10.1第一節(jié)晶閘管 (2)（基礎(chǔ)教育）

1、第10章 電力電子技術(shù)了解電力電子技術(shù)的特點及發(fā)展方向；掌握晶閘管的基本工作原理、特性和主要參數(shù)的含義;掌握單相可控整流電路的工作原理、波形畫法及各電量的估算; 了解單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)及特點，理解其工作原理。電力半導(dǎo)體器件弱電強電什么是電力電子技術(shù)？信息電子技術(shù)信息處理電力電子技術(shù)電力變換電子技術(shù)一般即指信息電子技術(shù)，廣義而言，也包括電力電子技術(shù)。模擬電子技術(shù)電子技術(shù)信息電子技術(shù)電力電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù)電力電子技術(shù)使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，即應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。目前電力電子器件均用半導(dǎo)體制成，故也稱電力半導(dǎo)體器件。電力電子技術(shù)變換的“電力”，可大到數(shù)百MW甚至GW，也可小

2、到數(shù)W甚至mW級。 電力變換四大類 交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流表1 電力變換的種類逆變直流斬波直流交流電力控制變頻、變相、調(diào)壓整流交流交流直流 輸出 輸入一般工業(yè)： 交直流電機、電化學(xué)工業(yè)、冶金工業(yè)交通運輸： 電氣化鐵道、電動汽車、航空、航海電力系統(tǒng)： 高壓直流輸電、柔性交流輸電、無功補償電子裝置電源： 為信息電子裝置提供動力家用電器： “節(jié)能燈”、變頻空調(diào)其他： UPS、 航天飛行器、新能源、發(fā)電裝置電力電子技術(shù)的應(yīng)用軋鋼機數(shù)控機床冶金工業(yè)電解鋁1）一般工業(yè)2）交通運輸3）電力系統(tǒng)SVC高壓直流裝置HVDC柔性交流輸電FACTS4）電子裝置用電源程控交換機電子裝置微型計算

3、機5）家用電器6）其他大型計算機的UPS航天技術(shù)新型能源電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。晶閘管問世，(“公元元年”)IGBT及功率集成器件出現(xiàn)和發(fā)展時代晶閘管時代水銀（汞弧）整流器時代電子管問世全控型器件迅速發(fā)展時期史前期（黎明期）19041930194719571970198019902000t(年)晶體管誕生電力電子技術(shù)的發(fā)展史（Silicon Controlled Rectifier） 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)域擴展到強電領(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)通時間是可控的，主要用于整流、逆

4、變、調(diào)壓及開關(guān)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：10.1 晶閘管(SCR)1310.1 晶閘管(SCR)一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和特號3個PN結(jié)的四層三端元件AAGGKKb)AGKP1N1P2N2J1J2J3G控制極一. 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PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(c) 結(jié)構(gòu)K GA(b) 符號(a) 外形三 個PN 結(jié)10.1 晶閘管(SCR)15螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)陽極陰極控制極輔助陰極螺

5、栓形晶閘管平板形晶閘管陰極陽極控制極P1P2N1N2K GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T2二、 工作原理A 在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程KGEA 0、EG 0EGEA+_R 晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反饋過程二、 工作原理 實驗一開關(guān)S斷開：燈L不亮。S與1閉合：門極電位高于陰極電位，門極承受正壓燈L不亮。S與2閉合：門極承受反壓，燈L不亮 。結(jié)論：陽極反壓，晶閘管不導(dǎo)通

6、。若晶閘管的陽極電位低于陰極電位，無論門極電位是否高于陰極，晶閘管均不導(dǎo)通。1.晶閘管的導(dǎo)通條件 二、 工作原理 實驗二開關(guān)S斷開：燈L不亮。S與1閉合：門極電位高于陰極電位，門極承受正壓，S與2閉合：門極承受反壓，燈L不亮 。結(jié)論：陽極和門極同時承受正壓時，晶閘管導(dǎo)通 。當(dāng)晶閘管的陽極電位高于陰極電位，且僅在門極電位高于陰極時，晶閘管導(dǎo)通。燈L亮。1.晶閘管的導(dǎo)通條件 實驗三：接上實驗開關(guān)S斷開：燈L亮。S與1閉合：門極電位高于陰極電位，門極承受正壓，燈L亮。S與2閉合：門極承受反壓，燈L亮 。結(jié)論：晶閘管一旦導(dǎo)通，門極失去作用 ?？刂凭чl管的導(dǎo)通只須正向脈沖電壓稱之為觸發(fā)脈沖即可。1.晶閘

7、管的導(dǎo)通條件 簡單描述晶閘管SCR相當(dāng)于一個半可控的、可開不可關(guān)的單向開關(guān)。圖 晶閘管的工作條件的試驗電路晶閘管導(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： 1. 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。正向特性反向特性URRMUDRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正

8、向平均電流維持電流U三. 晶閘管伏安特性28晶閘管的伏安特性(1)伏安特性:晶閘管陽極電壓與陽極電流的關(guān)系曲線. (2)伏安特性上幾個點: 正向轉(zhuǎn)折電壓UBO(正向不重復(fù)峰值電壓UDSM); 正向重復(fù)峰值電壓UDRM; UDRM約為UBO的80%.四.晶閘管型號及主要參數(shù) 導(dǎo)通時平均電壓組別共九級, 用字母AI表示0.41.2V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。(1) 斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM 門極開路時，施加于晶閘管的陽極電壓

