《电子技术基础(第五版)》电子课件第七章

§7-1晶闸管§7-2晶闸管整流电路§7-4晶闸管的选择和保护§7-5晶闸管的触发电路§7-8晶闸管的其他应用电路§7-3负载类型对晶闸管整流的影响§7-6有源逆变电路§7-7无源逆变电路1.掌握晶闸管的结构、符号及作用.2.熟悉晶闸管导通和关断的条件.3.理解晶闸管的可控的单向导电性.4.熟悉晶闸管的主要参数.5.掌握用万用表对晶闸管的简单测试方法.6.了解快速晶闸管、可逆晶闸管和双向晶闸管及其图形符号.§7-1晶闸管一、晶闸管的结构、符号PPNNA阳极K阴极G门极AKG晶闸管的结构晶闸管的符号晶闸管的导电特点：

（1）晶闸管具有单向导电特性（2）晶闸管的导通是通过门极控制的晶闸管导通的条件：（1）阳极与阴极间加正向电压（2）门极与阴极间加正向电压，这个电压称为触发电压.（以上两个条件，必须同时满足，晶闸管才能导通）导通后的晶闸管关断的条件：（1）降低阳极与阴极间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流IH（2）阳极与阴极间的电压减小为零（3）将阳极与阴极间加反向电压（只要具备其中一个条件就可使导通的晶闸管关断）二、晶闸管的工作特性（1）晶闸管一旦触发导通，就能维持导通状态，门极失去控制作用.要使导通的晶闸管关断，必须减小阳极电流到维持电流IH以下.小结：

（2）晶阐管具有“可控”的单向导电特性，所以晶闸管又称单向可控硅.“可控”有两层含义：一是晶闸管的导通是受门极控制的；二是导通的晶闸管关断是受阳极与阴极间电压控制的.由于门极所需的电压、电流比较低（电路只有几十至几百毫安），而阳极A与阴极K可承受很大的电压，通过很大的电流（电流可大到几百安培以上），因此，晶阐管可实现弱电对强电的控制.三、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压UDRM结温为额定值，门极断开，允许重复加在晶闸管A与K间的正向峰值电压反向重复峰值电压URRM结温为额定值，门极断开，允许重复加在晶闸管A与K间的反向峰值电压通态平均电流IT（AV）在规定的环境温度和散热条件下，结温为额定值，允许通过的工频正弦半波电流的平均值通态平均电压UT（AV）结温稳定，通过的工频正弦半波额定的平均电流，晶闸管导通时，A与K间的电压平均值，习惯上称为导通时的管压降维持电流IH在规定的环境温度下，门极断路时，维持晶闸管导通所必须的最小电流晶闸管由通到断的临界电流晶闸管在正向工作时，可能处于导通状态，也可能处于阻断状态.晶闸管的参数中，断态和通态都是为了区分正向的两种不同状态，因此，“正向”二字可省去.四、晶闸管的型号五、晶闸管的简单测试晶闸管门极G与阴极K之间有一个PN结，类似一只二极管，具有单向导电性，而阳极A与门极G之间有两个PN结，阳极A与阴极K之间有三个PN结，因这些PN结是反串在一起的，正、反向电阻均很大.1.熟练掌握单相可控整流电路的工作原理，并绘制不同控制角下的输出电压和电流波形，会计算输出电压、电流，会选择晶闸管与整流二极管.2.会分析三相可控整流电路电阻性负载时的工作原理，会绘制不同控制角输出电压的波形，并能计算可控整流电路输出电压、电流.返回章目录§7-2晶闸管整流电路一、单相可控整流电路二、三相可控整流电路

晶闸管组成的整流电路可以在交流电压不变的情况下，方便地改变直流输出电压的大小，即可控整流.一、单相可控整流电路1、单相半波可控整流电路ＶRL单相半波可控整流电路单相半波整流电路0ug0uLπ2πt1t2u2+u2+--uL+-iL（1）电路组成及工作原理t1t1t2t2u1u20ug0uLπ2πt1t2t1t1t2t2αα控制角α——从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通所对应的电角度.θθ导通角θ——晶闸管实际导通的角度.α+θ=π改变α的大小，即可改变输出电压uL的波形.

