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1、1,第十章 电力电子学晶闸管及其基本电路,学习要求:掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点；熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制；了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。,前 言,电力电子学的任务：,利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。,电力半导体器件,弱电,强电,2,晶闸管（简称SCR）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。,优点：,(1)用很小的功率(电流约几十毫安一百多毫安，电压约24V)可以控制较大的功率(电流自几十安几千安，电压自几百
2、伏几千伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍；,(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；,(3)损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右；,(4)体积小、重量轻。,3,缺点：,(1)过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；,(2)抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；,(3)导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；,(4)控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。,在实践中，应
3、该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。,10.1 晶闸管,晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。,一、晶闸管的结构和符号,晶闸管的外形和结构图分别如图所示：,4,其中：A阳极，K阴极，G控制极。,结构示意图,表示符号,4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结,5,二、晶闸管的工作原理,实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压u2，控制极电路接入Eg，在t1 瞬间合上开关S，在t4 瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上
4、RL的电压ud的波形关系如图（b）,（1）在0t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK0，但ud=0，即晶闸管未导通；,（2）在t1t2之间:uAK0，由于开关S合上，使ug0，即晶闸管导通；,（3）在 t2t3 之间，uAK0，但 ud=0，即晶闸管关断；,（4）在 t3t4 之间，uAK0，这时ug0,而，所以，晶闸管又导通；,（5）当 t=t4 时，ug=0，但uAK0，即晶闸管仍处于导通状态；,（6）当 t=t5 时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,15,6,（1）当Ug=0时，正反向均不导通,（2）当Ug=Eg时，正向导通，反向不通,（3）当
5、导通后：Ug变为0时，VS继续导通，直到Id维持电流IH时VS关断,7,综上所述可得出以下结论：,（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；,（2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；,（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。,（1）UAK0（正向电压加在阳极阴极之间）,（2）UGK触发电压（IG 触发电流）有触发信号,（3）导通后IG（UG）可消失,晶闸管导通的条件：,晶闸管关断的条件：
6、,当Id维持电流IH后关断,8,三、晶闸管的伏安特性,晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。,9,正向(uAK 0),正向阻断状态:当ug=0，uAK UDSM，元件中有很小的电流（正向漏电流）流过，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。,正向击穿：当ug=0，uAK=UDSM，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状 态。UDSM称为断态不重复峰值电压，或用UBO表示称正向转折电压。,正向导通状态：ug0，uAK 0，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。,反向(uAK 0),反向截止状态:当 uAK URSM，元件中有很小的反向电流（
7、反向漏电流）流过，处于截止状态。,反向击穿：当 uAK=URSM，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状 态。URSM称为反向不重复峰值电压，或用UBR表示称反向击穿电压。,13,10,四、晶闸管的主要参数,为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。,1.断态重复峰值电压UDRM,晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压。,UDRM=UDSM-100,在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：晶闸管的UDRM 应等于所承受的正向电压的（23）倍。,2.反向重复峰值电压URRM,晶闸管反
8、向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压。,URRM=URSM-100,11,3.额定通态平均电流（额定电流）IT,在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。,4.维持电流 IH,在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA一百多mA,波形系数,12,常规快速 晶闸管,高频 晶闸管,包括所有为快速应用而设计的晶闸管,与普通晶闸管相比,快速 晶闸管关断时间为数十微秒,高频 晶闸管关断时间为10s左右电压和电流定额不易做高,应用于4
