载及温度变化所引起的输出电压的变化，提高输出电压的稳定性。图11.1直流电源组成方框图

11.1.1整流电路整流就是利用二极管的单向导电性把交流电变换成直流电。单相整流电路可分为半波、全波、桥式等类型。下面介绍半波和桥式整流电路。

11.1.1.1单相半波整流电路

单相半波整流电路如图11.2所示。它由整流变压器Tr，整流元件二极管VD及负载电阻RL组成。变压器将电网交流电压变换成整流电路所需的交流电压，设整流变压器的副边电压为为讨论方便，可认为变压器和二极管是理想器件，即变压器的输出电压稳定，二极管的正向导通压降可忽略不计。图11.2单相半波整流电路1．电路组成及工作原理

由于二极管VD的单向导电性，在u2的正半周，其极性是上正下负，即a点的电位高于b点，二极管因承受正向电压而导通。这时负载电阻RL上通过的电流为io，两端的电压为uo。在u2的负半周，其极性是上负下正，即a点的电位低于b点，二极管因承受反向电压而截止。负载电阻RL上没有电压。因此在负载电阻RL上得到的是半波整流电压uo。负载电阻RL及二极管VD对应于变压器副边电压的波形如图11.3所示。图11.3单相半波整流电路电压、电流的波形

2．负载上直流电压和直流电流的计算直流电压是指一个周期内脉动电压的平均值。半波整流电路输出电压的平均值Uo为：流过负载和二极管的平均电流为：（11-2）（11-1）

3．二极管的选择由图11.3可知，流过整流二极管的平均电流Iv与流过负载的电流Io相等，故二极管的选择应满足：（11-3）当二极管截止时，它承受的反向峰值电压URM是变压器次级电压的最大值，因此在选用二极管时应保证：（11-4）半波整流电路虽然结构简单，所用元件少，但输出电压脉动大，整流效率低，只适用于要求不高的场合。

11.1.1.2单相桥式整流电路1．电路组成及工作原理单相桥式整流电路有如图11.4所示的几种画法，它由4个整流二极管构成桥形，整流桥的接线规律是同极性端接负载，异极性端接电源。

图11.4单相桥式整流电路下面以图11.5为例来介绍单相桥式整流电路的工作原理，单相桥式整流电路由电源变压器Tr，二极管VD1,VD2,VD3,VD4和负载电阻RL组成。设变压器副边电压为图11.5单相桥式整流电路的工作原理在u2的正半周，其极性是a端为正、b端为负，则整流元件VD1和VD3导通，VD2和VD4截止，电流就从变压器副边的a端出发，流经负载RL而由b端返回。RL得到u2的正半周电压，即：a→VD1→RL→VD3→b在u2的负半周，其极性是b端为正、a端为负，则整流元件VD2和VD4导通，VD1和VD3截止，电流就从变压器副边的b端出发，流经负载RL而由a端返回。RL得到u2的负半周电压，即：b→VD2→RL→VD4→a由此可见，当电源电压u2交变1周时，整流元件在正半周和负半周轮流导通。通过负载的电流和整流输出电压的波形如图11.6所示。图11.6单相桥式整流电路电压、电流的波形

2．负载上直流电压和直流电流的计算

与半波整流相比，桥式整流后输出电压的平均值是半波整流时的2倍，即（11-5）通过负载的电流平均值（11-6）

由于每个二极管只有半个周期导通，所以通过各个二极管的电流平均值为负载电流的一半，故二极管的选择应满足：（11-7）当二极管截止时，它所承受的最高反向工作电压就是变压器副边电压的最大值，因此在选用二极管时应保证（11-8）

例11.1有一直流负载，要求电压为Uo=36V，电流为Io=10A，交流电压为220V，采用单相桥式整流电路。

试求：（1）选用所需的整流元件；（2）VD2因故损坏开路时的Uo和Io，并画出波形；（3）若VD2短路，会出现什么情况。（4）求整流变压器变比和（视在）功率容量。

解：（1）根据给定的条件Io=10A，整流元件所通过的电流为变压器副边电压有效值整流元件所承受的最大反向工作电压

因此选用的整流二极管，必须是额定整流电流大于5A、最高反向工作电压大于56V的二极管。可选用额定整流电流为10A、最高反向工作电压为100V的2CZ10C型整流二极管。（2）当VD2开路时，在u2正半周只有VD1和VD3导通，而u2负半周时VD4也因VD2开路而不通，故电路只有半个周期是导通的，相当于半波整流电路。输出电压、电流均为桥式整流电路的一半，所以有Uo=0.45U2=0.45×40=18V而负载电阻

