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1、第五章 晶闸管变流技术,晶闸管原名可控硅，是硅晶体闸流管的简称，它是一种功率半导体器件，由于具有体积小、重量轻、耐高压、容量大、效率高、控制特性好、寿命长，使用维护简单等一系列优点，自六十年代以来，获得迅猛发展，已形成独立的学科。晶闸管的出现，使电子进入强电领域，是强电与弱电的桥梁。从节能的观点出发，电力电子技术被誉为八十年代的新电气技术，它能在节能方面起着重要作用。,晶闸管应用技术主要是进行电力变换与控制，按其变换功能主要应用在可控整流、交流调压与调功，逆变与变频、斩波调压，无触点功率静态开关等方面。本章我们只介绍晶闸管在可控整流方面的应用,第一节 晶闸管,一、晶闸管的结构与工作原理 （一）
2、、结构： 图a为螺旋式晶闸管的外形图，图b是晶闸管的代表符号，它有三个电极，螺旋那一端是阳极a的引出端，并利用它与散热器固定；另一较粗的引线为阴极k，较细的引线则为控制极g。容量更大的晶闸管一般采用平板式，可带风冷或水冷散热器，容量较小的晶闸管与大功率二极管外形相似，只是多了一个控制极。,晶闸管的内部结构如图所示，它由PNPN四层半导体构成，中间形成三个PN结：J1、J2、J3。从下面的P1层引出阳极，从上层引出阴极，由中间的P2层引出控制极。,（二）、可控单向导电性：,先给阳极接反向电压，即Ua=-Ea，此时无论控制极是否加电压（正负电压），灯泡都不亮。 给阳极接正向电压，即Ua=Ea，此时
3、，控制极不加电压和加反向电压时，灯泡不亮，加正向电压时灯泡亮。 当晶闸管导通后，即灯泡亮后，控制极电压取消或加反向电压，灯泡仍然亮着。晶闸管导通，取消控制极电压，然后逐渐减少Ea，灯泡不亮，即晶闸管关断。,晶闸管就如二极管一样，具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极，当元件加以反向电压，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，晶闸管处于反向阻断状态。晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性。当元件加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状态，这是二极管所不具有的。,要使晶闸管导通，除了阳极加正向电压外，还必须同时在控制极与阴极之间加以一定的正向电压Ug，有足够的控制极电流Ig流入。控制极对
4、元件能否导通起控制作用，这就是晶闸管的可控单向导电性。,当晶闸管加上正向阳极电压后，控制极加上适当的正向电压，使之导通的过程叫触发。一但触发导通后，控制极就失去了对晶闸管的控制作用，因此，通常在控制极只要加一个正向脉冲电压即可，称为触发脉冲。控制极在一定条件下，可触发导通晶闸管，但无法使其关断。,要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源电压Ea或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流Ia减小，当电流Ia减小到一定值时（约几十毫安），电流会突然降至零，之后再调高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，故说明晶闸管已经恢复阻断。当控制极断开时，维持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流IH。因此，只要
5、晶闸管的阳极电流小于维持电流IH ，元件就关断。,（三）、晶闸管的工作原理,现在从晶闸管的内部结构来进行分析，说明其具有上述可控单向导通特性的原因。把晶闸管内部结构看成是由PNP（T1）和NPN（T2）两个三极管组合而成，用图所示的电路模型来表示。当阳阴极间加正向电压VAK（EA），同时控制栅极阴极间加正向电压VGK（EG）时，就产生控制极电流IG（即IB2），经T2放大后，形成集电极电流IC2=2* IB2 ，这个电流又是T1的基极电流，即， IB1 = IC2同样经T1放大，产生集电极电流IC1 = 1 *2* IB2 ，此电流又作为T2的基极电流再行放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从
