晶閘管及其應(yīng)用電路

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§6-5晶閘管的觸發(fā)電路§6-6晶閘管的其他應(yīng)用電路§6-3負載對晶閘管整流的影響§6-7

雙向晶閘管簡介§6-1

晶閘管一、晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號PPNNA陽極K陰極G門極AKG晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的符號晶閘管的導(dǎo)電特點：

（1）晶閘管具有單向?qū)щ娞匦裕?）晶閘管的導(dǎo)通是通過門極控制的晶閘管導(dǎo)通的條件：（1）陽極與陰極間加正向電壓（2）門極與陰極間加正向電壓，這個電壓稱為觸發(fā)電壓。（以上兩個條件，必須同時滿足，晶閘管才能導(dǎo)通）導(dǎo)通后的晶閘管關(guān)斷的條件：（1）降低陽極與陰極間的電壓，使通過晶閘管的電流小于維持電流IH（2）陽極與陰極間的電壓減小為零（3）將陽極與陰極間加反向電壓（只要具備其中一個條件就可使導(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），而陽極A與陰極K可承受很大的電壓，通過很大的電流（電流可大到幾百安培以上），因此，晶闡管可實現(xiàn)弱電對強電的控制。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，通過的工頻正弦半波額定的平均電流，晶閘管導(dǎo)通時，A與K間的電壓平均值，習(xí)慣上稱為導(dǎo)通時的管壓降維持電流IH在規(guī)定的環(huán)境溫度下，門極斷路時，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、晶閘管的型號五、晶閘管的簡單測試§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)通所對應(yīng)的電角度。θθ導(dǎo)通角θ——晶閘管實際導(dǎo)通的角度。α+θ=π改變α的大小，即可改變輸出電壓uL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)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：電路簡單，調(diào)整方便缺點：輸出電壓脈動大，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，當控制角分別為0o、90o、120o、180o時，負載上的平均電壓分別是多少？解：α=0o時α=90o時α=120o時α=180o時改變控制角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V1、V4關(guān)斷uL=0+-+-uL+-iL負半周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)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：輸出電壓脈動小，設(shè)備利用率高缺點：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輸出電壓為150V時查表得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，晶閘管即能導(dǎo)通，作用相當于接在負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：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均為各自的自然換相點當控制角為α?xí)r+-VUWuLωt0ugΘ=1200Θ=1200Θ=1200α=0°時,工作波形θ

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

=90°θ

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

=60°VUW小結(jié):（1）改變觸發(fā)脈沖的時間，就能改變整流電路輸出電壓uL的大?。寒敠粒?°時，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，uL=0。（2）當α≤30°時，uL波形連續(xù)，（3）任一相對應(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)斷點均在下一個晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時；當α＞30°時，uL波形斷續(xù)，晶閘管關(guān)斷點均在各自相電壓過θ=120°零處，θ<120°移相范圍是α＝0°～150°（2）主要參數(shù)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：較單相整流輸出電壓大小增大，脈動性減小，電源平衡性較好缺點：如直接接電網(wǎng)，會造成電網(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為各晶閘管控制角的起點當控制角為α?xí)rαααuL+ug0ωtα=0°時,工作波形輸出波形同三相橋式整流電路θθθθ=120°ug0ωt600α=60°時,工作波形600600θ=120°θθθ0°<α≤60°輸出波形連續(xù)ug0ωtα=90°時,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)脈沖的時間，就能改變整流電路輸出電壓uL的大小：當α＝0°時，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，uL=0。α＞60°時，波形斷續(xù)，（3）任一相對應(yīng)晶閘管和二極管導(dǎo)通期間，其他晶閘管和二極管（2）當α≤60°時，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，輸出波形會發(fā)生什么現(xiàn)象？（2）主要參數(shù)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：輸出電壓較高，脈動性較小，輸出電壓連續(xù)可調(diào)范圍寬。缺點：需用三只晶閘管，需三套觸發(fā)電路.§6-3負載類型對晶閘管整流的影響一、電感性負載的影響電感性負載：電動機的勵磁繞組，各種電感線圈。V3V4V2V1RLu2L0ug0uLV1V4V1V3V2V3V2V4當電源過零時,晶閘管不能及時關(guān)斷，使晶閘管導(dǎo)通時間延長。當控制角突然增大或觸發(fā)信號突然丟失時，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)實際中,一旦發(fā)生失控,導(dǎo)通的晶閘管將因過熱而損壞,為了防止失控現(xiàn)象的發(fā)生，必須采取預(yù)防措施——在負載兩端并聯(lián)一只續(xù)流二極管。ααθθ整流續(xù)流+-uL-+

