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1、第第11章章电力力电子晶子晶闸管管内容内容导航航11.0 11.0 教学基本要求教学基本要求教学基本要求教学基本要求 11.1 11.1 概述概述概述概述11.2 11.2 晶晶晶晶闸闸管的管的管的管的结结构和工作原理构和工作原理构和工作原理构和工作原理11.3 11.3 单单相可控整流相可控整流相可控整流相可控整流电电路路路路11.4 11.4 触触触触发电发电路路路路11.5 11.5 教学基本要求教学基本要求熟悉熟悉熟悉熟悉: :晶晶晶晶闸闸管的工作原理和外特性管的工作原理和外特性管的工作原理和外特性管的工作原理和外特性; ;导导通和通和通和通和 阻断条件阻断条件阻断条件阻断条件; ;电
2、电阻性阻性阻性阻性负载负载的的的的单单相半控相半控相半控相半控桥桥式式式式整流整流整流整流电电路工作原理路工作原理路工作原理路工作原理; ;单结单结晶体管的工晶体管的工晶体管的工晶体管的工 作原理和外特性作原理和外特性作原理和外特性作原理和外特性, ,单结单结晶体管晶体管晶体管晶体管组组成触成触成触成触发发 电电路及同步触路及同步触路及同步触路及同步触发电发电路的工作原理路的工作原理路的工作原理路的工作原理 了解了解了解了解: :晶晶晶晶闸闸管和管和管和管和单结单结晶体管的主要参数晶体管的主要参数晶体管的主要参数晶体管的主要参数 11.1 概述概述电电力力力力电电子子子子电电路的功能路的功能路
3、的功能路的功能用微弱信号用微弱信号用微弱信号用微弱信号对电对电力力力力电电子器件子器件子器件子器件进进行通断控制行通断控制行通断控制行通断控制, ,来来来来实现实现高高高高电压电压, ,大大大大电电流的直流或交流流的直流或交流流的直流或交流流的直流或交流电电能之能之能之能之间进间进行各种形行各种形行各种形行各种形式式式式转换转换的的的的电电路路路路. .电电力力力力电电子器件又称子器件又称子器件又称子器件又称电电力或功率半力或功率半力或功率半力或功率半导导体器件体器件体器件体器件, , , ,发发展展展展历历程程程程第一代第一代第一代第一代: :以晶体管以晶体管以晶体管以晶体管为为主体的半控型
4、器件主体的半控型器件主体的半控型器件主体的半控型器件第二代第二代第二代第二代: :全控型器件全控型器件全控型器件全控型器件第三代第三代第三代第三代: :功率集成功率集成功率集成功率集成电电路路路路 电力力电子器件的四种功能子器件的四种功能类型：型：1. 1. 交流交流交流交流电转换电转换成直流成直流成直流成直流电电(AC(AC DC)DC)2. 2.交流交流交流交流电转换电转换成交流成交流成交流成交流电电(AC(AC AC)AC)3. 3. 直流直流直流直流电转换电转换成直流成直流成直流成直流电电(DC (DC DC)DC)电力力电子器件可取代接触器子器件可取代接触器, ,实现通、断的通、断的
5、无触点控制无触点控制4. 4. 直流直流直流直流电转换电转换成交流成交流成交流成交流电电(DC(DC AC)AC)11.2晶晶闸管的管的结构和工作原理构和工作原理晶晶晶晶闸闸管也称可控硅管也称可控硅管也称可控硅管也称可控硅, ,它是一种大功率半它是一种大功率半它是一种大功率半它是一种大功率半导导体器件体器件体器件体器件晶晶晶晶闸闸管的管的管的管的优优点点点点: :1. 1.体体体体积积小小小小 重量重量重量重量轻轻2. 2.耐耐耐耐压压高高高高3. 3.容量大容量大容量大容量大4. 4.响响响响应应速度快速度快速度快速度快5. 5.控制灵活控制灵活控制灵活控制灵活6. 6.寿命寿命寿命寿命长长
