晶閘管及其應用94573課件

晶閘管及其應用晶閘管可控整流電路晶閘管（Silicon

ControlledRectifier）

晶閘管是在晶體管基礎上發(fā)展起來的一種大功率半導體器件。它的出現(xiàn)使半導體器件由弱電領域擴展到強電領域。晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向導電性，但它的導通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調壓及開關等方面。

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（正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏）。

優(yōu)點：G控制極基本結構K陰極G陽極

AP1P2N1N2四層半導體晶閘管是具有三個PN結的四層結構,其外形、結構及符號如圖。(c)結構KGA(b)符號(a)外形晶閘管的外形、結構及符號三個

PN

結T1T2工作原理A在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R晶閘管導通后，去掉EG，依靠正反饋，仍可維持導通狀態(tài)。工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過程晶閘管導通的條件：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)。

晶閘管導通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。晶閘管關斷的條件：

1.必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應不能維持。

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。（1）電壓定額斷態(tài)重復峰值電壓UDRM

——斷態(tài)重復峰值電壓是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的正向峰值電壓。國標規(guī)定重復頻率為50Hz，每次持續(xù)時間不超過10ms。規(guī)定斷態(tài)重復峰值電壓UDRM為斷態(tài)不重復峰值電壓（即斷態(tài)最大瞬時電壓）UDSM的90%。斷態(tài)不重復峰值電壓應低于正向轉折電壓Ub0，所留余量大小由生產廠家自行規(guī)定。反向重復峰值電壓URRM

——是在門極斷路而結溫為額定值時，允許重復加在器件上的反向峰值電壓。規(guī)定反向重復峰值電壓URRM為反向不重復峰值電壓（即反向最大瞬態(tài)電壓）URSM的90%。反向不重復峰值電壓應低于反向擊穿電壓，所留余量大小由生產廠家自行規(guī)定。主要參數(shù)通態(tài)（峰值）電壓UTM

——這是晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量，一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓的2～3倍。額定電壓UTN=（2～3）

UTM（2）電流定額

通態(tài)平均電流IT(AV)——國標規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為40C和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結溫不超過額定結溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標稱其額定電流的參數(shù)。同電力二極管一樣，這個參數(shù)是按照正向電流造成的器件本身的通態(tài)損耗的發(fā)熱效應來定義的。因此在使用時，同樣應該按照實際波形的電流與通態(tài)平均電流所造成的發(fā)熱效應相等，即有效值相等的原則來選取晶閘管的此項電流定額，并應留一定裕量。一般取其通態(tài)平均電流為按此原則所得計算結果的1.5—2倍。維持電流

IH

——使晶閘管維持導通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安，與結溫有關。結溫越高，則IH越小。擎住電流IL——晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。

主要參數(shù)UDRM:正向重復峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UDRM

=80%UB0

。普通晶閘管UDRM

為100V—3000V反向重復峰值電壓控制極開路時,允許重復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及標準散熱條件下，晶閘管處于全導通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。

IT：ITt2如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IT為1A—1000A。IH:

維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。IL:擎住電流晶閘管剛從斷態(tài)轉入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常IL約為IH的2~4倍。晶閘管型號及其含義導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K--快速晶閘管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?？煽卣麟娐穯蜗喟氩煽卣?/p>

1.電阻性負載(1)電路

u

>0時：若ug=0，晶閘管不導通，u

<0時:晶閘管承受反向電壓不導通,

uo=0,uT=u，故稱可控整流。控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導通，uuoRL+–+uT+––Tio(2)工作原理t12u

<

0時:

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

>0時:tO兩個重要的基本概念：

控制角：從晶閘管開始承受正向電壓起到觸發(fā)脈沖出現(xiàn)之前的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或觸發(fā)延遲角。

導通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度稱為，用θ表示

。(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。

這種通過控制觸發(fā)脈沖的相位來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡稱相控方式。uAuB000uguwtwtuAuBRd畫出Rd兩端電壓波形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正向導通,晶閘管承受反向電壓關斷,電感元件L釋放能量形成的電流經D構成回路(續(xù)流),負載電壓uo波形與電阻性負載相同(見波形圖)。3.電感性負載(加續(xù)流二極管)+–(1)電路(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO單相全波可控整流大電感負載無續(xù)流二極管有續(xù)流二極管單相半控橋式整流電路1.電路2.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導通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(1)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導通，電流的通路為(2)電壓u為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。ttOtO3.工作波形2動畫tO4.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.晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-電路特點1.該電路接入電感性負載時，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。(2)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+-+-自然換相點：假設將電路中的晶閘管換作二極管，成為三相半波不可控整流電路

