晶閘管及其工作原理

第六章晶閘管及其應(yīng)用電路§6-1晶閘管§6-2晶閘管整流電路§6-4晶閘管的選擇和保護(hù)§6-5晶閘管的觸發(fā)電路§6-3負(fù)載對(duì)晶閘管整流的影響§6-1

晶閘管一、晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)PPNNA陽(yáng)極K陰極G門極AKG晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的符號(hào)晶閘管的導(dǎo)電特點(diǎn)：

（1）晶閘管具有單向?qū)щ娞匦裕?）晶閘管的導(dǎo)通是通過(guò)門極控制的晶閘管導(dǎo)通的條件：（1）陽(yáng)極與陰極間加正向電壓（2）門極與陰極間加正向電壓，這個(gè)電壓稱為觸發(fā)電壓。（以上兩個(gè)條件，必須同時(shí)滿足，晶閘管才能導(dǎo)通）導(dǎo)通后的晶閘管關(guān)斷的條件：（1）降低陽(yáng)極與陰極間的電壓，使通過(guò)晶閘管的電流小于維持電流IH（2）陽(yáng)極與陰極間的電壓減小為零（3）將陽(yáng)極與陰極間加反向電壓（只要具備其中一個(gè)條件就可使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷）二、晶閘管的工作特性（1）晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，就能維持導(dǎo)通狀態(tài)，門極失去控制作用。要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須減小陽(yáng)極電流到維持電流IH以下。小結(jié)：（2）晶闡管具有“可控”的單向?qū)щ娞匦?，所以晶閘管又稱單向可控硅?！翱煽亍庇袃蓪雍x：一是晶閘管的導(dǎo)通是受門極控制的；二是導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷是受陽(yáng)極與陰極間電壓控制的。由于門極所需的電壓、電流比較低（電路只有幾十至幾百毫安），而陽(yáng)極A與陰極K可承受很大的電壓，通過(guò)很大的電流（電流可大到幾百安培以上），因此，晶闡管可實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制。三、晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM結(jié)溫為額定值，門極斷開，允許重復(fù)加在晶閘管A與K間的正向峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM結(jié)溫為額定值，門極斷開，允許重復(fù)加在晶閘管A與K間的反向峰值電壓通態(tài)平均電流IT（AV）在規(guī)定的環(huán)境溫度和散熱條件下，結(jié)溫為額定值，允許通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值通態(tài)平均電壓UT（AV）結(jié)溫穩(wěn)定，通過(guò)的工頻正弦半波額定的平均電流，晶閘管導(dǎo)通時(shí)，A與K間的電壓平均值，習(xí)慣上稱為導(dǎo)通時(shí)的管壓降維持電流IH在規(guī)定的環(huán)境溫度下，門極斷路時(shí)，維持晶閘管導(dǎo)通所必須的最小電流晶閘管由通到斷的臨界電流四、晶閘管的型號(hào)五、晶閘管的簡(jiǎn)單測(cè)試§6-2晶閘管整流電路一、單相可控整流電路二、三相可控整流電路

晶閘管組成的整流電路可以在交流電壓不變的情況下，方便地改變直流輸出電壓的大小，即可控整流。一、單相可控整流電路1、單相半波可控整流電路ＶRL單相半波可控整流電路單相半波整流電路0ug0uLπ2πt1t2u2+u2+--uL+-iL（1）電路組成及工作原理t1t1t2t2u1u20ug0uLπ2πt1t2t1t1t2t2αα控制角α——從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導(dǎo)通所對(duì)應(yīng)的電角度。θθ導(dǎo)通角θ——晶閘管實(shí)際導(dǎo)通的角度。α+θ=π改變?chǔ)恋拇笮。纯筛淖冚敵鲭妷簎L的波形。α