α

越大，θ越小.把控制角α的变化范围称为移相范围.单相半波可控整流电路的移相范围为：0～π（2）主要参数计算输出电压的平均值负载电流平均值通过晶闸管的平均电流晶闸管承受的最大电压（3）电路特点优点：电路简单，调整方便缺点：输出电压脉动大，设备利用率低例7-1

单相半波可控整流电路中，变压器二次侧电压U2=120V，当控制角分别为0o、90o、120o、180o时，负载上的平均电压分别是多少？解：α=0o时α=90o时α=120o时α=180o时改变控制角α的大小可改变输出电压的高低，移相范围为：0o～180o2、单相半控桥式整流电路（1）电路组成及工作原理V3V4V2V1RLu2正半周单相整流电路ωt<α时V1、V4正向阻断，V2、V3反向阻断uL=0ωt=α时V1、V4导通，V2、V3反向阻断uL=u2ωt=π时V1、V4关断uL=0+-+-uL+-iL单相桥式可控整流电路的移相范围为：0～π单相可控整流电路to23u2to23uLto23ugαααθθ负半周ωt<α时V2、V3反向阻断，V1、V4正向阻断uL=0ωt=α时V2、V3反向阻断，V1、V4导通uL=u2ωt=π时V1、V4关断uL=0（2）主要参数计算输出电压的平均值负载电流平均值通过晶闸管的平均电流晶闸管承受的最大电压（3）电路特点优点：输出电压脉动小，设备利用率高缺点：元件多例7-2

一单相桥式可控整流电路，输入电压U2=220V，RL=5Ω，要求输出电压的范围为0～150V，试求输出的最大电流ILM和晶闸管的导通角范围？解：输出最大平均电流当输出电压为150V时查表得α≈60o晶闸管的导通角的范围为V3V4V2V1RLu2V5用一只晶闸管的单相桥式可控整流电路V5在电路中不承受反向电压，只要给晶闸管加上触发信号，晶闸管即能导通，作用相当于接在负载电路中的一只开关.注意：1、整流电路之后不能接滤波电容2、晶闸管应选维持电流较大的管子特点：晶闸管前不能接滤波电容C，否则当电源电压过零时，会影响晶闸管的关断.二、三相可控整流电路1、三相半波可控整流电路（1）电路组成及工作原理TRLL1L2L3UV1V2V3VW三相半波整流电路三相半波可控整流电路uLiL各晶闸管控制角的起点均为各自的自然换相点当控制角为α时+-uLωt0ugαααθθθVUWα=0°时，工作波形θ

=120°uLωt0ugΘ=1200Θ=1200Θ=1200VUW输出波形连续α=60°时，工作波形θ

=90°θ

＜120°uLωt0ug600θθθ600600VUW输出波形不连续α=90°时，工作波形θ＜120°θ

=60°uLωt0ug900θθ900900θVUW小结:（1）改变触发脉冲的时间，就能改变整流电路输出电压uL的大小：当α＝0°时，输出波形同三相半波整流电路，输出电压最大，α增大，输出电压减小，α＝150°时，uL=0.（2）当α≤30°时，uL波形连续，（3）任一相对应晶闸管导通期间，其他晶闸管承受相应的线电压.晶闸管关断点均在下一个晶闸管被触发导通时；当α＞30°时，uL波形断续，晶闸管关断点均在各自相电压过θ=120°零处，θ<120°移相范围是α＝0°～150°（2）主要参数计算输出电压的平均值负载电流平均值通过晶闸管的平均电流晶闸管承受的最大电压（3）电路特点优点：较单相整流输出电压大小增大，脉动性减小，电源平衡性较好缺点：如直接接电网，会造成电网损耗；如由变压器供电，铁芯易发生直流磁化，使变压器效率降低.2、三相半控桥式整流电路三相桥式整流电路L1L2L3TRLV1V2V3UVWV4V5V6iL（1）电路组成及工作原理自然换相点为各晶闸管控制角的起点当控制角为α时-三相半控桥式整流电路ug0ωtαααuL+ug0ωtα=0°时，工作波形输出波形同三相桥式整流电路θθθθ=120°ug0ωt600α=60°时，工作波形600600θ=120°θθθ0°<α≤60°输出波形连续ug0ωtα=90°时，工作波形900900900θθθθθ<120°θ=90°60°<α<180°输出波形不连续小结:（1）改变触发脉冲的时间，就能改变整流电路输出电压uL的大小：当α＝0°时，输出波形同三相桥式整流电路，输出电压最大；α增大，输出电压减小，α＝180°时，uL=0.α＞60°时，波形断续，（3）任一相对应晶闸管和二极管导通期间，其他晶闸管和二极管（2）当α≤60°时，波形连续，θ=120°θ<120°承受相应的线电压.移相范围为：α＝0°～180°思考：如果触发脉冲在自然换相之前加入，输出波形会发生什么现象？（2）主要参数计算输出电压的平均值负载电流平均值通过晶闸管的平均电流晶闸管承受的最大电压（3）电路特点优点：输出电压较高，脉动性较小，输出电压连续可调范围宽.缺点：需用三只晶闸管，需三套触发电路.如果触发脉冲在自然换相点之前加入，输出电压将会发生缺相，这在实际生产中必须避免.1.了解单相可控整流电路电感性负载和反电动势负载情况下对输出信号的影响.2.了解单相可控整流电路带大电感负载时的失控现象及消除方法.返回章目录§7-3负载类型对晶闸管整流的影响一、电感性负载的影响电感性负载：电动机的励磁绕组，各种电感线圈.V3V4V2V1RLu2L当电源过零时，晶闸管不能及时关断，使晶闸管导通时间延长.当控制角突然增大或触发信号突然丢失时，电感性负载单相桥式可控整流电路1、正常工作2、失控现象0ug0uLV1V4V1V3V2V3V2V4整流整流续流续流V2V3整流正常工作失控现象使电路失控.晶闸管连续导通，而整流二极管交替导通3、加续流二极管后的工作V3V4V2V1RLu2LV5加续流二极管后的电路0ug0uLV1V4V5V2V3V5整流整流续流续流

