1、第 5 章 現(xiàn)代電力電子電路,第5章 晶閘管電路 第 1 節(jié)功率電子器件 第 2 節(jié)可控橋式整流電路 第 3 節(jié)晶閘管觸發(fā)電路 第 4 節(jié)調(diào)壓、變頻、逆變和斬波技術 第 5 節(jié)功率電子器件的保護電路 第 6 節(jié)晶閘管交流開關電路實例,第5章 重點,晶閘管工作原理 單相可控整流電路,別名： 可控硅（SCR) （Silicon Controlled Rectifier） 是一種大功率半導體器件，出現(xiàn)于70年代。它的出現(xiàn)使半導體器件由弱電領域擴展到強電 領域 。,體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、 容 量大（正向平均電流達千安、正向耐壓 達數(shù)千伏）。,第1節(jié) 功率電子器件,應用領域：,逆變,整流 （交

2、流,直流）,斬波,（直流,交流）,變頻,（交流,交流）,（直流,直流）,此外還可作無觸點開關等,一、基本結構,A（陽極）,P1,P2,N1,N2,K（陰極）,G（控制極）,第節(jié) 晶閘管,符號,二、工作原理,結構示意圖,工作原理分析,A,1、UGK=0時，UAK0或UAK0，均不能導通。,J1,J2,J3,工作原理分析,工作原理分析,2、UGK0且UAK0時（正向電壓）， V1導通V2導通V1進一步導通，形成正反饋晶閘管迅速導通。,維持電流 IC2=IG,A,3、UGK0或UAK0，均不能導通。,工作原理分析,導通條件（導通狀態(tài)）： 1、陽極與陰極間加正向電壓； 2、控制極與陰極間加正向觸發(fā)電壓

3、； 3、陽極電流不小于維持電流。,截止條件（阻斷狀態(tài)）： 1、晶閘管開始工作時 ，UAK加反向電壓，或不加觸發(fā)信號（即UGK = 0 ）； 2、晶閘管正向?qū)ê?，令其截止，必須減小UAK，或加大回路電阻，使晶閘管中電流的正反饋效應不能維持。,晶閘管具有單向?qū)щ娦裕ㄕ驅(qū)l件：A、K間加正向電壓，G、K間加觸發(fā)信號）；,晶閘管一旦導通，控制極失去作用。若使其關斷，必須降低UAK或加大回路電阻，把陽極電流減小到維持電流以下。,三、 特性與參數(shù),1、特性,IG1=0A,IG2,IG3,正向,反向,UFRM：,正向斷態(tài)重復峰值電壓。（晶閘管耐壓值。 一般取 UFRM = 80% UFSM 。普通晶閘

4、管 UFRM 為 100V3000V）,URRM：反向重復峰值電壓。（控制極斷路時， 可以重復作用在晶閘管上的反向重復電 壓。一般取URRM = 80% URSM。普通晶 閘管URRM為100V3000V）,IF：,額定通態(tài)平均電流。（環(huán)境溫度為40OC時,在 電阻性負載、單相工頻 正弦半波、導電角不小于170o的電路中，晶閘管允許的最大通態(tài)平均電流。普通晶閘管IF為1A1000A。）,2、主要參數(shù),UD: 額定電壓。 URRM 與UFRM中較小的一個。,IF含義說明,IH：維持電流。(在室溫下，控制極開路、晶閘管 被觸發(fā)導通后，維持導通狀態(tài)所必須的最 小電流。一般為幾十到一百多毫安。）,UG

5、、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流。（在室溫下， 陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導通 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。）,晶閘管型號,通態(tài)平均電壓（UF）,額定電壓級別（UD）,額定通態(tài)平均電流 （IF）,晶閘管類型 P-普通晶閘管 K-快速晶閘管 S -雙向晶閘管,晶閘管,KP 100-3,晶閘管電壓、電流級別,額定通態(tài)電流（IF）通用系列為,1、5、10、20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14種規(guī)格。,額定電壓（UD）通用系列為：,1000V以下的每100V為一級，1000V到3000V的