输出uo和io波形如图11.7所示。图11.7例11.1的图

（3）当VD2短路时，在u2正半周电流的流向为a→VD1→VD2→b由于二极管的导通压降只有0.7V，因此变压器副边相当于短路，电流迅速增加，容易烧坏变压器和二极管。（4）考虑到变压器副边绕组及管子上的压降，变压器副边电压大约要高出10%，即=401.1=44V则变压器变比变压器副边电流为：I=Io1.1=101.1=11A乘1.1倍主要是考虑变压器损耗。故整流变压器（视在）功率容量为：S=I=4411=484VA整流元件的组合称为整流堆，常见的有半桥2CQ型整流堆和全桥QL型整流堆，它们的内部电路及外形见图11.8所示。使用一个全桥整流堆或连接两个半桥整流堆，就可以代替四只整流二极管与电源变压器相连，组成桥式整流电路，既方便又可靠。选用时仍应注意它们的额定工作电流值和允许的最高反向电压值要符合整流电路的要求。图11.8半桥和全桥整流堆

11.1.1.3三相桥式整流电路三相桥式整流电路如图11.9（a）所示，它共有六个整流二极管，在三相电压u2U、u2V、u2W的变化过程中，VD1、VD2、VD3中阳极接到电位最高一根端线的二极管导通，其余则处于反偏截止状态；VD4、VD5、VD6中阴极接到电位最低一根端线的二极管导通，其余反偏截止。这一瞬时的输出电压是导通的两个二极管所接端线线电压的瞬时值。从图11.9（b）的波形图中可以看到，输出电压为直流脉动电压，但其波形十分接近平直。流过RL的电流总是从上向下同一方向的直流。图11.9三相桥式整流电路经推导可得（推导过程略）：（11-9）

（11-10）

（11-11）

（11-12）三相桥式整流电路用于大功率的整流设备，如电解、电镀、电焊以及给直流电动机供电的整流电路。

11.1.2滤波电路整流电路虽然把交流电转变为直流电，但是所得到的输出电压是脉动的直流电，为了获得平滑的直流电，需要在整流电路后加滤波器，以减小输出电压的脉动成分。下面介绍滤波电路。1．电容滤波电路电容滤波电路如图11.10（a）所示，它是在整流电路输出端与负载之间并联了一个大容量的电容。其工作原理是利用了电容两端的电压在电路状态改变时不能跃变的特性。设电容初始电压为0，接通电源时，变压器副边电压u2

由0开始上升，二极管VD1，VD3导通，电源向负载RL供电的同时，也向电容C充电，uo=uC=u2，达峰值后u2减小，当uo≥u2时，二极管VD1,VD3提前截止，电容C通过RL放电，直到u2负半周uo=u2，此后电源通过VD2，VD4向负载RL供电，同时又给电容C充电，如此周而复始。图11.10（b）所示为输出电压波形。图11.10电容滤波电容滤波器的输出电压在工程上一般采用估算公式：Uo=1.2U2

（11-13）加入电容滤波后，二极管导通角小于，导通时间缩短了，流过二极管的瞬间电流很大，对整流二极管的整流电流选择提高了，最好是原来的2倍。选管时，应满足（11-14）

加入滤波电容C是为了得到较好的滤波效果，单相桥式整流电路要求放电时间常数应大于u2的周期T，一般选取（11-14）在已知负载电阻RL的情况下，便可估算电容C，常选用容量为几十微法以上的电解电容，电解电容有极性，接入电路时不能接反，电容的耐压应大于。

例11.2

有一单相桥式整流电容滤波电路。负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，试选择合适的整流二极管及滤波电容器（交流电源频率为50Hz）。

解：（1）选择整流二极管。流过每个二极管电流的平均值为：根据式（11-13），取Uo

=

1.2U2，所以变压器副边电压的有效值为：二极管所承受的最高反向电压为：根据IV和URM的数值，可选用2CZ53B二极管，它的最大整流电流为300mA，最高反向工作电压为50V。（2）选滤波电容器。根据式（11-15），取电容耐压应大于故可选用330F/50V的电解电容器。例11.3

在桥式整流电容滤波电路中，变压器副边电压U2=20V，负载电阻RL=40，电容C=1000F，试问：（1）正常时Uo的值为多少？（2）如果测得Uo为下列数值，可能出了什么故障?①Uo=18V；②Uo=28V，③Uo=9V。

