机器人课程之晶闸管

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晶闸管及其工作原理晶闸管的特性与主要参数

晶闸管的派生器件

返回项目一认识晶闸管和单结晶体管1.1、晶闸管

晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、可关断晶闸管(GTO)和光控晶闸管等。普通晶闸管：也称可控硅整流管(SiliconControlledRectifier),简称SCR。

由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域,成为特大功率低频(200Hz以下)装置中的主要器件。晶闸管及其工作原理晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：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符号普通晶闸管SCR双向晶闸管2、晶闸管的工作原理图1.1.3晶闸管的内部结构和等效电路(1)导通：阳极施加正向电压;门极G也加正向电压晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。返回晶闸管的派生器件

可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶闸管(FastSwitchingThyristor，简称FST)，开关频率在10KHZ

以上的称为高频晶闸管。快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在2000V以下。1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor—FST有两个主电极T1和T2，一个门极G。

正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第Ｉ和第III象限有对称的伏安特性。图1.3.6双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性a)电气图形符号b)伏安特性2双向晶闸管(TRIAC)3.逆导晶闸管(RCT)4.光控晶闸管(LTT)1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。2）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。返回调节交流电的导通角最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。

主要作用：调相调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。其特点是抗干扰能力强，但信号实现的技术比较复杂。3.2.5霍尔器件霍尔器件这是一种磁敏器件，外表很像晶体三极管。霍尔器件有开关型和线性两种。在磁场作用下，它随磁场强度变化以呈现开关变化或线性变化而输出电压。常用来制作传感器、检测旋转角度、移动距离和限位等。在对速度有要求的场合，要使用高速霍尔器件。

3．2．6光电隔离器在很多情况下，电路干扰是由电源或信号共地造成的。使用光电耦合器件，可以解决共地带来的干扰。光电隔离器又称光电耦合器，●工作原理电路信号使左端发光二极管产生亮和灭两种状态，也就是说，把电路信号变成了光信号。右端是光敏器件，它根据光通量大小产生光电流送到相连的电路，这就是把光信号转化为电信号。我们不难看出，在电一光一电的过程中，两边的电信号是通过物理的光作为转换的，左右两端的电信号没有共地的连接，因而去除了通过地将前级干扰引入后级而导致的问题。常用型号分为单路和多路封装、高速和低速、开关型和线性型。Theend!!!作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。图1.9.4为基于脉冲变压器PT和三极管放大器的驱动电路。工作原理：当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器PT输出电压经D2输出脉冲电流触发SCR导通。当控制系统发出的驱动信号为零后，D1、DZ续流，PT的原边电压速降为零，防止变压器饱和。图1.9.4带隔离变压器的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路。工作原理：当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中R上的电压产生脉冲电流触发SCR导通。图1.9.5光耦隔离的SCR驱动电路1．晶闸管SCR触发驱动电路2．GTO的驱动电路1)

作用:将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。2)功能:①提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断(期望的基极驱动电流波形如图1.9.7所示)。②实现主电路与控制电路的隔离。③具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏GTR。④电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。3．GTR的驱动电路

图1.9.8双电源驱动电路

图1.9.10UAA4002组成的GTR驱动电路由于IGBT的输入特性几乎和VDMOS相同(阻抗高，呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于VDMOS。图1.9.11采用脉冲变压器隔离的栅极驱动电路

图1.9.12推挽输出的栅极驱动电路

4．MOSFET和IGBT的驱动电路图1.9.13EXB8XX驱动模块框图

图1.9.14集成驱动器的应用电路

1.9.3保护电路

电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故。措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高保护的可靠性和合理性。快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。图1.9.16电力电子系统中常用的过流保护方案

1.过电流保护（过流包括过载和短路）过电压——外因过电压和内因过电压。外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。(1)换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。

(2)关断过电压：全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。2．过电压保护

2．过电压保护

过电压——外因过电压和内因过电压。外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。电力电子系统中常用的过电压保护方案：作用：防止器件串联使用时电压、并联使用时电流分配不均匀，使其电压、电流超过器件的极限损坏器件。3．开关器件串联、并联使用时的均压、均流1.9.4缓冲电路

1）原因：

电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的、以及过大的瞬时功率。

2）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。

3）原理：关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制,减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和,减小器件的开通损耗。

GTR开通过程：一方面ＣS经ＲS、ＬS和GTR回路放电减小了GTR承受较大的电流上升率，另一方面负载电流经电感ＬS后受到了缓冲，也就避免了开通过程中GTR同时承受大电流和高电压的情形。

GTR关断过程：流过负载ＲL的电流经电感LS、二极管ＤS给电容ＣS充电，因为Ｃ