晶閘管及其基本電路

概述1.什么是電力電子技術(shù)2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史3.

電力電子技術(shù)的應(yīng)用信息電子技術(shù)包括：模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)，主要用于信息處理。電力電子技術(shù)應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。電力電子技術(shù)主要用于電力變換。目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子裝置的功率，可大到GW，小到數(shù)瓦甚至1W以下。概述1.什么是電力電子技術(shù)模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)1.什么是電力電子技術(shù)概述

電力——交流和直流兩種

從公用電網(wǎng)直接得到的是交流，從蓄電池和干電池得到的是直流。交流交流直流直流逆變調(diào)壓、變頻、變相、交流電力控制直流斬波整流

進(jìn)行電力變換的技術(shù)稱為變流技術(shù)

電力變換

四大類①交流－直流②

直流－交流③

直流－直流④交流－交流概述

這四類基本變換可以組合成許多

復(fù)合型電力變換器1.什么是電力電子技術(shù)

電力變換

四大類①交流－直流②

直流－交流③

直流－直流④交流－交流概述1.什么是電力電子技術(shù)

①

AC/DC基本整流電路利用開關(guān)器件實現(xiàn)電力變換概述1.什么是電力電子技術(shù)利用開關(guān)器件實現(xiàn)電力變換②DC/AC基本逆變電路概述1.什么是電力電子技術(shù)利用開關(guān)器件實現(xiàn)電力變換③DC/DC直流降壓電路④AC/AC直接變頻、變壓電路概述1.什么是電力電子技術(shù)利用開關(guān)器件實現(xiàn)電力變換概述

電力電子技術(shù)可看成“弱電控制強(qiáng)電”的技術(shù)，是“弱電和強(qiáng)電的接口”，控制理論是實現(xiàn)該接口的強(qiáng)有力紐帶。1.什么是電力電子技術(shù)

電力電子學(xué)

60年代出現(xiàn)，

1974年，美國的W.Newell

用倒三角形對電力電子學(xué)進(jìn)行了描述，被全世界普遍接受。

電力電子學(xué)電子學(xué)電力學(xué)控制理論連續(xù)、離散

電路、器件靜止器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)描述電力電子學(xué)的倒三角形概述電力電子技術(shù)的發(fā)展分為四個階段史前期（1957年以前）使用水銀整流器（汞整流器），其性能和晶閘管類似。晶閘管時代（1958～70年代）

晶閘管，又稱晶體閘流管或可控硅整流器（SCR），通過門極控制開通，但不能控制關(guān)斷，屬于半控型器件。目前由于其能承受的電壓電流容量仍是器件中最高的，而且工作可靠，所以許多大容量場合仍大量使用SCR。2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史概述

全控型器件時代（70年代后期）以下列幾種為代表：可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力雙極型晶體管(BJT)、電力場效應(yīng)管(MOSFET)。這些器件可以通過門極（或柵極、基極）控制開通和關(guān)斷，屬于全控型器件。

復(fù)合器件時代（80年代后期）以絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）為代表。發(fā)展：功率模塊、功率集成電路、智能功率模塊等。2.電力電子技術(shù)的發(fā)展史概述電力電子裝置提供給負(fù)載的是各種不同的直流電源、恒頻交流電源和變頻交流電源，它對節(jié)省電能有重要意義，因此電力電子技術(shù)研究的就是電源技術(shù)，也被稱為是節(jié)能技術(shù)。3.電力電子技術(shù)的應(yīng)用一般工業(yè)交通運輸電力系統(tǒng)電子裝置電源家用電器其他

在一般工業(yè)中的應(yīng)用軋鋼機(jī)數(shù)控機(jī)床冶金工業(yè)電解鋁在交通運輸中的應(yīng)用靜止無功補償器SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用新型能源在電子裝置電源中的應(yīng)用程控交換機(jī)電子裝置微型計算機(jī)在家用電器中的應(yīng)用在其他領(lǐng)域的應(yīng)用大型計算機(jī)的UPS航天技術(shù)10.1電力半導(dǎo)體器件1.電力電子器件的分類

按照器件能夠被控制的程度，分為三類：

半控型器件通過控制信號控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。

全控型器件通過控制信號控制其導(dǎo)通又控制其關(guān)斷。

不可控器件不能用控制信號來控制通斷，不需驅(qū)動電路。

按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：

電流驅(qū)動型通過從控制端注入或抽出電流，實現(xiàn)通斷控制。

電壓驅(qū)動型通過在控制端施加電壓信號，實現(xiàn)通斷控制。

按照器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的情況分三類：

單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件由單極型和雙極型器件集成混合而成的器件。10.1電力半導(dǎo)體器件1.電力電子器件的分類

單極型器件由一種載流子參與導(dǎo)電的器件。雙極型器件由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電的器件。復(fù)合型器件由單極型和雙極型器件集成混合而成的器件。電力電子器件分類“樹”外形有螺栓型和平板型兩種封裝。螺栓型：螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；平板型：可由兩個散熱器將其夾在中間。AAGGKKAGKKGAP1N1P2N2J1J2J310.1電力半導(dǎo)體器件(a)晶閘管外形(b)晶閘管結(jié)構(gòu)(c)晶閘管電氣圖形符號1.晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管(SCR)引出陽極A

陰極K

門極(控制端)G三個聯(lián)接端。其中：A—陽極，K—陰極，G—控制極。4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個PN結(jié)10.1電力半導(dǎo)體器件3.晶閘管的工作原理

晶閘管工作原理的實驗說明

由電源、晶閘管的陽極和陰極、白熾燈組成晶閘管主電路；由電源、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路（觸發(fā)電路）。①使晶閘管導(dǎo)通②晶閘管導(dǎo)通后使晶閘管恢復(fù)阻斷主電路控制電路觸發(fā)電路晶閘管電路

晶閘管是用很小的功率控制大功率的可控整流元件，

要使晶閘管導(dǎo)通必須在其陽極和控制極同時加正向電壓，

晶閘管導(dǎo)通以后，控制極就失去了控制作用。

欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，則必須把陽極正向電壓降低到一定值(斷開或反向)。10.1電力半導(dǎo)體器件3.晶閘管的工作原理二、晶閘管的工作原理

實驗電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開關(guān)S，在t4瞬間拉開開關(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ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；

（5）當(dāng)t=t4時，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；

（6）當(dāng)t=t5時，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

綜上所述可得出以下結(jié)論：

（1）起始時若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，這說明晶閘管具有正、反向阻斷能力；

（2）晶閘管的陽極和控制極同時正向電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時具備的兩個條件；

（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)，必須把陽極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。

晶閘管的PN結(jié)可通過幾十安~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，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽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。10.1電力半導(dǎo)體器件4.晶閘管的基本特性晶閘管的伏安特性曲線是非線性的。為了正確選用晶閘管，了解它的主要參數(shù)至關(guān)重要。

斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM

反向重復(fù)峰值電壓URRM

反向不重復(fù)峰值電壓URSM

通態(tài)(峰值)電壓UTM

正向電流IG

額定通態(tài)平均電流IT

維持電流IH晶閘管陽極伏安特性第I象限正向特性第III象限反向特性IG2>IG1>IG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，處于截止?fàn)顟B(tài)（稱為正向阻斷狀態(tài)），簡稱斷態(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稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，或用UBO表示稱正向轉(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，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稱為反向不重復(fù)峰值電壓，或用UBR表示稱反向擊穿電壓。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)有元件的實測數(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)加在晶閘管陽極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM-100

在選擇晶閘管時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)加在晶閘管陽極和陰極兩端的反向峰值電壓。URRM=URSM-1003.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)通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內(nèi)）平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，簡稱為額定電流。4.維持電流

IH

在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA～一百多mA優(yōu)點：(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)到幾十萬倍；(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時間都在微秒級；(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。缺點：

(1)過載能力弱，在過電流、過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，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，容易產(chǎn)生誤動作；(3)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備；(4)控制電路比較復(fù)雜，對維修人員的技術(shù)水平要求高。

在實踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時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)，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。10.2單相可控整流電路整流－將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；整流電路－將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐罚徽鲉蜗嗳?0.2.1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到觸發(fā)脈沖的作用點之間的電角度。－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。對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，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。三、續(xù)流二極管的作用

為了提高大電感負(fù)載時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，如圖所示。10.2.2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：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，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，不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

如圖所示半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時，可以不加續(xù)流二極管。

這是因為在電源電壓過零時，電感中的電流通過V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過每只晶閘管平均電流：

流過續(xù)流二極管的平均電流：

流過每只晶閘管平均電流：

流過續(xù)流二極管的平均電流：

為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用如圖所示的接線，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.反電勢負(fù)載

當(dāng)整流電路輸出接有電勢負(fù)載時,只有當(dāng)電源電源的瞬時值大于反電勢，同時又有觸發(fā)脈沖時，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時間內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢。a.負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時高

b.負(fù)載電流平均值比電阻性負(fù)載時低

因為導(dǎo)通角小，導(dǎo)電時間短，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，對于直流電動機(jī)來說整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對于大容量電動機(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，如圖所示。

10.2.3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。

例10.1欲裝一臺白熾燈泡調(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)時輸出電壓值為最大（180V），則對應(yīng)的輸入交流電壓有效值為最大。

實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動、管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了1800

，交流電壓要比上述計算而得到的值適當(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：流過晶閘管和二極管的平均電流：10.3三相可控整流電路10.3.1三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：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設(shè)輸入電壓為：

可能承受的最大反向電壓為：

當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號時，晶閘管承受的最大正向電壓為:10.4逆變器

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對應(yīng)于整流的逆向過程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器交流側(cè)接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為。有源逆變逆變無源逆變變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去

一、無源逆變電路的工作原理

無源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開關(guān)電路來說明。1.無源逆變器的簡單工作原理2.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無源逆變器的電壓控制

1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制

（1）脈寬控制

不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時間以控制輸出脈沖的寬度來改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。

若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。

（2）脈沖寬度調(diào)制（PWM）

如果使VS1與VS4，VS2與VS3通過高頻調(diào)制控制，能在半個周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時N=5）。

逆變器輸出電壓的幅值是通過改變脈沖總的導(dǎo)通時間與總的關(guān)斷時間的比率來控制的，這有兩種基本的方法：

第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；

第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。三、無源逆變器的換相（換流）

兩組晶閘管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，就是電流轉(zhuǎn)換的過程，簡稱換