解：（1）正常时，Uo的值应为：Uo=1.2U2=1.220=24V（2）Uo为下列数值时：①当Uo=18V时，Uo=0.9U2，成为桥式整流不加电容滤波的情况，故可判定电容C开路。②当Uo=28V时，Uo=1.4U2，属于RL=∞时的情况，故可判定是负载电阻开路。③当Uo=9V时，Uo=0.45U2，成为半波整流不加电容滤波的情况，故可判定是4只二极管中有1只开路，同时电容器C也开路。

2．电感滤波电路电感滤波电路如图11.11所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。在电路中，当负载电流增加时，自感电动势将阻碍电流增加，同时把一部分能量存储于线圈的磁场中；当电流减小时，反电动势将阻止电流的减小，同时把存储的能量释放出来，从而使输出电压和电流的脉动减小，达到滤波的目的。从整流电路输出的电压中，其直流分量由于电感L近似于短路而全部加到负载RL的两端，即Uo=0.9U2。交流分量由于电感L的感抗远大于负载电阻从而大部分降落在电感上，负载RL上只有很小的交流电压。这种电路一般只用于大电流、低电压的场合。

图11.11电感滤波电路

3．复式滤波电路复式滤波电路是将电容滤波与电感滤波组合，可进一步减少脉动，提高滤波效果。常用的有LC滤波器、型LC滤波器、型RC滤波器等。（1）LC滤波器。如图11.12（a）所示的是LC滤波器，它经电感滤波后，再接一级电容滤波。双重滤波后输出的电压更加平直。（2）型滤波器。如图11.12（b）所示的为型LC滤波器，它经电容滤波后，再接一级LC滤波。由于电容C1，C2对交流的容抗很小，电感对交流的阻抗很大，因此负载上的电压将会变得更加平滑。若负载RL上的电流较小时，也可用电阻R代替电感L，从而组成型RC滤波电路，如图11.12（c）所示。图11.12复式滤波电路

11.1.3稳压电路经过整流和滤波后的电压往往会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化。而电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，因此需要稳定的直流电源。常在整流滤波后加入稳压环节。

11.

13.1硅稳压管稳压电路如图11.10所示的是硅稳压管稳压电路（注意：稳压管必须反接在电路中）。经过桥式整流和电容滤波得到直流电压Ui，再经过限流电阻R和稳压管VDZ构成的稳压电路接到负载RL上，负载RL上得到的就是一个比较稳定的电压Uo

Uo=UZ

图11.13硅稳压管稳压电路

1．工作原理引起输出电压不稳的主要原因是交流电源电压的波动和负载的变化。我们来分析在这两种情况下稳压电路的作用。

（1）电源波动。若负载RL不变，当交流电源电压增加，即整流滤波后的电压Ui增加时，输出电压Uo也有增加的趋势，但输出电压Uo就是稳压管两端的反向电压UZ。当负载电压Uo稍有增加时（即UZ稍有增加），稳压管中的电流IZ将大大增加，使限流电阻R两端的电压降UR增加，以抵偿Ui的增加，从而使负载电压Uo保持近似不变。若交流电源电压减少，则整个调节过程与之相反，因而当电源电压波动时，该电路具有稳压作用，即（2）负载变动。若电源电压不变，即整流滤波后的输出电压Ui不变，此时若负载RL减小时，则引起负载电流Io增加，电阻R上的电流IR和其两端的电压UR均增加，则输出电压Uo

减小，Uo（UZ）的减小则使IZ下降较多，从而抵消了Io的增加，保持I=Io+IZ基本不变，也就保持了Uo基本恒定，即可见，硅稳压管稳压电路是利用稳压管在通过电流时，不管电流值怎样变化，只要是在允许范围内，它两端的电压都保持不变的性质来稳定电压的。

2．硅稳压管稳压电路参数的选择（1）输入电压Ui的确定

Ui高，R大，稳定性能好，但损耗大。一般取Ui=（2～3）Uo

（11-16）（2）硅稳压管的选择可根据下列条件初选管子UZ=Uo

（11-17）Izmax≥（2～3）Iomax

（11-18）（3）限流电阻R的选择当输入电压Ui上升10%，且负载电流最小（即RL开路）时，流过稳压管的电流不超过稳压管的最大允许电流IZmax，即则当输入电压Ui下降10%，且负载电流最大时，流过稳压管的电流不允许小于稳压管稳定电流的最小值IZmin，即则所以限流电阻R的取值范围为：

11.1.3.2串联型稳压电路用硅稳压管组成的稳压电路具有体积小、电路简单的优点，但稳压值不能随意调节，而且输出电流很小。为了加大输出电流，使输出电压可调节，通常采用串联型稳压电路。

