第10章 晶體管及其基本電路

1、石家莊鐵道學(xué)院第十章第十章 晶閘管及其基本電路晶閘管及其基本電路 半導(dǎo)體器件向兩個(gè)方向發(fā)展：微電子和電力電子半導(dǎo)體器件向兩個(gè)方向發(fā)展：微電子和電力電子 1：微電子向微觀發(fā)展：微電子向微觀發(fā)展-集成電路。主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變集成電路。主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換和傳遞。換和傳遞。 2：電力電子向大功率發(fā)展：電力電子向大功率發(fā)展-晶閘管。主要實(shí)現(xiàn)電功率晶閘管。主要實(shí)現(xiàn)電功率的變換和控制；即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電的傳輸，但用弱電控制。的變換和控制；即實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電的傳輸，但用弱電控制。電力變換的種類：電力變換的種類：輸出輸入交流直流直流整流直流斬波交流變頻逆變石家莊鐵道學(xué)院電力電子學(xué)的定義：由電力學(xué)、電子學(xué)和控制電力電子學(xué)的定義：由

2、電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論三門學(xué)科交叉形成的學(xué)科，是研究采用功理論三門學(xué)科交叉形成的學(xué)科，是研究采用功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換、控制以及大功率率半導(dǎo)體器件進(jìn)行功率變換、控制以及大功率電路開關(guān)的技術(shù)及其應(yīng)用范圍的學(xué)科。電路開關(guān)的技術(shù)及其應(yīng)用范圍的學(xué)科。 晶閘管的優(yōu)點(diǎn)：晶閘管的優(yōu)點(diǎn)： 1）用弱電信號(hào)控制大功率的電能傳輸。）用弱電信號(hào)控制大功率的電能傳輸。 2）控制靈敏，反應(yīng)快?？刂茣r(shí)導(dǎo)通及截止快）控制靈敏，反應(yīng)快。控制時(shí)導(dǎo)通及截止快（微秒級(jí)）。（微秒級(jí)）。 3）損耗小，效率高（壓降僅）損耗小，效率高（壓降僅1V）。）。 4）體積小，重量輕。）體積小，重量輕。石家莊鐵道學(xué)院 晶閘管的缺點(diǎn)： 1）過載能

3、力差。過電流，過電壓時(shí)容易損壞，要采用保護(hù)措施，使用的電壓及電流要留余量。 2）抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響。 3）導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，產(chǎn)生高次諧波分量，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。 4）控制電路復(fù)雜。目前的許多大功率器件已經(jīng)克服了這些缺點(diǎn)。石家莊鐵道學(xué)院 10.1 電力半導(dǎo)體器件分類：1.不可控器件，例如功率二極管2.半控型器件，例如可控硅（SCR)3.全控型器件，GTO，GTR，功率MOSFET，IGBT石家莊鐵道學(xué)院石家莊鐵道學(xué)院 10.1.1 10.1.1 晶閘管（晶閘管（Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled RectifierSCR)

4、SCR) 1. 1.晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)：是可控制的硅整流元件晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)：是可控制的硅整流元件-可控硅。可控硅。3個(gè)PN結(jié)的四層三端元件石家莊鐵道學(xué)院2.晶閘管的工作原理： 晶閘管具有可控的單向?qū)щ娦浴?1）可控性：既當(dāng)控制極（G）加電壓才導(dǎo)通。 2）單向?qū)ǎ悍聪螂妷簳r(shí)不導(dǎo)通。石家莊鐵道學(xué)院將晶閘管等效地看成是兩將晶閘管等效地看成是兩只晶體管的組合只晶體管的組合:一只為一只為PNP型晶體管型晶體管,另一只為另一只為NPN型晶體管型晶體管.中間的中間的PN結(jié)為兩管共用結(jié)為兩管共用.在在A-K和和G-K之間加上正向之間加上正向電壓電壓,會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋,循環(huán)下去循環(huán)下去