越大，θ越小。把控制角α的變化范圍稱為移相范圍。單相半波可控整流電路的移相范圍為：0～π（2）主要參數(shù)計(jì)算輸出電壓的平均值負(fù)載電流平均值通過(guò)晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便缺點(diǎn)：輸出電壓脈動(dòng)大，設(shè)備利用率低例6-1

單相半波可控整流電路中，變壓器二次側(cè)電壓U2=120V，當(dāng)控制角分別為0o、90o、120o、180o時(shí)，負(fù)載上的平均電壓分別是多少？解：α=0o時(shí)α=90o時(shí)α=120o時(shí)α=180o時(shí)改變控制角α的大小可改變輸出電壓的高低，移相范圍為：0o～180o2、單相半控橋式整流電路（1）電路組成及工作原理to23u2to23uLto23ugV3V4V2V1RLu2正半周單相整流電路單相可控整流電路αααθθωt<α?xí)rV1、V4正向阻斷，V2、V3反向阻斷uL=0ωt=α?xí)rV1、V4導(dǎo)通，V2、V3反向阻斷uL=u2ωt=π時(shí)V1、V4關(guān)斷uL=0+-+-uL+-iL負(fù)半周ωt<α?xí)rV2、V3反向阻斷，V1、V4正向阻斷uL=0ωt=α?xí)rV2、V3反向阻斷，V1、V4導(dǎo)通uL=u2ωt=π時(shí)V1、V4關(guān)斷uL=0單相橋式可控整流電路的移相范圍為：0～π（2）主要參數(shù)計(jì)算輸出電壓的平均值負(fù)載電流平均值通過(guò)晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓脈動(dòng)小，設(shè)備利用率高缺點(diǎn)：元件多例6-2

一單相橋式可控整流電路，輸入電壓U2=220V，RL=5Ω，要求輸出電壓的范圍為0～150V，試求輸出的最大電流ILM和晶閘管的導(dǎo)通角范圍？解：輸出最大平均電流當(dāng)輸出電壓為150V時(shí)查表得α≈60o晶閘管的導(dǎo)通角的范圍為V3V4V2V1RLu2V5用一只晶閘管的單相橋式可控整流電路V5在電路中不承受反向電壓，只要給晶閘管加上觸發(fā)信號(hào)，晶閘管即能導(dǎo)通，作用相當(dāng)于接在負(fù)載電路中的一只開關(guān)。注意：1、整流電路之后不能接濾波電容2、晶閘管應(yīng)選維持電流較大的管子特點(diǎn)：uL二、三相可控整流電路1、三相半波可控整流電路（1）電路組成及工作原理TRLL1L2L3UV1V2V3VW三相半波整流電路三相半波可控整流電路uLiLωt0ugαααθθθ各晶閘管控制角的起點(diǎn)均為各自的自然換相點(diǎn)當(dāng)控制角為α?xí)r+-VUWuLωt0ugΘ=1200Θ=1200Θ=1200α=0°時(shí),工作波形θ

