第九章 晶閘管-自考-模擬、數(shù)字及電力電子技術

第九章晶閘管及相控變換器第一節(jié)

晶閘管第二節(jié)晶閘管相控整流電路的相控原理第三節(jié)

單相橋式相控整流電路（1）ACDC。把交流電能轉換成直流電能，稱為整流，所用裝置為整流器。（2）DCAC。把直流電能轉換成交流電能，稱為逆變，所用裝置為逆變器。（3）ACAC。把交流電能的任一參數(shù)（幅值、頻率和相位）加以轉換，稱為變頻，所用裝置為交流變換器或變頻器。（4）DCDC將直流電能的任一參數(shù)（幅值和極性）加以轉換，稱為斬波。實現(xiàn)這一轉換的裝置稱為直流變換器或直流斬波器。第一節(jié)

晶閘管（硅可控整流器SCR）一、電力電子技術概述3/89二、電力電子器件的分類■按照能夠被控制電路信號所控制的程度◆半控型器件

?主要是指晶閘管（Thyristor）及其大部分派生器件。?器件的關斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。

◆全控型器件?目前最常用的是

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和功率場效應晶體管PowerMOSFET。

?通過控制信號既可以控制其導通，又可以控制其關斷。

◆不可控器件

?電力二極管（PowerDiode）?不能用控制信號來控制其通斷。G控制極三、基本結構及工作原理K

陰極G陽極

A四層半導體1.基本結構和符號KGA符號外形結構三個

PN

結P1P2N1N2常用晶閘管的圖片螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結構2.晶閘管導通實驗GKATSHL(a)HLGKATS(b)GKATSHL(c)GKATSHL(d)(c)去掉控制極正向電壓，燈泡亮。(d)陽極加反向電壓，燈泡熄滅。(a)控制極不加電壓，燈泡不亮。(b)控制極加正向電壓，燈泡亮。①晶閘管導通的條件：

晶閘管陽極與陰極之間加正向電壓（UAK>0）。同時晶閘管控制極與陰極之間加正向觸發(fā)電壓或正向觸發(fā)脈沖。

晶閘管導通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。②晶閘管關斷的條件：

晶閘管陽極電流小于維持電流（IA<IH），或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（UAK<0）。3.晶閘管導通和關斷條件P1P2N1N2K

GA晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGNPPNNAGKP4.工作原理T1T2工作原理A

在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R

晶閘管導通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導通狀態(tài)。工作原理GEA>0、EG>0KEA+_RT1T2EGA形成正反饋過程正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉折電壓正向平均電流維持電流U四、

伏安特性及主要參數(shù)1.伏安特性2.主要參數(shù)(1)正向平均電流IF：環(huán)境溫度為40C及標準散熱條件下，晶閘管處于全導通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。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。(3)通態(tài)平均電壓（管壓降）UF:

在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。(2)維持電流IH:

在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。(4)正向重復峰值電壓（晶閘管耐壓值）UFRM:

控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復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(5)反向重復峰值電壓URRM：控制極開路時,允許重復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—3000V(6)控制極觸發(fā)電壓和電流UG、IG：室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導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。(7)浪涌電流IFSM：在規(guī)定時間內，晶閘管中允許通過的最大過載電流。五、

晶閘管的保護

晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。

晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結燒壞，造成元件內部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞；

晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉折電壓時，則晶閘管誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。

歷年典型考題2009、2010考題

歷年典型考題

2007、2008考題22.為保護晶閘管SCR安全可靠工作，要進行過電壓及

保護。單相半波可控整流

1.電阻性負載(1)電路分析

u

>0時：若ug=0，晶閘管不導通，u

<0時:

晶閘管承受反向電壓不導通,

uo=0,uT=u，故稱可控整流。控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導通，uuoRL+–+uT+––Tio第二節(jié)晶閘管相控整流電路的相控原理(2)工作原理t12u

<

0時:

可控硅承受反向電壓不導通即：晶閘管反向阻斷

加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導通tOu

>0時:tOtO

接電阻負載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形控制角t1tOtOt22tO導通角(3)工作波形(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。2.電感性負載與續(xù)流二極管(1)電路

當電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內仍維持導通，失去單向導電作用。uuoR+–+uT+––T?LeL?

