晶閘管及其基本電路課件

晶閘管及其基本電路第十章電力半導(dǎo)體器件弱電強(qiáng)電晶閘管（SiliconControlledRectifier簡(jiǎn)稱SCR）是在60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型電力半導(dǎo)體器件。優(yōu)點(diǎn)：(1)用很小的功率(電流約幾十毫安～一百多毫安，電壓約2～4V)可以控制較大的功率(電流自幾十安～幾千安，電壓自幾百伏～幾千伏)，功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬(wàn)倍；(2)控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)；(3)損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右；(4)體積小、重量輕。10.1晶閘管

晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)

晶閘管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示：其中：A—陽(yáng)極，K—陰極，G—控制極。結(jié)構(gòu)示意圖表示符號(hào)4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個(gè)PN結(jié)二、晶閘管的工作原理實(shí)驗(yàn)電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓~u2，控制極電路接入Eg，在t1瞬間合上開關(guān)S，在t4瞬間拉開開關(guān)S，則u2、ug和電阻上RL的電壓ud的波形關(guān)系如圖（b）所示。（1）在0~t1之間:開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時(shí)ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；（6）當(dāng)t=t5時(shí)，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

三、晶閘管的伏安特性

晶閘管陽(yáng)極對(duì)陰極的電壓和流過(guò)晶閘管的電流之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。

正向(uAK>0)正向阻斷狀態(tài):當(dāng)ug=0，uAK<UDSM，元件中有很小的電流（正向漏電流）流過(guò)，處于截止?fàn)顟B(tài)（稱為正向阻斷狀態(tài)），簡(jiǎn)稱斷態(tài)。正向擊穿：當(dāng)ug=0，uAK=UDSM，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。UDSM稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，或用UBO表示稱正向轉(zhuǎn)折電壓。正向?qū)顟B(tài)：ug>0，uAK>0，晶閘管導(dǎo)通，其電流的大小由負(fù)載決定，陽(yáng)極和陰極間的管壓降很小。反向(uAK<0)反向截止?fàn)顟B(tài):當(dāng)uAK<URSM，元件中有很小的反向電流（反向漏電流）流過(guò)，處于截止?fàn)顟B(tài)。反向擊穿：當(dāng)uAK=URSM，晶閘管突然由反向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)。URSM稱為反向不重復(fù)峰值電壓，或用UBR表示稱反向擊穿電壓。四、晶閘管的主要參數(shù)

一般在產(chǎn)品目錄上給出了參數(shù)的平均值或極限值，產(chǎn)品合格證上標(biāo)有元件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM

晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端的正向峰值電壓。UDRM=UDSM-100在選擇晶閘管時(shí)還要考慮留有足夠的余量，一般：晶閘管的UDRM應(yīng)等于所承受的正向電壓的（2~3）倍。

2.反向重復(fù)峰值電壓URRM

晶閘管反向截止?fàn)顟B(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽(yáng)極和陰極兩端的反向峰值電壓。URRM=URSM-10010.2單相可控整流電路整流－將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程；整流電路－將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單相三?0.2.1單相半波可控整流電路

u2－輸入電壓；ud－輸出電壓；－控制角；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。－導(dǎo)通角；是晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。對(duì)單相半波可控整流電路：一、帶電阻性負(fù)載的可控整流電路輸入電壓：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負(fù)載的可控整流電路

單相半波可控整流電路用于大電感性負(fù)載時(shí)，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。三、續(xù)流二極管的作用為了提高大電感負(fù)載時(shí)的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管措施，如圖所示。

晶閘管電流平均值：

續(xù)流二極管的電流平均值：2.電感性負(fù)載

半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時(shí)采用加接續(xù)流二極管的措施。有了續(xù)流二極管，當(dāng)電源電壓降到零時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過(guò)每只晶閘管平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：

2.電感性負(fù)載

半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時(shí)，可以不加續(xù)流二極管。這是因?yàn)樵陔娫措妷哼^(guò)零時(shí)，電感中的電流通過(guò)V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。

流過(guò)每只晶閘管平均電流：流過(guò)續(xù)流二極管的平均電流：為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用下圖的接線，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動(dòng)的直流電，然后用一只晶閘管進(jìn)行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。

3.反電勢(shì)負(fù)載

當(dāng)整流電路輸出接有電勢(shì)負(fù)載時(shí),只有當(dāng)電源電源的瞬時(shí)值大于反電勢(shì)，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢(shì)。10.2.3單相全控橋式整流電路單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。

10.3三相可控整流電路10.3.1三相半波可控整流電路

三相半波可控整流電路圖如圖所示。自然換相點(diǎn)：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設(shè)輸入電壓為：可能承受的最大反向電壓為：當(dāng)晶閘管沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管承受的最大正向電壓為:10.4逆變器

利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過(guò)程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器交流側(cè)接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為。有源逆變逆變無(wú)源逆變變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去

一、無(wú)源逆變電路的工作原理無(wú)源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開關(guān)電路來(lái)說(shuō)明。1.無(wú)源逆變器的簡(jiǎn)單工作原理2.單相晶閘管橋式逆變器二、單相無(wú)源逆變器的電壓控制

1.控制逆變器的輸入直流電壓2.在逆變器內(nèi)部的電壓控制（1）脈寬控制不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過(guò)改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。逆變器輸出電壓的幅值是通過(guò)改變脈沖總的導(dǎo)通時(shí)間與總的關(guān)斷時(shí)間的比率來(lái)控制的，這有兩種基本的方法：第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)；第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。三、無(wú)源逆變器的換相（換流）兩組晶閘管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷的過(guò)程，就是電流轉(zhuǎn)換的過(guò)程，簡(jiǎn)稱換流。但由于電流是直流電，沒(méi)有像交流電那樣電壓有過(guò)零變負(fù)的時(shí)候，所以，如不采取措施，則晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后就關(guān)斷不了。負(fù)載是由電感L和補(bǔ)償電容C組成的并聯(lián)諧振回路，Ld為限流電抗器。10.5晶閘管的觸發(fā)電路

向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。（1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路（2）小容量晶閘管觸發(fā)電路（3）晶體管觸發(fā)電路10.5.1晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求

實(shí)質(zhì)：晶閘管的可靠觸發(fā)（1）觸發(fā)電路應(yīng)能供給足夠大的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，一般要求觸發(fā)電壓應(yīng)該在4V以上，10V以下，如圖所示；（2）觸發(fā)脈沖的寬度必須在10微秒以上，如果負(fù)載是大電感，電流上升比較慢，那么，觸發(fā)脈沖的寬度還應(yīng)該增大。（3）不觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)該小于0.15V～0.20V，為了提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時(shí)可在控制極上加上一個(gè)1V～2V的負(fù)偏壓；（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，保證晶閘管的觸發(fā)時(shí)間前后一致。（5）在晶閘管整流等移相控制的觸發(fā)電路中，觸發(fā)脈沖應(yīng)該和主電路同步，脈沖發(fā)出的時(shí)間應(yīng)該能夠平穩(wěn)地前后移動(dòng)（移相），移相的范圍要足夠?qū)挕?0.5.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管是一種特殊的半導(dǎo)體器件，它有三個(gè)電極，一個(gè)發(fā)射極和兩個(gè)基極，故又叫雙基極二極管。

1.工作