第8章-晶闸管及可控整流

第8章晶闸管及可控整流本章主要讨论晶闸管的基本特性,主要参数;可控整流电路的基本原理和基本的分析方法;晶闸管的过压及过流保护8.1晶闸管

晶闸管的主要用途可控整流有源逆变交流调压变频器无触点功率开关晶闸管种类包括普通晶闸管双向晶闸管快速晶闸管可关断晶闸管光控晶闸管逆导晶闸管化学工业出版社

8.1.1晶闸管的结构1．晶闸管的结构

G控制极K阴极阳极

AP1P2N1N2四层半导体三个

PN

结晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合T1_N2P1P2N1N2K

GA+KA

T2P2N1IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK

T1T28.1.2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。GEA>0、EG>0KEA+_R

T1T2EGA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URRMUDRMIG2>IG1>IG0UBRITUBO正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压正向平均电流维持电流

U8.1.3伏安特性及主要参数1.伏安特性2.主要参数UDRM: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UDRM

=80%UB0

。普通晶闸管UDRM

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40

C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。

IT(AV)：IT

t

2

如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IT为1A—1000A。UT(AV):

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较小者正向平均电流IT(AV)（晶闸管类型）P--普通晶闸管K--快速晶闸管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。8.2单相可控整流电路8.2.1单相半波可控整流电路

1.电阻性负载(1)

电路

u2

>0时：若ug

=0，晶闸管不导通，u

2<0时:

晶闸管承受反向电压不导通,

ud=0,uvs=u2

，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，

u2udRL+–+uvs+––VS1id(2)工作原理

t1

2u2

<

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

tOu2

>0时:

tO

tO

接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形

动画控制角

t1

tO

tO

t22

tO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Ud。晶体管承受的最大反向电压：名词术语：

1、控制角α：从晶闸管承受正偏到触发导通所对应的角度

2、控制角θ：晶闸管在一个周期内导通时间所对应的电角度。

3、移相：改变α的大小。可控制ud的值。

4、移相范围：改变α的大小使输出电压平均值从最小到最大。5、同步：触发脉冲与电源电压保持频率相同。6、换相：由一组晶体管导通改变到另一组晶体管导通的过程。α

+θ=π8.2.2单相半控桥式整流电路1.

电路2.

工作原理VD3和VD2承受正向电压。VD3控制极加触发电压,则VD3和VD2导通，电流的通路为VD3、VD4

晶闸管VD1、VD2

晶体管aRLVD2VD3b(1)电压u

为正半周时io+–+–VD3VD4RLuoVD1VD2a

u+–b此时，VD4和VD1均承受反向电压而截止。id+–+–VD3VD4RLudVD1VD2a

u+bVD4和VD1承受正向电压。

VD4控制极加触发电压,则VD4和VD1导通，电流的通路为(2)电压u

为负半周时bRLVD1VD4a此时，VD3和VD2均承受反向电压而截止。–

t

tO

tO3.工作波形2

tO4.输出电压及电流的平均值晶闸管触发电路基本要求：能够提供足够的电压电流。触发脉冲应有一定的宽度，前沿尽可能陡，应使脉冲消失以前，晶闸管的阳极电流能够迅速上升维持导通（电阻负载开通时间6μs，要求脉冲宽度为10μs；对于电感负载，开通时间为100μs，脉冲宽度达到1ms,相当于50HZ正弦波的18°）触发脉冲必须与主电路同步。与主电路同一电源。脉冲的移相范围必须满足整流电路的需要。（三相桥式整流电路在电阻性负载时可以移相120°；在大电感性负载时，可以移相90°）触发脉冲要动态响应快，受温度影响小，抗干扰能力强，经济可靠体积小。8.3晶闸管触发电路8.4.1单结晶体管结构及工作原理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B2EB11.结构单结晶体管结构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

UP(峰点电压)：单结管由截止变导通所需发射极电压。

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。

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。8.4.2单结晶体管触发电路1.振荡电路单结晶体管振荡电路

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+__+_50

100k

300

0.47F锯齿波周期：T※T=RCln［1/(1-η)］–分压比(0.5~0.9)，C-电容=0.6C=0.47F,T=100×0.47×10-6ln［1/(1-0.6)］ugR2R1RUuCE+C+__+_50

100k

300

0.47F2.

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-UDuC

tug

t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uC

t

tugOO锯齿波周期：TT=RCln［1/(1-η)］–分压比(0.5~0.9)C-电容主电路触发电路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC+