第8章電力電子器件及其應(yīng)用太原理工大學(xué)電工基礎(chǔ)教學(xué)部/sundae_meng第8章電力電子器件及其應(yīng)用8.1晶閘管8.2可控硅整流電路8.3單結(jié)晶閘管觸發(fā)電路8.4晶閘管的保護(hù)/sundae_meng本章要求:1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和主要參數(shù)。2.理解可控整流電路的工作原理、掌握電壓平均值與控制角的關(guān)系。3.了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原理。第8章電力電子器件及其應(yīng)用/sundae_meng晶閘管（Thyristor）可控硅（SCR)（Silicon

Controlled

Rectifier）

晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。

晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。

體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。

優(yōu)點(diǎn)：/sundae_mengG控制極8.1晶閘管8.1.1基本結(jié)構(gòu)及工作原理K

陰極G陽(yáng)極

A四層半導(dǎo)體1.基本結(jié)構(gòu)和符號(hào)KGA符號(hào)外形結(jié)構(gòu)三個(gè)

PN

結(jié)P1P2N1N2/sundae_meng常用晶閘管的圖片螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)/sundae_meng2.晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)GKATSHL(a)HLGKATS(b)GKATSHL(c)GKATSHL(d)(c)去掉控制極正向電壓，燈泡亮。(d)陽(yáng)極加反向電壓，燈泡熄滅。(a)控制極不加電壓，燈泡不亮。(b)控制極加正向電壓，燈泡亮。/sundae_meng①晶閘管導(dǎo)通的條件：

晶閘管陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓（UAK>0）。同時(shí)晶閘管控制極與陰極之間加正向觸發(fā)電壓或正向觸發(fā)脈沖。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。②晶閘管關(guān)斷的條件：

晶閘管陽(yáng)極電流小于維持電流（IA<IH），或?qū)㈥?yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反相電壓（UAK<0）。3.晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷條件/sundae_mengP1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGNPPNNAGKP4.工作原理/sundae_mengT1T2工作原理A

在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱(chēng)觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過(guò)程KGEA>0、EG>0EGEA+_R/sundae_meng

晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過(guò)程/sundae_meng正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流

U8.1.2伏安特性及主要參數(shù)1.伏安特性/sundae_meng2.主要參數(shù)(1)正向平均電流IF：環(huán)境溫度為40

C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。IF

t

2

如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。/sundae_meng(3)通態(tài)平均電壓（管壓降）UF:

在規(guī)定的條件下，通過(guò)正弦半波平均電流時(shí)，晶閘管陽(yáng)、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。(2)維持電流IH:

在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。(4)正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）UFRM:

控制極開(kāi)路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM=80%UB0。普通晶閘管UFRM

為100V—3000V/sundae_meng(5)反向重復(fù)峰值電壓URRM：控制極開(kāi)路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000V(6)控制極觸發(fā)電壓和電流UG、IG：室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流。一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。(7)浪涌電流IFSM：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，晶閘管中允許通過(guò)的最大過(guò)載電流。/sundae_meng晶閘管型號(hào)及其含義導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級(jí),用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)

（晶閘管類(lèi)型）

P--普通晶閘管

K--快速晶閘管

S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP200-18F

表示額定正向平均電流為200A，額定電壓為1800V，管壓降為0.9V的普通晶閘管。/sundae_meng8.2可控整流電路8.2.1單相半波可控整流

1.電阻性負(fù)載(1)電路分析

u

>0時(shí)：若ug=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時(shí):

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uo=0,uT=u，故稱(chēng)可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，

uuoRL+–+uT+––Tio/sundae_meng(2)工作原理

t1

2u

<

0時(shí):

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷

加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通

tOu

>0時(shí):

tO/sundae_meng

tO

接電阻負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電路電壓、電流波形

控制角

t1

tO

tO

t22

tO導(dǎo)通角(3)工作波形/sundae_meng(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。/sundae_meng2.電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路

當(dāng)電壓u過(guò)零后，由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?/p>

uuoR+–+uT+––T

?LeL?

