晶閘管可控整流電路課件

13.1

電力電子器件13.2

晶閘管可控整流電路（AC-DC）13.3晶閘管的觸發(fā)電路利用電力電子器件實(shí)現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的電能變換，它是將一種形式的工業(yè)電能轉(zhuǎn)換成另一種形式的工業(yè)電能。例如，將交流電能變換成直流電能或?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成交流電能；將工頻電源變換為設(shè)備所需頻率的電源；在正常交流電源中斷時(shí)，用逆變器將蓄電池的直流電能變換成工頻交流電能。應(yīng)用電力電子技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)非電能與電能之間的轉(zhuǎn)換。例如，利用太陽電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成電能。與電子技術(shù)不同，電力電子技術(shù)變換的電能是作為能源而不是作為信息傳感的載體。電力電子器件以半導(dǎo)體為基本材料，最常用的材料為單晶硅；它的理論基礎(chǔ)為半導(dǎo)體物理學(xué)。作用

優(yōu)化電能使用。通過電力電子技術(shù)對(duì)電能的處理，使電能的使用達(dá)到合理、高效和節(jié)約，實(shí)現(xiàn)了電能使用最佳化。例如，風(fēng)機(jī)水泵、電力牽引、軋機(jī)冶煉、工業(yè)窯爐、感應(yīng)加熱、電焊、化工、電解等行業(yè)，都有很大的潛在節(jié)電，所以推廣應(yīng)用電力電子技術(shù)是節(jié)能的一項(xiàng)戰(zhàn)略措施。(2)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和發(fā)展機(jī)電一體化等新興產(chǎn)業(yè)。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的媒體，是機(jī)電設(shè)備與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，它為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)采用微電子技術(shù)創(chuàng)造了條件，成為發(fā)揮計(jì)算機(jī)作用的保證和基礎(chǔ)。(3)電力電子技術(shù)高頻化和變頻技術(shù)的發(fā)展，將使機(jī)電設(shè)備突破工頻傳統(tǒng)，向高頻化方向發(fā)展。實(shí)現(xiàn)最佳工作效率，將使機(jī)電設(shè)備的體積減小，響應(yīng)速度達(dá)到高速化。

(4)電力電子智能化的進(jìn)展，使微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)一體化，其發(fā)展有可能引起電子技術(shù)的重大改革。應(yīng)用領(lǐng)域

一般工業(yè)：

交直流電機(jī)、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運(yùn)輸：電氣化鐵道、電動(dòng)汽車、航空、航海電力系統(tǒng)：

高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補(bǔ)償電子裝置電源：

為信息電子裝置提供動(dòng)力

家用電器：

“節(jié)能燈”、變頻空調(diào)其他：

UPS、航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置一、電力電子器件的分類

1.不控器件，如整流二極管。

2.半控器件，如普通晶閘管。

3.全控器件，如可關(guān)斷晶閘管、功率晶閘管等。

電壓、電流、工作頻率

電力電子器件的主要性能指標(biāo)：13.1

電力電子器件二、晶閘管（可控硅）-半控型器件

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(shí)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(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、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(diǎn)：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(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖。(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(hào)(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)三個(gè)

PN

結(jié)晶閘管實(shí)驗(yàn)S

+L-+-EAEGKPEA

加正壓，S斷開EA

加正壓，

S閉合KP導(dǎo)通后，S再斷開L不亮

L亮

L仍亮KP截止KP導(dǎo)通KP仍導(dǎo)通

EA

加反壓（S閉合或斷開）

如EG

加反壓無論EA

是正或負(fù)

L不亮L不亮KP截止

KP截止2.工作原理晶閘管導(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：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。P1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK2.工作原理分析T1T22.工作原理分析A依靠正反饋，在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)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+_RT2正偏T2進(jìn)一步導(dǎo)通…依靠正反饋，晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG

，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。2.

工作原理分析GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過程由于iB1≈iC2，iB2≈iC1，可使iG=03.伏安特性正向特性反向特性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U4.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(shí),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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(hào)及其含義導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級(jí),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。*二、雙向晶閘管A2A1GKAG*三、可關(guān)斷晶閘管uA＞0時(shí)，uG＞0，管子導(dǎo)通；uA＞0時(shí)，uG＜0，管子截止。相當(dāng)于兩個(gè)反向晶閘管并聯(lián)，兩者共用一個(gè)控制極。13.2

可控整流電路一、單相半波可控整流

1.電阻性負(fù)載(1)

電路

u

>0時(shí)：若ug=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時(shí):

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

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

<

0時(shí):

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(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通tOu

>0時(shí):tOtO

接電阻負(fù)載時(shí)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改變控制角，可改變輸出電壓Uo,移相范圍晶閘管平均電流ID=IO晶閘管正向陽極電壓最大值負(fù)載直流電流晶閘管反向陽極電壓最大值（5）主要參數(shù)負(fù)載直流電壓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(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?/p>

在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(shì)(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。uuoR+–+uT+––TLeL--tOtOtOt1tOt22

