電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路2023/12/26電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

B.

晶閘管的優(yōu)缺點(diǎn)

l

優(yōu)點(diǎn)：

1)

功率放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)倍；2)

控制靈敏，反應(yīng)快；3)

損耗小，效率高；4)

體積小，重量輕；5)

改善了工作條件，維護(hù)方便。

l

缺點(diǎn)：1)

過(guò)載能力弱；2)

抗干擾能力差；3)

導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變；4)

控制電路比較復(fù)雜。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路10.1電力半導(dǎo)體器件10.1.1晶閘管（SCR）

——新型大功率半導(dǎo)體器件，也稱可控硅。1.基本結(jié)構(gòu)電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

1)

外形

前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散熱效果好）。

2)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)——它是PNPN四層三端元件。3)

符號(hào)（如圖所示）電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路2.工作原理

l

實(shí)驗(yàn)情況說(shuō)明：可用燈泡

代替電阻RL。1)晶閘管承受正向電壓，開(kāi)關(guān)S（控制極）斷開(kāi)，此時(shí)電燈不亮，晶閘管關(guān)斷。2)在控制極與陰極之間再加上正向電壓（S接通），電燈發(fā)亮，晶閘管導(dǎo)通。3)晶閘管承受反向電壓，不論S是否接通，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷（阻斷）。4)晶閘管導(dǎo)通后（情況2），斷開(kāi)控制極電壓（控制極失去作用），電燈仍發(fā)亮，晶閘管仍導(dǎo)通。5)晶閘管導(dǎo)通后（情況2），如果控制極電壓加反向電壓，不論陽(yáng)極電壓是正或負(fù)，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷（阻斷）。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

l

結(jié)論1)晶閘管導(dǎo)通條件：陽(yáng)極加正向電壓，控制極也加正向電壓。2)控制極只需加正觸發(fā)脈沖電壓。3)具有可控單向?qū)щ娦裕ㄕ⒎聪蜃钄嗄芰Γ?/p>

l

導(dǎo)通原因電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路1)

等效為PNP型和NPN型兩個(gè)晶體管的組合。2)

陽(yáng)極和控制極均加正向電壓時(shí)，經(jīng)放大，集電極電流為（基極電流），又經(jīng)放大，集電極電流為（即基極電流），再次放大，循環(huán)往復(fù)，直至導(dǎo)通為止（“觸發(fā)導(dǎo)通過(guò)程”——微秒級(jí)）。3)

晶閘管導(dǎo)通后，基極電流比（控制電流）大得多，故去掉，晶閘管仍導(dǎo)通。4)

陽(yáng)極加反向電壓，無(wú)放大作用，晶閘管不導(dǎo)通；控制電壓反向或未加入，不產(chǎn)生起始，晶閘管也不導(dǎo)通。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路3.伏安特性晶閘管的伏安特性——晶閘管的陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

1)

截止?fàn)顟B(tài)（正向阻斷狀態(tài)）——陽(yáng)極加正向電壓，門(mén)極開(kāi)路（＝0），電流很小，電阻很大，稱為正向漏電流。2)

導(dǎo)通狀態(tài)——正向陽(yáng)極電壓上升到某一定值，，晶閘管突然變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)陽(yáng)極電壓稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（）或正向轉(zhuǎn)折電壓（）?！?，晶閘管容易導(dǎo)通。注：在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上6V直流電壓，使元件導(dǎo)通的控制極最小電流（電壓）稱為觸發(fā)電流（電壓）。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

3)

維持電流（保證晶閘管導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流）——當(dāng)電流小于時(shí)，從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)化正向阻斷狀態(tài)。

4)

反向阻斷狀態(tài)——陽(yáng)極加反向電壓時(shí)，反向漏電流很小。當(dāng)反向陽(yáng)極電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，反向漏電流，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值稱為(反向不重復(fù)峰值電壓)或(反向轉(zhuǎn)折電壓，反向擊穿電壓)。注：晶閘管的反向伏安特性與二極管反向特性類似。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路4.主要參數(shù)1)

（斷態(tài)重復(fù)峰值電壓）——在控制極斷路和晶閘管正向阻斷時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，它比小100V。“多少伏的晶閘管”2)

（反向重復(fù)峰值電壓）——在控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓，它比小100V。3)

（額定通態(tài)或正向平均電流，簡(jiǎn)稱額定電流）——在環(huán)境溫度不大于40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通時(shí)，晶閘管可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流（在一個(gè)周期內(nèi)）的平均值。“多少安的晶閘管”電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

正弦半波電流的平均值正弦半波電流的有效值波形系數(shù)即

一般按選晶閘管（——實(shí)際電流有效值）

4)

