第11章 電力電子技術(shù)

第11章電力電子技術(shù)

內(nèi)容提要

電力電子技術(shù)是電子技術(shù)中一個很主要的環(huán)節(jié)，本章主要介紹：整流、濾波、穩(wěn)壓電路；普通晶閘管的工作原理、特性參數(shù)及一些簡單的應(yīng)用電路；晶閘管及其可控整流電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路；晶閘管交流調(diào)壓電路；晶閘管逆變器。返回11.1直流電源11.2晶閘管及其應(yīng)用11.3交流調(diào)壓電路11.4晶閘管逆變器11.5晶閘管的保護11.1直流電源直流電源一般由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路等四部分組成，其框圖如圖11.1所示，各部分作用介紹如下。電源變壓器的作用是為用電設(shè)備提供所需的交流電壓；整流電路和濾波電路的作用是把交流電變換成平滑的直流電；穩(wěn)壓電路的作用是克服電網(wǎng)電壓、負(fù)載及溫度變化所引起的輸出電壓的變化，提高輸出電壓的穩(wěn)定性。圖11.1直流電源組成方框圖

11.1.1整流電路整流就是利用二極管的單向?qū)щ娦园呀涣麟娮儞Q成直流電。單相整流電路可分為半波、全波、橋式等類型。下面介紹半波和橋式整流電路。

11.1.1.1單相半波整流電路

單相半波整流電路如圖11.2所示。它由整流變壓器Tr，整流元件二極管VD及負(fù)載電阻RL組成。變壓器將電網(wǎng)交流電壓變換成整流電路所需的交流電壓，設(shè)整流變壓器的副邊電壓為為討論方便，可認(rèn)為變壓器和二極管是理想器件，即變壓器的輸出電壓穩(wěn)定，二極管的正向?qū)▔航悼珊雎圆挥?。圖11.2單相半波整流電路1．電路組成及工作原理

由于二極管VD的單向?qū)щ娦?，在u2的正半周，其極性是上正下負(fù)，即a點的電位高于b點，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通。這時負(fù)載電阻RL上通過的電流為io，兩端的電壓為uo。在u2的負(fù)半周，其極性是上負(fù)下正，即a點的電位低于b點，二極管因承受反向電壓而截止。負(fù)載電阻RL上沒有電壓。因此在負(fù)載電阻RL上得到的是半波整流電壓uo。負(fù)載電阻RL及二極管VD對應(yīng)于變壓器副邊電壓的波形如圖11.3所示。圖11.3單相半波整流電路電壓、電流的波形

2．負(fù)載上直流電壓和直流電流的計算直流電壓是指一個周期內(nèi)脈動電壓的平均值。半波整流電路輸出電壓的平均值Uo為：流過負(fù)載和二極管的平均電流為：（11-2）（11-1）

3．二極管的選擇由圖11.3可知，流過整流二極管的平均電流Iv與流過負(fù)載的電流Io相等，故二極管的選擇應(yīng)滿足：（11-3）當(dāng)二極管截止時，它承受的反向峰值電壓URM是變壓器次級電壓的最大值，因此在選用二極管時應(yīng)保證：（11-4）半波整流電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，所用元件少，但輸出電壓脈動大，整流效率低，只適用于要求不高的場合。

11.1.1.2單相橋式整流電路1．電路組成及工作原理單相橋式整流電路有如圖11.4所示的幾種畫法，它由4個整流二極管構(gòu)成橋形，整流橋的接線規(guī)律是同極性端接負(fù)載，異極性端接電源。

圖11.4單相橋式整流電路下面以圖11.5為例來介紹單相橋式整流電路的工作原理，單相橋式整流電路由電源變壓器Tr，二極管VD1,VD2,VD3,VD4和負(fù)載電阻RL組成。設(shè)變壓器副邊電壓為圖11.5單相橋式整流電路的工作原理在u2的正半周，其極性是a端為正、b端為負(fù)，則整流元件VD1和VD3導(dǎo)通，VD2和VD4截止，電流就從變壓器副邊的a端出發(fā)，流經(jīng)負(fù)載RL而由b端返回。RL得到u2的正半周電壓，即：a→VD1→RL→VD3→b在u2的負(fù)半周，其極性是b端為正、a端為負(fù)，則整流元件VD2和VD4導(dǎo)通，VD1和VD3截止，電流就從變壓器副邊的b端出發(fā)，流經(jīng)負(fù)載RL而由a端返回。RL得到u2的負(fù)半周電壓，即：b→VD2→RL→VD4→a由此可見，當(dāng)電源電壓u2交變1周時，整流元件在正半周和負(fù)半周輪流導(dǎo)通。通過負(fù)載的電流和整流輸出電壓的波形如圖11.6所示。圖11.6單相橋式整流電路電壓、電流的波形

2．負(fù)載上直流電壓和直流電流的計算

與半波整流相比，橋式整流后輸出電壓的平均值是半波整流時的2倍，即（11-5）通過負(fù)載的電流平均值（11-6）

由于每個二極管只有半個周期導(dǎo)通，所以通過各個二極管的電流平均值為負(fù)載電流的一半，故二極管的選擇應(yīng)滿足：（11-7）當(dāng)二極管截止時，它所承受的最高反向工作電壓就是變壓器副邊電壓的最大值，因此在選用二極管時應(yīng)保證（11-8）

例11.1有一直流負(fù)載，要求電壓為Uo=36V，電流為Io=10A，交流電壓為220V，采用單相橋式整流電路。

試求：（1）選用所需的整流元件；（2）VD2因故損壞開路時的Uo和Io，并畫出波形；（3）若VD2短路，會出現(xiàn)什么情況。（4）求整流變壓器變比和（視在）功率容量。