當整流元件工作時，負載電流經(jīng)電源構(gòu)成回路，當整流元件不工作時，負載中電流經(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，續(xù)流二極管的導(dǎo)通角為2π-2θ流過晶閘管和整流二極管的平均電流為：流過續(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，負載為直流電阻為5Ω的感性負載，輸入電壓U2=220V，試求控制角α=300時的輸出電壓，晶閘管中的電流平均值，續(xù)流二極管中的電流平均值。解：負載的平均電壓：負載的平均電流：流過晶閘管的平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流：二、反電動勢負載的影響V3V4V2V1u2E0uL0ugEαθ0iL當電源電壓u2>E時，加觸發(fā)信號，晶閘管才能導(dǎo)通反電動勢負載單相半控橋式整流電路當電源電壓等于E時，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勢負載的影響：采取的措施：在負載回路上串聯(lián)平波電感器，然后在其兩端再并一個續(xù)流二極管§6-4晶閘管的選擇和保護一、晶閘管的選擇二、晶閘管的保護一、晶閘管的選擇1、電壓等級的選擇2、電流等級的選擇例6-4

負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）時的控制角則考慮到整流器件上壓降等因素，U2取值比計算值高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°。試計算（1）晶閘管承受的反向峰值電壓；（2）通過晶閘管的實際工作電流，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）通過晶閘管的實際工作電流輸出的直流電壓通過負載的平均電流導(dǎo)通角通過晶閘管的實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

普通晶閘管承受過壓過流的能力很差，在使用中，除了需有充分的的余地外，還要采取一定的保護措施。1、過電壓保護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€圈上都會產(chǎn)生很高的電動勢，使晶閘管承受很高的電壓（過電壓）。（1）產(chǎn)生過電壓的原因及后果原因：后果：過電壓即使作用時間很短，也可使晶閘管誤導(dǎo)通，甚至被擊穿損壞。（2）過壓保護的方法1）阻容吸收電路RLRLRL交流側(cè)保護直流側(cè)保護直接保護2）壓敏電阻保護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，壓敏電阻沒有擊穿，通過很小的電流；當有電壓超過其額定電壓時，可通過高達數(shù)千安的放電電流，之后又恢復(fù)正常。2、過電流保護（1）過流產(chǎn)生的原因及后果原因：負載過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，當發(fā)生過電流時，溫度升高，若超過允許值，晶閘管會損壞。（2）過流保護的作用

一旦有過電流產(chǎn)生威脅晶閘管時，能在允許時間內(nèi)快速地將過電流切斷，以防晶閘管損壞。（3）保護方法FUFUFUFURLFURLFURLFU交流側(cè)保護直流側(cè)保護直接保護采用快速熔斷器進行保護熔斷速度很快§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)信號的電路對觸發(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：單結(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EB1B2V一個PN結(jié)三個電極：單結(jié)晶體管一個發(fā)射極，兩個基極雙基極二極管結(jié)構(gòu)符號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)負阻區(qū)飽和區(qū)uEiE0η—分壓比，其值一般為0.3~0.9當UE<UA時，PN結(jié)反向截止，單結(jié)晶體管截止當UE≥UA時，PN結(jié)正向?qū)?，IE顯著增加，RB1迅速減小，UE下降——負阻特性管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界點——峰點，用P表示峰點電壓：峰點電流：IP當UE下降至谷點時，谷點電壓為UV，谷點電流為IV過了V點后，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)通的臨界點工作區(qū)UV是維持管子導(dǎo)通的臨界點最小發(fā)射極電壓單結(jié)晶體管的工作特點：