在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(shì)(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見(jiàn)波形)。/sundae_meng

tO

tO

tO

t1

tO

t22

（2）工作波形（未加續(xù)流二極管）/sundae_meng

uuoR+–+uT+––LTioDiou>0時(shí)：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時(shí)：

D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見(jiàn)波形圖)。（3）電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)+–/sundae_meng工作波形(加續(xù)流二極管)iL

t

tO

tO

2

tO/sundae_meng8.2.2單相半控橋式整流電路1.電路2.工作原理T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為T(mén)1、T2

晶閘管D1、D2

二極管aRLD2T1b(1)電壓u

為正半周時(shí)io+–+–T1T2RLuoD1D2a

u+–b此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。/sundae_mengio+–+–T1T2RLuoD1D2a

u+–bT2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRLD1T2a此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。/sundae_meng

t

tO

tO3.工作波形2

tO/sundae_meng4.輸出電壓及電流的平均值/sundae_meng兩種常用可控整流電路電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無(wú)反向電壓。2.晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-/sundae_meng電路特點(diǎn)1.該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。(2)2.由于T1的陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。T1T2D1D2uuORL+-+-/sundae_meng8.3

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路8.3.1單結(jié)晶體管B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片

示意圖

符號(hào)B2EB11.結(jié)構(gòu)與符號(hào)/sundae_meng2.工作原理

UE<

UBB+UD=UP時(shí)PN結(jié)反偏，IE很??；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。UE

UP時(shí)

–

分壓比(0.5~0.9)UP

–

峰點(diǎn)電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1測(cè)量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路由圖可求得/sundae_meng3.伏安特性UV、IV(谷點(diǎn)電壓、電流):

維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點(diǎn)電壓)：

單結(jié)管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點(diǎn)電壓UV谷點(diǎn)電壓V負(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)負(fù)阻區(qū)：UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。P/sundae_meng1.UE<UP時(shí)單結(jié)管截止；UE>UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時(shí)恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(diǎn)B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比

不同，則峰點(diǎn)電壓UP不同。3.不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV都不一樣。谷點(diǎn)電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。/sundae_meng8.3.2單結(jié)晶體管振蕩電路1.振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路

單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(jié)管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路。ugR2R1RUucE+C+__+_50

100k

300

0.47F/sundae_mengugR2R1RUuCE+C+__+_50

100k

300

0.47F2.振蕩過(guò)程分析設(shè)通電前uC=0。

接通電源U,電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。

當(dāng)uC

UP時(shí),單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuC

tug

t電容放電至uC

Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)/sundae_meng注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。upuv(c)電壓波形uC

t

tugOO/sundae_meng主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+

8.3.3單結(jié)管同步觸發(fā)電路1.電路/sundae_meng2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2M

tOZ

tO

tO/sundae_meng(2)觸發(fā)電路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+

t

tUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)輸出電壓uLOOUZ

tO

tO/sundae_meng問(wèn)題討論1.單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？

目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過(guò)零(即兩者同步)，使電容在每半個(gè)周期均從零開(kāi)始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。2.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？

穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個(gè)周期產(chǎn)生第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。/sundae_meng3.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？如何改變控制角？

根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽(yáng)極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號(hào)，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個(gè)周期中只有第一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。改變充電時(shí)間常數(shù)即可改變控制角?？刂平亲兓姆秶Q(chēng)為移相范圍。4.電壓的調(diào)節(jié)R

電容充電速度變慢

uL/sundae_meng單結(jié)晶體管觸發(fā)電路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR

輸出脈沖可以直接從電阻R1引出(如前圖)，也可通過(guò)脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間允許的反向電壓很小，為了防止反向擊穿，在脈沖變壓器副邊串聯(lián)二極管D1,可將反向電壓隔開(kāi)，而并聯(lián)D2，可將反向電壓短路。/sund