6、及使用及使用及使用及使用维护维护方便等方便等方便等方便等晶晶晶晶闸闸管的缺点管的缺点管的缺点管的缺点: :1. 1.晶晶晶晶闸闸管管管管产产生的大量生的大量生的大量生的大量谐谐波会波会波会波会对电对电网网网网产产生不良影响生不良影响生不良影响生不良影响, ,造成干造成干造成干造成干扰扰2. 2.过载过载能力和抗干能力和抗干能力和抗干能力和抗干扰扰能力差能力差能力差能力差3. 3. 控制控制控制控制电电路复路复路复路复杂杂等等等等11.2.1 晶晶闸管的管的结构构内部构造内部构造内部构造内部构造: :由四由四由四由四层层半半半半导导体体体体组组成成成成, ,中中中中间间形成三个形成三个形成三个形
7、成三个PNPN结结J J1 1 J J2 2和和和和J J3 3, ,外部引出外部引出外部引出外部引出三个三个三个三个电电极极极极: :阴极阴极阴极阴极k,k,阳极阳极阳极阳极a, a,控制极控制极控制极控制极g . g . 电电路符号路符号路符号路符号k k g ga a 晶晶晶晶闸闸管外形管外形管外形管外形11.2.2晶晶闸管的工作原理管的工作原理晶晶晶晶闸闸管的工作原理管的工作原理管的工作原理管的工作原理图图晶晶晶晶闸闸管的工作原理管的工作原理管的工作原理管的工作原理: :1. 1.晶晶晶晶闸闸管使用管使用管使用管使用时时, ,要求阳极和阴极之要求阳极和阴极之要求阳极和阴极之要求阳极和阴
8、极之间间加正相加正相加正相加正相电压电压, ,在控制在控制在控制在控制极和阴极极和阴极极和阴极极和阴极间间加正相控制加正相控制加正相控制加正相控制电压电压. .等效等效等效等效结结构构构构等效等效等效等效电电路路路路图图2. 2.在触在触在触在触发发信号信号信号信号U Ugkgk的作用下的作用下的作用下的作用下, ,产产生生生生T T2 2的基极的基极的基极的基极电电流流流流I IB2B2, ,即即即即为为触触触触为为触触触触发发信号信号信号信号电电流流流流I IGG, ,经经T T2 2放大后形成放大后形成放大后形成放大后形成I IC2C2=2 2I IB2B2, ,而而而而I IB1B1=
9、I=IC2C2, ,使使使使T T1 1的的的的I IC1C1=1 12 2I IB2B2, ,此此此此电电流又注入流又注入流又注入流又注入T T2 2基极基极基极基极进进一步放大一步放大一步放大一步放大, ,形成正形成正形成正形成正反反反反馈馈, ,使晶使晶使晶使晶闸闸管迅速管迅速管迅速管迅速导导通通通通, ,这这一一一一过过程称程称程称程称为为晶晶晶晶闸闸管触管触管触管触发导发导通通通通. .3. 3.当晶当晶当晶当晶闸闸管管管管导导通后通后通后通后, ,将开关断开晶将开关断开晶将开关断开晶将开关断开晶闸闸管仍将管仍将管仍将管仍将继续维继续维持持持持导导通通通通. .4. 4.当阳极当阳极