=120°VUW輸出波形連續(xù)uLωt0ug600θθθα=60°時(shí),工作波形600600θ

=90°θ

＜120°VUW輸出波形不連續(xù)uLωt0ug900θθα=90°時(shí),工作波形900900θθ＜120°θ

=60°VUW小結(jié):（1）改變觸發(fā)脈沖的時(shí)間，就能改變整流電路輸出電壓uL的大?。寒?dāng)α＝0°時(shí)，輸出波形同三相半波整流電路，輸出電壓最大，α增大，輸出電壓減小，α＝150°時(shí)，uL=0。（2）當(dāng)α≤30°時(shí)，uL波形連續(xù)，（3）任一相對(duì)應(yīng)晶閘管導(dǎo)通期間，其他晶閘管承受相應(yīng)的線電壓。晶閘管關(guān)斷點(diǎn)均在下一個(gè)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)；當(dāng)α＞30°時(shí)，uL波形斷續(xù)，晶閘管關(guān)斷點(diǎn)均在各自相電壓過(guò)θ=120°零處，θ<120°移相范圍是α＝0°～150°（2）主要參數(shù)計(jì)算輸出電壓的平均值負(fù)載電流平均值通過(guò)晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：較單相整流輸出電壓大小增大，脈動(dòng)性減小，電源平衡性較好缺點(diǎn)：如直接接電網(wǎng)，會(huì)造成電網(wǎng)損耗；如由變壓器供電，鐵芯易發(fā)生直流磁化，使變壓器效率降低。2、三相半控橋式整流電路三相橋式整流電路L1L2L3TRLV1V2V3UVWV4V5V6三相半控橋式整流電路iL-ug0ωt（1）電路組成及工作原理自然換相點(diǎn)為各晶閘管控制角的起點(diǎn)當(dāng)控制角為α?xí)rαααuL+ug0ωtα=0°時(shí),工作波形輸出波形同三相橋式整流電路θθθθ=120°ug0ωt600α=60°時(shí),工作波形600600θ=120°θθθ0°<α≤60°輸出波形連續(xù)ug0ωtα=90°時(shí),工作波形900900900θθθθθ<120°θ=90°60°<α<180°輸出波形不連續(xù)小結(jié):（1）改變觸發(fā)脈沖的時(shí)間，就能改變整流電路輸出電壓uL的大小：當(dāng)α＝0°時(shí)，輸出波形同三相橋式整流電路，輸出電壓最大；α增大，輸出電壓減小，α＝180°時(shí)，uL=0。α＞60°時(shí)，波形斷續(xù)，（3）任一相對(duì)應(yīng)晶閘管和二極管導(dǎo)通期間，其他晶閘管和二極管（2）當(dāng)α≤60°時(shí)，波形連續(xù)，θ=120°θ<120°承受相應(yīng)的線電壓。移相范圍為：α＝0°～180°思考：如果觸發(fā)脈沖在自然換相之前加入，輸出波形會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？（2）主要參數(shù)計(jì)算輸出電壓的平均值負(fù)載電流平均值通過(guò)晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓較高，脈動(dòng)性較小，輸出電壓連續(xù)可調(diào)范圍寬。缺點(diǎn)：需用三只晶閘管，需三套觸發(fā)電路.§6-3負(fù)載類型對(duì)晶閘管整流的影響一、電感性負(fù)載的影響電感性負(fù)載：電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，各種電感線圈。V3V4V2V1RLu2L0ug0uLV1V4V1V3V2V3V2V4當(dāng)電源過(guò)零時(shí),晶閘管不能及時(shí)關(guān)斷，使晶閘管導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)。當(dāng)控制角突然增大或觸發(fā)信號(hào)突然丟失時(shí)，整流整流續(xù)流續(xù)流V2V3整流正常工作失控現(xiàn)象電感性負(fù)載單相橋式可控整流電路1、正常工作2、失控現(xiàn)象使電路失控。晶閘管連續(xù)導(dǎo)通，而整流二極管交替導(dǎo)通3、加續(xù)流二極管后的工作V3V4V2V1RLu2LV5加續(xù)流二極管后的電路0ug0uLV1V4V5V2V3V5整流整流續(xù)流續(xù)流在生產(chǎn)實(shí)際中,一旦發(fā)生失控,導(dǎo)通的晶閘管將因過(guò)熱而損壞,為了防止失控現(xiàn)象的發(fā)生，必須采取預(yù)防措施——在負(fù)載兩端并聯(lián)一只續(xù)流二極管。ααθθ整流續(xù)流+-uL-+當(dāng)整流元件工作時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)電源構(gòu)成回路，當(dāng)整流元件不工作時(shí)，負(fù)載中電流經(jīng)續(xù)流二極管構(gòu)成回路。由以上分析可知：晶閘管的導(dǎo)通角為θ時(shí)，續(xù)流二極管的導(dǎo)通角為2π-2θ流過(guò)晶閘管和整流二極管的平均電流為：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流為：例6-3有一單相半控橋式整流電路，負(fù)載為直流電阻為5Ω的感性負(fù)載，輸入電壓U2=220V，試求控制角α=300時(shí)的輸出電壓，晶閘管中的電流平均值，續(xù)流二極管中的電流平均值。解：負(fù)載的平均電壓：負(fù)載的平均電流：流過(guò)晶閘管的平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：二、反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的影響V3V4V2V1u2E0uL0ugEαθ0iL當(dāng)電源電壓u2>E時(shí)，加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管才能導(dǎo)通反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載單相半控橋式整流電路當(dāng)電源電壓等于E時(shí)，晶閘管關(guān)斷晶閘管導(dǎo)通角θ變小了，輸出電流幅值增大反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載的影響：采取的措施：在負(fù)載回路上串聯(lián)平波電感器，然后在其兩端再并一個(gè)續(xù)流二極管§6-4晶閘管的選擇和保護(hù)一、晶閘管的選擇二、晶閘管的保護(hù)一、晶閘管的選擇1、電壓等級(jí)的選擇2、電流等級(jí)的選擇例6-4