9、上升到正向伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)折處所對應(yīng)的電壓值UDSM 。它是一個不能重復(fù)，且每次持續(xù)時間不大于10ms的斷態(tài)最大脈沖電壓。 UDSM值應(yīng)小于轉(zhuǎn)折電壓Ub0。晶閘管的主要參數(shù) 晶閘管在門極開路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加于晶閘管上的正向斷態(tài)最大脈沖電壓。 每秒50次每次持續(xù)時間不大于10ms， 規(guī)定UDRM為UDSM的90%。(2) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM它是一個不能重復(fù)施加且持續(xù)時間不大于10ms的反向脈沖電壓。反向不重復(fù)峰值電壓URSM應(yīng)小于反向擊穿電壓。 門極開路，晶閘管承受反向電壓時，對應(yīng)于反向伏安特性曲線急劇轉(zhuǎn)折處的反向峰值電壓值URSM 。(3) 反向不重復(fù)峰值電壓URSM(4)

10、 反向重復(fù)峰值電壓URRM 晶閘管在門極開路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加于晶閘管上的反向最大脈沖電壓。 每秒50次每次持續(xù)時間不大于10ms。 規(guī)定URRM為URSM的90%。 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM兩者中較小的一個電壓值規(guī)定為額定電壓UR。 在選用晶閘管時，應(yīng)該使其額定電壓為正常工作電壓峰值UM的23倍，以作為安全裕量。(5) 額定電壓UR 規(guī)定為額定電流時的管子導(dǎo)通的管壓降峰值。 一般為1.52.5V，且隨陽極電流的增加而略為增加。 額定電流時的通態(tài)平均電壓降一般為1V左右。(6)通態(tài)峰值電壓UTM (7) 通態(tài)平均電流IT(AV） 在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定的散

11、熱冷卻條件下，晶閘管在導(dǎo)通角不小于170電阻性負載的單相、工頻正弦半波導(dǎo)電，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125時，所允許通過的最大電流平均值。 允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。 選用一個晶閘管時，要根據(jù)所通過的具體電流波形來計算出容許使用的電流有效值，該值要小于晶閘管額定電流對應(yīng)的有效值。晶閘管才不會損壞。設(shè)單相工頻正弦半波電流峰值為Im時通態(tài)平均電流為：正弦半波電流有效值為：有效值與通態(tài)平均電流比值為：則有效值為： 根據(jù)有效值相等原則來計算晶閘管的額定電流。若電路中實際流過晶閘管的電流有效值為I，平均值Id， 定義 波形系數(shù)：則 由于晶閘管的熱容量小，過載能力低，因此在實際選擇時，一般取1.52

12、倍的安全系數(shù)，(8) 維持電流IH (針對關(guān)斷過程) 是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。(9) 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 電壓上升率過大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。 指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。(10) 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞402、新型電力電子元件簡介(1)雙向晶閘管(TRIAC)(2)可關(guān)斷晶閘管(GTO) (3)功率晶體管GTR(4)絕緣柵雙極型晶體管IGBT知識回顧晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的導(dǎo)通條件晶閘

13、管的主要參數(shù)4210.3可控整流電路1.單相半波可控整流電路 .1)電阻性負載(1)自然換向點:陽極電壓由負變正的過零點.在該點,二極管自然導(dǎo)通. (2)控制角 (移相角,滯后角) 觸發(fā)脈沖發(fā)出的時刻與自然換向點之間的夾角. (3)導(dǎo)通角 (4)輸出電壓平均值U2為變壓器二次側(cè)電壓有效值(5)輸出電流 Id=Ud/R432)電感性負載(1)特點:電感具有阻礙電流變化 的作用.當(dāng)陽極電壓(電源電壓)過零變負時,一段時間,電感電壓大于電源電壓,加在晶閘管上的電壓仍為正,繼續(xù)維持導(dǎo)通.輸出電壓就是電源電壓的包絡(luò)線.于是有: 輸出電壓出現(xiàn)負值,使輸出平均電壓降低; 晶閘管由正變負時不能關(guān)斷而失控. (

14、2)解決方法:反向并聯(lián)續(xù)流二極管.44而負載電流 Id=Ud/R 3)續(xù)流二極管的作用 接續(xù)流二極管后,輸出電壓波形和計算 式同電阻負載;而輸出電流波形有不同. 流過晶閘管的電流平均值流過續(xù)流二極管的電流平均值:控制角0306090120150180 K1.571.661.882.222.783.99 單相半波、全波、橋式電路純電阻負載在不同控制角時的K值課外知識46例:單相半波可控整流電路帶電阻負載,已知:U2=220V,輸出直流電壓50V,輸出直流電流20A.求(1)晶閘管的控制角;(2)電流有效值;(3)選用晶閘管解;(1) 得(2)電流有效值K值查表得來(3)晶閘管允許的電流平均值額定

15、電壓選 KP-50/700472.單相橋式可控整流電路1)單相半控橋 (1)電阻性負載48(2)電感性負載帶續(xù)流二極管 流過晶閘管的平均電流:流過續(xù)流二極管的平均電流:49單相半控橋帶電感性負載的另一種接線 晶閘管既不是共陰極組接法,也不是共陽極組接法. 這種接線可以省去續(xù)流二極管.50(3)反電勢負載 如直流電動機的電樞;蓄電池. 特點:只有輸出電壓大于反電勢時 才有電流輸出.晶閘管導(dǎo)電時間短,電流大,一般要串電抗器來平滑電流的脈動. 輸出平均電流513.三相半波可控整流電路 1)電阻性負載 控制角小于或等于30度時的輸出電壓:式中U2為二次側(cè)相電壓晶閘管元件在電路中承受的最高電 壓為線電壓峰值,即思考題;A相的自然換向點在哪兒?52 2)電感性負載(1)輸出電壓出現(xiàn)負值; (2)如果電感足夠大,輸出電流脈動小,電流波形近似一條水平線.53電感性負載