1.电路组成串联型稳压电路通常由调整管、比较放大环节、基准电压源和取样电路四部分组成，其方框图如图11.14所示。图11.15所示为典型串联型稳压电路，VT1是调整管；VT2构成比较放大器，R3既是VT2的集电极负载电阻，又作VTl的基极偏置电阻；VZ和R4组成基准电压源，Rl、RP和R2组成采样分压器，从输出电压Uo取出一部分作为反馈电压，加到VT2的基极，电位器RP还可用来调节输出电压。图11.14串联型稳压电路方框图

图11.15串联型稳压电路

用运放作比较放大器的串联型稳压电路如图11.16所示，由于运放具有很高的电压放大倍数，所以大大提高了控制的灵敏度，稳压效果更好。图11.16用运放作比较放大器的串联型稳压电路

2.工作原理如果电网电压波动或负载变化使输出电压Uo有降低趋势，通过取样电阻的分压使比较放大管VT2的基极电位UB2降低，与基准电压UZ进行比较放大，使放大器的输出电压UC2，即调整管基极电压UB1升高，因电路采用射极输出形式使UE1升高，故输出电压Uo必然随之升高，从而使Uo得到稳定。上述稳压过程表示如下：如果电网电压波动或负载变化使输出电压Uo升高时，则调节过程刚好相反。由于电路稳压是通过控制串接在输入电压与负载之间的调整管实现的，故称之为串联型稳压电路。

3.输出电压计算图11.15所示稳压电路中有一个电位器RP串接在Rl和R2之间，可以通过调节RP来改变输出电压Uo。设计这种电路时VT2的基极电流可忽略不计，则式中，UZ为稳压管的稳压值；UBE2为VT2发射结电压；RP为图11.15中电位器滑动触点下半部分的电阻值（11-20）

例11.4

电路如图11.17所示，已知Ui=24V，稳压管的稳压值UZ=6.3V，三极管的UBE=0.7V，UCES1=1V，若发生如下异常现象，试找出故障原因。（1）Ui为18V，且调RP时Uo可随之改变，但稳压效果差。（2）Ui为28V，Uo接近0V，调RP不起作用。（3）Uo≈5.6V，调RP不起作用。（4）Uo≈23V，调RP不起作用。

解：（1）正常情况下，图11.17例11.4图如果滤波电容C开路或损坏，无滤波作用，这时Ui=0.9U2=18V，调节RP时，Uo可随之改变，但稳压效果差。（2）如果调整管VTl截止或损坏，相当于负载开路，这时Ui=1.4U2=28V，Uo接近0V，调节RP不起作用。（3）如果放大管VT2的C、E间短路，则

Uo≈UZ

UBE1=6.30.7=5.6V，调RP不起作用。（4）如果放大管VT2的C、E间开路，则

Uo=UiUCES1=241=23V，调RP不起作用。11.1.3.2三端集成稳压电路

集成稳压器是将稳压电路的主要环节制作在一块半导体芯片上，并加进保护电路，其稳定性高、性能指标好，已逐步取代了分立元件稳压电路。三端集成稳压器可分为固定式和三端可调式两大类。所谓三端是指电压输入、电压输出、公共接地三端。1.三端固定式稳压器此类稳压器输出电压有正、负之分。三端固定式集成稳压器的通用产品主要有CW7800系列（正电源）和CW7900系列（负电源）。型号组成及其意义见图11.18所示。输出电压由具体型号的后两位数字代表，有5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V等。其额定输出电流以78（79）后面的字母来区分。L表示0.1A，M表示0.5A，无字母表示1.5A。如CW7805表示稳定电压为5V，额定输出电流为1.5A。图11.18三端固定式稳压器型号组成及其意义

三端集成稳压器的外形及管脚排列如图11.19所示。CW7800系列稳压器中设有比较完善的保护电路，它具有过流、过压和过热保护。由它构成的稳压电路结构有多种。下面介绍最基本的稳压电路和同时输出正、负电压的电路。图11.19三端集成稳压器的外形及管脚排列

（1）基本稳压电路。三端集成稳压器的基本稳压电路如图11.20所示，使用时根据输出电压和输出电流来选择集成稳压器的型号。电路中输入电容Ci和输出电容Co是用于减小输入、输出电压的脉动和改善负载的瞬态响应的，其值均在0.1～1F之间。（2）可同时输出正、负电压的电路。如图11.21所示，用一个78系列的三端集成稳压器和一个79系列的三端集成稳压器连接，可同时输出正、负对称的电压。这种对称电源在很多电路中要用到。