解：（1）根據(jù)給定的條件Io=10A，整流元件所通過的電流為變壓器副邊電壓有效值整流元件所承受的最大反向工作電壓

因此選用的整流二極管，必須是額定整流電流大于5A、最高反向工作電壓大于56V的二極管?？蛇x用額定整流電流為10A、最高反向工作電壓為100V的2CZ10C型整流二極管。（2）當(dāng)VD2開路時，在u2正半周只有VD1和VD3導(dǎo)通，而u2負(fù)半周時VD4也因VD2開路而不通，故電路只有半個周期是導(dǎo)通的，相當(dāng)于半波整流電路。輸出電壓、電流均為橋式整流電路的一半，所以有Uo=0.45U2=0.45×40=18V而負(fù)載電阻

輸出uo和io波形如圖11.7所示。圖11.7例11.1的圖

（3）當(dāng)VD2短路時，在u2正半周電流的流向為a→VD1→VD2→b由于二極管的導(dǎo)通壓降只有0.7V，因此變壓器副邊相當(dāng)于短路，電流迅速增加，容易燒壞變壓器和二極管。（4）考慮到變壓器副邊繞組及管子上的壓降，變壓器副邊電壓大約要高出10%，即=401.1=44V則變壓器變比變壓器副邊電流為：I=Io1.1=101.1=11A乘1.1倍主要是考慮變壓器損耗。故整流變壓器（視在）功率容量為：S=I=4411=484VA整流元件的組合稱為整流堆，常見的有半橋2CQ型整流堆和全橋QL型整流堆，它們的內(nèi)部電路及外形見圖11.8所示。使用一個全橋整流堆或連接兩個半橋整流堆，就可以代替四只整流二極管與電源變壓器相連，組成橋式整流電路，既方便又可靠。選用時仍應(yīng)注意它們的額定工作電流值和允許的最高反向電壓值要符合整流電路的要求。圖11.8半橋和全橋整流堆

11.1.1.3三相橋式整流電路三相橋式整流電路如圖11.9（a）所示，它共有六個整流二極管，在三相電壓u2U、u2V、u2W的變化過程中，VD1、VD2、VD3中陽極接到電位最高一根端線的二極管導(dǎo)通，其余則處于反偏截止?fàn)顟B(tài)；VD4、VD5、VD6中陰極接到電位最低一根端線的二極管導(dǎo)通，其余反偏截止。這一瞬時的輸出電壓是導(dǎo)通的兩個二極管所接端線線電壓的瞬時值。從圖11.9（b）的波形圖中可以看到，輸出電壓為直流脈動電壓，但其波形十分接近平直。流過RL的電流總是從上向下同一方向的直流。圖11.9三相橋式整流電路經(jīng)推導(dǎo)可得（推導(dǎo)過程略）：（11-9）

（11-10）

（11-11）

（11-12）三相橋式整流電路用于大功率的整流設(shè)備，如電解、電鍍、電焊以及給直流電動機供電的整流電路。

11.1.2濾波電路整流電路雖然把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，但是所得到的輸出電壓是脈動的直流電，為了獲得平滑的直流電，需要在整流電路后加濾波器，以減小輸出電壓的脈動成分。下面介紹濾波電路。1．電容濾波電路電容濾波電路如圖11.10（a）所示，它是在整流電路輸出端與負(fù)載之間并聯(lián)了一個大容量的電容。其工作原理是利用了電容兩端的電壓在電路狀態(tài)改變時不能躍變的特性。設(shè)電容初始電壓為0，接通電源時，變壓器副邊電壓u2

由0開始上升，二極管VD1，VD3導(dǎo)通，電源向負(fù)載RL供電的同時，也向電容C充電，uo=uC=u2，達峰值后u2減小，當(dāng)uo≥u2時，二極管VD1,VD3提前截止，電容C通過RL放電，直到u2負(fù)半周uo=u2，此后電源通過VD2，VD4向負(fù)載RL供電，同時又給電容C充電，如此周而復(fù)始。圖11.10（b）所示為輸出電壓波形。圖11.10電容濾波電容濾波器的輸出電壓在工程上一般采用估算公式：Uo=1.2U2

（11-13）加入電容濾波后，二極管導(dǎo)通角小于，導(dǎo)通時間縮短了，流過二極管的瞬間電流很大，對整流二極管的整流電流選擇提高了，最好是原來的2倍。選管時，應(yīng)滿足（11-14）

加入濾波電容C是為了得到較好的濾波效果，單相橋式整流電路要求放電時間常數(shù)應(yīng)大于u2的周期T，一般選?。?1-14）在已知負(fù)載電阻RL的情況下，便可估算電容C，常選用容量為幾十微法以上的電解電容，電解電容有極性，接入電路時不能接反，電容的耐壓應(yīng)大于。

例11.2

有一單相橋式整流電容濾波電路。負(fù)載電阻RL=200，要求直流輸出電壓Uo=30V，試選擇合適的整流二極管及濾波電容器（交流電源頻率為50Hz）。

解：（1）選擇整流二極管。流過每個二極管電流的平均值為：根據(jù)式（11-13），取Uo

=

1.2U2，所以變壓器副邊電壓的有效值為：二極管所承受的最高反向電壓為：根據(jù)IV和URM的數(shù)值，可選用2CZ53B二極管，它的最大整流電流為300mA，最高反向工作電壓為50V。（2）選濾波電容器。根據(jù)式（11-15），取電容耐壓應(yīng)大于故可選用330F/50V的電解電容器。例11.3

在橋式整流電容濾波電路中，變壓器副邊電壓U2=20V，負(fù)載電阻RL=40，電容C=1000F，試問：（1）正常時Uo的值為多少？（2）如果測得Uo為下列數(shù)值，可能出了什么故障?①Uo=18V；②Uo=28V，③Uo=9V。