6、而使晶闸管完全导通（电流的大小由外加电源电压和负载电阻决定）。,这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。导通后即使去掉EG ，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通。并成为不可控。因此， EG只起触发导通的作用，一经触发后， EG不管存在与否，晶闸管仍将导通。,导通时，晶闸管的正向压降一般约为0.61.2V。值得注意的是，如果因外电路负载电阻增加或电源电压EA减小使阳极电流降低到小于某一数值IH时，则使T1和T2管脱离饱和状态，即T1和T2管的集电极发射极压降增高，使阳极电流进一步减小，形成正反馈。最终使T1和T2管截止，即晶闸管呈阻断状态。因此称IH为最小
7、维持电流。若已导通的晶闸管的外加电压降到零或切断电源，则阳极电流降到零，晶闸管即自行阻断。,二、晶闸管的伏安特性 晶闸管的基本特性常用伏安特性、即阳极阴极间电压和阳极电流的关系曲线来表示。,1、正向特性 晶闸管阳阴极间加上正向电压，控制极不加电压，J1、J3结处于正向偏置，J2结处于反向偏置，所以晶闸管只流过很小的正向漏电流If，即特性曲线的A段。此时晶闸管阳极阴极间呈现很大的电阻，处于“正向阻断状态”。当正向电压上升到转折电压VBO（又称正向不重复峰值电压）时，J2结被击穿，漏电流突然增加，晶闸管由阻断状态突然转变为导通状态。在图中由A段迅速跨过B段而转到C段。,导通后的正向特性与二极管的正
8、向特性相似，即通过晶闸管的电流较大而其本身的管压降很小，如图中的C段所示。,2、 反向特性晶闸管加反向电压时，J1、J3结处于反向偏置，J2结处于正向偏置。晶闸管只流过很小的反向漏电流Ir，如图的D段。此段特性与一般二极管的反向特性相似，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压增加到反向转折电压VBR时，反向电流急剧增加，使晶闸管反向导通，并造成永久性损坏。,必须指出，在很大的正向电压或反向电压作用下使晶闸管击穿导通实际上是不允许的。,三、晶闸管的主要特性参数 （一）、电压定额 1、正向转折电压VBO，断态不重复峰值电压VDSM，及断态重复峰值电压VDRM。在额定结温和控制极断开的条件下，阳阴极间加
9、正弦半波正向电压，使元件由阻断状态发生正向转折，变成导通状态所对应的电压峰值，称为正向转折电压，用表示VBO 。,断态不重复峰值电压VDSM是管子正向漏电流开始急剧增大时对应的电压，此值应低于正向转折电压VBO ，所低数值一般由制造厂规定。 断态重复峰值电压VDRM为断态不重复峰值电压VDSM的80%。此处的断态是指正向的，允许每秒重复率为50次，每次持续时间不大于10毫秒。,2、反向重复峰值电压VRRM和反向不重复峰值电压 VRSM控制极断路，在额定结温下，允许重复加在元件上的反向峰值电压，称为反向重复峰值电压VRRM ，元件承受反向电压时，对应反向漏电流开始急剧增大的电压值，称为反向不重复
10、峰值电压VRSM, VRRM为VRSM的80%。,3、额定电压VD 通常把VDRM和VRRM中较小的一个数值标作元件型号上的额定电压VD 。由于瞬间过电压也会使管子遭到破坏，因而选用时额定电压为正常工作峰值电压的23倍。,4、通态平均电压 UT（AV）在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以正弦半波额定电流时，阳阴极间电压降在一个周期内的平均值，称为通态平均电压UT（AV） ，一般又称作管压降。,（二）、电流定额： 1、额定通态平均电流IT（AV） 在规定环境温度及标准散热条件下，允许通过工频正弦半波电流的平均值叫做额定通态平均电流IT（AV） 。它不是一个固定的数值，而是受许多条件的影响，如