10、当阳极当阳极电电流流流流I IA AIIHH或或或或U UAKAK 0V, 0V,晶晶晶晶闸闸管管管管转为转为关断状关断状关断状关断状态态, ,称称称称为为正相阻断状正相阻断状正相阻断状正相阻断状态态. .5. 5.在晶在晶在晶在晶闸闸管的阳极和阴极管的阳极和阴极管的阳极和阴极管的阳极和阴极间间加反向加反向加反向加反向电压电压, ,两两两两PNPN结结均反偏均反偏均反偏均反偏, ,处处于于于于反向阻断状反向阻断状反向阻断状反向阻断状态态. .晶晶晶晶闸闸管的管的管的管的导导通条件通条件通条件通条件: :在阳极和阴极之在阳极和阴极之在阳极和阴极之在阳极和阴极之间间加正向加正向加正向加正向电压电压
11、, ,在控制极加正向在控制极加正向在控制极加正向在控制极加正向电压电压触触触触发发. .晶晶晶晶闸闸管是一种管是一种管是一种管是一种导导通通通通时间时间可以控制的可以控制的可以控制的可以控制的, ,具有具有具有具有单单向向向向导电导电性能的性能的性能的性能的可控整流器件可控整流器件可控整流器件可控整流器件. .11.2.3晶晶闸管的伏安特性和主要参数管的伏安特性和主要参数一一一一. .伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性二二二二. .主要参数主要参数主要参数主要参数1. 1.电压电压定定定定额额: :(1)(1)正向正向正向正向转转折折折折电压电压U UBOBO(2)(2)断断断断态态重复峰重复峰
12、重复峰重复峰值电压值电压U UDRMDRMU UDRMDRM=U=UBOBO-100V-100V(3)(3)反向反向反向反向击击穿穿穿穿电压电压U UBRBR(4)(4)反向重复峰反向重复峰反向重复峰反向重复峰值电压值电压U URRMRRMU URRMRRM=U=UBRBR-100V-100V(5)(5)额额定定定定电压电压U UD D(6)(6)正向平均正向平均正向平均正向平均电压电压U UF F2. 2.电电流定流定流定流定额额: :(1)(1)额额定正向平均定正向平均定正向平均定正向平均电电流流流流I IF F(2) (2) 掣住掣住掣住掣住电电流流流流I ILALA(3)(3)维维持持
13、持持电电流流流流I IHH(4)(4)浪涌浪涌浪涌浪涌电电流流流流I IFSMFSM3. 3.控制极定控制极定控制极定控制极定额额: :(1)(1)控制极触控制极触控制极触控制极触发电压发电压U UGG, ,触触触触发电发电流流流流I IGG(2)(2)瞬瞬瞬瞬时时正向和反向最大正向和反向最大正向和反向最大正向和反向最大电压电压和和和和电电流流流流, ,平均功平均功平均功平均功率及瞬率及瞬率及瞬率及瞬时时最大功率最大功率最大功率最大功率4. 4.其它定其它定其它定其它定额额三三三三. .晶晶晶晶闸闸管的型号管的型号管的型号管的型号KKP P通通通通态态平均平均平均平均电压电压U UF F组别组
14、别额额定定定定电压电压U UDD等等等等级级额额定通定通定通定通态态平均平均平均平均电电流流流流IFIF系列系列系列系列普通型晶普通型晶普通型晶普通型晶闸闸管管管管(S-(S-双速型双速型双速型双速型,K-,K-快速型快速型快速型快速型) )晶晶晶晶闸闸管特性管特性管特性管特性11.3单相可控整流相可控整流电路路可控整流可控整流可控整流可控整流电电路路路路: :利用晶利用晶利用晶利用晶闸闸管管管管导导通通通通时间时间可控的特点可控的特点可控的特点可控的特点, ,把交流把交流把交流把交流电变电变 成大小可成大小可成大小可成大小可调调的直流的直流的直流的直流电电的的的的电电路路路路. .11.3.