解：（1）正常時，Uo的值應(yīng)為：Uo=1.2U2=1.220=24V（2）Uo為下列數(shù)值時：①當(dāng)Uo=18V時，Uo=0.9U2，成為橋式整流不加電容濾波的情況，故可判定電容C開路。②當(dāng)Uo=28V時，Uo=1.4U2，屬于RL=∞時的情況，故可判定是負(fù)載電阻開路。③當(dāng)Uo=9V時，Uo=0.45U2，成為半波整流不加電容濾波的情況，故可判定是4只二極管中有1只開路，同時電容器C也開路。

2．電感濾波電路電感濾波電路如圖11.11所示，電感L起著阻止負(fù)載電流變化使之趨于平直的作用。在電路中，當(dāng)負(fù)載電流增加時，自感電動勢將阻礙電流增加，同時把一部分能量存儲于線圈的磁場中；當(dāng)電流減小時，反電動勢將阻止電流的減小，同時把存儲的能量釋放出來，從而使輸出電壓和電流的脈動減小，達到濾波的目的。從整流電路輸出的電壓中，其直流分量由于電感L近似于短路而全部加到負(fù)載RL的兩端，即Uo=0.9U2。交流分量由于電感L的感抗遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻從而大部分降落在電感上，負(fù)載RL上只有很小的交流電壓。這種電路一般只用于大電流、低電壓的場合。

圖11.11電感濾波電路

3．復(fù)式濾波電路復(fù)式濾波電路是將電容濾波與電感濾波組合，可進一步減少脈動，提高濾波效果。常用的有LC濾波器、型LC濾波器、型RC濾波器等。（1）LC濾波器。如圖11.12（a）所示的是LC濾波器，它經(jīng)電感濾波后，再接一級電容濾波。雙重濾波后輸出的電壓更加平直。（2）型濾波器。如圖11.12（b）所示的為型LC濾波器，它經(jīng)電容濾波后，再接一級LC濾波。由于電容C1，C2對交流的容抗很小，電感對交流的阻抗很大，因此負(fù)載上的電壓將會變得更加平滑。若負(fù)載RL上的電流較小時，也可用電阻R代替電感L，從而組成型RC濾波電路，如圖11.12（c）所示。圖11.12復(fù)式濾波電路

11.1.3穩(wěn)壓電路經(jīng)過整流和濾波后的電壓往往會隨交流電源電壓的波動和負(fù)載的變化而變化。而電壓的不穩(wěn)定有時會產(chǎn)生測量和計算的誤差，引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，因此需要穩(wěn)定的直流電源。常在整流濾波后加入穩(wěn)壓環(huán)節(jié)。

11.

13.1硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路如圖11.10所示的是硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路（注意：穩(wěn)壓管必須反接在電路中）。經(jīng)過橋式整流和電容濾波得到直流電壓Ui，再經(jīng)過限流電阻R和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成的穩(wěn)壓電路接到負(fù)載RL上，負(fù)載RL上得到的就是一個比較穩(wěn)定的電壓Uo

Uo=UZ

圖11.13硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路

1．工作原理引起輸出電壓不穩(wěn)的主要原因是交流電源電壓的波動和負(fù)載的變化。我們來分析在這兩種情況下穩(wěn)壓電路的作用。

（1）電源波動。若負(fù)載RL不變，當(dāng)交流電源電壓增加，即整流濾波后的電壓Ui增加時，輸出電壓Uo也有增加的趨勢，但輸出電壓Uo就是穩(wěn)壓管兩端的反向電壓UZ。當(dāng)負(fù)載電壓Uo稍有增加時（即UZ稍有增加），穩(wěn)壓管中的電流IZ將大大增加，使限流電阻R兩端的電壓降UR增加，以抵償Ui的增加，從而使負(fù)載電壓Uo保持近似不變。若交流電源電壓減少，則整個調(diào)節(jié)過程與之相反，因而當(dāng)電源電壓波動時，該電路具有穩(wěn)壓作用，即（2）負(fù)載變動。若電源電壓不變，即整流濾波后的輸出電壓Ui不變，此時若負(fù)載RL減小時，則引起負(fù)載電流Io增加，電阻R上的電流IR和其兩端的電壓UR均增加，則輸出電壓Uo

減小，Uo（UZ）的減小則使IZ下降較多，從而抵消了Io的增加，保持I=Io+IZ基本不變，也就保持了Uo基本恒定，即可見，硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路是利用穩(wěn)壓管在通過電流時，不管電流值怎樣變化，只要是在允許范圍內(nèi)，它兩端的電壓都保持不變的性質(zhì)來穩(wěn)定電壓的。

2．硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路參數(shù)的選擇（1）輸入電壓Ui的確定

Ui高，R大，穩(wěn)定性能好，但損耗大。一般取Ui=（2～3）Uo

（11-16）（2）硅穩(wěn)壓管的選擇可根據(jù)下列條件初選管子UZ=Uo

（11-17）Izmax≥（2～3）Iomax

（11-18）（3）限流電阻R的選擇當(dāng)輸入電壓Ui上升10%，且負(fù)載電流最?。碦L開路）時，流過穩(wěn)壓管的電流不超過穩(wěn)壓管的最大允許電流IZmax，即則當(dāng)輸入電壓Ui下降10%，且負(fù)載電流最大時，流過穩(wěn)壓管的電流不允許小于穩(wěn)壓管穩(wěn)定電流的最小值IZmin，即則所以限流電阻R的取值范圍為：

11.1.3.2串聯(lián)型穩(wěn)壓電路用硅穩(wěn)壓管組成的穩(wěn)壓電路具有體積小、電路簡單的優(yōu)點，但穩(wěn)壓值不能隨意調(diào)節(jié)，而且輸出電流很小。為了加大輸出電流，使輸出電壓可調(diào)節(jié)，通常采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