在生产实际中，一旦发生失控，导通的晶闸管将因过热而损坏，为了防止失控现象的发生，必须采取预防措施——在负载两端并联一只续流二极管.ααθθ整流续流+-uL-+

当整流元件工作时，负载电流经电源构成回路，当整流元件不工作时，负载中电流经续流二极管构成回路.由以上分析可知：晶闸管的导通角为θ时，续流二极管的导通角为2π-2θ流过晶闸管和整流二极管的平均电流为：流过续流二极管的平均电流为：例6-3有一单相半控桥式整流电路，负载为直流电阻为5Ω的感性负载，输入电压U2=220V，试求控制角α=300时的输出电压，晶闸管中的电流平均值，续流二极管中的电流平均值.解：负载的平均电压：负载的平均电流：流过晶闸管的平均电流：流过续流二极管的平均电流：二、反电动势负载的影响V3V4V2V1u2E当电源电压u2>E时，加触发信号，晶闸管才能导通反电动势负载单相半控桥式整流电路0uL0ugEαθ0iL当电源电压等于E时，晶闸管关断晶闸管导通角θ变小了，输出电流幅值增大反电动势负载的影响：采取的措施：在负载回路上串联平波电感器，然后在其两端再并一个续流二极管1.对不同的单相可控整流电路，能选择与之适应的晶闸管.2.了解晶闸管的过压和过流保护电路.返回章目录§7-4晶闸管的选择和保护一、晶闸管的选择二、晶闸管的保护一、晶闸管的选择1、电压等级的选择2、电流等级的选择例6-4

负载为纯电阻性的单相半控桥式整流电路，输出直流电流电压为UL=0~60V，直流电流为0~10A，试计算晶闸管反向峰值电压URM与It（AV），并选择合适的晶闸管.解：由设输出电压最大（60V）时的控制角则考虑到整流器件上压降等因素，U2取值比计算值高10%，故取晶闸管承受的反向峰值电压晶闸管应取的反向峰值电压通过晶闸管的最大平均电流晶闸管应取的通态平均电流可选用通态平均电流为10A，额定电压为200V的KP10—2晶闸管.例6-5

一只接有续流二极管的单相半控桥式整流电路，RL=5Ω，输入电压U2=220V，晶闸管控制角α=60°.试计算（1）晶闸管承受的反向峰值电压；（2）通过晶闸管的实际工作电流，并选择合适的管型.解：（1）晶闸管承受的反向峰值电压晶闸管应取的反向峰值电压（2）通过晶闸管的实际工作电流输出的直流电压通过负载的平均电流导通角通过晶闸管的实际平均电流晶闸管应取的通态平均电流应选取通态平均电流为20A、额定电压为600V的KP20—6晶闸管两只.二、晶闸管的保护

普通晶闸管承受过压过流的能力很差，在使用中，除了需有充分的的余地外，还要采取一定的保护措施.1、过电压保护由于晶闸管电路中含有电感元件（如变压器、电抗线圈等）变压器一次侧拉闸整流装置直流侧切断开关晶闸管由导通转变为阻断等电感线圈上都会产生很高的电动势，使晶闸管承受很高的电压（过电压）.（1）产生过电压的原因及后果原因：后果：过电压即使作用时间很短，也可使晶闸管误导通，甚至被击穿损坏.（2）过压保护的方法1）阻容吸收电路RLRLRL交流侧保护直流侧保护直接保护2）压敏电阻保护RUL1L2L3RURUL1L2L3单相电路中的接法三相电路中的Y形接法三相电路中的△形接法

