第四讲：晶闸管可控硅整流电路

高级维修电工培训课程第四讲：晶闸管可控硅整流电路一、电力电子器件1.概念:电力电子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。主电路（MainPowerCircuit）

——电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。

2.

分类:

电真空器件

(汞弧整流器、闸流管)

半导体器件

(采用的主要材料硅）（一）电力电子器件的概念和特征电力电子器件能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子器件。电力电子器件一般都工作在开关状态。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。（一）电力电子器件的概念和特征3.同处理信息的电子器件相比的一般特征：通态损耗是器件功率损耗的主要成因。器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗（一）电力电子器件的概念和特征电力电子器件的损耗电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路和以电力电子器件为核心的主电路组成。图1-1电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行（二）应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路半控型器件（Thyristor）

——通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。全控型器件（IGBT,MOSFET)

——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信号来控制其通断,因此也就不需要驱动电路。（三）电力电子器件的分类按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：（三）电力电子器件的分类电流驱动型

——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。电压驱动型

——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。

按照驱动电路信号的性质，分为两类：

PowerDiode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。

1、不可控器件—电力二极管整流二极管及模块基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。电力二极管的外形、结构和电气图形符号a)外形b)结构c)电气图形符号PN结与电力二极管的工作原理状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态——二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。

PN结的反向击穿（两种形式)雪崩击穿齐纳击穿均可能导致热击穿

PN结与电力二极管的工作原理

PN结的状态主要指其伏安特性门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF

。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4电力二极管的伏安特性电力二极管的基本特性1.静态特性IOIFUTOUFU正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。正向恢复时间tfr。电流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b)开通过程二.

电力二极管的基本特性开通过程：关断过程须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b)关断过程额定电流——在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。电力二极管的主要参数1.

正向平均电流IF(AV)在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3.反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。

4.反向恢复时间trr

trr=td+

tf电力二极管的主要参数2.正向压降UF结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125~175C范围之内。6.浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。电力二极管的主要参数5.最高工作结温TJM1.普通二极管（GeneralPurposeDiode）又称整流二极管（RectifierDiode）多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。电力二极管的主要类型简称快速二极管快恢复外延二极管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到20~30ns。电力二极管的主要类型2.快恢复二极管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二极管的弱点反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点反向恢复时间很短（10~40ns）。正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。电力二极管的主要类型3.肖特基二极管(DATASHEET)以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。电力电子器件的分类

根据不同的开关特性，电力电子器件可分为如下三类：（1）不控器件：这种器件的导通和关断无可控的功能，如整流二极管等。（2）半控器件：这种器件通过控制信号只能控制其导通，而不能控制其关断，如普通晶闸管等。（3）全控器件：这种器件通过控制信号既能控制其导通，又能控制其关断，如可关断晶闸管，功率晶体管、功率场效晶体管等。（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：1.2晶闸管1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。1958年商业化。开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）G控制极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P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。T1T22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。2.工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反馈过程晶闸管导通的条件：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U3.伏安特性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：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。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。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。2.双向晶闸管特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。符号：A1A2G控制极第一电极第二电极通过控制电压的控制可实现双向导通。工作原理UA1>UA2时，控制极相对于A2加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从A1流向A2。UA2>UA1时，控制极相对于A2加负脉冲，晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。A1A2G交流调压电路双向二极管：只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。RCTu+_双向二极管2.1可控整流电路1.单相半波可控整流电阻性负载(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(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:tOtO接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形控制角t1tOtOt22tO导通角(3)工作波形(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。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)。tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加续流二极管)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(3)工作波形(加续流二极管)iLttOtO2tO2.单相半控桥式整流电路电路(1).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(a)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。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(b)电压u为负半周时bRLD1T2a此时，T1和D2均承受反向电压而截止。ttOtO3.工作波形2tO4.输出电压及电流的平均值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+-+-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+-+-三相桥式半控整流电路2.工作原理1.电路u2a2u2bu2ct1t2uoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––2.2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。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。(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。2.硒堆保护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2.3单结晶体管触发电路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(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(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。P1.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。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+__+_50100k3000.47FugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F(2)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)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主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+3.单结管触发的半控桥式整流电路(1)电路2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtOZtOtO(2)触发电路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)输出电压uLOOUZtOtO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。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单结晶体管触发电路T1+U