1.電路組成串聯(lián)型穩(wěn)壓電路通常由調(diào)整管、比較放大環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓源和取樣電路四部分組成，其方框圖如圖11.14所示。圖11.15所示為典型串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，VT1是調(diào)整管；VT2構(gòu)成比較放大器，R3既是VT2的集電極負(fù)載電阻，又作VTl的基極偏置電阻；VZ和R4組成基準(zhǔn)電壓源，Rl、RP和R2組成采樣分壓器，從輸出電壓Uo取出一部分作為反饋電壓，加到VT2的基極，電位器RP還可用來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖11.14串聯(lián)型穩(wěn)壓電路方框圖

圖11.15串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

用運放作比較放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖11.16所示，由于運放具有很高的電壓放大倍數(shù)，所以大大提高了控制的靈敏度，穩(wěn)壓效果更好。圖11.16用運放作比較放大器的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路

2.工作原理如果電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化使輸出電壓Uo有降低趨勢，通過取樣電阻的分壓使比較放大管VT2的基極電位UB2降低，與基準(zhǔn)電壓UZ進行比較放大，使放大器的輸出電壓UC2，即調(diào)整管基極電壓UB1升高，因電路采用射極輸出形式使UE1升高，故輸出電壓Uo必然隨之升高，從而使Uo得到穩(wěn)定。上述穩(wěn)壓過程表示如下：如果電網(wǎng)電壓波動或負(fù)載變化使輸出電壓Uo升高時，則調(diào)節(jié)過程剛好相反。由于電路穩(wěn)壓是通過控制串接在輸入電壓與負(fù)載之間的調(diào)整管實現(xiàn)的，故稱之為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。

3.輸出電壓計算圖11.15所示穩(wěn)壓電路中有一個電位器RP串接在Rl和R2之間，可以通過調(diào)節(jié)RP來改變輸出電壓Uo。設(shè)計這種電路時VT2的基極電流可忽略不計，則式中，UZ為穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值；UBE2為VT2發(fā)射結(jié)電壓；RP為圖11.15中電位器滑動觸點下半部分的電阻值（11-20）

例11.4

電路如圖11.17所示，已知Ui=24V，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ=6.3V，三極管的UBE=0.7V，UCES1=1V，若發(fā)生如下異?，F(xiàn)象，試找出故障原因。（1）Ui為18V，且調(diào)RP時Uo可隨之改變，但穩(wěn)壓效果差。（2）Ui為28V，Uo接近0V，調(diào)RP不起作用。（3）Uo≈5.6V，調(diào)RP不起作用。（4）Uo≈23V，調(diào)RP不起作用。

解：（1）正常情況下，圖11.17例11.4圖如果濾波電容C開路或損壞，無濾波作用，這時Ui=0.9U2=18V，調(diào)節(jié)RP時，Uo可隨之改變，但穩(wěn)壓效果差。（2）如果調(diào)整管VTl截止或損壞，相當(dāng)于負(fù)載開路，這時Ui=1.4U2=28V，Uo接近0V，調(diào)節(jié)RP不起作用。（3）如果放大管VT2的C、E間短路，則

Uo≈UZ

UBE1=6.30.7=5.6V，調(diào)RP不起作用。（4）如果放大管VT2的C、E間開路，則

Uo=UiUCES1=241=23V，調(diào)RP不起作用。11.1.3.2三端集成穩(wěn)壓電路

集成穩(wěn)壓器是將穩(wěn)壓電路的主要環(huán)節(jié)制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，并加進保護電路，其穩(wěn)定性高、性能指標(biāo)好，已逐步取代了分立元件穩(wěn)壓電路。三端集成穩(wěn)壓器可分為固定式和三端可調(diào)式兩大類。所謂三端是指電壓輸入、電壓輸出、公共接地三端。1.三端固定式穩(wěn)壓器此類穩(wěn)壓器輸出電壓有正、負(fù)之分。三端固定式集成穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品主要有CW7800系列（正電源）和CW7900系列（負(fù)電源）。型號組成及其意義見圖11.18所示。輸出電壓由具體型號的后兩位數(shù)字代表，有5V,6V,9V,12V,15V,18V,24V等。其額定輸出電流以78（79）后面的字母來區(qū)分。L表示0.1A，M表示0.5A，無字母表示1.5A。如CW7805表示穩(wěn)定電壓為5V，額定輸出電流為1.5A。圖11.18三端固定式穩(wěn)壓器型號組成及其意義

三端集成穩(wěn)壓器的外形及管腳排列如圖11.19所示。CW7800系列穩(wěn)壓器中設(shè)有比較完善的保護電路，它具有過流、過壓和過熱保護。由它構(gòu)成的穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)有多種。下面介紹最基本的穩(wěn)壓電路和同時輸出正、負(fù)電壓的電路。圖11.19三端集成穩(wěn)壓器的外形及管腳排列

（1）基本穩(wěn)壓電路。三端集成穩(wěn)壓器的基本穩(wěn)壓電路如圖11.20所示，使用時根據(jù)輸出電壓和輸出電流來選擇集成穩(wěn)壓器的型號。電路中輸入電容Ci和輸出電容Co是用于減小輸入、輸出電壓的脈動和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)的，其值均在0.1～1F之間。（2）可同時輸出正、負(fù)電壓的電路。如圖11.21所示，用一個78系列的三端集成穩(wěn)壓器和一個79系列的三端集成穩(wěn)壓器連接，可同時輸出正、負(fù)對稱的電壓。這種對稱電源在很多電路中要用到。

圖11.20基本穩(wěn)壓電路圖11.21可同時輸出正、負(fù)電壓的電路（3）提高輸出電壓的電路。如果需要輸出電壓高于三端穩(wěn)壓器輸出電壓時，可采用圖11.22所示電路。由圖（a）可以看出Uo=U××+UZ

