第九章 晶闸管-自考-模拟、数字及电力电子技术

第九章晶闸管及相控变换器第一节

晶闸管第二节晶闸管相控整流电路的相控原理第三节

单相桥式相控整流电路（1）ACDC。把交流电能转换成直流电能，称为整流，所用装置为整流器。（2）DCAC。把直流电能转换成交流电能，称为逆变，所用装置为逆变器。（3）ACAC。把交流电能的任一参数（幅值、频率和相位）加以转换，称为变频，所用装置为交流变换器或变频器。（4）DCDC将直流电能的任一参数（幅值和极性）加以转换，称为斩波。实现这一转换的装置称为直流变换器或直流斩波器。第一节

晶闸管（硅可控整流器SCR）一、电力电子技术概述3/89二、电力电子器件的分类■按照能够被控制电路信号所控制的程度◆半控型器件

☞主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件。☞器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

◆全控型器件☞目前最常用的是

绝缘栅双极晶体管（IGBT）和功率场效应晶体管PowerMOSFET。

☞通过控制信号既可以控制其导通，又可以控制其关断。

◆不可控器件

☞电力二极管（PowerDiode）☞不能用控制信号来控制其通断。G控制极三、基本结构及工作原理K

阴极G阳极

A四层半导体1.基本结构和符号KGA符号外形结构三个

PN

结P1P2N1N2常用晶闸管的图片螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构2.晶闸管导通实验GKATSHL(a)HLGKATS(b)GKATSHL(c)GKATSHL(d)(c)去掉控制极正向电压，灯泡亮。(d)阳极加反向电压，灯泡熄灭。(a)控制极不加电压，灯泡不亮。(b)控制极加正向电压，灯泡亮。①晶闸管导通的条件：

晶闸管阳极与阴极之间加正向电压（UAK>0）。同时晶闸管控制极与阴极之间加正向触发电压或正向触发脉冲。

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。②晶闸管关断的条件：

晶闸管阳极电流小于维持电流（IA<IH），或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（UAK<0）。3.晶闸管导通和关断条件P1P2N1N2K

GA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGNPPNNAGKP4.工作原理T1T2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。工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反馈过程正向特性反向特性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U四、

伏安特性及主要参数1.伏安特性2.主要参数(1)正向平均电流IF：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。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。(3)通态平均电压（管压降）UF:

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。(2)维持电流IH:

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。(4)正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM:

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(5)反向重复峰值电压URRM：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—3000V(6)控制极触发电压和电流UG、IG：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。(7)浪涌电流IFSM：在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。五、

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。

历年典型考题2009、2010考题

历年典型考题

2007、2008考题22.为保护晶闸管SCR安全可靠工作，要进行过电压及

保护。单相半波可控整流

1.电阻性负载(1)电路分析

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第二节晶闸管相控整流电路的相控原理(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)+–工作波形(加续流二极管)iLttOtO2tO27单相桥式全控整流电路1)带电阻负载的工作情况a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4组成一对桥臂，在u2正半周承受电压u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。VT2和VT3组成另一对桥臂，在u2正半周承受电压-u2，得到触发脉冲即导通，当u2过零时关断。电路结构为什么？第三节

单相桥式相控整流电路28数量关系a角的移相范围为180。向负载输出的平均电流值为：流过晶闸管的电流平均值只有输出直流平均值的一半，即：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,429流过晶闸管的电流有效值：变压器二次测电流有效值I2与输出直流电流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4思考：额定电压、额定电流应该如何取值？选择晶闸管的额定电流：选择晶闸管的额定电压：注意：单相桥式全控整流电路晶闸管承受的最大反向电压为。正向电压最大值为。312）带阻感负载的工作情况

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4单相全控桥带阻感负载时的电路及波形假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至ωt=π+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。32

数量关系（2-15）晶闸管移相范围为90。晶闸管导通角θ与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。晶闸管承受的最大正反向电压均为。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4333）带反电动势负载时的工作情况单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的电路及波形在|u2|>E时，才有晶闸管承受正电压，有导通的可能。在a

角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。导通之后，

ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶闸管关断，此后ud=E。与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ停止导电，δ称为停止导电角，b)idOEudwtIdOwtaqd34当α

<d时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不可能导通。单相桥式全控整流电路接反电动势—电阻负载时的波形电流断续触发脉冲有足够的宽度，保证当wt=d时刻有晶闸管开始承受正电压时，触发脉冲仍然存在。这样，相当于触发角被推迟为d。如图所示id波形所示：电流连续ub)idOEdwtIdOwtαqd35负载为直流电动机时，如果出现电流断续，则电动机的机械特性将很软。为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器。这时整流电压ud的波形和负载电流id的波形与阻感负载电流连续时的波形相同，ud的计算公式也一样。为保证电流连续所需的电感量L可由下式求出：（2-17）图2-8

单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况twwOud0Eidtpdaq=p1.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、D2二极管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。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。ttOtO3.工作波形2tO4.输出电压及电流的平均值2-40单相桥式半控整流电路2-41在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD3续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT2，VT2导通，u2经VT2和VD4向负载供电。u2过零变正时，VD4导通，VD3关断。VT2和VD4续流，ud又为零。2-42避免可能发生的失控现象。若无续流二极管，则当a突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，其平均值保持恒定，称为失控。43单相桥式半控整流电路电路结构

单相全控桥中，每个导电回路中有2个晶闸管，1个晶闸管可以用二极管代替，从而简化整个电路。如此即成为单相桥式半控整流电路（先不考虑VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形电阻负载半控电路与全控电路在电阻负载时的工作情况相同。应为VD244单相半控桥带阻感负载的情况单相桥式半控整流电路，有续流二极管，阻感负载时的电路及波形在u2正半周，u2经VT1和VD4向负载供电。

u2过零变负时，因电感作用电流不再流经变压器二次绕组，而是由VT1和VD2续流。在u2负半周触发角a时刻触发VT3，VT3导通，u2经VT3和VD2向负载