9、00Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中,1.快速晶闸管,其他电力半导体器件,13,2.双向晶闸管,是一对反并联结的普通晶闸管的集成。有两个主电极MT1和MT2，一个门极G。门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。,14,3.逆导晶闸管,是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。,与普通晶闸管相比,正向压降小关断时间短高温特性好,额定电流,晶闸管电流反并联的二极管的电流,图 1-11 双向晶闸管a)电气图形符号 b)伏安特性,a),b),15,1.G极可控制元件导通与关断（不同极性脉
10、冲信号）2.触发电流(20mA)比普通晶闸管大(30uA）3.动态特性好（关断1us）而晶闸管需（5-30us）4.应用直流调压和开关电路。,4.门极可关断晶闸管,16,5.功率晶体管,耐高电压、大电流的晶体管,与普通的晶体管基本原理是一样的。主要特性是耐压高、电流大、开关特性好。通常采用至少由两个晶体管按达林顿接法组成的单元结构。采用集成电路工艺将许多这种单元并联而成。,17,10.2 单相可控整流电路,整流将交流电变为直流电的过程；,整流电路将交流电变为直流电的电路；,10.2.1 单相半波可控整流电路,u2输入电压；,ud输出电压；,控制角；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点
11、之间的电角度。,导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。,对单相半波可控整流电路：,一、带电阻性负载的可控整流电路,自然换相点晶闸管元件承受正向电压起始点,18,输入电压：,输出电压：,负载电流：,晶闸管承受的最大正反向电压：,移相范围：,19,二、带电感性负载的可控整流电路,电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能突变。,16,20,三、续流二极管的作用,为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取负载两端并联一只二极管措施，如图所示。,21,若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有,移相范围:,180,15,22,单相半波可控整流电路的特点：简单，但输出
12、脉动大，变压器二次侧电流中含直流分量，造成变压器铁芯直流磁化。分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特点，建立起整流电路的基本概念。,23,10.2.2 单相半控桥式整流电路,晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。,(a)单相半控桥式整流电路,1.电阻性负载,负载电压：,负载电流：,晶闸管承受的最大正反向电压：,(b)电阻性负载时的电压电流波形,移相范围：,24,2.电感性负载,如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。,有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。,流过每只晶闸管平均电流：,流过续流二极管的平
13、均电流：,25,续流二极管的作用 若无续流二极管，则当a 突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零，其平均值保持恒定，称为失控。有续流二极管V3时，续流过程由V3完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。,26,如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。,这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过V1和V2形成续流，确保VS1或VS2可靠关断，这样也就不会出现失控现象。,流过每只晶闸管平均电流：
14、,流过续流二极管的平均电流：,27,为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。,流过每只晶闸管平均电流：,流过续流二极管的平均电流：,单相桥式半控电路：,负载电压：,28,3.反电势负载,当整流电路输出接反电势负载时,只有当电源电源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。,负载电流,14,29,带电感负载,30,10.2.3 单相全控桥式整流电路,单相全控桥式整流电路如图所示。把半
15、控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。,31,输出电压：,负载电流：,晶闸管承受的最大正反向电压：,移相范围：,32,例10.1 欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压U0=0V180V,电流I0=010A。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。,解:设在晶闸管导通角为(控制角为0)时输出电压值为最大（180V），则对应的输入交流电压有效值为最大。,实际上还要考虑电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了1800，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大10%左右，即大约为220V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到2
16、20V的交流电源上。,交流电流有效值：,33,晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压相等，即：,流过晶闸管和二极管的平均电流：,选择晶闸管和二极管元件：,选择晶闸管：,选择二极管：,10A、600V,10A、300V,34,电路的特点：变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。,1.电阻负载,10.3 三相可控整流电路,10.3.1 三相半波可控整流电路,触发相序：,触发脉冲的间隔：,1200,35,图10.21 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时
17、的波形,自然换相点：假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。一周期中 在 1 2 期间，VD1导通，ud=ua 在 2 3 期间，VD2导通，ud=ub 在 3 1 期间，VD3导通，ud=uc,二极管换相时刻为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角a的起点，即a=0。,36,图10.21 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及a=0时的波形,a=0时的工作原理分析：晶闸管VS1的电流波形如图，变压器二次绕组电流有直流分量。晶闸管的电压波形，由3段组成：第1段，VS1导通期间，为一管压降，可近似为uVS1=0 第2段，