图11.20基本稳压电路图11.21可同时输出正、负电压的电路（3）提高输出电压的电路。如果需要输出电压高于三端稳压器输出电压时，可采用图11.22所示电路。由图（a）可以看出Uo=U××+UZ

（11-21）式中，U××是集成稳压器的输出电压；UZ是稳压管的稳定电压。图中R的作用是保证稳压管工作在稳压区，二极管VD具有保护稳压器的作用，正常工作时VD反偏截止，当由于某种原因使输出电压低于UZ或输出短路时，二极管正偏导通，电流可通过二极管流到输出回路，避免了电流由稳压器的接地端倒流进稳压器而造成稳压器损坏。

由图（b）可以看出，当忽略稳压器的静态工作电流IW时，（11-22）式中，IW为三端稳压器的静态电流，一般为几毫安。图11.22提高输出电压的电路

（4）扩大输出电流的电路。当负载电流大于三端稳压器输出电流时，可采用图11.23所示电路。图（a）为外接大功率三极管扩大输出电流，由图知由于＞＞l，且IW很小，可忽略不计，所以式中，R为VT提供偏置电压，具体数值可由式（11-5）决定。图（b）为采用两个同型号稳压器并联运用，以扩大输出电流。输出电流为单片三端稳压器的两倍，即Io=2I××

（11-24）图11.23扩大输出电流的电路

2．三端可调式稳压器三端可调式稳压器除具备三端固定式稳压器的优点外，可用少量的外接元件，实现大范围的输出电压连续调节。其可调输出电压也有正、负之分，如CW117、CW217、CW317为可调输出正电压稳压器；CW137、CW237、CW337为可调输出负电压稳压器。为了使电路正常工作，一般输出电流不小于5mA。输入电压范围在2～40V之间时，输出电压可在1.25～37V之间连续可调，负载电流可达1.5A。

三端可调式稳压器型号组成及意义如图11.24所示。图11.24三端可调式稳压器型号组成及意义图11.25为塑料封装与金属封装三端可调式集成稳压器的外形及引脚排列图。同一系列的内部电路和工作原理基本相同，只是工作温度不同。图11.25三端可调式集成稳压器的外形及引脚排列图11.26所示为三端可调式集成稳压器基本应用电路。正常工作时，三端可调集成稳压器输出端与调整端之间的电压为基准电压UREF，其典型值为UREF=1.25V。流过调整端的电流典型值为IREF=50A。由图可知（11-25）调节电位器RP可改变R2的大小，从而调节输出电压Uo的大小。选择和使用三端稳压器时，除关注它的输出电压和电流外，还应查阅产品手册，注意它的稳压性能及对输入电压的要求。其输入电压比输出电压至少高2.5～3V，即要有一定的压差。还要注意其散热问题，需要时应当加装散热器。图11.26三端可调式集成稳压器基本应用电路

11.1.3.4开关型稳压电路串联型稳压电路效率低，一般只有20%～24%。若用开关型稳压电路，可使调整管工作在开关状态，管子损耗很小，效率可提高到60%～80%。

1.开关型稳压电路的基本原理开关型稳压电路的基本结构框图如图11.27（a）所示，它的基本工作原理是将交流电压通过整流滤波电路转换为直流电压，再将此直流电压通过开关元件变为矩形波，然后将矩形波通过储能电路再转换为平滑的直流电压。通过控制电路来控制开关元件的开关频率或导通（开）、关断（关）的时间比例实现稳压控制。如图11.27（b）所示，图中Ui为整流滤波输出电压，Uol为输出方波电压，Ton为开关管导通时间，Toff为开关管截止时间，T为开关周期。矩形脉冲电压的平均值为Uo=

Ui式中，

=Ton/T，称为矩形脉冲占空比。图11.27开关型稳压电路的基本结构框图和波形图

2．串联型开关稳压电路串联型开关稳压电路如图11.28所示。图中只画出了开关管和储能电路部分。串联型开关电路由开关管VT、储能电路（包括电感L、电容C和续流二极管VD）及控制器组成。控制器可使VT处于开/关状态并可稳定输出电压。因为开关调整管（简称开关管）是和输入电压以及负载串联的，所以称为串联型。开关管VT的基极上加的是脉冲电压，因此开关管工作在开关状态。当开关管基极加上正脉冲电压时，开关管进入饱和导通状态，由于电感L的存在，流过VT的电流线性增加，线性增加的电流给负载RL供电的同时也给L储能（L上产生左“正”右“负”的感应电动势），VD截止。当开关管基极上没有正向脉冲电压或所加的是负脉冲电压时，开关管截止，由于电感L中的电流不能突变（L中产生左“负”右“正”的感应电动势），VD导通，于是储存在电感上的能量逐渐释放并提供给负载，使负载中继续有电流通过，故称VD为续流二极管。电容C起滤波作用，当电感L中电流增长或减少时，电容储存过剩电荷或补充负载中缺少的电荷，从而减少输出电压Uo的纹波。

