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1、第19章 电力电子技术,19.1 晶闸管,19.2 可控整流电路,19.3 晶闸管的保护,19.4 单结晶体管触发电路,19.5 应用举例,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19章 电力电子技术,19.1.1 晶闸管（Silicon Controlled Rectifier） 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，
2、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）。,19.1 电力电子器件,1. 基本结构,G,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,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,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,K,G,EA 0、EG 0,EG,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈
3、，仍可维持导通状态。,2. 工作原理,G,EA 0、EG 0,K,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,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向电压。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,正向特性,反向特性 （IG=0）,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均
4、电流,维持电流,3. 伏安特性,正向重复峰值电压,反向重复峰值电压,IG0=0 时，增加U达到UBO ，使晶闸管导通，这种导通很容易造成晶闸管不可恢复性击穿，,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,4. 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% UBO 。 普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,如果正弦半波电流的最大值为Im, 则,普通晶闸管IF为1A 1000A。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,UF: 通态平均电压（管压降）
5、 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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别 共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示取UDRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平
6、均电流为5A,额定电压为700V。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.1.2 其它电力电子器件,A2,A1,G,一、双向晶闸管：双向可触发导通,1.当U A2A10时，加正触发脉冲 ( UGA10),电流从A2流向A1；,2.当U A2A10时，加负触发脉冲 (UGA1 0),电流从A1流向 A2 ；,3.导通后，控制极便失去作用。,第二电极,第一电极,控制极,(b) 符号,4.双向晶闸管关断的条件与晶闸管相同,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,二、可关断晶闸管（GTO）,可关断晶闸管导通的条件：,1.可关断晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2.可关断晶闸管控制电路
7、(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,可关断晶闸管导通后，撤去触发电压， 依靠正反馈，可关断晶闸管仍可维持导通状态。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,可关晶断闸管关断的方法：,方法1. 使可关断晶闸管阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持而关断。 方法2.控制极与阴极之间加负触发电压，使正反馈效应不能维持而关断。,GTO全控示意图,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.1.3 电力电子器件的分类,1.不控器件 导通和关断均不可控：整流二极管,2.半控器件 通过控制信号可控制其导通，但不能控制其关断：普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管,3.全控器件 通过控制信号既可
8、控制其导通，又能控制其关断：可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应管(VDMOS)、绝缘栅双极晶体管(IGBT),下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.2 可控整流电路,19.2.1 单相半波可控整流 1. 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，,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,所谓可控整流,就是将交流电能变换为可调的直流电能.,(2) 工作原理,t1,u 0 时: 可控硅承受反向电压不导通,即：晶
9、闸管反向阻断,加触发信号，晶闸管承受正向电压导通,u 0时:,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,O,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,O,t2,2,导通角,(3)工作波形,接电阻负载时 =- ,uo,io,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,(4)整流输出电压及电流的平均值,由公式可知：,改变控制角(称为移相），可改变输出电压Uo。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,2. 电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压u过零后，尽管电源电压已经反向，由于电感反电动势的存在，使得仍维持u-uO0(这时eL下正上负, uO0) ，晶闸管在一段时间内仍维持导
10、通，直至u-uO =0为止，失去单向导电作用。,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)。,io,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,O,t1,t2,2,2) 工作波形(未加续流二极管),uo,io,io ,接电感性负载时(未加续流二极管) - ,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,u 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。,3.电感性负载(加续流二极管),+,(1) 电路,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,(3)工作波形(加续流二极管),iL,2,接电感性负载时(加续流二极管) =- uO波形与
11、接电阻负载时相同,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.2.2 单相半控桥式整流电路,1. 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,a,(1)电压u 为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,T2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,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,3. 工作波形,2,动画,uo,io,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,T1、D2导通,
12、T2、D1导通,4. 输出电压及电流的平均值,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,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),下一页,总目录,章目录,返回,上一页,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),19.2.3 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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.2.4 三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1. 电路,动画,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.3 晶
13、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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.3.1 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
14、。,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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,2. 硒堆保护,19.3.2 晶闸管的过压保护,1. 阻容保护,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
15、容中，然后释放到电 阻中消耗掉。,硒堆保护 (硒整流片),晶闸管元件 的阻容保护,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.4 单结晶体管触发电路,19.4.1 单结晶体管结构及工作原理 1.结构,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,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第一基极,第二基极,发射极,2. 工作原理, 当UE UBB+UD = UP 时,PN结反偏，IE很小；,PN结正向导通, IE迅速增加, RB1。, 分压比(0.5 0.9),测量单结晶体管的实验电路,由图可求得上RB1的电压：,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,3 .单结晶体管的伏安特
16、性,Ip,IV,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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,1. 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,2.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。,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,19.4.2 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。