11、散热条件、环境温度、元件导通角、元件每周期导通次数等因素都将影响这个定额，当散热条件较差，环境温度较高或元件导通角较小时，所允许的电流值就要降低。由于晶闸管过载能力小，应选用晶闸管的额定通态平均电流为其正常工作平均电流的1.52倍，以留一定余量。,2、掣住电流IL和维持电流IH掣住电流是晶闸管从断态转到通态，去掉触发信号后，维持元件导通所需的最小通态电流，它是由断态到通态的临界电流。维持电流是管子在室温和控制极断态的情况下，已触发导通，再从较大的通态电流降至维持通态所必须的最小电流，所以它是由通态到断态的临界电流。对同一晶闸管，通常IL约为IH的24倍。,3、断态重复平均电流IDR和反向重复平
12、均电流IRR在额定结温下，控制极开路时，对应于断态和反向重复峰值电压的平均漏电流，一般应不大于规定的标准数值。,4、浪涌电流ITSM（电流过载值）结温为额定值时，在工频正弦半周内，元件能承受的最大过载电流。浪涌电流用峰值表示。是不重复的额定值，在元件的寿命期内，浪涌的次数有一定的限制。,（三）、控制极额定：控制极触发电压Ug、电流Ig：在规定的环境温度和阳阴极间加一定正向电压的条件下，使晶闸管从阻断状态转换为导通状态所需的最小控制极直流电压、电流，称为触发电压、电流。一般Ug为1.05V， Ig为几十到几百毫安，为保证可靠触发，实际值应大于额定值。此外，还规定了控制极的瞬间最大电压、电流和平均
13、功率。,（四）、其它额定： 1、1、 开通时间ton在规定结温条件下，晶闸管阳阴极间加正向电压，从控制极加上幅度足够大的触发信号起，到元件进入导通状态所需的时间，称为开通时间，用 ton表示。各元件的开通时间并不完全相同，一般规定在6s以下。但采用特殊工艺制造的快速元件，开通时间可在1s以下。,2、关断时间toff在额定结温条件下，元件从切断通态电流使元件重新处于阻断状态，直到控制极恢复控制能力为止所需时间，用toff表示。一般toff小于25s。此外，还有电流上升率di/dt及电压上升率du/dt等项指标，这里不一一叙述。,（五）、晶闸管的型号按机械工业部标准JB114475规定，KP型普通
14、晶闸管（原称可控硅整流元件）的型号及其含义如下：K P 第一位字母K表示闸流特性；第二位字母P表示普通反向阻断型（K快速型、S双向型、N逆导、G可关断）；第三位数字表示额定通态平均电流系列（额定电流）；,第四位数表示正反向重复峰值电压等级（额定电压）；第五位数表示通态平均电压组别。如KP10012G表示额定电流为100安培，额定电压为1200伏，管压降为1伏和普通晶闸管。,第二节 单相可控整流电路,在生产实践中，很多设备需要电压大小可调的直流电源，例如同步发电机的励磁、直流电动机的调速、大功率的直流稳压电源等。晶闸管组成的整流电路有很多优点，如重量轻、体积小、效率高、成本低、易于维护等。因此，
15、晶闸管整流装置得到了广泛的应用。,可控整流电路的作用就是把交流电能变换成电压大小可调的直流电能。但是不同的整流电路，不同性质的负载，各有不同的特点。本节讨论单相可控整流电路的工作原理以及不同性质负载的工作特点。在不影响工程计算精确度的情况下，分析电路时，把晶闸管和整流二极管都看成为理想元件，即导通时的正向电压降与关断时漏电流均忽略不计，并且导通与关断都是瞬间完成的。,一、单相半波可控整流电路： 1、电阻性负载： 如下图是单相半波可控整流电路，在电源电压u2的正半周内，晶闸管T承受正向电压，但在期间，由于未加触发脉冲，所以管子无法导通。负载Rd中没有电流流过，负载两端电压=0，晶闸管T承受全部电
16、压u2 。当t=时，在控制极引入触发脉冲Ug，T管导通，电源电压u2全部加在负载Rd上，当管子导通到时， u2降到零，流过管子的电流也为零，因小于管子维持电流，管子关断。此时ud、id又为零。,在u2负半周期间，T管因承受反压而阻断，直至下一个周期。再加上触发脉冲时，T管再重新导通。当u2的每一个周期都以恒定的触发脉冲时，则负载Rd上就能得到稳定的缺角半波电压波形，如图所示，这是一个单方向的脉动直流电压。电流id = ud/ Rd 与ud波形相同。,在单相电路中，我们把晶闸管承受正压起，到触发导通之间的电角度称为控制角（移相角），把晶闸管在一个周期内导通的电角度用表示，称之为导通角（导电角），改变的大小，即改变触发脉冲在每周期内出现的时刻，称为移相，对单相半波电路而言，的移相范围为0，对应的在0范围内变化。由上图可见，+=。,