6、每200V 為一級。,通態(tài)平均電壓（UF）等級一般用A I字母表 示，由 0.4 1. 2V每 0.1V 為一級。,四、 特殊晶閘管,1、可關斷晶閘管（GTO- Gata Turn Off thyristor ） 可關斷晶閘管的觸發(fā)導通與普通晶閘管相同。不同之處在于：普通晶閘管的關斷不能控制，只能靠減小陽極電壓或工作電流來實現(xiàn)。普通晶閘管屬半控器件；而可關斷晶閘管可在控制極上加負觸發(fā)信號將其關斷，因此它屬全控器件。,2、雙向晶閘管 特點：相當于兩個晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個控制極。,3、逆導晶閘管 特點：相當于一個晶閘管與一個二極管反向并聯(lián)。正向特性相當于晶閘管，反向特性相當于二極管。,符號

7、,等效電路,4、快速晶閘管 特點：開通和關斷時間短。適于高頻場合。,第2節(jié) 可控整流電路,一、單相半波可控整流電路,1、,電阻性負載,電路及工作原理,設u1為 正弦波,u2 0 時，加上觸發(fā)電壓 uG ，晶閘管導通 。且 uL 的大小隨 uG 加入的遲早而變化； u2 0 時，晶閘管不通，uL = 0 。故稱可控整流。,（1）,工作波形,（2）,：控制角,：導通角,輸出電壓及電流的平均值,Uo =,Io =,（3）,晶閘管的選擇,器件的損壞，取決于電流的熱效應，而熱 效應與電流的有效值相關。因此電路設計中，晶閘管電流的選擇，必須依據(jù)電流的有 效值，而不能依據(jù)平均值（IF）。,電流波形為正弦半波

8、的情況下，有效值與 平均值的區(qū)別計算如下：,（4）,電流的選擇,平均值：,有效值：,不同 下有效值和平均值之比,晶閘管電流選擇步驟,計算給定下的 通態(tài)電流平均值 IT,查表（或計算）相應的電流有效值 It,IT,K （K為保險系數(shù)）,計算 It對應的正弦半波電流平均值 IT,選晶閘管的額定值,晶閘管電壓選擇步驟,根據(jù)電源電壓的峰值（U2M）,計算正、反向重復峰值電壓。一般?。?UFRM = URRM =（1 .5 2）U2M,其中1 .5 2為安全系數(shù),根據(jù)UFRM 、URRM 選取晶閘管電壓的額定值,計算舉例,設,則,（V）,= 37.2V,22.3 1.5 = 33.5 (A),UFRM

9、= URRM =1 .5 ,= 233(V),可選用額定值為：300V 、50A 的晶閘管,2、,電感性負載,（1）,電路及工作原理,設u1為 正弦波,u2正半周時晶閘管導通，u2過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一定時間內(nèi)仍維持導通，失去單向?qū)щ娮饔谩?V稱為續(xù)流二極管,加入V的目的就是消除反 電動勢的影響。,（2）工作波形（不加續(xù)流二極管）,工作波形（加續(xù)流二極管后）,（3）電壓與電流的計算（加入續(xù)流二極管后的 情況）,ULT =,ILT,負載中的電壓及電流,當 L R時， ILT在整個周期中可近似 看做直流。,IT =,晶閘管的中電流,IT =,平均值:,有效值:,晶閘管的選擇,晶

10、閘管電壓 （1.5 2）U2M,晶閘管電流, （1.5）,二、單相橋式半控整流電路,1、,電阻性負載橋式可控整流電路,（1）電路及工作原理,u2 0的導通路徑：,u2 (A),V1,RL,V4,u2 (B),V2,RL,V3,u2 (A),u2 (B),u2 0的導通路徑：,V1、V2 -晶閘管,V3、V4 二極管,（2）工作波形,輸出電壓及電流的平均值,ULT =,ILT =,（3）,2、,電感性負載橋式可控整流電路,該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負載上的電流、電壓和電阻性負載類似，請自行分析。,兩種常用可控整流電路的特點,（1）,電路 特點,該電路只用一只晶閘管，且其 上無反向電壓。