18、在VS1关断后，VS2导通期间，uVS1=ua-ub=uab，为一段线电压。第3段，在VS3导通期间，uVS1=ua-uc=uac 为另一段线电压。,37,三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30 时的波形,a=30时的波形：,负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电120,38,a 30的情况：,三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60 时的波形,负载电流断续，晶闸管导通角小于120。,39,整流电压平均值的计算：（1）a 30时，负载电流连续,当a=0时，Ud最大，为 Ud=Ud0=1.17U2,40,（2）a 30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,41,负载电流平均值
19、为,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即,42,图10.24 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形,特点：阻感负载，L值很大，id波形基本平直。a 30时整流电压波形与电阻负载时相同a 30时u2过零时，VS1不关断，直到VS2 的脉冲到来，才换流，由VS2导通向负载供电，同时向VS1施加反压使其关断ud波形中出现负的部分。id波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将id近似为一条水平线。,2.阻感负载,阻感负载时的移相范围为90,43,44,三相半波可控整流电路带电感性负载时，也可加接续
20、流二极管，其电路如图,有了续流二极管，整流输出电压波形、电压平均值与控制角的关系和纯电阻负载时一样，负载电流波形则与电感性负载时一样，当电感很大时电流波形将接近于一条平等于横轴的直线。,45,10.3 三相可控整流电路,10.3.2 三相桥式全控整流电路,三相桥式全控负载平均电压Ud=Ud阴+Ud阳,46,10.3.2 三相桥式全控整流电路,共阴Vs1,Vs3,Vs5,共阳Vs2,Vs4,Vs6,47,48,10.4 逆变器,利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。,变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交
21、流电供给负载。,有源逆变,逆变,无源逆变,变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去,49,有源逆变电路1.整流状态(0/2),50,有源逆变器2.逆变状态(/2),15,51,一、无源逆变电路的工作原理,无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。,1.无源逆变器的简单工作原理,52,2.单相晶闸管桥式逆变器,二、单相无源逆变器的电压控制,1.控制逆变器的输入直流电压,2.在逆变器内部的电压控制,（1）脉宽控制,不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称脉宽控制。,5
22、3,若使延迟角从0变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。,脉宽控制,54,（2）脉冲宽度调制（PWM）,如果使VS1与VS4，VS2与VS3通过高频调制控制，能在半个周期内重复导通和关断N次，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲（称载波），如图所示（这时N=5）。,55,三、无源逆变器的换相（换流）,两组晶闸管交替地导通和关断的过程，就是电流转换的过程，简称换流。,但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。,56,负载是由电感L和补偿电容C组成的并联谐振回路，Ld为限流电抗器。,换流过程如下：,57,换流
23、过程,58,10.5 晶闸管的触发电路,向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。,（1）单结晶体管触发电路,（2）小容量晶闸管触发电路,（3）晶体管触发电路,10.5.1 晶闸管对触发电路的要求,实质：晶闸管的可靠触发,（1）触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下，如图所示；,（2）触发脉冲的宽度必须在10微秒以上，如果负载是大电感，电流 上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。,（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个1V2V的负偏压；,（4）触发脉冲的前沿要
24、陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。,59,（5）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围要足够宽。,10.5.2 单结晶体管触发电路,一、单结晶体管,单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。,60,如果两个基极间加入一定电压Ubb（b1 接负、b2 接正），则A 点电压为,1.工作特性,2.工作特点,发射极电压大于UP时，单结晶体管导通；导通后，发射极电压必须小于谷点电压 UV时，单结晶体管才截止。,UP峰值电压,UV谷点电压,负阻区,61,二、单结晶体管的自振荡电路
25、,利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路。,要使单结晶体管振荡电路产生振荡，充电电阻R 必须满足以下两点：,(1)当发射极电压等于峰点电压时，为确保单结晶体管由截止转为导通，实际通过充电电阻R 流入单结晶体管的电流必须大于峰点电流，即,62,(2)当发射极电压等于谷点电压时，为确保单结晶体管导通后能恢复截止，实际通过R流入单结晶体管的电流 必须小于谷点电流，即,充电电阻R 的阻值既不能太大，也不能太小，否则都会停止振荡。由上两式可得出R 的范围为,电阻两端输出尖峰脉冲电压的振荡周期T，主要由电容C 的充电时间常数(RC)所决定，近似等于电容器两端的电压由零充电到峰点电压所需的时间,63,三、单结晶体管触发电路,E的大小对触发脉冲的影响：相位 周期,R、C的大小对触发脉冲的影响：宽度,64,晶闸管的触发电路是晶闸管装置中的一个重要单元，以往的触发电路都是由分立元件组装而成，电路的形式各种各样。随着晶闸管的广泛应用和晶闸管控制技术的发展，触发电路已获得了重大的改进，我国已经生产出KC 等系列单片集成晶闸管触发电路。KC 系列单片集成晶闸管触发电路，适用于晶闸管-电动机的控制整流供电装置、交流无触点开关以及交流调压、调速等领域。可满足各种晶闸管在不同应用领域中对触发电路的要求。,晶闸管的集成触发电路,16,
