第55讲第10章电力电子电路教学要求：① 掌握晶闸管导通与关断条件、控制角与导通角的含义及其关 系、可控整流的原理、单结晶体管构成的触发电路的原理及同步触发 的含义② 会计算电阻性负载的单相半控桥式整流电路的直流输出平均 电压和电流及对晶闸管和二极管的参数要求、单结管触发电路控制角 及移相范围10.1概述电力电子电路是用微弱信号对电力电子器件进行通断控制，来实 现在高电压、大电流的电路的控制是电子、电力和控制技术相结合 的电路电力电子器件又称为电力或功率半导体器件第一代：晶闸管第二代：全控型器件（自关断）第三代：功率集成电路（含功率开关器件、驱动、缓冲、保护、 检测和传感器等）普通晶闸管目前应用仍很普遍，本章重点介绍晶闸管及其应用10.2晶闸管的结构和工作原理晶闸管又称可控硅，是一种大功率半导体器件具有体积小、重 量轻、耐高压、大电流、响应速度快、控制灵活、寿命长、使用和维 护方便等优点仅需几十mA、2〜3V的微小功率信号即可通过晶闸 管对几百安培、数千伏的电路进行控制和变换晶闸管电路会产生大量谐波对电网产生不良影响另外，过载能 力和抗干扰能力较差、控制电路较为复杂10.2.1晶闸管的符号和外形晶闸管的电路符号如图10.2.1（a）所示，外形如图10.2.1（b）、（c）、(d)所示。
分别为螺栓式、平板式和塑封式螺栓式电流为20〜200A、 平板式电流〉200A、塑封式电流W20A电流1A以上需安装散热器阳极ag牙控制极k 阴极(a)图10.2.1晶闸管的符号和外形kag kga10.2.2晶闸管的工作原理晶闸管的内部等效结构如图10.2.2(a)所示由四层半导体组成， 形成三个PN结，引出三个电极晶闸管可等效成孔工两个三极管，并与外接电源和负载电阻R 组成如图10.2.2(b)、(c)所示的电路九为阳极电源，2为控制极由 源使用时要求在a、k极之间加正向电压，在g、k极之间加正向 控制电压图10.2.2晶闸管工作原理图当开关S闭合时，在触发电压UGK的作用下，产生触发电流I = I，放大后形成I =”，而i = I，使t形成I =8I，此G B 2 C 2 2 B 2 B1 C 2 1 C1 12 B 2时'IB2=IG+IC】进一步加大，形成正反馈其过程简述为：S 闭合—I Tt I Tt I Tt I Tt I 竹B 2 C 2 B1 C1 B 2使T、7几微秒内迅速饱和，这一过程称为晶闸管触发导通此 后即使弟Sih开，IC1可维持IB2，晶闸管仍将继续维持导通。
晶闸管 导通时，阳极与阴极之间的正向压降UF约为0・6〜1・2V若要晶闸管由导通进入截止状态，只要降低阳极正电压，使阳极 电流七小于维持电流IH或使UK < 0，晶闸管即可由导通转为关断状态可见，晶闸管是一种导通时间可控的具有单向导电性的可控整流 器件10.2.3晶闸管的主要参数1.额定电压UD加在管子a、k极的最大允许电压值，俗称耐压选型时应留2〜 3倍余量2.通态平均电压uF指通过正弦半波额定电流时，在一个导通周期内管子两端压降的 平均电压一般为0・6〜1.2V3. 反向击穿电压uBR指达到反向击穿时所加反向电压4. 反向重复峰值电压uRRM当控制极开路时，允许重复加在管子上的反向峰值电压其值为U = U - 100V5：额定正向平均电流iF允许通过工频正弦半波电流平均值选型时应留1.5〜2倍余量6. 维持电流iH指由通态到断态的最小阳极电流7. 浪涌电流iFSM指晶闸管能承受的最大过载电流的峰值8. 触发电压Ug和触发电流iG使管子触发导通所需的最小控制极直流电压和直流电流通常Ug= 1〜5V，七为几十至几百毫安为保证可靠触发，实际值应大些 9：开通时间:和关断时间新等第56讲10.3单相可控整流电路及触发电路晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压时，改变控制极触发信号的 出现时间，即可控制晶闸管的导通时间。
利用这一特点，可以把交流 电变为大小可调的直流电这种电路称为可控整流电路不同形式的 电路、不同性质的负载其工作状况有不同的特点10.3.1电阻性负载单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路如图10.3.1(a)所示，r为电阻性负载(电 L焊、电炉、电镀等)由晶闸管的阳极、阴极和负载组成的回路称为 主回路(主电路)，而由控制极、阴极及其控制电路组成的回路称为 控制回路(触发电路)，触发电路将在10.3.2介绍由图10.3.1(a)可 知，将二极管桥式整流电路中的两个二极管换用晶闸管“和匕，故称 为半控整流全部由晶闸管组成时，称为全控桥式整流:2(a)0-(b)uoio+图10・3・1电阻性负载单相半控桥式整流一工作原理设 u =：J2U sin O t (V)1. 当u2为正半周时，U >气，T > D］加反向电压截止； 向电压2当ot = a时，妇触发«导通，去忽略八、D2的管压降， 当ot =兀时，U2过零而T阻断波形如苗10.3.1(b)所示2. 当u为负半周时，U V u，T、D加反向电压截止；T、D加正2 a b 1 2 2 1向电压，当ot = n+a时，u 2触发匕导通，若忽略T2、D］的管压降， uo=-u2,当ot = 2兀时，u2过零而T2阻断。