當發(fā)射極電壓等于峰點電壓UP時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通。導(dǎo)通后，發(fā)射極電壓UE減小，當發(fā)射極電壓減小到谷點電壓UV時，管子又由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂?。單結(jié)晶體管的型號：BT31、BT33、BT35等。其中，B——半導(dǎo)體，T——特種管，3——3個電極，第四個數(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)律增大，當uC=UP時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，RB1迅速減小，電容通過RB1、R1迅速放電，在R1上形成脈沖波形。當uC=UV時，單結(jié)晶體管截止，放電結(jié)束，輸出電壓降為0值，完成一次振蕩。電源再次對電容充電，并重復(fù)上述過程。充電放電uR1+-

改變RP的阻值（或電容C的大?。筛淖冸娙莩潆姷目炻?，使輸出脈沖提前或移后，從而控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的時刻。越大，觸發(fā)脈沖后移，控制角增大，反之控制角減小。

利用單結(jié)晶體管的負阻特性和RC的充放電特性，組成頻率可調(diào)的振蕩電路。3、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路u1V7V8V9V10RLuL+-EB1B2R4R1RERPCV5V1V2V3V4R3u2OAB

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路t0uAt0uBt0uEUPUVt0uG

由于每半個周期內(nèi)，第一個脈沖可使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，后面的脈沖信號均不起作用。改變電容的充放電時間常數(shù)，可實現(xiàn)脈沖的移相。如：增大RP或C，使τ=（RP+RE）C增大，充電時間變長，即達到UP的時間就慢，第一脈沖輸出的時間越晚；反之，第一脈沖輸出時間越提前。

在實際工作中，通過改變RP的大小，可改變控制角的大小。4、實際應(yīng)用電路TV1V2R6V3V4V5R4R3R2R5R1ukCV6u1u2自動控制的單結(jié)晶體管觸發(fā)電路改變uk的大小可改變控制角α的大小V3相當于一個可變電阻，改變它的大小可改變控制角α的大小V5起續(xù)流作用V6保證只輸出正半周信號二、集成觸發(fā)器KJ004集成觸發(fā)器的應(yīng)用電路集成觸發(fā)器單相半波可控整流電路為V1管提供觸發(fā)信號為V2管提供觸發(fā)信號改變RP可調(diào)整控制角α的大小一、逆變器逆變：整流的逆過程。即把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷倪^程。逆變電路：把直流電逆變?yōu)榻涣麟姷碾娐贩Q為逆變電路，又稱為逆變器。逆變器有源逆變無源逆變定義：將直流電逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電，并反送回電網(wǎng)。定義：將直流電逆變?yōu)槟骋活l率的交流電，并直接供給交流負載。逆變過程：直流電→逆變器→交流電→交流電網(wǎng)逆變過程：直流電→逆變器→交流電→負載應(yīng)用：直流可逆調(diào)速系統(tǒng)，交流線繞式電動機串級調(diào)速和高壓直流輸電等。應(yīng)用：當需直流電源為交流負載供電時，變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等?！?-6晶閘管的其他應(yīng)用電路二、變頻器變頻：將某一頻率的電源轉(zhuǎn)換成另一頻率（或頻率可調(diào)）的電源。變頻器直接變頻器（交—交變頻器）間接變頻器（交—直—交變頻器）正組反組uLuLt0uLt0交—交變頻器及工作原理交—直—交變頻器及工作原理逆變器整流器uLRL+-UiV1V2V3V4頻率的大小取決于兩組電路的切換頻率。三、單相交流調(diào)壓器V1V2uiuLRLui0tuLt1t2t3ωt應(yīng)用：電動機的調(diào)壓、調(diào)速與