負(fù)載為純電阻性的單相半控橋式整流電路，輸出直流電流電壓為UL=0~60V，直流電流為0~10A，試計(jì)算晶閘管反向峰值電壓URM與It（AV），并選擇合適的晶閘管。解：由設(shè)輸出電壓最大（60V）時(shí)的控制角則考慮到整流器件上壓降等因素，U2取值比計(jì)算值高10%，故取晶閘管承受的反向峰值電壓晶閘管應(yīng)取的反向峰值電壓通過(guò)晶閘管的最大平均電流晶閘管應(yīng)取的通態(tài)平均電流可選用通態(tài)平均電流為10A，額定電壓為200V的KP10—2晶閘管。例6-5

一只接有續(xù)流二極管的單相半控橋式整流電路，RL=5Ω，輸入電壓U2=220V，晶閘管控制角α=60°。試計(jì)算（1）晶閘管承受的反向峰值電壓；（2）通過(guò)晶閘管的實(shí)際工作電流，并選擇合適的管型。解：（1）晶閘管承受的反向峰值電壓晶閘管應(yīng)取的反向峰值電壓（2）通過(guò)晶閘管的實(shí)際工作電流輸出的直流電壓通過(guò)負(fù)載的平均電流導(dǎo)通角通過(guò)晶閘管的實(shí)際平均電流晶閘管應(yīng)取的通態(tài)平均電流應(yīng)選取通態(tài)平均電流為20A、額定電壓為600V的KP20—6晶閘管兩只。二、晶閘管的保護(hù)

