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1、1,第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路,晶闸管的基本工作原理 基本整流电路及其工作原理 基本逆变电路及其工作原理 触发电路的基本工作原理,2,别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于60年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。,特点：体积小、重量轻、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）。,晶闸管（Thyristor）,优点： 功率放大倍数大：用很小的触发脉冲就可以控制很大的功率（电流：几十A-几千A,电压几百V几千V），功率放大倍数达几十万倍。 控制灵敏：导通和关断时间很短（微秒
2、级）。 效率高：晶闸管的管压降很小，所以发热损耗小，效率达97.5%。 体积小，重量轻。,3,缺点： 过载能力差。 抗干扰能力差（就是因为放大倍数大引起的）。 容易导致电网电压波形畸变。 控制电路复杂。,应用领域：,整流（交流 直流）,逆变（直流 交流）,变频（交流 交流）,斩波（直流 直流）,此外还可作无触点开关等。,4,10.1 电力半导体器件,10.1.1 晶闸管,晶闸管的外形:螺栓形和平板形两种,螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固定， 另一端的粗引线是阴极K， 细线是控制极(又称门极)G， 这种结构更换元件很方便，用于电流较小(100A以下)的元件。,平板形，中间的金属环是
3、控制极G，离控制极远的一面是阳极A，近的一面是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于电流较大的元件(200A以上),5,晶闸管的内部结构,6,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个PN结，并在对应的半导体材料上引出了三个电极。这三个电极分别称为： A阳极， G控制极， K阴极。,7,晶闸管试验,0-t1:开关未合上，控制极对阴极的电压为0，尽管阳极对阴极的电压为正，晶闸管未导通.,t2-t3:阳极对阴极的电压为负，尽管控制极对阴极的电压也为正，晶闸管关断,t4-t5:由于这时晶闸管处于导通状态，则维持导通；当t=t5时，由于，晶闸管关
4、断，晶闸管处于阻断状态。,t3-t4:晶闸管的阳极对阴极又开始承受正向电压，这时，控制极对阴极有正电压，所以，晶闸管又导通，电源电压再次加于上,t1-t2:阳极对阴极的电压为正，由于开关合上，使得控制极对阴极的电压也为正，即晶闸管导通，晶闸管压降很小，电源电压加于电阻上,8,工作原理,示意图,9,ig,ig,由二个三极管组成的等效电路,10,G,1.若只加UAK正向电压，控制极不加触发电压，两三极管均不能导通，即晶闸管不通。,导通过程,K,A,T1,T2,11,3.晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈， 晶闸管仍维持导通状态；,4.晶闸管截止的条件：,12,晶闸管特性,（1）若控制极不加正
5、向电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时才能使晶闸管导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。 （4）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。晶闸管的PN结可通过几十安几千安的电流。晶闸管触发导通的时间为几微秒。,13,晶闸管的伏安特性,（1）正向阻断状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，而晶闸管控制极开路（Ig
6、=0）情况下，开始元件中有很小的电流（称为正向漏电流）流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。图中第一象限红色段曲线。,（2）正向击穿：在控制极开路的情况下，当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压（UDSM），或称正向转折电压（UBO）。导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻（使用时由负载）决定。图中第一象限绿色段曲线。,14,晶闸管的伏安特性,(5) 反向击穿：当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压（URSM），或称反向转折（
7、击穿）电压（URR）。图中第三象限绿色段曲线。,（3）正向导通状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，晶闸管控制极加上正向电压的情况下，晶闸管导通，阳极电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。图中第一象限蓝色段曲线。,（4）反向截止状态：在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。图中第三象限黄色段曲线。,15,晶闸管的主要参数,1.断态重复峰值电压,在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折电压小100V。,16,晶闸管的主要参数,2）反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，可以
8、重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，此电压数值规定比实测反向击穿电压小100V。,17,晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流） IT 在环境温度不大于40度和标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。即：,通常，在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的多少安的晶闸管，就是指这个。,18,晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流） IT,19,晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流） IT,20,晶闸管的主要参数,21,晶闸管的型号及其含义,3 C T /