（11-21）式中，U××是集成穩(wěn)壓器的輸出電壓；UZ是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。圖中R的作用是保證穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)，二極管VD具有保護穩(wěn)壓器的作用，正常工作時VD反偏截止，當(dāng)由于某種原因使輸出電壓低于UZ或輸出短路時，二極管正偏導(dǎo)通，電流可通過二極管流到輸出回路，避免了電流由穩(wěn)壓器的接地端倒流進穩(wěn)壓器而造成穩(wěn)壓器損壞。

由圖（b）可以看出，當(dāng)忽略穩(wěn)壓器的靜態(tài)工作電流IW時，（11-22）式中，IW為三端穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流，一般為幾毫安。圖11.22提高輸出電壓的電路

（4）擴大輸出電流的電路。當(dāng)負(fù)載電流大于三端穩(wěn)壓器輸出電流時，可采用圖11.23所示電路。圖（a）為外接大功率三極管擴大輸出電流，由圖知由于＞＞l，且IW很小，可忽略不計，所以式中，R為VT提供偏置電壓，具體數(shù)值可由式（11-5）決定。圖（b）為采用兩個同型號穩(wěn)壓器并聯(lián)運用，以擴大輸出電流。輸出電流為單片三端穩(wěn)壓器的兩倍，即Io=2I××

（11-24）圖11.23擴大輸出電流的電路

2．三端可調(diào)式穩(wěn)壓器三端可調(diào)式穩(wěn)壓器除具備三端固定式穩(wěn)壓器的優(yōu)點外，可用少量的外接元件，實現(xiàn)大范圍的輸出電壓連續(xù)調(diào)節(jié)。其可調(diào)輸出電壓也有正、負(fù)之分，如CW117、CW217、CW317為可調(diào)輸出正電壓穩(wěn)壓器；CW137、CW237、CW337為可調(diào)輸出負(fù)電壓穩(wěn)壓器。為了使電路正常工作，一般輸出電流不小于5mA。輸入電壓范圍在2～40V之間時，輸出電壓可在1.25～37V之間連續(xù)可調(diào)，負(fù)載電流可達1.5A。

三端可調(diào)式穩(wěn)壓器型號組成及意義如圖11.24所示。圖11.24三端可調(diào)式穩(wěn)壓器型號組成及意義圖11.25為塑料封裝與金屬封裝三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的外形及引腳排列圖。同一系列的內(nèi)部電路和工作原理基本相同，只是工作溫度不同。圖11.25三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器的外形及引腳排列圖11.26所示為三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路。正常工作時，三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器輸出端與調(diào)整端之間的電壓為基準(zhǔn)電壓UREF，其典型值為UREF=1.25V。流過調(diào)整端的電流典型值為IREF=50A。由圖可知（11-25）調(diào)節(jié)電位器RP可改變R2的大小，從而調(diào)節(jié)輸出電壓Uo的大小。選擇和使用三端穩(wěn)壓器時，除關(guān)注它的輸出電壓和電流外，還應(yīng)查閱產(chǎn)品手冊，注意它的穩(wěn)壓性能及對輸入電壓的要求。其輸入電壓比輸出電壓至少高2.5～3V，即要有一定的壓差。還要注意其散熱問題，需要時應(yīng)當(dāng)加裝散熱器。圖11.26三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路

11.1.3.4開關(guān)型穩(wěn)壓電路串聯(lián)型穩(wěn)壓電路效率低，一般只有20%～24%。若用開關(guān)型穩(wěn)壓電路，可使調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，管子損耗很小，效率可提高到60%～80%。

1.開關(guān)型穩(wěn)壓電路的基本原理開關(guān)型穩(wěn)壓電路的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖11.27（a）所示，它的基本工作原理是將交流電壓通過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電壓，再將此直流電壓通過開關(guān)元件變?yōu)榫匦尾?，然后將矩形波通過儲能電路再轉(zhuǎn)換為平滑的直流電壓。通過控制電路來控制開關(guān)元件的開關(guān)頻率或?qū)ǎㄩ_）、關(guān)斷（關(guān)）的時間比例實現(xiàn)穩(wěn)壓控制。如圖11.27（b）所示，圖中Ui為整流濾波輸出電壓，Uol為輸出方波電壓，Ton為開關(guān)管導(dǎo)通時間，Toff為開關(guān)管截止時間，T為開關(guān)周期。矩形脈沖電壓的平均值為Uo=

Ui式中，

=Ton/T，稱為矩形脈沖占空比。圖11.27開關(guān)型穩(wěn)壓電路的基本結(jié)構(gòu)框圖和波形圖

2．串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路如圖11.28所示。圖中只畫出了開關(guān)管和儲能電路部分。串聯(lián)型開關(guān)電路由開關(guān)管VT、儲能電路（包括電感L、電容C和續(xù)流二極管VD）及控制器組成。控制器可使VT處于開/關(guān)狀態(tài)并可穩(wěn)定輸出電壓。因為開關(guān)調(diào)整管（簡稱開關(guān)管）是和輸入電壓以及負(fù)載串聯(lián)的，所以稱為串聯(lián)型。開關(guān)管VT的基極上加的是脈沖電壓，因此開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)管基極加上正脈沖電壓時，開關(guān)管進入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，由于電感L的存在，流過VT的電流線性增加，線性增加的電流給負(fù)載RL供電的同時也給L儲能（L上產(chǎn)生左“正”右“負(fù)”的感應(yīng)電動勢），VD截止。當(dāng)開關(guān)管基極上沒有正向脈沖電壓或所加的是負(fù)脈沖電壓時，開關(guān)管截止，由于電感L中的電流不能突變（L中產(chǎn)生左“負(fù)”右“正”的感應(yīng)電動勢），VD導(dǎo)通，于是儲存在電感上的能量逐漸釋放并提供給負(fù)載，使負(fù)載中繼續(xù)有電流通過，故稱VD為續(xù)流二極管。電容C起濾波作用，當(dāng)電感L中電流增長或減少時，電容儲存過剩電荷或補充負(fù)載中缺少的電荷，從而減少輸出電壓Uo的紋波。

