半導(dǎo)體變流技術(shù)第1頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三晶閘管（SiliconControlledRectifier簡(jiǎn)稱(chēng)SCR）是在60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電力半導(dǎo)體器件，晶閘管的出現(xiàn)起到了弱電控制與強(qiáng)電輸出之間的橋梁作用。優(yōu)點(diǎn)：

(1)用很小的功率(電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2～4V)可以控制較大的功率(電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏)，功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬(wàn)倍；

(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)；

(3)損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右；

(4)體積小、重量輕。第2頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三缺點(diǎn)：

(1)過(guò)載能力弱，在過(guò)電流、過(guò)電壓情況下很容易損杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護(hù)措施，在選用時(shí)，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量；

(2)抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當(dāng)外界干擾較強(qiáng)時(shí)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作；

(3)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周?chē)碾姎庠O(shè)備；

(4)控制電路比較復(fù)雜，對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求高。在實(shí)踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時(shí)采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。5.1晶閘管

晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱(chēng)可控硅。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

晶閘管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示：第3頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三其中：A—陽(yáng)極，K—陰極，G—控制極。結(jié)構(gòu)示意圖表示符號(hào)4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個(gè)PN結(jié)第4頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、晶閘管的工作原理實(shí)驗(yàn)電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開(kāi)關(guān)S，在t4瞬間拉開(kāi)開(kāi)關(guān)S，則u2、ug和電阻上RL的電壓ud的波形關(guān)系如圖（b）所示。（1）在0~t1之間:開(kāi)關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開(kāi)關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時(shí)ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；（6）當(dāng)t=t5時(shí)，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

第5頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三綜上所述可得出以下結(jié)論：

（1）起始時(shí)若控制極不加電壓，則不論陽(yáng)極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說(shuō)明晶閘管具有正、反向阻斷能力；（2）晶閘管的陽(yáng)極和控制極同時(shí)正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)條件；（3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽(yáng)極正向電壓降低到一定值（或斷開(kāi)，或反向）。晶閘管的PN結(jié)可通過(guò)幾十安~幾千安的電流，因此，它是一種大功率的半導(dǎo)體器件，由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽(yáng)極與陰極間的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負(fù)載電阻上。第6頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、晶閘管的伏安特性

晶閘管陽(yáng)極對(duì)陰極的電壓和流過(guò)晶閘管的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為晶閘管的伏安特性。

第7頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三正向(uAK>0)正向阻斷狀態(tài):當(dāng)ug=0，uAK<UDSM，元件中有很小的電流（正向漏電流）流過(guò)，處于截止?fàn)顟B(tài)（稱(chēng)為正向阻斷狀態(tài)），簡(jiǎn)稱(chēng)斷態(tài)。正向擊穿：當(dāng)ug=0，uAK=UDSM，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。UDSM稱(chēng)為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，或用UBO表示稱(chēng)正向轉(zhuǎn)折電壓。正向?qū)顟B(tài)：ug>0，uAK>0，晶閘管導(dǎo)通，其電流的大小由負(fù)載決定，陽(yáng)極和陰極間的管壓降很小。反向(uAK<0)反向截止?fàn)顟B(tài):當(dāng)uAK<URSM，元件中有很小的反向電流（反向漏電流）流過(guò)，處于截止?fàn)顟B(tài)。反向擊穿：當(dāng)uAK=URSM，晶閘管突然由反向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。URSM稱(chēng)為反向不重復(fù)峰值電壓，或用UBR表示稱(chēng)反向擊穿電壓。第8頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、晶閘管的主要參數(shù)

為了正確選用晶閘管元件，必須要了解它的主要參數(shù)，一般在產(chǎn)品目錄上給出了參數(shù)的平均值或極限值，產(chǎn)品合格證上標(biāo)有元件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM-100在選擇晶閘管時(shí)還要考慮留有足夠的余量，一般：晶閘管的UDRM

應(yīng)等于所承受的正向電壓的（2~3）倍。

2.反向重復(fù)峰值電壓URRM

晶閘管反向截止?fàn)顟B(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端的反向峰值電壓。URRM=URSM-100

3.額定通態(tài)平均電流（額定電流）IT

在環(huán)境溫度不大于40度的標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流（在一個(gè)周期內(nèi)）平均值，稱(chēng)為額定通態(tài)平均電流，簡(jiǎn)稱(chēng)為額定電流。

4.維持電流

IH在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱(chēng)維持電流。一般為幾mA～一百多mA第9頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2單相可控整流電路整流－將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程；整流電路－將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單相三?.2.1單相半波可控整流電路

u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。對(duì)單相半波可控整流電路：一、帶電阻性負(fù)載的可控整流電路第10頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三輸入電壓：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負(fù)載的可控整流電路