在電感性負載中,當晶閘管剛觸發(fā)導通時，電感元件上產生阻礙電流變化的感應電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。tOtOtOt1tOt22（2）工作波形（未加續(xù)流二極管）uuoR+–+uT+––LTioDiou>0時：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時：

D正向導通,晶閘管承受反向電壓關斷,電感元件L釋放能量形成的電流經D構成回路(續(xù)流),負載電壓uo波形與電阻性負載相同(見波形圖)。（3）電感性負載(加續(xù)流二極管)+–工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO27單相橋式全控整流電路1)帶電阻負載的工作情況a)u(i)pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4單相全控橋式帶電阻負載時的電路及波形工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導通，當u2過零時關斷。電路結構為什么？第三節(jié)

單相橋式相控整流電路28數(shù)量關系a角的移相范圍為180。向負載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,429流過晶閘管的電流有效值：變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：pwtwtwt000i2udidb)c)d)ddaauVT1,4思考：額定電壓、額定電流應該如何取值？選擇晶閘管的額定電流：選擇晶閘管的額定電壓：注意：單相橋式全控整流電路晶閘管承受的最大反向電壓為。正向電壓最大值為。312）帶阻感負載的工作情況

u2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4單相全控橋帶阻感負載時的電路及波形假設電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不變。假設負載電感很大，負載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負時，晶閘管VT1和VT4并不關斷。至ωt=π+a時刻，晶閘管VT1和VT4關斷，VT2和VT3兩管導通。VT2和VT3導通后，VT1和VT4承受反壓關斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉移到VT2和VT3上，此過程稱換相，亦稱換流。32

數(shù)量關系（2-15）晶閘管移相范圍為90。晶閘管導通角θ與a無關，均為180。電流的平均值和有效值：變壓器二次側電流i2的波形為正負各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。晶閘管承受的最大正反向電壓均為。2OwtOwtOwtudidi2b)OwtOwtuVT1,4OwtOwtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4333）帶反電動勢負載時的工作情況單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的電路及波形在|u2|>E時，才有晶閘管承受正電壓，有導通的可能。在a

角相同時，整流輸出電壓比電阻負載時大。導通之后，

ud=u2，，直至|u2|=E，id即降至0使得晶閘管關斷，此后ud=E。與電阻負載時相比，晶閘管提前了電角度δ停止導電，δ稱為停止導電角，b)idOEudwtIdOwtaqd34當α

<d時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負電壓，不可能導通。單相橋式全控整流電路接反電動勢—電阻負載時的波形電流斷續(xù)觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當wt=d時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當于觸發(fā)角被推遲為d。如圖所示id波形所示：電流連續(xù)ub)idOEdwtIdOwtαqd35負載為直流電動機時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動機的機械特性將很軟。為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側串聯(lián)一個平波電抗器。這時整流電壓ud的波形和負載電流id的波形與阻感負載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式也一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：（2-17）圖2-8

單相橋式全控整流電路帶反電動勢負載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況twwOud0Eidtpdaq=p1.電路2.工作原理T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2二極管aRLD2T1b(1)電壓u

為正半周時io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時，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導通，電流的通路為(2)電壓u

為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。ttOtO3.工作波形2tO4.輸出電壓及電流的平均值2-40單相橋式半控整流電路2-41在u2正半周，u2經VT1和VD4向負載供電。

u2過零變負時，因電感作用電流不再流經變壓器二次繞組，而是由VT1和VD3續(xù)流。在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT2，VT2導通，u2經VT2和VD4向負載供電。u2過零變正時，VD4導通，VD3關斷。VT2和VD4續(xù)流，ud又為零。2-42避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。若無續(xù)流二極管，則當a突然增大至180或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導通而兩個二極管輪流導通的情況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為失控。43單相橋式半控整流電路電路結構

單相全控橋中，每個導電回路中有2個晶閘管，1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。如此即成為單相橋式半控整流電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdawtwtwtwtwtwtwtap-ap-aiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形電阻負載半控電路與全控電路在電阻負載時的工作情況相同。應為VD244單相半控橋帶阻感負載的情況單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負載時的電路及波形在u2正半周，u2經VT1和VD4向負載供電。

u2過零變負時，因電感作用電流不再流經變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT3，VT3導通，u2經VT3和VD2向負載