3．并联型开关稳压电路并联型开关稳压电路如图11.29所示。因为开关管VT和输入电压Ui以及输出电压Uo是并联的，所以称之为并联型。图11.28串联型开关稳压电路

图11.29并联型开关稳压电路

当开关管基极上加有正脉冲电压时，开关管饱和导通，集电极电位接近于零，续流二极管VD反偏截止，输入电压Ui通过电流iL向电感L储能（L上产生左“正”右“负”的感应电动势），这时负载电流是由电容C放电供给的。调整管VT导通时间越长，iL越大，L储存的能量越多。当开关管基极上没有正向脉冲电压或所加的是负脉冲电压时，开关管VT截止。由于电感中电流不能突变，因此这时电感L两瑞产生自感电动势（L中产生左“负”右“正”的感应电动势），并通过续流二极管VD向电容C充电，补充刚才放电时消耗的电能，并同时向负载RL供电。当电感L中释放的能量逐渐减小时，就由电容C向负载RL放电，并很快又转入开关管饱和导通状态．再一次由输入电压Ui向电感L输送能量。用这种并联型电路可以组成不用电源变压器的开关稳压电路。返回

11.2晶闸管及其应用11.2.1晶闸管及其特性

11.2.1.1基本结构晶闸管是硅晶体闸流管的简称，又称可控硅（SCR）。它是一种大功率半导体器件，从外形上看有3种形式，如图11.30（a），（b），（c）所示。晶闸管的符号如图11.30（d）所示。图11.30晶闸管的外形及符号

（a）螺旋式；（b）平板式；（c）压膜塑封式

11.2.1.2工作原理晶闸管工作原理可用图11.15所示的实验电路验证。（1）晶闸管的阳极和阴极间加反向电压，如图11.30（a）所示，无论控制极是否加电压，灯都不亮，晶闸管截止。这种情况称晶闸管处于反向阻断状态。（2）晶闸管阳极经灯泡接电源正端，阴极接电源负端，此时晶闸管承受正向电压，控制极电路中开关S断开，如图11.30（b）所示，这时灯不亮，说明晶闸管不导通，即处于正向阻断状态。（3）晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，控制极相对于阴极加正向电压UG，如图11.31（c）所示，这时灯亮，说明晶闸管导通，即处于正向触发导通状态。如果控制极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。（4）晶闸管导通后，如果去掉控制极上的电压，如图11.31（d）所示。灯仍然亮。这表明晶闸管除去触发信号后继续导通，即晶闸管一旦导通后，控制极就失去了作用。（5）在晶闸管导通的情况下，当阳、阴极间的电压（或电流）减小到一定程度时，如图11.31（e）所示，切除主信号后，晶闸管才能从导通变为阻断状态。从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：（1）晶闸管阳极电路加正向电压；（2）控制极电路加适当的正向电压（实际工作中，控制极加正触发脉冲信号）。综上所述，晶闸管是一个可控的单向导电开关。它与具有一个PN结的二极管相比，其差别在于晶闸管正向导电受控制极电流的控制；与具有两个PN结的晶体管相比，其差别在于晶闸管对控制极电流没有放大作用。图11.31晶闸管工作原理的实验电路

（a）反向阻断；（b）正向阻断；（c）触发导通；（d）除去触发信号；（e）切除主信号

11.2.1.3晶闸管的主要参数1.正向重复峰值电压UDRM。UDRM是指在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。普通晶闸管的UDRM值为100～3000V。2.反向重复峰值电压URRM。URRM是指控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压。普通晶闸管URRM值为100～3000V。3.正向平均电流IV。IV是指在环境温度不大于40oC和标准散热及全导通的条件下，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。其值一般为1～1000A。4.维持电流IH。IH是指在规定的环境温度和控制极断路时，维持晶闸管导通的最小阳极电流。当晶闸管的正向平均电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。目前我国生产的晶闸管的型号及其含义如下：KP□—□□导通时平均电压组别（小于100A不标），共9级，用A～I字母表示0.4～1.2V额定电压，用其百位数或千位数表示，它即为UFRM和URRM中较小的一个额定正向平均电流（A）