15、111.3.1电电阻性阻性阻性阻性负载负载的的的的单单相半控相半控相半控相半控桥桥式整流式整流式整流式整流电电路路路路电电阻性阻性阻性阻性负载负载的的的的单单相半控相半控相半控相半控桥桥式整流式整流式整流式整流电电路路路路图图波形波形波形波形图图一一一一. .工作原理工作原理工作原理工作原理(1)(1)当当当当u u2 2为为正半周正半周正半周正半周时时,a ,a点点点点为为正正正正电压电压,b,b点点点点为负电压为负电压, ,当当当当t=t=t=t=时时,T,T,T,T1 1 1 1在在在在u u u uG1G1G1G1作用下作用下作用下作用下导导通通通通,T,T,T,T2 2 2 2阻断阻
16、断阻断阻断D D D D1 1 1 1截止截止截止截止. . . .当当当当 t=t= , ,在在在在u u2 2过过零零零零时时刻刻刻刻T T1 1阻阻阻阻断断断断. .(2)(2)当当当当u u2 2为为正半周正半周正半周正半周时时,b,b点点点点为为正正正正电压电压,a ,a点点点点为负电压为负电压. .当当当当 t= t= + + 时时,T,T2 2导导通通通通,T,T1 1阻断阻断阻断阻断,D,D2 2截止截止截止截止. .当当当当 t=2t=2 时时,u,u2 2过过零使零使零使零使T T2 2阻断阻断阻断阻断. .二二二二. .参数参数参数参数计计算算算算1. 1.输输出出出出电
17、压电压和和和和电电流流流流输输出直流出直流出直流出直流电压电压平均平均平均平均值值11.3.2 电感性感性负载的的单相半控相半控桥式整流式整流电路路电电路路路路图图 波形波形波形波形图图一一一一. .工作原理工作原理工作原理工作原理1. 1.当当当当u u2 2为为正半周正半周正半周正半周时时，在，在，在，在t=t=时时加触加触加触加触发发脉冲，脉冲，脉冲，脉冲，T T1 1、D D2 2导导通，通，通，通，负载负载上有上有上有上有i io o流流流流过过，在，在，在，在电电感中感中感中感中储储存磁存磁存磁存磁场场能量能量能量能量i i2 2o oL/2.L/2.当当当当t=t=时时T T1
18、1和和和和D D2 2截止截止截止截止. .2. 2.当当当当u u2 2为负为负半周半周半周半周时时，在，在，在，在t= ( t= ( )期期期期间间, ,无触无触无触无触发发信号信号信号信号, ,、2 2和和和和1 1、D D2 2均截止均截止均截止均截止, ,电电感上感上感上感上产产生的自感生的自感生的自感生的自感应电势应电势极性下正上极性下正上极性下正上极性下正上负负. .负载继续负载继续有有有有电电流流流流i io o流流流流过过且且且且i iD D=i=io o. . 当当当当t= t= 时时，在触，在触，在触，在触发发信号作用下，使信号作用下，使信号作用下，使信号作用下，使2 2
19、和和和和1 1导导通，通，通，通，i io o方向不方向不方向不方向不变变. .当当当当t=2t=2时时, ,2 2和和和和1 1截止，截止，截止，截止，i io o继续继续流通流通流通流通. . 二二二二. .参数参数参数参数计计算算算算输输出直流平均出直流平均出直流平均出直流平均电压电压负载负载平均平均平均平均电电流流流流流流流流过过晶晶晶晶闸闸管和整流二极管的管和整流二极管的管和整流二极管的管和整流二极管的电电流平均流平均流平均流平均值值流流流流过过晶晶晶晶闸闸管和整流二极管的管和整流二极管的管和整流二极管的管和整流二极管的电电流有效流有效流有效流有效值值流流流流过续过续流二极管流二极管