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

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時(shí)：

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)iLttOtO2tO

加續(xù)流二極管整流輸出電壓及電流的平均值與電阻性負(fù)載相同改變控制角，可改變輸出電壓Uo,移相范圍二、單相全控橋式整流電路1.電阻負(fù)載工作原理T1和DT4承受正向電壓。

加觸發(fā)電壓,則T1和

T4導(dǎo)通，電流的通路為aRLT4T1b(1)電壓u

為正半周時(shí)io+–+–T1T2RLuoT3T4au+–b此時(shí)，T2和T3均承受反向電壓而截止。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–bT2和T3承受正向電壓。

控制極加觸發(fā)電壓,則T2和T3導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRLT3T2a此時(shí)，T1和T4均承受反向電壓而截止。ttOtO3.工作波形2tO移相范圍4.輸出電壓及電流的平均值（5）主要參數(shù)UO負(fù)載直流電壓負(fù)載直流電流=0.9U2

1+cos2IO=UORL二極管和晶閘管平均電流ID=IT=0.5IO晶閘管反向陽極電壓最大值晶閘管正向陽極電壓最大值4.輸出電壓及電流的平均值（5）主要參數(shù)UO負(fù)載直流電壓負(fù)載直流電流=0.9U2

1+cos2IO=UORL二極管和晶閘管平均電流ID=IT=0.5IO晶閘管電流有效值二極管反向陽極電壓最大值晶閘管反向陽極電壓最大值晶閘管正向陽極電壓最大值2.

大電感負(fù)載P281io+–T1T2Ruoau+–b–LT4T3移相范圍:00~900三、單相半控橋式整流電路1.電阻負(fù)載工作原理T1和D2承受正向電壓。

T1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(1)電壓u

為正半周時(shí)io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時(shí)，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(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRLD1T2a此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。ttOtO3.工作波形2tO2.大電感負(fù)載P283io+–T1T2RuoD1D2au+–b–L思考：如圖所示的整流電路中，增加控制角α?xí)r，導(dǎo)通θ增加還是減少？負(fù)載直流電壓如何變化？【答】α增大時(shí)，θ減小，負(fù)載直流電壓UO減小。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b思考：如圖所示的整流電路中，α=60°和120°時(shí)，負(fù)載電壓UO的最大值是否相同?圖b【答】負(fù)載電壓UO的最大值不相同。如圖b所示。io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b【例】io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b解：=1800(=00)時(shí)，U0=180V,I0=6A晶閘管選KP5-7型，二極管選2CZ5/300例:有一電阻性直流負(fù)載，RL=10Ω，要求負(fù)載的端電壓UO在40~120V之間可調(diào)，若采用單相半控橋式整流電路供電，求（1）U2

（2）控制角的變化范圍（3）畫出＝60o時(shí)控制極電壓Ug

、負(fù)載端電壓uo的波形。（1）設(shè)：Uo=120V時(shí)，管子全導(dǎo)通，即＝0，則這時(shí)UO=0.9U2，故~+—u2+—uoRL[解]

電路圖（3）u2t0t0t0uguo（2）可見α得變化范圍為：

例：電阻性負(fù)載兩端直流電壓為50V，電流為10A，變壓器副邊電壓有效值U2=200V，試計(jì)算采用單相半控橋式整流電路時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角以及通過晶閘管中的電流平均值，并將下列單相半控橋式整流電路連接完整。RLu2+-+-u1+兩種常用可控整流電路電路特點(diǎn)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(diǎn)1.該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，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(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。T1T2D1D2uuORL+-+-三、三相半波可控整流電路TT1T2T3iocbau+RLuo+––1.電路ua2ubuct1t2uoT1正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1導(dǎo)通，此時(shí)，T2和T3均承受反向電壓而截止。(1)a相電壓瞬時(shí)值最高期間2.工作原理T2正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2導(dǎo)通，此時(shí)，T1和T3均承受反向電壓而截止。(2)b相電壓瞬時(shí)值最高期間T3正向電壓。T3控制極加觸發(fā)電壓,則T3導(dǎo)通，此時(shí)，T1和T2均承受反向電壓而截止。(3)c相電壓瞬時(shí)值最高期間3.工作波形動(dòng)畫4.輸出電壓及電流的平均值ua2ubuct1t2uoug4.輸出電壓及電流的平均值ua2ubuct1t2uoug4.輸出電壓及電流的平均值四、三相橋式半控整流電路2.工作原理1.電路u2a2u2bu2ct1t2uoTT1RLuoD3T2T3D2D1iocbau++––19.3

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管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(hào)(b)符號(hào)B2EB12.工作原理UE<

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

UP時(shí)

–

分壓比(0.5~0.9)UP

–

峰點(diǎn)電壓UD–PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1測(cè)量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路由圖可求得3.單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點(diǎn)電壓、電流):

維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點(diǎn)電壓)：

單結(jié)管由截止變導(dǎo)通

所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點(diǎn)電壓UV谷點(diǎn)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(shí)單結(jié)管截止；UE>UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時(shí)恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(diǎn):B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)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(diǎn)電壓UP不同。3.不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV都不一樣。谷點(diǎn)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。二、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+__+_50100k3000.47F2.

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(shí),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(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)upuv3.電壓波形uCttugOO主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+三、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U2MtO2tOtO(2)