9、 ,3极,N型硅 材料,晶闸管,断态重复 峰值电压,额定通态 平均电流,22,晶闸管好坏的判断方法,23,10.1.2其它功率器件,1.双向晶闸管 NPNPN,特点：控制极对于电源的两个半周都有触发控制作用，即双方向均可由控制极触发导通，相当于两只普通的晶闸管反并联,24,2.可关断晶闸管（GTO） PNPN,特点： 1.GTO的控制极可以控制元件的导通和关断（通过改变控制极性），而晶闸管只能控制元件的导通，但GTO控制电流比晶闸管大。 2.GTO的动态特性较晶闸管好： 两者导通时间相差不多 但断开时间：GTO: 1us 晶闸管:(5-30)us,25,3.功率晶体管,特点： 功率晶体管可在高
10、电压和强电流下使用，最大定额为：1400V和400A。 但不能达到晶闸管那样高的电压和电流额定值。,4.大功率二极管,加正向电压，导通； 加反向电压，截止。,26,10.2 单相可控硅整流电路,27,10.2.1单相半波可控硅整流电路,1.电阻负载,为导通角： 晶闸管在一个周期时间内导通的电角度 范围： , 0,为控制角：晶闸管从承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度 范围：0, ,+ = ,28,晶闸管承受的最高正向和反向电压:,29,输出电压及电流的平均值,30,2.电感性负载,电感具有阻碍电流变化的作用,31,当电源电压下降以及过零变负时，电感产生的自感电势eL阻碍电流减小。
11、只要eL大于电源的负电压，负载上电流将继续流通，晶闸管继续导通，这时，电感中储存的能量放出来，一部分消耗在电阻上，一部分回送到电源去，因此，负载上电压瞬时值出现负值。,当电流上升时，电感两端的自感电势eL阻碍电流的上升，所以，晶闸管触发导通时，电流要从零逐渐上升。电感储存能量。,到某一时刻，当流过晶闸管的电流小于维持电流时，晶闸管关断，并且立即承受反向电压。,32,加续流二极管D，用于消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零后关断。,输出电压ud与的关系也与电阻性负载一样。,负载电流的波形与电阻性负载时有很大不同：在晶闸管导通期间负载电流id由电源提供，而当晶闸管关断时，则由电感通过续流二极管来
12、提供。,33,10.2.2 单相桥式可控硅整流电路,VS1和VS2是晶闸管， V1和V2是不可控的二极管,1.单相半控整流桥-电阻性负载,U2 在正半周时的电流：VS1-R-V2,U2 在负半周时的电流：VS2-R-V1,34,输出电压及电流的平均值,元件承受的最高正反向电压为电源电压的最大值:,工作波形,35,2.单相半控整流桥-电感性负载,V1、V2形成续流,VS1、VS2阴极没有公共点，因此，如果用一套触发电路时，必须采用具有两个线圈的脉冲变压器供电,36,四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电； 用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。 本电路
13、带电阻性负载时，其输出电压平均值的计算公式与半控桥一样； 带电感性负载时，为了避免晶闸管失控，必须在负载两端并接续流二极管，否则，电感性电流会在电源电压为零时维持晶闸管导通，而使晶闸管无法关断，造成失控。,37,3.单相半控整流桥-反电势负载,晶闸管截止时，负载上的电压等于反电动势 反电势负载上的平均电压可能高于纯电阻负载 平均输出电流:Id=(Ud-E)/R 电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用,电源电压高于反电势，有触发脉冲，晶闸管才导通,38,4.单相半控整流桥-反电势+电抗负载,串联电抗器，用以平滑电流的脉动,39,5.单相全控整流桥,电阻性
14、负载和半控整流相同，控制角范围为：0, 电感性负载时，如果有续流二接管也和半控整流一样 无续流二极管时，可以逆变，即电压为负。,主要用于需要正反转的逆变电路中； 一般采用半控桥电路。,40,例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求输出电压平均值Ud的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压。,=191/3=64A,承受的最高反向电压:,41,如图所示，R=5欧，电源电压U2=220V,晶闸管控制角为60度，试求： 1）输出直流电压和负载电流 2）晶闸管和二极管V1、V2的导通角、电流平均值和有效值、 V3的导通角？ 3）晶
15、闸管的最大正反向电压,解：1）输出直流电压,2）负载电流Id=Ud/R30A,晶闸管与二极管V1、V2导通角=180-=120,续流二极管V3导通角V3=2-2 =360- 240=120,晶闸管与二极管V1、V2电流平均值IdVS=( / 2 )* Id =10A,晶闸管与二极管V1、V2电流有效值,3）晶闸管的最大正反向电压为,42,10.3 三相可控整流电路,10.3.1三相半波可控整流电路,1.电阻性负载,整流变压器副边接成星形，有个公共零点“0”，所以也叫三相零式电路,UA、UB、UC分别表示三相对“0”点的相电压，有效值为U2P,触发顺序：VS1、VS2、VS3, 触发脉冲的间隔为
16、2/3（120度）,晶闸管承受的最大正 向电压为:相电压最大值,晶闸管承受的最大反向电压为：线电压最大值,43,一只白炽灯调光电路，需可调的直流电源，电压U0=0V180V,电流I0=0A10A.先采用单向半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流有效值，并选晶闸管器件。 解：设控制角0， U=U0/0.9=180/0.9=200V I=U/R=220/180/10=12.2A Ufm=Urm=1.41x220=310V Ivs=Iv=0.5Io=10x0.5=5A 所以：Udrm=Urrm2Ufm=2x310=620V 可选3CT10/600,44,三相半波可控整流电路-电阻性负载,=0的情况,45,三相半波可控整流电路-电阻性负载,0=/6的情况,46,三相半波可控整流电路-电阻性负载,/6 =5/6的情况,结论：三相半波可控整流电路带电阻性负载范
