可控整流電源課件

電子技術(shù)主編李中發(fā)2005年1月第6章可控整流電路了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)了解單相可控整流電路的可控原理和整流電壓與電流的波形了解單結(jié)晶體管及觸發(fā)電路的工作原理學(xué)習(xí)要點6.1晶閘管6.2單相可控整流電路6.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路6.4晶閘管的保護(hù)第6章可控整流電路晶閘管具有導(dǎo)通和截止（阻斷）兩種工作方式。當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，由于PN結(jié)J1和J3處于反向偏置，無論控制極是否加電壓，晶閘管均不會導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)處于斷開狀態(tài)，稱為反向阻斷。當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極不加電壓時，由于PN結(jié)J2處于反向偏置，晶閘管也不會導(dǎo)通，也相當(dāng)于開關(guān)處于斷開狀態(tài)，稱為正向阻斷。當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極與陰極之間也加正向電壓時，晶閘管可以導(dǎo)通，且導(dǎo)通后管子的壓降很小，只有1V左右，相當(dāng)于開關(guān)處于閉合狀態(tài)。6.1.2晶閘管的工作原理可把晶閘管等效地看成由一個NPN型三極管V1和一個PNP型三極管V2組合而成。陽極A是V2的發(fā)射極，陰極K是V1的發(fā)射極，V1的基極與V2的集電極相連成為控制極G，而V2的基極與V1的集電極也連在一起。（1）控制極不加電壓時IG=0，盡管這時晶閘管的陽極和陰極之間加有正向電壓，由于V1沒有基極電流輸入，因此V1和V2中只有很小的漏電流，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。（2）控制極加正向電壓UG，而陽極通過電阻RA也加上正向電壓UA，使兩個三極管的發(fā)射結(jié)均為正向偏置，集電結(jié)均為反向偏置，均處于放大狀態(tài)。此時IG就是V1的基極電流IB1，經(jīng)V1放大后，得到V1的集電極電流IC1，而IC1又是V2的基極電流IB2，再經(jīng)V1放大，得到V2的集電極電流IC2。IC2又流入V1基極，再次放大，這樣循環(huán)下去，反復(fù)放大，形成強烈的正反饋，使兩個三極管迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通后，其壓降很小，電壓UA幾乎全部加到負(fù)載電阻RA上，所以晶閘管導(dǎo)通后的電流大小取決于外電路參數(shù)。6.1.3晶閘管的伏安特性（1）正向特性。UAK>0，IG=0時，晶閘管正向阻斷，對應(yīng)特性曲線的0A段。此時晶閘管陽極和陰極之間呈現(xiàn)很大的正向電阻，只有很小的正向漏電流。當(dāng)UAK增加到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時，PN結(jié)J2被擊穿，漏電流突然增大，從A點迅速經(jīng)B點跳到C點，晶閘管轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管正向?qū)ㄒ院蠊ぷ髟贐C段，電流很大而管壓降只有1V左右，此時的伏安特性和普通二極管的正向特性相似。晶閘管導(dǎo)通以后，如果減小陽極電流IA，則當(dāng)IA小于維持電流IH時，突然由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樽钄?，特性曲線由B點跳到A點。應(yīng)該指出，晶閘管的這種導(dǎo)通是正向擊穿現(xiàn)象，很容易造成晶閘管永久性損壞，實際工作中應(yīng)避免這種現(xiàn)象發(fā)生。另外，外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓時，不論控制極是否加正向電壓，晶閘管均會導(dǎo)通，控制極失去控制作用，這種現(xiàn)象也是不希望出現(xiàn)的，這是因為在可控整流電路中，應(yīng)該由控制極電壓來決定晶閘管何時導(dǎo)通，使之成為一個可控開關(guān)，所以，晶閘管的正常導(dǎo)通應(yīng)在控制極施加正向觸發(fā)電壓。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)電流IG越大，就越容易導(dǎo)通，正向轉(zhuǎn)折電壓就越低。不同規(guī)格的晶閘管所需的觸發(fā)電流是不同的，一般情況下，晶閘管的正向平均電流越大，所需的觸發(fā)電流也越大。（2）反向特性。