《机电传动控制10-晶闸管.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机电传动控制10-晶闸管.ppt（72页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,第十章 电力电子学-晶闸管及其基本电路,晶闸管的基本工作原理基本整流电路及其工作原理基本逆变电路及其工作原理触发电路的基本工作原理,2,别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于60年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。,特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,晶闸管（Thyristor）,优点：功率放大倍数大：用很小的触发脉冲就可以控制很大的功率（电流：几十A-几千A,电压几百V几千V），功率放大倍数达几十万倍。控制灵敏：导通和关断时间很短（微秒级）。效率高
2、：晶闸管的管压降很小，所以发热损耗小，效率达97.5%。体积小，重量轻。,3,缺点：过载能力差。抗干扰能力差（就是因为放大倍数大引起的）。容易导致电网电压波形畸变。控制电路复杂。,应用领域：,整流（交流 直流）,逆变（直流 交流）,变频（交流 交流）,斩波（直流 直流）,此外还可作无触点开关等。,4,10.1 电力半导体器件,10.1.1 晶闸管,晶闸管的外形:螺栓形和平板形两种,螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极K，细线是控制极(又称门极)G，这种结构更换元件很方便，用于电流较小(100A以下)的元件。,平板形，中间的金属环是控制极G，离控制极远的一面是阳
3、极A，近的一面是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于电流较大的元件(200A以上),5,晶闸管的内部结构,6,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,晶闸管的结构是由四层半导体材料叠成三个PN结，并在对应的半导体材料上引出了三个电极。这三个电极分别称为：A阳极，G控制极，K阴极。,7,晶闸管试验,0-t1:开关未合上，控制极对阴极的电压为0，尽管阳极对阴极的电压为正，晶闸管未导通.,t2-t3:阳极对阴极的电压为负，尽管控制极对阴极的电压也为正，晶闸管关断,t4-t5:由于这时晶闸管处于导通状态，则维持导通；当t=t5时，由于，晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,t3-t4
4、:晶闸管的阳极对阴极又开始承受正向电压，这时，控制极对阴极有正电压，所以，晶闸管又导通，电源电压再次加于上,t1-t2:阳极对阴极的电压为正，由于开关合上，使得控制极对阴极的电压也为正，即晶闸管导通，晶闸管压降很小，电源电压加于电阻上,8,工作原理,示意图,9,ig,ig,由二个三极管组成的等效电路,10,G,1.若只加UAK正向电压，控制极不加触发电压，两三极管均不能导通，即晶闸管不通。,导通过程,K,A,T1,T2,11,3.晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；,4.晶闸管截止的条件：,12,晶闸管特性,（1）若控制极不加正向电压，则不论阳极加正向电压还是反向电
5、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才能使晶闸管导通，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）。（4）晶闸管导通后，两只三极管饱和导通，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。晶闸管的PN结可通过几十安几千安的电流。晶闸管触发导通的时间为几微秒。,13,晶闸管的伏安特性,（1）正向阻断状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，而晶闸管控制极开路（Ig=0）情况下，开始元件中有很小的电流（称为正
6、向漏电流）流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。图中第一象限红色段曲线。,（2）正向击穿：在控制极开路的情况下，当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压（UDSM），或称正向转折电压（UBO）。导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻（使用时由负载）决定。图中第一象限绿色段曲线。,14,晶闸管的伏安特性,(5)反向击穿：当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压（URSM），或称反向转折（击穿）电压（URR）。图中第三象限绿色段曲线。