3．并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路如圖11.29所示。因為開關(guān)管VT和輸入電壓Ui以及輸出電壓Uo是并聯(lián)的，所以稱之為并聯(lián)型。圖11.28串聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路

圖11.29并聯(lián)型開關(guān)穩(wěn)壓電路

當(dāng)開關(guān)管基極上加有正脈沖電壓時，開關(guān)管飽和導(dǎo)通，集電極電位接近于零，續(xù)流二極管VD反偏截止，輸入電壓Ui通過電流iL向電感L儲能（L上產(chǎn)生左“正”右“負(fù)”的感應(yīng)電動勢），這時負(fù)載電流是由電容C放電供給的。調(diào)整管VT導(dǎo)通時間越長，iL越大，L儲存的能量越多。當(dāng)開關(guān)管基極上沒有正向脈沖電壓或所加的是負(fù)脈沖電壓時，開關(guān)管VT截止。由于電感中電流不能突變，因此這時電感L兩瑞產(chǎn)生自感電動勢（L中產(chǎn)生左“負(fù)”右“正”的感應(yīng)電動勢），并通過續(xù)流二極管VD向電容C充電，補充剛才放電時消耗的電能，并同時向負(fù)載RL供電。當(dāng)電感L中釋放的能量逐漸減小時，就由電容C向負(fù)載RL放電，并很快又轉(zhuǎn)入開關(guān)管飽和導(dǎo)通狀態(tài)．再一次由輸入電壓Ui向電感L輸送能量。用這種并聯(lián)型電路可以組成不用電源變壓器的開關(guān)穩(wěn)壓電路。返回

11.2晶閘管及其應(yīng)用11.2.1晶閘管及其特性

11.2.1.1基本結(jié)構(gòu)晶閘管是硅晶體閘流管的簡稱，又稱可控硅（SCR）。它是一種大功率半導(dǎo)體器件，從外形上看有3種形式，如圖11.30（a），（b），（c）所示。晶閘管的符號如圖11.30（d）所示。圖11.30晶閘管的外形及符號

（a）螺旋式；（b）平板式；（c）壓膜塑封式

11.2.1.2工作原理晶閘管工作原理可用圖11.15所示的實驗電路驗證。（1）晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓，如圖11.30（a）所示，無論控制極是否加電壓，燈都不亮，晶閘管截止。這種情況稱晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。（2）晶閘管陽極經(jīng)燈泡接電源正端，陰極接電源負(fù)端，此時晶閘管承受正向電壓，控制極電路中開關(guān)S斷開，如圖11.30（b）所示，這時燈不亮，說明晶閘管不導(dǎo)通，即處于正向阻斷狀態(tài)。（3）晶閘管的陽極和陰極間加正向電壓，控制極相對于陰極加正向電壓UG，如圖11.31（c）所示，這時燈亮，說明晶閘管導(dǎo)通，即處于正向觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)。如果控制極加反向電壓，晶閘管陽極回路無論加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導(dǎo)通。（4）晶閘管導(dǎo)通后，如果去掉控制極上的電壓，如圖11.31（d）所示。燈仍然亮。這表明晶閘管除去觸發(fā)信號后繼續(xù)導(dǎo)通，即晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制極就失去了作用。（5）在晶閘管導(dǎo)通的情況下，當(dāng)陽、陰極間的電壓（或電流）減小到一定程度時，如圖11.31（e）所示，切除主信號后，晶閘管才能從導(dǎo)通變?yōu)樽钄酄顟B(tài)。從上述實驗可以看出，晶閘管導(dǎo)通必須同時具備兩個條件：（1）晶閘管陽極電路加正向電壓；（2）控制極電路加適當(dāng)?shù)恼螂妷海▽嶋H工作中，控制極加正觸發(fā)脈沖信號）。綜上所述，晶閘管是一個可控的單向?qū)щ婇_關(guān)。它與具有一個PN結(jié)的二極管相比，其差別在于晶閘管正向?qū)щ娛芸刂茦O電流的控制；與具有兩個PN結(jié)的晶體管相比，其差別在于晶閘管對控制極電流沒有放大作用。圖11.31晶閘管工作原理的實驗電路

（a）反向阻斷；（b）正向阻斷；（c）觸發(fā)導(dǎo)通；（d）除去觸發(fā)信號；（e）切除主信號

11.2.1.3晶閘管的主要參數(shù)1.正向重復(fù)峰值電壓UDRM。UDRM是指在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。普通晶閘管的UDRM值為100～3000V。2.反向重復(fù)峰值電壓URRM。URRM是指控制極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓。普通晶閘管URRM值為100～3000V。3.正向平均電流IV。IV是指在環(huán)境溫度不大于40oC和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。其值一般為1～1000A。4.維持電流IH。IH是指在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時，維持晶閘管導(dǎo)通的最小陽極電流。當(dāng)晶閘管的正向平均電流小于這個電流時，晶閘管將自動關(guān)斷。目前我國生產(chǎn)的晶閘管的型號及其含義如下：KP□—□□導(dǎo)通時平均電壓組別（小于100A不標(biāo)），共9級，用A～I字母表示0.4～1.2V額定電壓，用其百位數(shù)或千位數(shù)表示，它即為UFRM和URRM中較小的一個額定正向平均電流（A）