單相半波可控整流電路用于大電感性負(fù)載時(shí)，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。第11頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、續(xù)流二極管的作用為了提高大電感負(fù)載時(shí)的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管措施。5.2.2單相半控橋式整流電路晶閘管組成的半控橋式整流電路，如圖所示。(a)單相橋式整流電路

(b)電阻性負(fù)載時(shí)的電壓電流波形1.電阻性負(fù)載

負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：晶閘管電流平均值：續(xù)流二極管的電流平均值：第12頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2.電感性負(fù)載

如圖所示半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時(shí)采用加接續(xù)流二極管的措施。有了續(xù)流二極管，當(dāng)電源電壓降到零時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過(guò)每只晶閘管平均電流：

流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：

第13頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用如圖所示的接線(xiàn)，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動(dòng)的直流電，然后用一只晶閘管進(jìn)行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。

3.反電勢(shì)負(fù)載

當(dāng)整流電路輸出接有電勢(shì)負(fù)載時(shí),只有當(dāng)電源電源的瞬時(shí)值大于反電勢(shì)，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢(shì)。第14頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

a.負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時(shí)高

b.負(fù)載電流平均值比電阻性負(fù)載時(shí)低

因?yàn)閷?dǎo)通角小，導(dǎo)電時(shí)間短，回路電阻小，所以，電流的幅值與平均值之比值相當(dāng)大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須降低電流定額使用。另外，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對(duì)于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)或蓄電池負(fù)載，常常串聯(lián)電抗器，用以平滑電流的脈動(dòng)，如圖所示。

第15頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第16頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.2.3單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。

第17頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

例5.1欲裝一臺(tái)白熾燈泡調(diào)光電路，需要可調(diào)的直流電源，調(diào)節(jié)范圍：電壓U0=0V~180V,電流I0=0~10A?，F(xiàn)采用單相半控橋式整流電路，試求最大輸入交流電壓和電流有效值，并選擇整流元件。解:設(shè)在晶閘管導(dǎo)通角θ為π(控制角為0)時(shí)輸出電壓值為最大（180V），則對(duì)應(yīng)的輸入交流電壓有效值為最大。實(shí)際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了1800

，交流電壓要比上述計(jì)算而得到的值適當(dāng)加大10%左右，即大約為220V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到220V的交流電源上。

交流電流有效值：

晶閘管所承受的最大正向電壓、最大反向電壓和二極管所承受的最大反向電壓相等，即：流過(guò)晶閘管和二極管的平均電流：第18頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3三相可控整流電路5.3.1三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路圖如圖所示。自然換相點(diǎn)：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位差：1200設(shè)輸入電壓為：第19頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第20頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可能承受的最大反向電壓為：當(dāng)晶閘管沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管承受的最大正向電壓為:第21頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.3.2、三相橋式全控整流電路2.工作原理在每一瞬間,共陰極組中陽(yáng)極電位最高的晶閘管導(dǎo)通;共陽(yáng)極組中陰極電位最低的晶閘管導(dǎo)通。1.電路VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io

Cba+–共陽(yáng)極組共陰極組第22頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在t1~

t2

期間共陰極組中a點(diǎn)電位最高，VT1導(dǎo)通；共陽(yáng)極組中b點(diǎn)電位最低，VT4導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓uab。負(fù)載電壓2.工作原理uouaubuC2uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9VT1RLVT6VT3VT5VT4VT2io

Cba第23頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在t2~

t3

期間共陰極組中a點(diǎn)電位最高，VT

1導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中c點(diǎn)電位最低，VT6

導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓

uac=ua-uc。RLuoio

Cbau++––

o負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uooVT1VT3VT5VT2VT4VT6第24頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在t3~

t4

期間共陰極組中b點(diǎn)電位最高，VT

3導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中c點(diǎn)電位最低，VT

6導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓ubC。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uooRLio

Cbau++––

oVT1VT3VT5VT2VT4VT6第25頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在t4~

t5

期間共陰極組中b點(diǎn)電位最高，VT3導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中a點(diǎn)電位最低，VT2導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓uba。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2t1t2t3t4t5t6t7t8t9uooRLio

Cbau++––

oVT1VT3VT5VT2VT4VT6第26頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理結(jié)論：

在一個(gè)周期中，每個(gè)晶閘管只有三分之一的時(shí)間導(dǎo)通（導(dǎo)通角為120°）。變壓器副邊電壓負(fù)載電壓負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓。uouaubuC2RLio

Cbau++––

oVT1VT3VT5VT2VT4VT6uo第27頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三時(shí)的波形圖VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io

Cba+–第28頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三輸出電壓的均值

1、2、注：此處的U為線(xiàn)電壓有效值第29頁(yè)，共33頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.4晶閘管的觸發(fā)電路

向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路（2）小容量晶閘管觸發(fā)電路（3）晶體管觸發(fā)電路5.4.1晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求