7、,（3）正向导通状态：晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压，晶闸管控制极加上正向电压的情况下，晶闸管导通，阳极电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。图中第一象限蓝色段曲线。,（4）反向截止状态：在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。图中第三象限黄色段曲线。,15,晶闸管的主要参数,1.断态重复峰值电压,在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，其数值规定比实测正向转折电压小100V。,16,晶闸管的主要参数,2）反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，此电压数值
8、规定比实测反向击穿电压小100V。,17,晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流）IT在环境温度不大于40度和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）的平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。即：,通常，在晶闸管型号中标示了这个参数。我们所说的多少安的晶闸管，就是指这个。,18,晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流）IT,19,晶闸管的主要参数,3.额定通态平均电流（额定正向平均电流）IT,20,晶闸管的主要参数,21,晶闸管的型号及其含义,3 C T/,3极,N型硅材料,晶闸管,断态重复峰值电压,额定通态平
9、均电流,22,晶闸管好坏的判断方法,23,其它功率器件,1.双向晶闸管NPNPN,特点：控制极对于电源的两个半周都有触发控制作用，即双方向均可由控制极触发导通，相当于两只普通的晶闸管反并联,24,2.可关断晶闸管（GTO）PNPN,特点：1.GTO的控制极可以控制元件的导通和关断（通过改变控制极性），而晶闸管只能控制元件的导通，但GTO控制电流比晶闸管大。2.GTO的动态特性较晶闸管好：两者导通时间相差不多但断开时间：GTO:1us 晶闸管:(5-30)us,25,3.功率晶体管,特点：功率晶体管可在高电压和强电流下使用，最大定额为：1400V和400A。但不能达到晶闸管那样高的电压和电流额定
10、值。,4.大功率二极管,加正向电压，导通；加反向电压，截止。,26,10.2 单相可控硅整流电路,27,单相半波可控硅整流电路,1.电阻负载,为导通角：晶闸管在一个周期时间内导通的电角度范围：,0,为控制角：晶闸管从承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度范围：0,+=,28,晶闸管承受的最高正向和反向电压:,29,输出电压及电流的平均值,30,2.电感性负载,电感具有阻碍电流变化的作用,31,当电源电压下降以及过零变负时，电感产生的自感电势eL阻碍电流减小。只要eL大于电源的负电压，负载上电流将继续流通，晶闸管继续导通，这时，电感中储存的能量放出来，一部分消耗在电阻上，一部分回送到电
11、源去，因此，负载上电压瞬时值出现负值。,当电流上升时，电感两端的自感电势eL阻碍电流的上升，所以，晶闸管触发导通时，电流要从零逐渐上升。电感储存能量。,到某一时刻，当流过晶闸管的电流小于维持电流时，晶闸管关断，并且立即承受反向电压。,32,加续流二极管D，用于消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零后关断。,输出电压ud与的关系也与电阻性负载一样。,负载电流的波形与电阻性负载时有很大不同：在晶闸管导通期间负载电流id由电源提供，而当晶闸管关断时，则由电感通过续流二极管来提供。,33,10.2.2 单相桥式可控硅整流电路,VS1和VS2是晶闸管，V1和V2是不可控的二极管,1.单相半控整流桥-电阻