如图10.3：1(5所示°从晶闸管开始承受正向电压到被触发导通的角度称为控制角a， 而晶闸管导通的角度0=K-a称为导通角a角能变化的范围称为触 发脉冲的移相范围当a= 0、0=k时称为全导通可见，可控整流是通过改变导通角0来控制输出直流平均电压的大小二参数计算1. 输出电压和电流负载上得到的是正弦波的一部分，输出电压和电流的平均值与控 制角a有关由图10・3・1(b)所示波形可知，输出直流电压平均值为UOAV=； j ” J，U2 sin®tdCot)= 0.9U21 + ；sa (10.3.1)则 I = ♦ = 0.9 U 族 cos a (10.3.2)如 RL Rl 22. 晶闸管和二极管工作参数通过晶闸管T和二极管D的电流平均值为广 # : » Qi)晶闸管承受的最大正向、反向电压和二极管承受的最大反向电压 均为&U2例10.3.1某电镀设备需要用直流电源,要求直流电压为0〜120V 可调，最大直流平均电流为10人，采用单相220V交流电源和如图 10.3.1所示的电路供电试求电源变压器二次电压有效值及计算晶闸 管和二极管选型用额定电压和额定电流值，并考虑2倍的余量解：当a= 0。
时，U最大，由式(10.3.1河得OU = U 1 - 2 =120 X 1 X 2 = 133.3V2 OAV 0.9 1 + cos a 0.9 1 + cos 0°考虑电网有±10%波动，取U2 = 150V晶闸管和二极管的平均电流为I = I =— I — x 10 A = 5 ATAV DAV 2 OAV 2故额定电流为 I广2 Iav = 2 x 5 A = 10 A晶闸管和二极管承受的最大反向电压均为URM = UDRM =控-U 2 = 42 X150V = 212V故取额定电压为U d= 2 - Urm = 2 x 212 = 424V故在选择晶闸管和二极管时，要求管子的额定电流大于10A,额 定电压大于424V10.3.2触发电路向晶闸管控制极提供触发信号的电路称为触发电路对触发电路 的基本要求是触发脉冲与主回路电源电压的相位具有一定对应的控 制角触发脉冲电压为4〜10V，触发脉冲宽度20〜50ps，最小不低 于6沸，对于电感性负载，触发脉冲还应加宽触发脉冲发送前，触 发电路的输出电压应小于0・2V，或为-2〜-IV，以免误触发触发电路种类很多，在中、小功率可控装置中常采用单结晶体管 的触发电路。
一单结晶体管的符号和外形单结晶体管的内部等效电路如图10.3.2(b)所示它有一个相当于二极管的PN结，弓I出的电极称为发射极e，在其基片引出两个基极 称为第一基极b1和第二基极b2Rb1和Rb2为其基极与基体间的体电阻， 两基极间电阻为Rb = Rb1 + Rb2 = 2〜15kQ， b1间加电压Ubb，，则庭 U = U R /R =门• U ，门称 为分压比，"其值一般在0.3〜0.9之间，是单结管的 重要参数单结管的符号 和外形如图10.3.2(b)、(c) 所示二单结晶体管的伏安特性单结管的伏安特性是指I _」 E E、U -…ixS电路如图10.3.3(a)所示，图(b)为其伏安特性曲线，反映发射结特性当开关S闭合后，在匕V Ua时，PN结反偏，iE很小，如FG段 曲线；在G点，PN结零偏iE = 0 ；当七V Ue V Ua + Ud )时，PN结 微导通，\ . 0，如曲线GP段，故FP成为截止区；D在曲线PV段，u >U + u，PN结导通，i明显增加，而u却 却显著减小，呈现负成特性A，^明分压比门不是常数(Rb1在减小)；PA点为内部分压点，若在q、(好b b1eE E 'UBBob1(b)图10.3.2单结晶体管eb1b2(c)的函数关系。
其基本等效=常数点称为峰点，峰点电压U = U + U =n U +U，而峰点电流I是管子 导通时的最小电流，约为4以在V点以后，当IE增加时UE有所增 加，%不再减小，恢复正阻特性故把V点以后称为饱和区V点 称为谷点，谷点电压为uv，谷点电流为Iv管子导通后，如果Ue V Uv， 管子会跳回到截止区，鼠匕是维持管孚导通的最小发射结电定上 般当vb = 20V时，气约为2〜5V图10.3.3单结晶体管的发射结特性例如BT33A单结管的主要参数为：门为0.45〜0.9V、u V3・5V、Ip V4g、iv > 1.5mA，最大反向电压为30V '作业 p246 10.10、 10.11、 10.12、 10.13、 10.14、 10.15。