20、流二极管流二极管D D3 3的的的的电电流平均流平均流平均流平均值值和有效和有效和有效和有效值值11.4 触触发电路路对对触触触触发电发电路的基本要求路的基本要求路的基本要求路的基本要求: :(1)(1)触触触触发发脉冲脉冲脉冲脉冲发发出出出出时时刻刻刻刻, ,必必必必须须与主回路与主回路与主回路与主回路电电源源源源电压电压的相位的相位的相位的相位 具有一定具有一定具有一定具有一定对应对应的控制角关系的控制角关系的控制角关系的控制角关系. .(2)(2)触触触触发发脉冲信号能提供足脉冲信号能提供足脉冲信号能提供足脉冲信号能提供足够够大的大的大的大的电压电压和和和和电电流流流流 , ,应应符合晶
21、符合晶符合晶符合晶闸闸管管管管对对触触触触发发信号的要求信号的要求信号的要求信号的要求. .(4)(4)触触触触发发脉冲要有足脉冲要有足脉冲要有足脉冲要有足够够的的的的宽宽度度度度 . .(3)(3)触触触触发发脉冲的上升前沿要陡脉冲的上升前沿要陡脉冲的上升前沿要陡脉冲的上升前沿要陡, ,以保以保以保以保证证触触触触发时间发时间的准确性的准确性的准确性的准确性. .触触触触发电发电路路路路: :向晶向晶向晶向晶闸闸管控制极提供触管控制极提供触管控制极提供触管控制极提供触发发信号的信号的信号的信号的电电路路路路. .(5)(5)在触在触在触在触发发脉冲脉冲脉冲脉冲发发送之前送之前送之前送之前,
22、,触触触触发电发电路的路的路的路的输输出出出出电压应电压应小于小于小于小于0.150.2V.0.150.2V.11.4.1单结晶体管晶体管一一一一. .结结构构构构单结单结晶体管又称双基极晶体管晶体管又称双基极晶体管晶体管又称双基极晶体管晶体管又称双基极晶体管. .内部内部内部内部结结构：构：构：构：管脚排列：管脚排列：管脚排列：管脚排列：符号符号符号符号: :等效等效等效等效电电路路路路: :二二二二. .单结单结晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性晶体管的伏安特性单结单结晶体管的基本晶体管的基本晶体管的基本晶体管的基本电电路：路：路：路：单结单结晶体管的等效晶体管的等效晶体管的
23、等效晶体管的等效电电路：路：路：路：单结单结晶体管的伏安特性是晶体管的伏安特性是晶体管的伏安特性是晶体管的伏安特性是指指指指发发射射射射结结特性特性特性特性即即即即I IE E=(U=(UE E) )U UBBBB= =常数常数常数常数特性曲特性曲特性曲特性曲线图线图三三三三. .主要参数主要参数主要参数主要参数单结单结晶体管主要参数晶体管主要参数晶体管主要参数晶体管主要参数: :分分分分压压比比比比 基极基极基极基极电电阻阻阻阻R Rbbbb峰点峰点峰点峰点电电流流流流I IP P谷点谷点谷点谷点电电流流流流I IV V谷点谷点谷点谷点电压电压U UV V饱饱和和和和电压电压U UESES最
24、大反最大反最大反最大反压压U UB2EB2E反向反向反向反向电电流流流流I IEOEO调变电调变电流流流流I IB2B2耗散功率耗散功率耗散功率耗散功率P PB2MB2M 11.4.2单结晶体管的触晶体管的触发电路路一一一一. .单结单结晶体管振晶体管振晶体管振晶体管振荡电荡电路路路路工作特性工作特性工作特性工作特性波形波形波形波形图图电电路路路路图图二二二二. .振振振振荡荡条件条件条件条件三三三三. .振振振振荡荡周期周期周期周期由于由于由于由于T T1 1TT2 2, ,故振故振故振故振荡荡周期周期周期周期T TT T2 2, ,振振振振荡频荡频率率率率四四四四. .单结单结晶体管的同步触晶体管的同步触晶体管的同步触晶体管的同步触发电发电路路路路1. 1.同步触同步触同步触同步触发发的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理单结单结晶体管同步触晶体管同步触晶体管同步触晶体管同步触发电发电路路路路电电路路路路图图2. 2.利用放大器利用放大器利用放大器利用放大器进进行移相控制的触行移相控制的触行移相控制的触行移相控制的触发电发电路路路路11.5应用用举例例单单相交流相交流相交流相交流调压电调压电路的路的路的路的应应用用用用