12、性负载,U2 在正半周时的电流：VS1-R-V2,U2 在负半周时的电流：VS2-R-V1,34,输出电压及电流的平均值,元件承受的最高正反向电压为电源电压的最大值:,工作波形,35,2.单相半控整流桥-电感性负载,V1、V2形成续流,VS1、VS2阴极没有公共点，因此，如果用一套触发电路时，必须采用具有两个线圈的脉冲变压器供电,36,四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；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。本电路带电阻性负载时，其输出电压平均值的计算公式与半控桥一样；带电感性负载时，为了避免晶闸管失控，必须在负载两端并接续流二极管，否则，电感性
13、电流会在电源电压为零时维持晶闸管导通，而使晶闸管无法关断，造成失控。,37,3.单相半控整流桥-反电势负载,晶闸管截止时，负载上的电压等于反电动势反电势负载上的平均电压可能高于纯电阻负载平均输出电流:Id=(Ud-E)/R电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用,电源电压高于反电势，有触发脉冲，晶闸管才导通,38,4.单相半控整流桥-反电势+电抗负载,串联电抗器，用以平滑电流的脉动,39,5.单相全控整流桥,电阻性负载和半控整流相同，控制角范围为：0,电感性负载时，如果有续流二接管也和半控整流一样无续流二极管时，可以逆变，即电压为负。,主要用于需要正反转
14、的逆变电路中；一般采用半控桥电路。,40,例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求输出电压平均值Ud的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压。,=191/3=64A,承受的最高反向电压:,41,如图所示，R=5欧，电源电压U2=220V,晶闸管控制角为60度，试求：1）输出直流电压和负载电流2）晶闸管和二极管V1、V2的导通角、电流平均值和有效值、V3的导通角？3）晶闸管的最大正反向电压,解：1）输出直流电压,2）负载电流Id=Ud/R30A,晶闸管与二极管V1、V2导通角=180-=120,续流二极管V3导通角V3=2
15、-2=360-240=120,晶闸管与二极管V1、V2电流平均值IdVS=(/2)*Id=10A,晶闸管与二极管V1、V2电流有效值,3）晶闸管的最大正反向电压为,42,10.3 三相可控整流电路,三相半波可控整流电路,1.电阻性负载,整流变压器副边接成星形，有个公共零点“0”，所以也叫三相零式电路,UA、UB、UC分别表示三相对“0”点的相电压，有效值为U2P,触发顺序：VS1、VS2、VS3,触发脉冲的间隔为2/3（120度）,晶闸管承受的最大正 向电压为:相电压最大值,晶闸管承受的最大反向电压为：线电压最大值,43,一只白炽灯调光电路，需可调的直流电源，电压U0=0V180V,电流I0=
16、0A10A.先采用单向半控桥式整流电路，试求最大交流电压和电流有效值，并选晶闸管器件。解：设控制角0，U=U0/0.9=180/0.9=200VI=U/R=220/180/10=12.2AUfm=Urm=1.41x220=310VIvs=Iv=0.5Io=10 x0.5=5A所以：Udrm=Urrm2Ufm=2x310=620V可选3CT10/600,44,三相半波可控整流电路-电阻性负载,=0的情况,45,三相半波可控整流电路-电阻性负载,0=/6的情况,46,三相半波可控整流电路-电阻性负载,/6=5/6的情况,结论：三相半波可控整流电路带电阻性负载范围：0,5/6,47,三相半波可控整流
17、电路,2.电感性负载,48,三相半波可控整流电路,2.电感性负载,结论：三相半波可控整流电路带电感性负载，范围：0,/2,49,三相半波可控整流电路,由于续流二极管的作用，负载上的电压波形同电阻性负载，电流波形同电感性负载导通角同电阻性负载,三相半波可控整流电路优缺点比较容易实现220V直流只需三只晶闸管晶闸管承受反向电压高变压器每相绕组只有1/3时间通电，利用效率低变压器通过单方向电流，产生直流磁势，造成铁芯饱和，附加损耗和发热,电感性负载,有续流二极管,50,共阴、共阳串联的三相桥式整流电路,作共阳极组整流电路,51,三相桥式全控整流电路,52,各种整流方式比较,53,10.4 逆变器,整
18、流：把交流电变成直流电逆变：把直流电变成交流电变流器：一套装置可以实现整流和逆变双向过程，叫变流器有源逆变：变流器的交流侧接到电源，把直流电变成同频率的交流电反馈到电网中。无源逆变：交流侧接负载，把直流电变成频率可变的交流电驱动负载。,54,10.4.1 有源逆变电路,1.整流状态(0/2),常用的变流器，一边连着交流源，另一边连着直流源。整流：电能由交流侧传送到直流侧；逆变：电能由直流侧传送到交流侧。,55,交流电源输出能量：整流状态,56,2.逆变状态(/2),57,交流电源吸收能量：逆变状态,58,结论：整流和逆变，交流和直流，在晶闸管变流器中互相联系着，并在一定的条件下互相转化。当变流