普通晶閘管承受過(guò)壓過(guò)流的能力很差，在使用中，除了需有充分的的余地外，還要采取一定的保護(hù)措施。1、過(guò)電壓保護(hù)由于晶閘管電路中含有電感元件（如變壓器、電抗線圈等）變壓器一次側(cè)拉閘整流裝置直流側(cè)切斷開關(guān)晶閘管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)樽钄嗟入姼芯€圈上都會(huì)產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì)，使晶閘管承受很高的電壓（過(guò)電壓）。（1）產(chǎn)生過(guò)電壓的原因及后果原因：后果：過(guò)電壓即使作用時(shí)間很短，也可使晶閘管誤導(dǎo)通，甚至被擊穿損壞。（2）過(guò)壓保護(hù)的方法1）阻容吸收電路RLRLRL交流側(cè)保護(hù)直流側(cè)保護(hù)直接保護(hù)2）壓敏電阻保護(hù)RUL1L2L3RURUL1L2L3單相電路中的接法三相電路中的Y形接法三相電路中的△形接法壓敏感電阻是一種非線性電阻,它具有正反向相同的很陡的電壓電流特性。正常工作時(shí)，壓敏電阻沒有擊穿，通過(guò)很小的電流；當(dāng)有電壓超過(guò)其額定電壓時(shí)，可通過(guò)高達(dá)數(shù)千安的放電電流，之后又恢復(fù)正常。2、過(guò)電流保護(hù)（1）過(guò)流產(chǎn)生的原因及后果原因：負(fù)載過(guò)載短路其他晶閘管擊穿觸發(fā)電路使晶閘管誤觸發(fā)后果：晶閘管的熱容量較小，當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度升高，若超過(guò)允許值，晶閘管會(huì)損壞。（2）過(guò)流保護(hù)的作用一旦有過(guò)電流產(chǎn)生威脅晶閘管時(shí)，能在允許時(shí)間內(nèi)快速地將過(guò)電流切斷，以防晶閘管損壞。（3）保護(hù)方法FUFUFUFURLFURLFURLFU交流側(cè)保護(hù)直流側(cè)保護(hù)直接保護(hù)采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)熔斷速度很快§6-5晶閘管的觸發(fā)電路觸發(fā)電路：為晶閘管提供觸發(fā)信號(hào)的電路對(duì)觸發(fā)電路的要求：與主電路同步能平穩(wěn)移相，且有足夠的移相范圍脈沖前沿陡，且有足夠的幅值與脈寬穩(wěn)定性與抗擾性能好觸發(fā)電路的分類：?jiǎn)谓Y(jié)晶體管觸發(fā)電路和集成觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1、單結(jié)晶體管（1）單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)EB1B2V一個(gè)PN結(jié)三個(gè)電極：?jiǎn)谓Y(jié)晶體管一個(gè)發(fā)射極，兩個(gè)基極雙基極二極管結(jié)構(gòu)符號(hào)EB2B1ARB2RB1VD等效電路（2）單結(jié)晶體管的伏安特性曲線EB2B1ARB2RB1VDUEUBB++--VPIVIPUVUP截止區(qū)負(fù)阻區(qū)飽和區(qū)uEiE0η—分壓比，其值一般為0.3~0.9當(dāng)UE<UA時(shí)，PN結(jié)反向截止，單結(jié)晶體管截止當(dāng)UE≥UA時(shí)，PN結(jié)正向?qū)?，IE顯著增加，RB1迅速減小，UE下降——負(fù)阻特性管子由截止區(qū)進(jìn)入負(fù)阻區(qū)的臨界點(diǎn)——峰點(diǎn)，用P表示峰點(diǎn)電壓：峰點(diǎn)電流：IP當(dāng)UE下降至谷點(diǎn)時(shí)，谷點(diǎn)電壓為UV，谷點(diǎn)電流為IV過(guò)了V點(diǎn)后，管子又恢復(fù)正向特性。隨IE增大，UE略有增大——飽和區(qū)UP是管子由截止轉(zhuǎn)導(dǎo)通的臨界點(diǎn)工作區(qū)UV是維持管子導(dǎo)通的臨界點(diǎn)最小發(fā)射極電壓?jiǎn)谓Y(jié)晶體管的工作特點(diǎn)：當(dāng)發(fā)射極電壓等于峰點(diǎn)電壓UP時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通。導(dǎo)通后，發(fā)射極電壓UE減小，當(dāng)發(fā)射極電壓減小到谷點(diǎn)電壓UV時(shí)，管子又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂埂谓Y(jié)晶體管的型號(hào)：BT31、BT33、BT35等。其中，B——半導(dǎo)體，T——特種管，3——3個(gè)電極，第四個(gè)數(shù)字——耗散功率，分別為100mW、300mW、500mW。（3）單結(jié)晶體管管腳的辨別2、單結(jié)晶體管振蕩電路UBBCRERPR2R1EB2B1V單結(jié)晶體管振蕩電路tuR10充電充電充電放電放電放電tuE0UPUV+-接通電源后，UBB經(jīng)RP、RE給電容C充電，uC按指數(shù)規(guī)