晶閘管承受反向電壓，即時，晶閘管只有很小的反向漏電流，此段特性與二極管反向特性很相似，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流劇增，晶閘管反向擊穿。6.1.4晶閘管的主要參數(shù)（1）額定正向平均電流IF。IF是指在環(huán)境溫度不大于40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，在電阻性負(fù)載的電路中，晶閘管可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流在一個周期內(nèi)的平均值。它也叫通態(tài)平均電流，簡稱正向電流。在選擇晶閘管時，其通態(tài)平均電流IF應(yīng)為安裝處實際通過的最大平均電流的1.5～2倍。（2）維持電流IH。在規(guī)定環(huán)境溫度下，控制極斷開后，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH，當(dāng)正向電流小于IH時，晶閘管自行關(guān)斷。（3）正向重復(fù)峰值電壓UFRM。在晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下，可以重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓，用UFRM表示。通常規(guī)定UFRM為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80％。（4）反向重復(fù)峰值電壓URRM。在控制極開路時，可以重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓，用URRM表示。通常規(guī)定URRM為反向擊穿電壓UBR的80％。通常把UFRM和URRM中較小者作為晶閘管的額定電壓。選用晶閘管時，額定電壓應(yīng)為正常工作時峰值電壓的2～3倍，作為允許的過電壓余量。輸出電壓的平均值：輸出電流的平均值：晶閘管承受的最高正向和反向電壓：2、電感性負(fù)載與續(xù)流二極管u2經(jīng)過零值變負(fù)之后，只要eL大于u2，晶閘管繼續(xù)承受正向電壓，電流仍將繼續(xù)流通。只要電流大于維持電流，晶閘管就不會關(guān)斷，負(fù)載上出現(xiàn)了負(fù)電壓。當(dāng)電流下降到維持電流以下時，晶閘管才能會關(guān)斷。可見，在單相可控半波整流電路接電感性負(fù)載時，晶閘管的導(dǎo)通角θ將大于。負(fù)載電感愈大，導(dǎo)通角θ愈大，在一個周期中負(fù)載上負(fù)電壓所占比重就愈大，整流輸出電壓和電流的平均值就愈小。為了使晶閘管在電源電壓降到零值時能及時關(guān)斷，使負(fù)載上不出現(xiàn)負(fù)電壓，必須采取相應(yīng)措施。解決的方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個二極管。當(dāng)交流電壓u2過零值變負(fù)后，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，于是負(fù)載上由感應(yīng)電動勢eL產(chǎn)生的電流經(jīng)過這個二極管形成回路。因此這個二極管稱為續(xù)流二極管。這時負(fù)載兩端電壓近似為零，晶閘管因承受反向電壓而關(guān)斷。負(fù)載電阻上消耗的能量是電感元件釋放的能量。u2的負(fù)半周VT2和VD1承受正向電壓。這時如對晶閘管VT2引入觸發(fā)信號，則VT2和VD1導(dǎo)通，電流通路為：b→VT2→RL→VD1→a這時VT1和VD2截止。輸出電壓的平均值：輸出電流的平均為：晶閘管和二極管承受的最高正向和反向電壓：6.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路對觸發(fā)電路的要求：（1）觸發(fā)時能提供足夠的觸發(fā)脈沖電壓和電流。一般要在觸發(fā)電路接到晶閘管控制極時，輸出脈沖的幅度為4～10V。（2）晶閘管不應(yīng)導(dǎo)通時，觸發(fā)電路輸出的漏電電壓不超過0.25V，以免發(fā)生誤導(dǎo)通。（3）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，以保證觸發(fā)時間準(zhǔn)確，一般要求前沿時間小于10μs。（4）觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度。對于電阻性負(fù)載電路，一般要求脈沖寬度大于20μs。（5）由觸發(fā)脈沖所產(chǎn)生的控制角α要能平穩(wěn)移動并有足夠?qū)挼囊苿臃秶?。對于單相可控整流電路，控制角的范圍要求接近或大?50°。（6）觸發(fā)電路必須與主電路同步，否則輸出電壓的波形為非周期性，造成輸出電壓平均值不穩(wěn)定。6.3.1單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理1、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)在基極B1和B2之間的電阻（包括硅片本身的電阻和基極與硅片之間的接觸電阻）為RBB，一般約在2～15kΩ之間。