19、器工作在整流状态，就是整流电路；当变流器工作在逆变状态，就是逆变电路。,59,10.4.2 无源逆变电路,基本原理,S1、S4闭合，S2、S3断开,S2、S3 闭合，S1、S4断开,交流电的频率取决于两组开关每秒内闭合与断开的次数要得到高频率交流电，用触点开关是不能实现的。,60,单相晶闸管桥式逆变器,VS2、VS3通VS1、VS4断,VS1、VS4通VS2、VS3断,二极管的作用：1、将无功能量反馈回电网2、续流保护和限压作用,61,单相无源逆变器的电压控制,通过控制输入直流电压（外部）,通过控制脉冲宽度,缺点：谐波分量大,62,脉冲宽度调制（PWM）,VS1、VS4与VS2、VS3通过高频
20、调制控制,可以实现频率和电压协调控制；谐波分量没有得到抑制,改进措施：使半个周期内多个脉宽以接近正弦规律变化,大大减小高次谐波成分,63,无源逆变器的换相（换流）,在t1时刻，VS1、VS4已导通，ua为正，触发VS2、VS3由于VS2、VS3导通，a点的电势为b点的电势加ua高于M点，所以VS1截止。,所以必须保证Ua为正时从VS1/VS4切换到VS2/VS3,Ua为负时从VS2/VS3切换到VS1/VS4，要求开关频率和LC振荡器频率同步。,64,10.5 闸管触发电路,提供足够大的触发电压和电流，4-10V,要求：,足够的触发脉冲宽度（10us以上）,不触发时，电压要足够低,触发脉冲的前
21、沿要低,触发脉冲要和主电路同步,65,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，其中一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。它的外形与普通三相管相似，但特性与晶体三极管不同，其结构如图。,：分压比（与管子结构有关(0.3-0.9)）,66,单结晶体管工作原理,2.当ue UA+UD=UP 时PN结反偏，ie很小；,3.当 ue UP 时PN结正向导通,Rb1减小，ie迅速增加，ue减小,1.当ue UA时，PN结反偏，Rb2呈高阻,4.当 ue 下降到V点 时Rb1不再变化，ue不再下降，随ie按线性增加。,单结晶体管处于截止区,单结晶体管处于截止区,单结晶体管处于负阻区,
22、单结晶体管处于饱和区,67,单结晶体管的自振荡电路,在接通电源前，电容C上的电压为零。合上电源开关S时：电源E 一方面通过R1和R2加于单结晶体管的b1和b2上，电源E又通过充电电阻R向电容C充电，电压便按指数曲线逐渐升高。UC在较小时，发射极电流极小，单结晶体管的发射极e和第一基极之间处于截止状态；,68,单结晶体管的自振荡电路,UC充电到单结晶体管的峰点电压时，e和b1间由截止变为导通，电容C通过发射极e与第一基极迅速向电阻放电;由于R1阻值较小，而导通后e与b1之间的电阻更小，因此，电容C的放电速度很快，于是在R1上得到一个尖峰脉冲输出电压。由于R的阻值较大，当电容上的电压降到谷点电压时
23、，经R供给的电流便小于谷点电流，不能满足导通的要求，于是e与b1之间电阻迅速增大，单结晶体管便恢复截止。此后电源E又对电容C充电，这样电容C反复进行充电放电，结果在电容C上形成锯齿波电压，在R1上则形成脉冲电压，,69,振荡电路参数,1.Uc=Up 时，为保证晶体管导通，通过R流入晶体管的电流必须大于峰点电流Ip,2.Uc=Uv 时，为保证晶体管截止，通过R流入晶体管的电流必须小于谷点电流Iv,R必须满足,Uo的振荡周期主要决定于C的充电时间常数RC,Uo的脉冲宽度主要决定于C的放电时间常数R1C,70,单结晶体管触发电路,实际应用的晶闸管触发电路，要求在晶闸管承受正向电压的半周内，控制极获得
24、第一个正向触发脉冲的时刻()都相同。在电源电压正半周经过零点时，触发电路的电容C 必须把电全部放掉，在下一个正半周再重新从零开始充电，,前面的单结晶体管振荡电路，不能直接用来作晶闸管的触发电路，因为，晶闸管的主电路是接在交流电源上的，二者不能同步。,71,电源Us供电给单结晶体管触发电路，则每当电源电压过零时，b1b2之间电压也降到零。eb1之间导通，电容C上的电压通过eb1及R1回路很快地放掉，使电容每次均能从零开始充电，从而获得与主电路的同步。触发电路每周期工作两个循环，每次发出的第一个脉冲同时送到两只晶闸管的控制极，但只能使其中承受正向电压的晶闸管导通。,72,第一个脉冲发出后，振荡电路仍在工作，电容继续充电和放电，可能发出第二个或第三个或更多的脉冲，但由于晶闸管已因第一个脉冲触发而导通，所以，后面的脉冲就不起作用了。当电压过零反向时，晶闸管将自行关断。移相控制时只要改变R，就可以改变电容电压上升到峰值电压的时间，亦即改变电容开始放电产生脉冲使晶闸管触发导通的时刻，从而达到移相的目的。,