压敏感电阻是一种非线性电阻，它具有正反向相同的很陡的电压电流特性.正常工作时，压敏电阻没有击穿，通过很小的电流；当有电压超过其额定电压时，可通过高达数千安的放电电流，之后又恢复正常.2、过电流保护（1）过流产生的原因及后果原因：负载过载短路其他晶闸管击穿触发电路使晶闸管误触发后果：晶闸管的热容量较小，当发生过电流时，温度升高，若超过允许值，晶闸管会损坏.（2）过流保护的作用

一旦有过电流产生威胁晶闸管时，能在允许时间内快速地将过电流切断，以防晶闸管损坏.（3）保护方法FUFUFUFURLFURLFURLFU交流侧保护直流侧保护直接保护采用快速熔断器进行保护熔断速度很快快速熔断器熔断时间比普通熔断器短，所以实际使用时，切不可用普通熔断器来代替快速熔断器.否则，一旦发生过流，普通熔断器还未来得及熔断，晶闸管就已经烧毁了.1.掌握单结晶体管的结构、符号及作用.2.熟悉单结晶体管触发电路各环节的组成、工作原理、工作点波形的形成、电路的特点等.返回章目录触发电路：为晶闸管提供触发信号的电路对触发电路的要求：与主电路同步能平稳移相，且有足够的移相范围脉冲前沿陡，且有足够的幅值与脉宽稳定性与抗扰性能好触发电路的分类：单结晶体管触发电路和集成触发电路§7-5晶闸管的触发电路一、单结晶体管触发电路1、单结晶体管（1）单结晶体管的结构、符号EB1B2V一个PN结三个电极：单结晶体管一个发射极，两个基极双基极二极管结构符号EB2B1ARB2RB1VD等效电路（2）单结晶体管的伏安特性曲线EB2B1ARB2RB1VDUEUBB++--VPIVIPUVUP截止区负阻区饱和区uEiE0η—分压比，其值一般为0.3~0.9当UE<UA时，PN结反向截止，单结晶体管截止当UE≥UA时，PN结正向导通，IE显著增加，RB1迅速减小，UE下降——负阻特性管子由截止区进入负阻区的临界点——峰点，用P表示峰点电压：峰点电流：IP当UE下降至谷点时，谷点电压为UV，谷点电流为IV过了V点后，管子又恢复正向特性.随IE增大，UE略有增大——饱和区UP是管子由截止转导通的临界点工作区UV是维持管子导通的临界点最小发射极电压单结晶体管的工作特点：

当发射极电压等于峰点电压UP时，单结晶体管导通.导通后，发射极电压UE减小，当发射极电压减小到谷点电压UV时，管子又由导通转变为截止.单结晶体管的型号：BT31、BT33、BT35等.其中，B——半导体，T——特种管，3——3个电极，第四个数字——耗散功率，分别为100mW、300mW、500mW.（3）单结晶体管管脚的辨别2、单结晶体管振荡电路UBBCRERPR2R1EB2B1V单结晶体管振荡电路tuR10充电充电充电放电放电放电tuE0UPUV+-

接通电源后，UBB经RP、RE给电容C充电，uC按指数规律增大，当uC=UP时，单结晶体管导通，RB1迅速减小，电容通过RB1、R1迅速放电，在R1上形成脉冲波形.当uC=UV时，单结晶体管截止，放电结束，输出电压降为0值，完成一次振荡.电源再次对电容充电，并重复上述过程.充电放电uR1+-

改变RP的阻值（或电容C的大小），可改变电容充电的快慢，使输出脉冲提前或移后，从而控制晶闸管触发导通的时刻.越大，触发脉冲后移，控制角增大，反之控制角减小.

利用单结晶体管的负阻特性和RC的充放电特性，组成频率可调的振荡电路.3、单结晶体管触发电路u1V7V8V9V10RLuL+-EB1B2R4R1RERPCV5V1V2V3V4R3u2OAB

单结晶体管触发电路t0uAt0uBt0uEUPUVt0uG

由于每半个周期内，第一个脉冲可使晶闸管触发导通，后面的脉冲信号均不起作用.改变电容的充放电时间常数，可实现脉冲的移相.如：增大RP或C，使τ=（RP+RE）C增大，充电时间变长，即达到UP的时间就慢，第一脉冲输出的时间越晚；反之，第一脉冲输出时间越提前.

在实际工作中，通过改变RP的大小，可改变控制角的大小.4、实际应用电路TV1V2R6V3V4V5R4R3R2R5R1ukCV6u1u2自动控制的单结晶体管触发电路改变uk的大小可改变控制角α的大小V3相当于一个可变电阻，改变它的大小可改变控制角α的大小V5起续流作用V6保证只输出正半周信号二、集成触发器KJ004集成触发器的应用电路集成触发器单相半波可控整流电路为V1管提供触发信号为V2管提供触发信号改变RP可调整控制角α的大小1.理解有源逆变的工作原理.2.掌握有源逆变的条件.3.理解逆变角和逆变失败，了解最小逆变角.返回章目录§7-6有源逆变电路

一、直流发电机－电动机系统的功率传递直流发电机、电动机之间的能量转换二、有源逆变电路的工作原理三相半波整流电路整流与逆变a)整流电路b)逆变电路(１)重物提升，整流电路工作在整流状态Id＝Ud－EM(２)重物下放，整流电路工作在逆变状态Id＝EM－Ud由于晶闸管的单向导电性，逆变时Id方向未变，电动机电磁转矩的方向也未变，当重物下降时，电磁抱闸通电松开，电动机在下降重物的带动下反转并逐渐加速，产生的电动势也逐渐增加，可调节α到大于９０°，当EM＞Ud时有Id流过，电动机产生制动转矩，当制动转矩增大到与重物产生的机械转矩相等时，重物保持匀速下降，在９０°~１８０°之间调节α值，就可方便地改变重物匀速下降的速度.三、实现有源逆变的条件通过以上分析，可以发现实现有源逆变必须同时满足两个条件:１.要有直流电动势，如直流电机的电枢电势或蓄电池等，其极性和晶闸管的导通方向一致，其值大于Ud，才能提供逆变能量.２.晶闸管的控制角α＞９０°，使Ud＜０，才能把直流功率逆变为交流功率返送回电网.以上两个条件，缺一不可.(１)对于半控桥式晶闸管电路或直流侧并接有续流二极管的电路，由于整流电压Ud不可能为负值，所以不能实现有源逆变.要实现逆变，只能采用晶闸管全控电路.(２)为了保证电路回路电流的连续性，逆变电路中一定要串联大电抗.四、逆变角通过以上分析得知，同样的整流电路既可工作在整流状态，又可工作在逆变状态，这两种工作状态的区别仅仅是控制角α的不同，当０°＜α＜９０°时，电路工作在整流状态，当９０°＜α＜１８０°时，电路工作在逆变状态，这两种状态的直流输出电压都是Ud＝Udocosα逆变角β的表示方法a)三相b)单相五、三相桥式有源逆变电路三相桥式整流电路用作有源逆变时，就成了三相桥式有源逆变电路.三相桥式有源逆变电路的工作和三相桥式整流电路一样，要求每隔６０°依次触发晶闸管，当电流连续时，每个晶闸管导通１２０°，触发脉冲是双窄脉冲或宽脉冲.如图７—６１所示为β＝３０°时的输出电压波形.直流输出电压为Ud＝－２.３４U２cosβ三相全控桥式β＝３０°有源逆变电路输出工作波形a)变压器二次侧电压波形b)有源逆变电路输出电压波形六、逆变失败原因和最小逆变角逆变电路运行时，一旦发生换相失败，外接的直流电源就会通过晶闸管形成短路，或者使交流电源和直流电动势变成顺向串联，由于逆变电路内阻很小，超过一定的时限就会形成极大的短路电流，这种情况称为逆变失败，或称为逆变颠覆.造成逆变失败的原因很多，主要有下列几种情况.１.触发电路工作不可靠２.晶闸管发生故障３.交流电源发生异常４.换相时逆变角太小，

引起换相失败1.了解无源逆变的工作原理.2.了解电路的换流方式.3.了解电压型和电流型逆变电路.返回章目录§7-7无源逆变电路

逆变电路及其波形举例a)无源逆变电路原理图b)负载上的电压电流波形当负载为电阻性时，输出电流io与输出电压uo波形相同，且为同相位.当负载为电感性时，io的相位滞后uo，两者的波形的形状不同.二、换流方式(１)器件换流利用全控器件的自关断能力换流称为器件换流.在采用IGBT、电力MOSFET、GTO等全控器件的电路中，其换流方式即为器件换流.(２)电网换流由电网提供换流电压称为电网换流.前面介绍的可控整流电路用有源逆变电路，都是借助电网电压实现换流的，都属于电网换流.(３)负载换流由负载提供换流电压称为负载换流.凡是负载电流相位