5、,晶閘管就導(dǎo)通了晶閘管就導(dǎo)通了.思考題:什么是閘流特性?石家莊鐵道學(xué)院晶閘管的特性： 1）起始時(shí)若控制極不加電壓，則無論陽極加正向電壓或反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通。 2）晶閘管的陽極和控制極同時(shí)加正向電壓晶閘管才導(dǎo)通，晶閘管導(dǎo)通同時(shí)具備的兩個(gè)條件。 3）晶閘管導(dǎo)通后，控制極就失去了作用；要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷，就要將晶閘管的正向電壓降到一定值（正向電壓關(guān)斷或正向電壓反向）。 晶閘管PN結(jié)間可通過幾十A幾千A的電流。石家莊鐵道學(xué)院3.晶閘管的伏安特性：(1)伏安特性伏安特性:晶閘管陽極電晶閘管陽極電壓與陽極電流的關(guān)系曲線壓與陽極電流的關(guān)系曲線.(2)伏安特性上幾個(gè)點(diǎn)伏安特性上幾個(gè)點(diǎn):正向轉(zhuǎn)折電壓

6、正向轉(zhuǎn)折電壓UBO(正向不正向不重復(fù)峰值電壓重復(fù)峰值電壓UDSM);正向重復(fù)峰值電壓正向重復(fù)峰值電壓UDRM;UDRM約為約為UBO的的80%.石家莊鐵道學(xué)院4)晶閘管的主要參數(shù)(1)額定電壓-正向或反向重復(fù)峰值電壓UDRM或URRM它的值是伏安特性中正反向轉(zhuǎn)折電壓的80%.一般選擇額定電壓為晶閘管在電路中承受的正常峰值電壓的2倍.(2)額定電流-通態(tài)平均電流IT晶閘管額定電流是指環(huán)境溫度40度,規(guī)定的冷卻條件下,電阻性負(fù)載,單相正弦半波電流的平均值.石家莊鐵道學(xué)院額定電流額定電流IT的選取：的選?。?7. 1 KIITe57. 1K)25 . 1 (57. 1)25 . 1 ()25 . 1

7、 (deTTIIIIeImmTIttdII)(sin2102)(sin21022mmeIttdII正弦半波電流的平均值其有效值故式中，K為波形系數(shù)為確保安全可靠地工作，一般按下式來選晶閘管，即式中， 為實(shí)際通過晶閘管的電流有效值， 為晶閘管允許的電流平均值， 為實(shí)際流過晶閘管的電流平均值。TIdI 顯然，波形系數(shù)K值是與電路結(jié)構(gòu)和導(dǎo)通角有關(guān)的，可查手冊(cè)選取。石家莊鐵道學(xué)院10.1. 其他電力半導(dǎo)體器件.雙向晶閘管：用于交流電路。相當(dāng)于兩只普通的晶閘管的反并聯(lián)，或叫交流晶閘管?？刂茦O對(duì)電源的兩個(gè)半周均有觸發(fā)控制作用。石家莊鐵道學(xué)院.可關(guān)斷晶閘管（GTO)(1)GTO的控制極可以控制元件的導(dǎo)通和關(guān)

8、斷，而晶閘管控制極只能控制元件的導(dǎo)通。優(yōu)點(diǎn)：（1）只要在GTO的控制極加不同極性的脈沖觸發(fā)信號(hào)就可以控制其導(dǎo)通與斷開。（2）動(dòng)態(tài)特性比晶閘管好，導(dǎo)通時(shí)間差不多，而關(guān)斷時(shí)間短。不足：GTO所需的控制電流遠(yuǎn)較晶閘管大，例如，額定電流相同的GTO與晶閘管相比較，如果晶閘管需要30A的控制觸發(fā)電流則GTO約需要20mA才能動(dòng)作。石家莊鐵道學(xué)院.功率晶體管：適用于高電壓和高電流的晶體管。功率晶體管：適用于高電壓和高電流的晶體管。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）正向壓降小，功耗小。）正向壓降小，功耗小。（2）當(dāng)基極電流消失或反相時(shí)，晶體管立即截止，因）當(dāng)基極電流消失或反相時(shí)，晶體管立即截止，因而不存在關(guān)斷問題。而不存在