一周期中，在wt1~wt2期間：

VT1導通，ud=ua

在wt2~wt3期間：

VT2導通，ud=ub在wt3~wt4

期間：VT3導通，ud=uc二極管換相時刻為自然換相點，是各相晶閘管能觸發(fā)導通的最早時刻，將其作為計算各晶閘管觸發(fā)角a的起點，即a

=0。三相半波不可控整流電路a

=0時的工作原理分析晶閘管VT1的電壓波形由3段組成：第1段，VT1導通期間，為管壓降，可近似為uT1=0。第2段，在VT1關斷后，VT2導通期間，uT1=ua-ub=uab，為一段線電壓。第3段，在VT3導通期間，uT1=ua-uc=uac為另一段線電壓。a=30時的波形負載電流處于連續(xù)和斷續(xù)之間的臨界狀態(tài)。a>30的情況特點：負載電流斷續(xù)，晶閘管導通角小于120。三相半波可控整流電路三相半波可控整流電路，電阻負載，a=30時的波形三相半波可控整流電路，

電阻負載，a=60時的波形a在0~150間變化0°≤α≤30°30°≤α≤150°阻感負載特點：阻感負載，L值很大，id波形基本平直。a

≤30時：整流電壓波形與電阻負載時相同。a

>30時（如a

=60時的波形如圖所示）。u2過零時，VT1不關斷，直到VT2的脈沖到來，才換流，由VT2導通向負載供電，同時向VT1施加反壓使其關斷—ud波形中出現(xiàn)負的部分id波形有一定的脈動，但為簡化分析及定量計算，可將id近似為一條水平線。阻感負載時的移相范圍為0~90。三相橋式全控整流電路三相橋是應用最為廣泛的整流電路三相橋式全控整流電路原理圖共陰極組——陰極連接在一起的3個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組——陽極連接在一起的3個晶閘管（VT4，VT6，VT2）導通順序：VT1－〉VT2－〉VT3－〉VT4－〉VT5－〉VT6自然換向時，每時刻導通的兩個晶閘管分別對應陽極所接交流電壓值最高的一個和陰極所接交流電壓值最低的一個1.帶電阻負載時的工作情況當a≤60時，ud波形均連續(xù)，對于電阻負載，id波形與ud波形形狀一樣，也連續(xù)見波形圖：a=0a=30a=60當a>60時，ud波形每60中有一段為零，ud波形不能出現(xiàn)負值見波形圖：a=90

a角的移相范圍是0~120三相橋式全控整流電路

帶電阻負載a=0時的波形三相橋式全控整流電路晶閘管及輸出整流電壓的情況如表所示

時段IIIIIIIVVVI共陰極組中導通的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導通的晶閘管VT6VT2VT2VT4VT4VT6整流輸出電壓udua-ub=uabua-uc=uacub-uc=ubcub-ua=ubauc-ua=ucauc-ub=ucb三相橋式全控整流電路

帶電阻負載a=30時的波形三相橋式全控整流電路

帶電阻負載a=60時的波形三相橋式全控整流電路

帶電阻負載a=90時的波形a角的移相范圍是0~90三相橋式全控整流電路的特點（1）2管同時導通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各1，且不能為同1相器件。（2）對觸發(fā)脈沖的要求：

按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依次差60。共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差120，共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下兩個橋臂，即VT1與VT4，VT3與VT6，VT5與VT2，脈沖相差180。（3）ud一周期脈動6次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為6脈波整流電路。

（4）需保證同時導通的2個晶閘管均有脈沖可采用兩種方法：寬脈沖觸發(fā)

雙脈沖觸發(fā)（常用）

（5）晶閘管承受的電壓波形與三相半波時相同，

晶閘管承受最大正、反向電壓的關系也相同。2.阻感負載時的工作情況a

≤60時（

a

=0

；

a

=30

）ud波形連續(xù)，工作情況與帶電阻負載時十分相似。各晶閘管的通斷情況、輸出整流電壓ud波形、

晶閘管承受的電壓波形區(qū)別在于：得到的負載電流id波形不同。

當電感足夠大的時候，

id的波形可近似為一條水平線。a>60時（

a

=90）阻感負載時的工作情況與電阻負載時不同。電阻負載時，ud波形不會出現(xiàn)負的部分阻感負載時，ud波形會出現(xiàn)負的部分。a角移相范圍為0~90

。主要包括三相橋式全控整流電路

帶阻感負載a=0時的波形三相橋式全控整流電路

帶阻感負載a=30時的波形三相橋式整流電路

帶阻感負載，a=90時的波形*三相橋式全控整流大電感負載電路工作于整流狀態(tài)時，其觸發(fā)延遲角α的最大移相范圍為0。~90。。*若加到晶閘管兩端電壓的上升率過大，就可能造成晶閘管誤導通。*在型號KP10－12G中，數(shù)字10表示（）A.額定電壓10VB.額定電流10AC.額定電壓1000VD.額定電流100A*三相全控橋接大電感負載時，晶閘管的導通角為（A）。A．小于900B．900C．大于900D．1200*三相半控橋整流電路晶閘管承受的最大正反向電壓為（A）。A、√6U2ΦB、√3U2ΦC、√2U2ΦD、U2Φ*三相全控橋整流電路當控制角a=00時，空載整流輸出電壓平均值為（D）。A、0.45U2ΦB、0.9U2Φ