第四講：晶閘管可控硅整流電路

高級維修電工培訓(xùn)課程第四講：晶閘管可控硅整流電路一、電力電子器件1.概念:電力電子器件（PowerElectronicDevice）

——可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（MainPowerCircuit）

——電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的變換或控制任務(wù)的電路。

2.

分類:

電真空器件

(汞弧整流器、閘流管)

半導(dǎo)體器件

(采用的主要材料硅）（一）電力電子器件的概念和特征電力電子器件能處理電功率的能力，一般遠(yuǎn)大于處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠(yuǎn)大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。（一）電力電子器件的概念和特征3.同處理信息的電子器件相比的一般特征：通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗（一）電力電子器件的概念和特征電力電子器件的損耗電力電子系統(tǒng)：由控制電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。圖1-1電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護(hù)電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正?？煽窟\行（二）應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路半控型器件（Thyristor）

——通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件（IGBT,MOSFET)

——通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件(PowerDiode)

——不能用控制信號來控制其通斷,因此也就不需要驅(qū)動電路。（三）電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：（三）電力電子器件的分類電流驅(qū)動型

——通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型

——僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。

按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：

PowerDiode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀(jì)50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。

1、不可控器件—電力二極管整流二極管及模塊基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號a)外形b)結(jié)構(gòu)c)電氣圖形符號PN結(jié)與電力二極管的工作原理狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)——二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。

PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿

PN結(jié)與電力二極管的工作原理

PN結(jié)的狀態(tài)主要指其伏安特性門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF

。承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4電力二極管的伏安特性電力二極管的基本特性1.靜態(tài)特性IOIFUTOUFU正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。正向恢復(fù)時間tfr。電流上升率越大，UFP越高。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程二.

電力二極管的基本特性開通過程：關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程額定電流——在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。電力二極管的主要參數(shù)1.

正向平均電流IF(AV)在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓降。3.反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，應(yīng)當(dāng)留有兩倍的裕量。

4.反向恢復(fù)時間trr

trr=td+

tf電力二極管的主要參數(shù)2.正向壓降UF結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125~175C范圍之內(nèi)。6.浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。電力二極管的主要參數(shù)5.最高工作結(jié)溫TJM1.普通二極管（GeneralPurposeDiode）又稱整流二極管（RectifierDiode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達(dá)到很高按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。電力二極管的主要類型簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管（FastRecoveryEpitaxialDiodes——FRED），其trr更短（可低于50ns），UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，甚至達(dá)到20~30ns。電力二極管的主要類型2.快恢復(fù)二極管（FastRecoveryDiode——FRD）肖特基二極管的弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點反向恢復(fù)時間很短（10~40ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。電力二極管的主要類型3.肖特基二極管(DATASHEET)以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode——SBD）。電力電子器件的分類

根據(jù)不同的開關(guān)特性，電力電子器件可分為如下三類：（1）不控器件：這種器件的導(dǎo)通和關(guān)斷無可控的功能，如整流二極管等。（2）半控器件：這種器件通過控制信號只能控制其導(dǎo)通，而不能控制其關(guān)斷，如普通晶閘管等。（3）全控器件：這種器件通過控制信號既能控制其導(dǎo)通，又能控制其關(guān)斷，如可關(guān)斷晶閘管，功率晶體管、功率場效晶體管等。（Silicon

ControlledRectifier）

晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關(guān)等方面。

體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。

優(yōu)點：1.2晶閘管1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀(jì)80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（SiliconControlledRectifier——SCR）G控制極1.基本結(jié)構(gòu)K陰極G陽極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號三個

PN

結(jié)P1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。T1T22工作原理A在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。2.工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過程晶閘管導(dǎo)通的條件：1.晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。2.晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：

1.必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應(yīng)不能維持。

2.將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U3.伏安特性4.主要參數(shù)UFRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM

=80%UB0

。普通晶閘管UFRM

為100V—3000V反向重復(fù)峰值電壓控制極開路時,允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM

=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000VURRM：正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。

IF：IFt2如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。UF:

通態(tài)平均電壓（管壓降）在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。IH:

維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導(dǎo)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。晶閘管型號及其含義導(dǎo)通時平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P--普通晶閘管S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。2.雙向晶閘管特點：相當(dāng)于兩個晶閘管反向并聯(lián)，兩者共用一個控制極。符號：A1A2G控制極第一電極第二電極通過控制電壓的控制可實現(xiàn)雙向?qū)?。工作原理UA1>UA2時，控制極相對于A2加正脈沖，晶閘管正向?qū)?，電流從A1流向A2。UA2>UA1時，控制極相對于A2加負(fù)脈沖，晶閘管反向?qū)?，電流從A2流向A1。A1A2G交流調(diào)壓電路雙向二極管：只要在其兩端加上一定數(shù)值的正或負(fù)電壓即可使其導(dǎo)通。RCTu+_雙向二極管2.1可控整流電路1.單相半波可控整流電阻性負(fù)載(1)電路

u

>0時：若ug=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時:晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uo=0,uT=u，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，uuoRL+–+uT+––Tio(2)工作原理t12u

<

0時:

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通tOu

>0時:tOtO接電阻負(fù)載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1tOtOt22tO導(dǎo)通角(3)工作波形(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。2.電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路

當(dāng)電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔?。uuoR+–+uT+––T?LeL?在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加續(xù)流二極管)uuoR+–+uT+––LTioDiou>0時：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時：

D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見波形圖)。3.電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)+–(1)電路(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO2.單相半控橋式整流電路電路(1).工作原理T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(a)電壓u為正半周時io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為(b)電壓u為負(fù)半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。ttOtO3.工作波形2tO4.輸出電壓及電流的平均值兩種常用可控整流電路電路特點該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2.晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-電路特點1.該電路接入電感性負(fù)載時，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。(2)20.2.3三相半波可控整流電路動畫2.由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-三相橋式半控整流電路2.工作原理1.電路u2a2u2bu2ct1t2uoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––2.2晶閘管的保護(hù)

晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。

晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞；

晶閘管耐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。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。1.晶閘管的過流保護(hù)(1)快速熔斷器保護(hù)電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。與晶閘管串聯(lián)接在輸入端~接在輸出端快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。(2)過流繼電器保護(hù)(3)過流截止保護(hù)在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，繼電器動作，使電路自動切斷。在交流側(cè)設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。2.硒堆保護(hù)2.晶閘管的過壓保護(hù)(1)阻容保護(hù)CR

利用電容吸收過壓。其實質(zhì)就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRC硒堆保護(hù)(硒整流片)CR~RL晶閘管元件的阻容保護(hù)2.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理(1)結(jié)構(gòu)B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a)示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(b)符號B2EB1(2)工作原理UE<

UBB+UD=UP時PN結(jié)反偏，IE很小；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。UE

UP時

–分壓比(0.5~0.9)UP

–峰點電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1測量單結(jié)晶體管的實驗電路由圖可求得(3)單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點電壓、電流):維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點電壓)：

單結(jié)管由截止變導(dǎo)通

所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點電壓UV谷點電壓V負(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)負(fù)阻區(qū)：UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。P1.UE<UP時單結(jié)管截止；UE>UP時單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點電壓UP不同。3.不同單結(jié)晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都不一樣。谷點電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。2.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路(1).振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(jié)管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路。ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47FugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F(2)振蕩過程分析設(shè)通電前uC=0。接通電源U,電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。當(dāng)uC

UP時,單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuCtugt電容放電至uC

Uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。upuv(c)電壓波形uCttugOO主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+3.單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路(1)電路2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2MtOZtOtO(2)觸發(fā)電路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+ttUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)輸出電壓uLOOUZtOtO問題討論1.單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個變壓器上？

目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時過零(即兩者同步)，使電容在每半個周期均從零開始充電，從而保證每半個周期的第一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。2.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？

穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生第一脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。3.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個起作用？如何改變控制角？根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個周期中只有第一個觸發(fā)脈沖起作用。改變充電時間常數(shù)即可改變控制角?？刂平亲兓姆秶Q為移相范圍。4.電壓的調(diào)節(jié)R

電容充電速度變慢uL單結(jié)晶體管觸發(fā)電路T1+U