9、關(guān)斷問題。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：（1）電壓和電流額定值低；）電壓和電流額定值低；（2）基極功耗較大。）基極功耗較大。石家莊鐵道學(xué)院10.1.3 電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展現(xiàn)狀電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展現(xiàn)狀五個(gè)階段：五個(gè)階段：（1）二極管和晶閘管）二極管和晶閘管（2）功率）功率MOSFET，GTO，GTR（3）絕緣柵雙極晶體管（）絕緣柵雙極晶體管（ IGBT ）（4）新的大功率型器件：對(duì)稱柵極換流晶體管）新的大功率型器件：對(duì)稱柵極換流晶體管（SGCT），集成門極換向晶體管（），集成門極換向晶體管（IGCT）。）。高集成度模塊化是另一個(gè)發(fā)展方向，如智能功率模塊高集成度模塊化是另一個(gè)發(fā)展方向，如智能功率模塊（IPM)。（

10、5）功率集成電路（）功率集成電路（PIC）及其派生器件）及其派生器件將電力電子器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診將電力電子器件與邏輯、控制、保護(hù)、傳感、檢測(cè)、自診斷等信息電子電路集成在同一芯片上。斷等信息電子電路集成在同一芯片上。石家莊鐵道學(xué)院 10. 單相可控整流電路可組成單相半波，單相橋式，三相零式和三相橋式整流電路。10.1 單相半波可控整流電路1.帶電阻負(fù)載的可控整流電路：石家莊鐵道學(xué)院石家莊鐵道學(xué)院.帶電感性負(fù)載的可控整流電路：石家莊鐵道學(xué)院.帶電感性負(fù)載的可控整流電路（加續(xù)流二極管）：石家莊鐵道學(xué)院例例:單相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載單相半波可控整流電路帶電阻負(fù)載,已知已知:

11、U2=220V,輸出直流電壓輸出直流電壓50V,輸出直流電流輸出直流電流20A.求求(1)晶閘管的控制角晶閘管的控制角;(2)電流有效值電流有效值;(3)選用選用晶閘管。晶閘管。(2)電流有效值電流有效值(3)晶閘管允許的電流平均值晶閘管允許的電流平均值2cos145. 02UUd01U45. 02cos2dU090AKIIde4 .442022. 2K值查表得來AKIIdT3 .2857. 122. 22057. 1AIITT)6 .565 .42()25 . 1 (額定電壓VUUDRM622222選 KP-50/700石家莊鐵道學(xué)院10. 單相橋式可控整流電路.單相半控橋式整流電路；）.電

12、阻性負(fù)載；石家莊鐵道學(xué)院）.電感性負(fù)載；石家莊鐵道學(xué)院）.反電勢(shì)負(fù)載石家莊鐵道學(xué)院電流是斷續(xù)的,加平波電抗器后,負(fù)載的電流是連續(xù)的石家莊鐵道學(xué)院2.單相全控橋式整流電路： 用兩只晶閘管代替半控橋中的兩只二極管即組成全控橋。帶電阻負(fù)載時(shí)電路的輸出與半控橋相同。帶電感負(fù)載且沒有續(xù)流二極管，電壓波形會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。石家莊鐵道學(xué)院10.3 三相可控整流電路10.3.1 三相半波可控整流電路 變壓器的副邊接成星形，有公共零點(diǎn)，也叫三相零式電路。負(fù)載上的電壓為電源的相電壓。改變觸發(fā)脈沖的相位可得到不同的直流電壓。1.電阻性負(fù)載：相鄰兩相的電壓波形交點(diǎn)為自然換相點(diǎn)?？刂平菑淖匀粨Q相點(diǎn)算起。三相觸發(fā)角相差2/3。

