电力电子器件晶闸管及其应用

1、,电 子 技 术,晶闸管及其应用,第11章 晶闸管及其应用,11.1 晶闸管,11.2 可控整流电路,11.4 晶闸管的保护,11.3 单结晶体管触发电路,11.5 应用举例,返回,后一页,前一页,前一页,后一页,本章要求,1、了解晶闸管的基本结构、工作原 理、特性和主要参数。 2、理解可控整流电路的工作原理、 掌握电压平均值与控制角的关系。 3、了解单结晶体管及其触发电路的 工作原理。,第11章 晶闸管及其应用,返回,晶闸管 （Silicon Controlled Rectifier） 一种可控单向导电开关（工作于开关状态下的大功率电子器件）出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展

2、到强电领域 。,体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,返回,前一页,后一页,此外还可作无触点开关等,应用领域：,返回,前一页,后一页,11.1 晶闸管,11.1.1 可控硅的结构及工作原理 1. 结构及符号,K 阴极,返回,前一页,后一页,内部等效电路,内部结构,返回,前一页,后一页,2. 工作原理,EA 0、EG 0,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:,返回,前一页,后一页,正反馈过程:,2. 工作原理,EA 0、EG 0,返回,前一页,后一页,晶闸管导通的条件：,1、晶闸管阳极电路（阳极与阴极之间）施

3、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，可控硅仍可维持导通状态。,返回,前一页,后一页,晶闸管正向导通后，若要使其关断（截止），必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。 当EA下降到 0 或电源断开时，可控硅自行关断,返回,前一页,后一页,11.1.2 晶闸管的伏安特性和主要参数,1. 伏安特性,IH,正向特性,反向特性,C,返回,前一页,后一页,前一页,后一页,2. 主要参数,返回,IF含义说明,前一页,后一页,返回,前一页,后一页,返回,晶闸管型号,通态平均电压（UF）共九级,

4、额定电压（UFRM或URRM ）,额定正向平均电流（IF）,晶闸管类型 P-普通晶闸管 K-快速晶闸管 S-双向晶闸管,前一页,后一页,返回,晶闸管元件电压、电流级别,前一页,后一页,返回,11.2 可控整流电路,11.2.1 单相半波可控整流 1. 电阻性负载,1) 电路,前一页,后一页,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, u0 = 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，,返回,2）工作原理,t1,u2 0 时：可控硅承受反向电压不导通,即：晶闸管反向阻断,前一页,后一页,加触发信号，晶闸管承受正

5、向电压导通,返回,导通角,控制角,动画,前一页,后一页,返回,4）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U0。,前一页,后一页,返回,计算举例,= 37.2V,前一页,后一页,返回,5）晶闸管的选择,电流的选择,器件的损坏，取决于电流的热效应，而热 效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值（IF）。,电流波形为正弦半波的情况下，有效值与 平均值的区别计算如下：,前一页,后一页,返回,平均值：,有效值：,不同 下有效值和平均值之比,前一页,后一页,返回,晶闸管电流选择步骤,计算给定下的 通态电流平均值 ITAV,查

6、表（或计算）相应的电流有效值 IT,选晶闸管的额定值,前一页,后一页,返回,晶闸管电压选择步骤,根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：,UDRM = URRM =（1 .5 2）U2M,其中1 .5 2为安全系数,根据UDRM 、URRM 选取晶闸管电压的额定值,前一页,后一页,返回,22.3 1.5 = 33.5 (A),可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管,前一页,后一页,返回,u正半周时晶闸管导通，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。,设u为正弦波,前一页,后一页,返回,2）工作波形,前一页,后一页,返

7、回,电感性负载（加续流二极管）,1）电路及工作原理,u 0 时： D反向截止，不影响整流电路工作。,前一页,后一页,返回,2）工作波形（加续流二极管后）,前一页,后一页,返回,20.2.2 单相半控桥式整流电路,1. 电路,2. 工作原理,u2 (A),u 0 ： 给T1控制极加触发电压后电流的通路：,前一页,后一页,返回,u2 (B),u2 (A),动画,前一页,后一页,+,u 0 时，给 T2控制极加触发电 压后电流的通路：,返回,2）工作波形,前一页,后一页,返回,3）输出电压及电流的平均值,前一页,后一页,返回,两种常用可控整流电路,电路 特点,前一页,后一页,返回,电路 特点,2）,

8、前一页,后一页,20.2.3 三相半波可控整流电路,动画,返回,11.2.4 三相桥式半控整流电路,前一页,后一页,2. 工作原理,1. 电路,动画,返回,11.3 触发电路,11.3.1 单结晶体管结构及工作原理 1. 结构,前一页,后一页,返回,2. 工作原理,前一页,后一页,返回,3. 单结晶体管的伏安特性,负阻区：UEUP后， 大量空穴注入基区， 致使IE增加、UE反 而下降，出现负阻。,前一页,后一页,返回,单结管符号,小结,单结管特性,前一页,后一页,返回,11.3.2 单结晶体管触发电路,1. 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,前一页,后

9、一页,返回,2. 振荡过程分析,uE = uC UP 时，单结管不导通，uo 0。 此时R1上的电流很小，其值为：,R1、R2外加电阻，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧几百欧； RB1+RB2一般为215千欧。,前一页,后一页,返回,随电容的充电，uc逐渐升高。,当 uC UP 时，单结管导通。,电容C放电，R1上得到一个脉冲电压。,电容放电至 uc Uv时， 单结管重新关断，使uo0。,前一页,后一页,返回,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。,前一页,后一页,返回,11.3.3 单结管触发的可控整流电路,1. 电路,主电路,触发电路,前一页,后一页,返回

10、,2、工作原理,（1）整流削波,前一页,后一页,返回,（2）触发电路,电容充、放电,触发脉冲,前一页,后一页,返回,（3）可控整流,前一页,后一页,返回,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？,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？,输出电压如何调节，其大小如何计算？,触发电路中，整流后为什么加稳压管？,思考题,前一页,后一页,返回,问 题 讨 论,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

11、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。,前一页,后一页,返回,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。,前一页,后一页,返回,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。,前一页,后一页,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

12、相范围,返回,输出电压如何调节，其大小如何计算？,RP,电容充电速度变慢,电压的调节,电压的计算,前一页,后一页,返回,11.4 晶闸管的保护,晶闸管的过流、过压能力很差，是它的 主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏； 晶闸管承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。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,返回,前一页,后一页,11.4.1 晶闸管的 过压保护,1、阻容保护,利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存

13、到电容中，然后由电阻消耗掉。,阻容保护 网络的接法,晶闸管元件 的阻容保护,返回,前一页,后一页,2. 非线性电阻保护,压敏电阻为非线性元件，过压后其电阻急 剧减小，将浪涌电压的能量泄放掉，或快速 熔断保险丝，以达到保护晶闸管的目的。,返回,前一页,后一页,11.4.2 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。,返回,前一页,后一页,2. 过流继电器保护,3. 过流截止保护,在输入端（交流侧）或输出端（直流侧） 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

14、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。,返回,前一页,后一页,11.5 应用举例,1. 电瓶充电机电路,该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单， 具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。,返回,前一页,后一页,工作原理,R1 、R 、 C 、 VT1 、 R2 、 R3 构成了单结晶体管触发电路。,当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。,返回,前一页,后一页,当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管VZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。,返回,前一页,后一页,触发电路和可控整流电路的同步是由二极管VD和电阻R4来完成的。,交流电压过零变负后，电容通过VD和R4迅速放电。,交流电压过零变正后VD截止，电瓶电压通过R1 、R向C充电。改变R1之值，可设定电瓶的初始充电 电流。,返回,前