普通型晶闸管例如KP5-7表示额定正向平均电流为5A，额定电压为700V的普通晶闸管。近年来，晶闸管制造技术已有很大提高，在电流、电压等指标上有了重大突破，已制造出电流在kA以上、电压达到上万伏的晶闸管，使用频率也已高达几万赫兹。所以说，晶闸管的出现使半导体器件从弱电领域进入了强电领域。

11.2.2单相可控整流电路可控整流是利用晶闸管作为整流元件，使整流电路输出直流电压的大小可以调节。单相半控桥式整流电路如图11.32（a）所示，它与单相桥式整流电路相似，只是两个桥臂上的二极管由晶闸管所取代，其中变压器副边电压。在u2的正半周（a端为正）时，VT1和VD2承受正向电压。这时如对晶闸管VT1引入触发信号，则VT1和VD2导通，电流的通路为a端→VT1→RL→VD2→b端。而VT2和VD1都因承受反向电压而截止。同样，在u2的负半周（b端为正）时，VT2和VD1承受正向电压。这时如对可控硅VT2引入触发信号，则VT2和VD1导通，电流的通路为b端→VT2→RL→VD1→a端。而VT1和VD2处于截止状态。

图11.32单相半控桥式整流电路（a）电路图；（b）波形图把晶闸管从承受正向电压到触发导通之间的电角度

称为控制角，与晶闸管导通时间对应的电角度

则称为导通角，显然有：+

=（11-26）如果在晶闸管承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的输入时刻（即改变控制角

），负载上得到的电压波形就随着改变，这样就控制了负载上输出电压的大小。导通角

愈大，输出电压愈高。当可控整流电路接电阻性负载时，单相半控桥的电压与电流的波形如图11.32（b）所示，整流输出电压的平均值可以用控制角表示（11-27）从式（11-27）可以看出，当

=0（=180°）时，晶闸管在正半周全导通，UL=0.9U2，输出电压最高，相当于不可控二极管单相桥式整流电压。若

=180o，UL=0，这时=0，晶闸管全关断。根据欧姆定律，电阻负载中流过的电流平均值为（11-28）此电流即为通过晶闸管的平均电流，即IT=IL。

11.2.3单结晶体管触发电路要使晶闸管导通，除了阳极与阴极之间加正向电压外，在控制极与阴极之间还必须加正向触发电压。产生触发电压的电路称为晶闸管的触发电路。触发电路的种类很多，本节介绍最常用的单结晶体管触发电路。11．2.3.1单结晶体管1.单结晶体管的结构。单结晶体管的外形和普通晶体管相似，有3个电极：1个发射极和2个基极，所以也称为双基极二极管。图11.33所示的是单结晶体管的结构示意图、符号和等效电路。在一块高电阻率的N型硅片上一侧的两端各引出一块电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2。而在硅片的另一侧较靠近B2处掺入P型杂质，形成PN结，并引出一个铝质电极，称为发射极E。两个基极之间的电阻RBB=RB1+RB2，其中RB1和RB2分别为两个基极至PN结之间的电阻。RBB一般约为2～15k。图11.33单结晶体管

（a）结构；（b）符号；（c）等效电路2.单结晶体管的伏安特性把单结晶体管按图11.18（a）的电路连接，通过实验观察其特性。在单结晶体管的两个基极B2,B1之间加上直流电压UBB，在发射极E和第一基极B1之间加电压UE，RE是限流电阻，通过电位器RP可以调节UE的大小。则RB1上的电压（即A点电位）（11-29）式中，称为分压比，与管子结构有关，约在0.5～0.9之间。

图11.34单结晶体管的特性测试

（a）测试电路；（b）伏安特性曲线下面我们来分析单结晶体管的工作情况，其伏安特性如图11.34（b）所示。（1）调节RP，使UE从零逐渐增加。当UE比较小时即UE＜UBB时，E与B1之间不能导通，呈现很大电阻。当UE很小时，有一个很小的反向漏电流。随着UE的增高，这个电流逐渐变成一个大约几微安的正向漏电流。这一段曲线称为截止区，即单结晶体管尚未导通的一段。（2）当UE=UBB+UD时，单结晶体管导通，发射极电流IE突然增大。我们把这个突变点称为P峰点，对应的电压UE和电流IE分别称为峰点电压UP和峰点电流IP。显然，峰点电压

UP=UBB+UVD

（11-30）式中，UVD为单结晶体管中的PN结的正向压降，一般取UVD=0.7V。在单结晶体管导通后，

IE增长很快，E和B1之间变成低阻导通状态，RB1迅速减小，而E和B1之间的电压UE也随着下降。这一段曲线的动态电阻Δreb1=ΔUE/ΔIE为负值，因此称为负阻区。而B2的电位高于E的电位，空穴型载流子不会向B2运动，电阻RB2基本不变。（3）当发射极电流IE增大到某一数值时，电压UE下降到最低点。特性曲线上的这一点称为V谷点，与此点相对应的是谷点电压UV和谷点电流IV。此后，当调节RP使发射极电流继续增大时，发射极电压略有上升，但变化不大。谷点右边的这部分特性称为饱和区。

11.2.3.2．单结晶体管振荡电路如图11.35（a）所示的是单结晶体管振荡电路。开关S合上后，电源UBB经RP，R3向电容器C充电（设初始uC为零），当uC上升到峰点电压uP时，单结晶体管突然由截止变为导通，电容通过电阻R1放电。由于电阻R1<<R，所以放电速度比充电速度快得多，uC急剧下降，当uC下降到谷点电压UV时，单结晶体管截止，输出电压uo降为0。于是在R1两端形成一个脉冲电压，完成一个振荡周期。此后，电容器又开始充电，重复上述过程。这种周而复始的自动充放电过程在电容两端形成锯齿波电压uC，在电阻R1上形成尖脉冲电压uo，如图11.35（b）所示。调节电位器RP可改变电容充电时间，从而改变输出脉冲的频率。

图11.35单结晶体管振荡电路

（a）电路图；（b）波形图

11.2.3.3．单结晶体管触发电路图11.36（a）所示的是单结晶体管同步触发的单相半控桥整流电路。图中上半部分是单相半控桥整流电路，称为主电路；下半部分是单结晶体管触发电路，它为主电路中晶闸管提供触发信号。各部分的电压波形如图11.36（b）所示。变压器Tr称为同步变压器，其原边与主电路接同一电源，副边输出电压经桥式整流、稳压管限幅后转变为梯形波uZ，作为单结管的供电电压。这样就可保证触发电路与主电路的过零时刻一致，使触发脉冲在晶闸管每个导通周期内的固定时刻发出，以保证晶闸管在每个周期内有相同的导通角。单结晶体管触发电路输出的脉冲电压的宽度，主要决定于电容器放电的时间常数=R1C。R1或C太小，放电快，触发脉冲的宽度小，不能使晶闸管触发。因为晶闸管从阻断状态到完全导通需要一定时间，一般在10s以下，所以触发脉冲的宽度必须在10s以上。如选用C=0.1～1F，R1=50～100，就可得到数十微秒的脉冲宽度。脉冲电压的幅度决定于整流、稳压后直流电源电压UZ和单结晶体管的分压比以及R1的阻值。

图11.36单结晶体管同步触发的单相半控桥整流电路

（a）电路图；（b）波形图返回

11.3交流调压电路

前面介绍的晶闸管整流电路，实际上是一种直流调压电路。在生产实际中有时还需要调节交流电压，例如在炉温控制和灯光调节等方面。最简单的晶闸管交流调压电路如图11.37所示，将两只晶闸管反向并联之后串联在交流电路中，控制他们的正、反向导通时间，就可达到调节交流电压的目的。图11.37晶闸管交流调压电路

设负载是电阻性的，在交流电压的一个周期内，两个晶闸管轮流导通，负载电压uo的波形如图11.38所示。改变控制角

，就可调节交流电压uo的有效值：

（11-31）

图11.38晶闸管交流调压电路的电压波形

晶闸管的交流调压可用于鼠笼式三相异步电动机的启动和调压调速，该装置体积小、质量小、造价低、节能效果显著，且启动时平稳无冲击。通常采用双向晶闸管进行交流调压更为方便。双向晶闸管是具有4个PN结的NPNPN5层结构的器件，它相当于上述的两个晶闸管反向并联。图11.23所示的是双向晶闸管的结构示意图、符号。A2,A1和G分别是阳极、阴极和控制极。G与A1间加触发脉冲，不论正脉冲或负脉冲都能触发导通。图11.39双向晶闸管

（a）结构示意图；（b）符号返回

11.4晶闸管逆变器在对三相异步电动机进行变频调速时，需要变频电路，本节主要针对电动机的变频调速介绍其原理和电路。图11.40是一个交—直—交变频器示意图，它由整流器和逆变器两部分组成，先由整流器将交流电源电压u（其频率为f）变换为直流电压Ud，而后将此直流电压经逆变器变换为交流电压uo（其频率为f0）。逆变器的作用与整流器的作用相反。逆变器输出电压uo的幅值和频率f0可以单独或者同时调整。下面主要介绍晶闸管组成的逆变电路。图11.40变频器示意图图11.41是电压型单相桥式