普通型晶閘管例如KP5-7表示額定正向平均電流為5A，額定電壓為700V的普通晶閘管。近年來，晶閘管制造技術(shù)已有很大提高，在電流、電壓等指標(biāo)上有了重大突破，已制造出電流在kA以上、電壓達到上萬伏的晶閘管，使用頻率也已高達幾萬赫茲。所以說，晶閘管的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件從弱電領(lǐng)域進入了強電領(lǐng)域。

11.2.2單相可控整流電路可控整流是利用晶閘管作為整流元件，使整流電路輸出直流電壓的大小可以調(diào)節(jié)。單相半控橋式整流電路如圖11.32（a）所示，它與單相橋式整流電路相似，只是兩個橋臂上的二極管由晶閘管所取代，其中變壓器副邊電壓。在u2的正半周（a端為正）時，VT1和VD2承受正向電壓。這時如對晶閘管VT1引入觸發(fā)信號，則VT1和VD2導(dǎo)通，電流的通路為a端→VT1→RL→VD2→b端。而VT2和VD1都因承受反向電壓而截止。同樣，在u2的負(fù)半周（b端為正）時，VT2和VD1承受正向電壓。這時如對可控硅VT2引入觸發(fā)信號，則VT2和VD1導(dǎo)通，電流的通路為b端→VT2→RL→VD1→a端。而VT1和VD2處于截止?fàn)顟B(tài)。

圖11.32單相半控橋式整流電路（a）電路圖；（b）波形圖把晶閘管從承受正向電壓到觸發(fā)導(dǎo)通之間的電角度

稱為控制角，與晶閘管導(dǎo)通時間對應(yīng)的電角度

則稱為導(dǎo)通角，顯然有：+

=（11-26）如果在晶閘管承受正向電壓的時間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的輸入時刻（即改變控制角

），負(fù)載上得到的電壓波形就隨著改變，這樣就控制了負(fù)載上輸出電壓的大小。導(dǎo)通角

愈大，輸出電壓愈高。當(dāng)可控整流電路接電阻性負(fù)載時，單相半控橋的電壓與電流的波形如圖11.32（b）所示，整流輸出電壓的平均值可以用控制角表示（11-27）從式（11-27）可以看出，當(dāng)

=0（=180°）時，晶閘管在正半周全導(dǎo)通，UL=0.9U2，輸出電壓最高，相當(dāng)于不可控二極管單相橋式整流電壓。若

=180o，UL=0，這時=0，晶閘管全關(guān)斷。根據(jù)歐姆定律，電阻負(fù)載中流過的電流平均值為（11-28）此電流即為通過晶閘管的平均電流，即IT=IL。

11.2.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路要使晶閘管導(dǎo)通，除了陽極與陰極之間加正向電壓外，在控制極與陰極之間還必須加正向觸發(fā)電壓。產(chǎn)生觸發(fā)電壓的電路稱為晶閘管的觸發(fā)電路。觸發(fā)電路的種類很多，本節(jié)介紹最常用的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。11．2.3.1單結(jié)晶體管1.單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)。單結(jié)晶體管的外形和普通晶體管相似，有3個電極：1個發(fā)射極和2個基極，所以也稱為雙基極二極管。圖11.33所示的是單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號和等效電路。在一塊高電阻率的N型硅片上一側(cè)的兩端各引出一塊電極，分別稱為第一基極B1和第二基極B2。而在硅片的另一側(cè)較靠近B2處摻入P型雜質(zhì)，形成PN結(jié)，并引出一個鋁質(zhì)電極，稱為發(fā)射極E。兩個基極之間的電阻RBB=RB1+RB2，其中RB1和RB2分別為兩個基極至PN結(jié)之間的電阻。RBB一般約為2～15k。圖11.33單結(jié)晶體管

（a）結(jié)構(gòu)；（b）符號；（c）等效電路2.單結(jié)晶體管的伏安特性把單結(jié)晶體管按圖11.18（a）的電路連接，通過實驗觀察其特性。在單結(jié)晶體管的兩個基極B2,B1之間加上直流電壓UBB，在發(fā)射極E和第一基極B1之間加電壓UE，RE是限流電阻，通過電位器RP可以調(diào)節(jié)UE的大小。則RB1上的電壓（即A點電位）（11-29）式中，稱為分壓比，與管子結(jié)構(gòu)有關(guān)，約在0.5～0.9之間。

圖11.34單結(jié)晶體管的特性測試

（a）測試電路；（b）伏安特性曲線下面我們來分析單結(jié)晶體管的工作情況，其伏安特性如圖11.34（b）所示。（1）調(diào)節(jié)RP，使UE從零逐漸增加。當(dāng)UE比較小時即UE＜UBB時，E與B1之間不能導(dǎo)通，呈現(xiàn)很大電阻。當(dāng)UE很小時，有一個很小的反向漏電流。隨著UE的增高，這個電流逐漸變成一個大約幾微安的正向漏電流。這一段曲線稱為截止區(qū)，即單結(jié)晶體管尚未導(dǎo)通的一段。（2）當(dāng)UE=UBB+UD時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，發(fā)射極電流IE突然增大。我們把這個突變點稱為P峰點，對應(yīng)的電壓UE和電流IE分別稱為峰點電壓UP和峰點電流IP。顯然，峰點電壓

UP=UBB+UVD

（11-30）式中，UVD為單結(jié)晶體管中的PN結(jié)的正向壓降，一般取UVD=0.7V。在單結(jié)晶體管導(dǎo)通后，

IE增長很快，E和B1之間變成低阻導(dǎo)通狀態(tài)，RB1迅速減小，而E和B1之間的電壓UE也隨著下降。這一段曲線的動態(tài)電阻Δreb1=ΔUE/ΔIE為負(fù)值，因此稱為負(fù)阻區(qū)。而B2的電位高于E的電位，空穴型載流子不會向B2運動，電阻RB2基本不變。（3）當(dāng)發(fā)射極電流IE增大到某一數(shù)值時，電壓UE下降到最低點。特性曲線上的這一點稱為V谷點，與此點相對應(yīng)的是谷點電壓UV和谷點電流IV。此后，當(dāng)調(diào)節(jié)RP使發(fā)射極電流繼續(xù)增大時，發(fā)射極電壓略有上升，但變化不大。谷點右邊的這部分特性稱為飽和區(qū)。