13、 石家莊鐵道學(xué)院1）當(dāng)=0時(shí)：石家莊鐵道學(xué)院2）當(dāng)0/6時(shí)：石家莊鐵道學(xué)院3）當(dāng)/6 5/6時(shí)：當(dāng)=5/6時(shí)，Ud=0。電阻負(fù)載時(shí), 的移相范圍為05/6石家莊鐵道學(xué)院2.電感性負(fù)載：由于電感的作用,電流的變化落后于電壓的變化.石家莊鐵道學(xué)院當(dāng)=/2時(shí)，Ud=0。三相半波整流電路帶電感負(fù)載時(shí), 的移相范圍為0/2.當(dāng)=/3時(shí)三相半波整流電路只用三只晶閘管，但晶閘管承受的反向電壓高.石家莊鐵道學(xué)院10.3.2 三相橋式全控整流電路 對(duì)于共陰極組的晶閘管而言某一相電壓較其他兩相為正,同時(shí)又有觸發(fā)脈沖,該相晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通；對(duì)于共陽極組的晶閘管而言某一相電壓較其他兩相為負(fù),同時(shí)又有觸發(fā)脈沖,該相晶閘管

14、觸發(fā)導(dǎo)通.石家莊鐵道學(xué)院三相全控橋式整流電路是三相半波整流電路的兩倍.電阻性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)的輸出電壓：cos34. 22UUd石家莊鐵道學(xué)院 三相橋式全控整流電路輸出電壓數(shù)值等于共陰極組與共陽極組輸出電壓之和，即為線電壓.石家莊鐵道學(xué)院10.4 逆變器逆變器整流器定義：整流器定義：交流交流-直流稱整流直流稱整流逆變器定義：逆變器定義：直流直流-交流稱逆變交流稱逆變變流器定義變流器定義: 既能整流既能整流,又能逆變的為變流器又能逆變的為變流器.逆變器分類：有源逆變和無源逆變逆變器分類：有源逆變和無源逆變 逆變后的交流返回電網(wǎng)的稱有源逆變逆變后的交流返回電網(wǎng)的稱有源逆變; 供給負(fù)載的稱無源逆變供給

15、負(fù)載的稱無源逆變.石家莊鐵道學(xué)院10.4.1 有源逆變電路1.1.整流狀態(tài)（整流狀態(tài)（0a/20a/2）（/2a/2a1時(shí)為諧波。)sin()(10nnntnAaty石家莊鐵道學(xué)院幾個(gè)基本概念：載波信號(hào)：高頻振蕩信號(hào)稱為載波信號(hào)。調(diào)制信號(hào)：緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。調(diào)制：利用緩變信號(hào)來控制調(diào)節(jié)高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)，使其按緩變信號(hào)的規(guī)律變化。 調(diào)制波：載波被緩變信號(hào)調(diào)制后稱為調(diào)制波。 (2) 脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制(PWM)和和SPWM石家莊鐵道學(xué)院10.5 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。比較常用的觸發(fā)電路有下面幾種。 (1)單結(jié)晶體管觸發(fā)電路，是最早應(yīng)用的、

16、基本的、常用的一種。它的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，可靠性高，適用于中小容量的晶閘管電路。缺點(diǎn)是輸出脈沖不夠?qū)挕?(2)小容量晶閘管觸發(fā)電路，其輸出脈沖用于觸發(fā)大功率晶閘管。其優(yōu)點(diǎn)是簡單，可靠，觸發(fā)功率大，可得到寬脈沖。缺點(diǎn)是需要單結(jié)晶體管觸發(fā)小容量晶閘管，用的元件比較多。 (3)晶體管觸發(fā)電路。它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，容易實(shí)現(xiàn)，輸出功率比較大。所以，應(yīng)用很廣，特別廣泛用于多相電路中。晶體管組成的觸發(fā)電路種類很多，常用的有正弦波移相和鋸齒波移相兩種?，F(xiàn)已生產(chǎn)出單片集成晶閘管觸發(fā)電路。 石家莊鐵道學(xué)院10.5.1 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求 為了保證晶閘管的可靠觸發(fā)，晶閘管對(duì)觸發(fā)電路有一定的要求。概括起來有： (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；(2)由于晶閘管從截止?fàn)顟B(tài)到完全導(dǎo)通需要一定的時(shí)間(一般在10us以下)，因此，觸發(fā)脈沖的寬度(圖1039中的t1)必須在10us以上(最好有20s50s)，才能保證晶閘管可靠觸發(fā)； (3)不觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)該小于015V020V，為了提高抗干擾能力，避免誤觸