11、,晶閘管和負載上的電流相同。,（2）,電路 特點,該電路接入電感性負載時，V2、V4 便起續(xù)流二極管作用。,由于V1的陽極和V3的陰極相連，兩 管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。,帶反電動勢負載的可控整流電路,該電路的工作過程。,畫出uL、iL的工作波形。,觸發(fā)電路產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖須滿足下列要求： 1、足夠的功率； 2、一定的寬度； 3、與主電路同步； 4、一定的移相范圍。,第3節(jié) 晶閘管觸發(fā)電路,產(chǎn)生的方式： 1、單結晶體管觸發(fā)電路； 2、集成觸發(fā)電路。,一、單結晶體管觸發(fā)電路,符號,1、單結晶體管,工作原理,UE UA+UEA = UP 時,PN結反偏，IE很?。?UE UP時,PN結正向?qū)?

12、 IE迅速增加。,2,單結晶體管的特性和參數(shù),3、單結晶體管振蕩電路,振蕩波形,uE = uC UP 時，單結管不導通，uo 0。 此時R1上的電流很小，其值為：,振蕩過程分析,R1、R2是外加的，不同于內(nèi) 部的RB1、RB2。前者一般取 幾十歐幾百歐； RB1+RB2 一般為215千歐。,隨電容的 充電，uc逐漸升高。當 uC UP 時，單結管導通。然后電容放電，R1上便得到一個脈沖電壓。,R2起溫度補償作用,UP、UV- 峰點、谷點電壓,UD -PN結正向?qū)▔航?注意：R值不能選的太小，否則單結管不能 關斷，電路亦不能振蕩。,電容放電至 uc uv時，單結管重新關斷，使 uo0。,脈沖寬

13、度的計算：,振蕩周期的計算：,4、單結管觸發(fā)的可控整流電路,波形關系,（2）,波形關系（1）,波形關系（2）,波形關系（3）,5、晶閘管的保護,晶閘管的過流、過壓能力很差，是它的 主要缺點。晶閘管的熱容量很小，一旦過流，溫度急劇上升，器件被燒壞。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將被燒壞；晶閘管承受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。正向電壓超過轉折電壓時，會產(chǎn)生誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。,過 流 保 護,快速熔斷器：電路中加快速熔斷器;,過流繼電器：在輸出端裝直流過電流繼電器;,過流截止電路：利用電流反饋減小晶

14、閘管的 導通角或停止觸發(fā)，從而切斷過流電路。,保護措施,阻容吸收,硒整流堆,過壓保護,（利用電容吸收過壓。即 將過電壓的能量變成電 場能量儲存到電容中， 然后由電阻消耗掉。）,（硒堆為非線性元件， 過壓后迅速擊穿，其 電阻減小，抑制過壓 沖擊。）,第4節(jié) 調(diào)壓、變頻、逆變和斬波技術,一、 交流調(diào)壓,觸 發(fā) 電 路,主電路的兩只晶閘管不共陰極，兩者的控 制極必須由兩個獨立的觸發(fā)脈沖觸發(fā)，才能 正常工作。因此，觸發(fā)電路中脈沖變壓器的 副邊有兩個線圈，分別為兩只晶閘管提供觸發(fā)信號。,電路特點,主電路的兩只晶閘管，分別在交流電源的正負半周內(nèi)觸發(fā)導通，從而實現(xiàn)交流調(diào)壓的目的。,波形關系,輸出電壓的調(diào)節(jié),us,uL,二、 單相無源逆變器,工作原理,工作時， 兩晶閘管由頻率一定、相位差為180o的兩個脈沖信號交替作用在它們的控制極上。從 而由直流電源提供能量，在負載上得到交流電壓。,當觸發(fā)脈沖作用于 V1的控制極上時， V1導通，直流電源 給電容C1充電，其 方向如圖中虛線所 示。充電電流通過 變壓器T給負載提供 一定的電壓；,當觸發(fā)脈沖作用于V2的控制極時，V2導通，電容C1通過V2放電，其方向如圖中虛線所示。放電電流通過變壓器T給負