11.2.3.2．單結(jié)晶體管振蕩電路如圖11.35（a）所示的是單結(jié)晶體管振蕩電路。開關(guān)S合上后，電源UBB經(jīng)RP，R3向電容器C充電（設(shè)初始uC為零），當(dāng)uC上升到峰點電壓uP時，單結(jié)晶體管突然由截止變?yōu)閷?dǎo)通，電容通過電阻R1放電。由于電阻R1<<R，所以放電速度比充電速度快得多，uC急劇下降，當(dāng)uC下降到谷點電壓UV時，單結(jié)晶體管截止，輸出電壓uo降為0。于是在R1兩端形成一個脈沖電壓，完成一個振蕩周期。此后，電容器又開始充電，重復(fù)上述過程。這種周而復(fù)始的自動充放電過程在電容兩端形成鋸齒波電壓uC，在電阻R1上形成尖脈沖電壓uo，如圖11.35（b）所示。調(diào)節(jié)電位器RP可改變電容充電時間，從而改變輸出脈沖的頻率。

圖11.35單結(jié)晶體管振蕩電路

（a）電路圖；（b）波形圖

11.2.3.3．單結(jié)晶體管觸發(fā)電路圖11.36（a）所示的是單結(jié)晶體管同步觸發(fā)的單相半控橋整流電路。圖中上半部分是單相半控橋整流電路，稱為主電路；下半部分是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，它為主電路中晶閘管提供觸發(fā)信號。各部分的電壓波形如圖11.36（b）所示。變壓器Tr稱為同步變壓器，其原邊與主電路接同一電源，副邊輸出電壓經(jīng)橋式整流、穩(wěn)壓管限幅后轉(zhuǎn)變?yōu)樘菪尾╱Z，作為單結(jié)管的供電電壓。這樣就可保證觸發(fā)電路與主電路的過零時刻一致，使觸發(fā)脈沖在晶閘管每個導(dǎo)通周期內(nèi)的固定時刻發(fā)出，以保證晶閘管在每個周期內(nèi)有相同的導(dǎo)通角。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路輸出的脈沖電壓的寬度，主要決定于電容器放電的時間常數(shù)=R1C。R1或C太小，放電快，觸發(fā)脈沖的寬度小，不能使晶閘管觸發(fā)。因為晶閘管從阻斷狀態(tài)到完全導(dǎo)通需要一定時間，一般在10s以下，所以觸發(fā)脈沖的寬度必須在10s以上。如選用C=0.1～1F，R1=50～100，就可得到數(shù)十微秒的脈沖寬度。脈沖電壓的幅度決定于整流、穩(wěn)壓后直流電源電壓UZ和單結(jié)晶體管的分壓比以及R1的阻值。

圖11.36單結(jié)晶體管同步觸發(fā)的單相半控橋整流電路

（a）電路圖；（b）波形圖返回

11.3交流調(diào)壓電路

前面介紹的晶閘管整流電路，實際上是一種直流調(diào)壓電路。在生產(chǎn)實際中有時還需要調(diào)節(jié)交流電壓，例如在爐溫控制和燈光調(diào)節(jié)等方面。最簡單的晶閘管交流調(diào)壓電路如圖11.37所示，將兩只晶閘管反向并聯(lián)之后串聯(lián)在交流電路中，控制他們的正、反向?qū)〞r間，就可達到調(diào)節(jié)交流電壓的目的。圖11.37晶閘管交流調(diào)壓電路

設(shè)負(fù)載是電阻性的，在交流電壓的一個周期內(nèi)，兩個晶閘管輪流導(dǎo)通，負(fù)載電壓uo的波形如圖11.38所示。改變控制角

，就可調(diào)節(jié)交流電壓uo的有效值：

（11-31）

圖11.38晶閘管交流調(diào)壓電路的電壓波形

晶閘管的交流調(diào)壓可用于鼠籠式三相異步電動機的啟動和調(diào)壓調(diào)速，該裝置體積小、質(zhì)量小、造價低、節(jié)能效果顯著，且啟動時平穩(wěn)無沖擊。通常采用雙向晶閘管進行交流調(diào)壓更為方便。雙向晶閘管是具有4個PN結(jié)的NPNPN5層結(jié)構(gòu)的器件，它相當(dāng)于上述的兩個晶閘管反向并聯(lián)。圖11.23所示的是雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)示意圖、符號。A2,A1和G分別是陽極、陰極和控制極。G與A1間加觸發(fā)脈沖，不論正脈沖或負(fù)脈沖都能觸發(fā)導(dǎo)通。圖11.39雙向晶閘管

（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）符號返回

11.4晶閘管逆變器在對三相異步電動機進行變頻調(diào)速時，需要變頻電路，本節(jié)主要針對電動機的變頻調(diào)速介紹其原理和電路。圖11.40是一個交—直—交變頻器示意圖，它由整流器和逆變器兩部分組成，先由整流器將交流電源電壓u（其頻率為f）變換為直流電壓Ud，而后將此直流電壓經(jīng)逆變器變換為交流電壓uo（其頻率為f0）。逆變器的作用與整流器的作用相反。逆變器輸出電壓uo的幅值和頻率f0可以單獨或者同時調(diào)整。下面主要介紹晶閘管組成的逆變電路。圖11.40變頻器示意圖圖11.41是電壓型單相橋式