設(shè)RB1和RB2分別為兩個基極與PN結(jié)之間的電阻，則RBB=RB1+RB2。2、單結(jié)晶體管的伏安特性峰點P與谷點V是單結(jié)晶體管工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點，當(dāng)UE≥UP（UP=UA+UD）時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，RB1急劇減小，UE也隨之下降；當(dāng)UE<UV時，單結(jié)晶體管截止。6.3.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路當(dāng)電源電壓u1過零時，u2也過零，使單結(jié)晶體管觸發(fā)電路電源電壓UBB=0，此時峰點電壓UP≈ηUBB≈0，單結(jié)晶體管的E、B1結(jié)導(dǎo)通。如果此時電容C上的電壓uC不為零值，就會通過單結(jié)晶體管的E、B1結(jié)對R2放電，uC迅速下降至零，使得電容C在電源每次過零后都從零開始重新充電，只要R與C的數(shù)值不變，則每半周由過零點到產(chǎn)生第一個脈沖的時間間隔是固定的。雖然在每個半周期內(nèi)會產(chǎn)生多個脈沖，但只有第一個脈沖起到觸發(fā)晶閘管的作用，一旦晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，后面的脈沖不再起作用。6.4晶閘管的保護(hù)晶閘管的主要缺點是承受過電壓、過電流的能力較弱。當(dāng)晶閘管承受過電壓過電流時，晶閘管溫度會急劇上升，可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開路。為了使元件能可靠地長期運行，必須對晶閘管電路中的晶閘管采取保護(hù)措施。1、快速熔斷器這是一種專用保護(hù)晶閘管的快速熔斷器，它與普通熔斷器的主要區(qū)別是，在同樣的過電流倍數(shù)情況下，快速熔斷器熔體熔斷時間比普通熔斷器熔體熔斷時間短很多。這樣可保證晶閘管未損壞前，快速熔斷器的熔體就已熔斷，將事故電路與電源斷開，保護(hù)晶閘管不致?lián)p壞?？焖偃蹟嗥鲀?nèi)裝的是銀質(zhì)熔絲。快速熔斷器接入電路的方式：一是將快速熔斷器與晶閘管串聯(lián)，可對元件本身的故障進(jìn)行保護(hù)。二是將快速熔斷器接在輸出（負(fù)載）端，這種接法對輸出回路的過載或短路起保護(hù)作用，但對元件本身故障引起的過電流無保護(hù)作用。三是將快速熔斷器接在輸入端，這樣可同時對輸出端短路和元件短路起保護(hù)作用，但熔斷器熔斷后不能馬上判斷是什么故障。2、過電流繼電器在輸入端（交流端）經(jīng)電流互感器接入靈敏的過電流繼電器，或在輸出端（直流端）接入直流過電流繼電器，都可在發(fā)生過電流故障時動作，使輸入端的自動開關(guān)斷開。這種保護(hù)措施對過載是有效的，但是在發(fā)生短路故障時，因為過電流繼電器的動作及自動開關(guān)的跳閘都需要一定時間，如果短路電流比較大，這種保護(hù)方法不很有效。所以，快速熔斷器仍然需要，以防止短路事故。3、過流截止保護(hù)電路中一旦出現(xiàn)過電流后，通過電流反饋信號將晶閘管的觸發(fā)脈沖后移，使晶閘管的導(dǎo)通角減小或停止觸發(fā)，晶閘管關(guān)斷，電路斷電，切斷過電流。6.4.2過電壓保護(hù)產(chǎn)生過電壓的主要原因：由于電路中通常都接有電感元件，當(dāng)晶閘管所在裝置或鄰近的用電設(shè)備接通或斷開電源時，或從一個晶閘管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到另一個晶閘管導(dǎo)通（稱換相）時，或熔斷器熔斷時，由于電路中電流的變化而在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，使電路中電壓往往超過正常值。有時，電源或負(fù)載側(cè)受雷擊會引起雷擊過電壓。過電壓的根本原因是由于電路中積聚的電磁能量消散不掉。晶閘管承受過電壓的能力很差，加給它的反向電壓超過它的反向擊穿電壓時，即使超出數(shù)值不多、時間不長（0.5～1μs)，都可能使元件反向擊穿而損壞。另外，加給元件的正向電壓超過了它的正向轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通（未經(jīng)觸發(fā)便導(dǎo)通）。這種誤導(dǎo)通次數(shù)頻繁時，導(dǎo)通后通過的電流大，也可能使晶閘管損壞，或使它的特性變壞。因此，一定要采取措施消除晶閘管上可能出現(xiàn)的過電壓。1、阻容保護(hù)2、硒堆保護(hù)阻容電路接入電路的3種方式：其一是將阻容元件與晶閘管并聯(lián)，以防止它在換相過電壓時遭到損壞；其二是將阻容元件并聯(lián)在整流裝置的交流側(cè)（輸入端），可防止由于電源側(cè)過電壓使晶