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1、第 8 章 电力电子器件及其应用,太原理工大学电工基础教学部,第8章 电力电子器件及其应用,8.1 晶闸管,8.2 可控硅整流电路,8.3 单结晶闸管触发电路,8.4 晶闸管的保护,本章要求:,1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特 性和主要参数。2.理解可控整流电路的工作原理、掌握电 压平均值与控制角的关系。3.了解单结晶体管及其触发电路的工作原 理。,第8章 电力电子器件及其应用,晶闸管（Thyristor）可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也
2、像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,8.1 晶闸管,8.1.1 基本结构及工作原理,G,1.基本结构和符号,外形,结构,常用晶闸管的图片,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,2.晶闸管导通实验,(c)去掉控制极正向电压，灯泡亮。,(d)阳极加反向电压，灯泡熄灭。,(a)控制极不加电压，灯泡不亮。,(b)控制极加正向电压，灯泡亮。,晶闸管导通的条件：,晶闸管阳极与阴极之间加正向电压（UAK0）。同时 晶闸管控制
3、极与阴极之间加正向触发电压或正向触发脉冲。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,晶闸管阳极电流小于维持电流（IAIH），或将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压（UAK0）。,3.晶闸管导通和关断条件,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,4.工作原理,工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。,工作原理,G,EA 0、EG 0,K,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,
4、反向转折电压,正向平均电流,维持电流,8.1.2 伏安特性及主要参数,1.伏安特性,2.主要参数,(1)正向平均电流 IF：环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,如果正弦半波电流的最大值为Im,则,普通晶闸管IF为1A 1000A。,(3)通态平均电压（管压降）UF:在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右。,(2)维持电流 IH:在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。一般IH为几十 一百多毫安。,(4)正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）UFRM:控制极开路且正向阻断情
5、况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM=80%UB0。普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V,(5)反向重复峰值电压URRM：控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。一般取 URRM=80%UBR 普通晶闸管 URRM为100V3000V,(6)控制极触发电压和电流UG、IG：室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,(7)浪涌电流IFSM：在规定时间内，晶闸管中允许通过的最大过载电流。,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别共九级,用字母AI表示0.41.2V,额定
6、电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP200-18F 表示额定正向平均电流为200A，额定电压为1800V，管压降为0.9V的普通晶闸管。,8.2 可控整流电路,8.2.1 单相半波可控整流 1.电阻性负载,(1)电路分析,u 0 时：若ug=0，晶闸管不导通，,u 0 时:晶闸管承受反向电压不导通,uo=0,uT=u，故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导 通，,(2)工作原理,t1,u 0 时:可控硅承受反向电压不导通,即：晶闸管反向阻断,加触发信号，晶闸管承受正向电压导通,u 0时:,O,接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、
7、电流波形,控制角,t1,O,t2,2,导通角,(3)工作波形,(4)整流输出电压及电流的平均值,由公式可知：,改变控制角，可改变输出电压Uo。,2.电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。,在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。,O,t1,t2,2,（2）工作波形（未加续流二极管）,u 0时：D反向截止，不影响整流电路工作。,（3）电感性负载(加续流二极管),+,工作波形(加续流二极管),iL,2,8.2.2 单相半控桥
8、式整流电路,1.电路,2.工作原理,T1和D2承受正向电压。T1控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,T2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3.工作波形,2,4.输出电压及电流的平均值,两种常用可控整流电路,电路特点,该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。,2.晶闸管和负载上的电流相同。,(1),电路特点,1.该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起 续流二极管作用。,(2),2.由于T1的阳极和T2
9、的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。,8.3 单结晶体管触发电路,8.3.1 单结晶体管,PN结,N型硅片,示意图,1.结构与符号,2.工作原理,UE UBB+UD=UP 时,PN结反偏，IE很小；,PN结正向导通,IE迅速增加。,分压比(0.5 0.9),测量单结晶体管的实验电路,由图可求得,3.伏安特性,Ip,IV,负阻区：UEUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE 反而下降，出现负阻。,1.UE UP时单结管截止；,UE UP时单结管导通，UE UV时恢复截止。,单结晶体管的特点,2.单结晶体管的峰点电压UP与 外加固定电压UBB及分压比 有关，外加电压UBB或分压比不同
10、，则峰点电 压UP不同。,3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都 不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用 稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。,8.3.2 单结晶体管振荡电路,1.振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路利用单结管的负阻特性及RC电路的充放电特性组成频率可调的振荡电路。,2.振荡过程分析,设通电前uC=0。,接通电源U,电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。,当uC UP时,单结管导通,电容C放电,R1上得到一脉冲电压。,电容放电至 uC Uv时，单结管重新关断，使ug0。,(a),(b),注意：R值不能选的太小，否
11、则单结管不能关断，电路亦不能振荡。,(c)电压波形,8.3.3 单结管同步触发电路,1.电路,2.工作原理,(1)整流削波,削波,整流,(2)触发电路,t,(3)输出电压uL,O,O,问 题 讨 论,1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发 电路为什么接在同一个变压器上？,目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即角一样)以使输出平均电压不变。,2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？,稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管
12、产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。,3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？如何改变控制角？,根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。,改变充电时间常数即可改变控制角。控制角变化的范围称为移相范围。,4.电压的调节,单结晶体管触发电路,输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管D1,可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。,使用脉冲
13、变压器的触发电器,8.4 晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,8.4.1 晶闸管的过流保护,1.快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,2.过流继电器保护,3.过流截止保护,在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,2.硒堆保护,8.4.2 晶闸管的过压保护,1.阻容保护,利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。,硒堆保护(硒整流片),晶闸管元件的阻容保护,第 8 章结束,