（維持電流）——在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流。一般為幾十mA~一百多mA，其數(shù)值與溫度成反比，如：電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

5.型號(hào)及其含義（國(guó)產(chǎn)晶閘管）

例如：

3CT50/500（為50A，為500V）；

KP5-7（K—晶閘管，P—普通型，額定電流5A，額定電壓700V）。/可控整流元件

N型硅材料三個(gè)電極

電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路6.判別管子的好壞用萬(wàn)用表的歐姆檔來(lái)判別管子的好壞。

表10.1用萬(wàn)用表測(cè)試晶閘管各管腳之間的電阻注意：當(dāng)A—K間為高阻值，而K—G間逆向電阻大于順向電阻時(shí)，管子良好。測(cè)試點(diǎn)表內(nèi)電池極性測(cè)量范圍測(cè)試結(jié)果A—K順向或逆向R×1000高電阻（表針不動(dòng)）A—G同上同上同上K—G順向：G“+”,K“-”逆向：G-”,K“+”R×1R×110~10050~500電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路10.1.2其它電力半導(dǎo)體器件雙向晶閘管可關(guān)斷晶閘管

功率晶體管

整流二極管電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路1.雙向晶閘管（TRIAC）電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路l

特點(diǎn)1)

三端子NPNPN元件；2)

采用交流電源；3)

相當(dāng)于兩只普通晶閘管反并聯(lián)；4)

雙向控制，簡(jiǎn)化觸發(fā)電路；5)

成本低，可靠性好；6)

主要應(yīng)用于家用電器控制，調(diào)節(jié)交流電壓。l

符號(hào)(如圖所示)l

工作原理1)

門(mén)極無(wú)信號(hào)時(shí)，、不導(dǎo)電。2)

導(dǎo)通條件：①"+"，"-"，G"+"②"-"，"+"，G"-"l

電壓波形圖(如圖所示)電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路2.可關(guān)斷晶閘管（GTO）l

特點(diǎn)1)

控制極控制元件的導(dǎo)通和關(guān)斷，所需控制電流較大。

20mA/30μA2)動(dòng)態(tài)特性較好，關(guān)斷時(shí)間較短。

1μs/(5~30)μs3)

主要用于直流調(diào)壓和直流開(kāi)關(guān)電路。4)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高。l

符號(hào)與晶閘管相似。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路3.功率晶體管（GTR）

（300A，100V或100A，300V）達(dá)林頓晶體管（200A，500V）注：復(fù)合管，正向?qū)▔航怠β蕮p耗↑。l

特點(diǎn)可在高電壓和強(qiáng)電流定額下使用；正向?qū)▔航担?.3~0.8）V，功率損耗較晶閘管（≈1V）?。换鶚O電流消失或反偏時(shí)，晶體管立即截止（不存在關(guān)斷問(wèn)題）；允許的電流變化率低；處于導(dǎo)通狀態(tài)，基極電路功率損耗大；體積更小，價(jià)格更低（比晶閘管）。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路4.大功率二極管（整流二極管）l

特點(diǎn)可在高溫下工作；（室溫）

加正向?qū)▔航担?.8~1）V；反向電壓就截止，加正向電壓就導(dǎo)通；額定值可達(dá)200A和400V，或更高。注：它相當(dāng)于一只開(kāi)關(guān)。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路作業(yè)：P:27610.1，10.3～7電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路10.2單相可控整流電路由晶閘管組成的可控整流電路類似于二極管整流電路。它可分為單相半波、單相橋式、三相零式（半波）、三相橋式。

10.2.1單相半波可控整流電路特點(diǎn)：①應(yīng)用較少，電路簡(jiǎn)單，調(diào)整容易。②直流輸出電壓低，脈動(dòng)大。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路電阻性負(fù)載分析：1)

—控制角（晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖作用點(diǎn)之間的電角度），—導(dǎo)通角（晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度），，，。2)最大正向、反向電壓為（電源變壓器副邊電壓的最大值）。3)負(fù)載（輸出直流）電壓平均值、負(fù)載電流平均值分別為：4)，達(dá)到可控整流的目的。

電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

2.

電感性負(fù)載如：各種電機(jī)的勵(lì)磁線圈等。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路分析：電感阻礙電流變化（—自感電勢(shì)或反電動(dòng)勢(shì)）。

大于電源負(fù)電壓，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，也就是說(shuō)，導(dǎo)通角。負(fù)載電感，負(fù)載負(fù)（反向）電壓，滿足不了負(fù)載的要求。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路3.

續(xù)流二極管的作用（大電感性負(fù)載）分析：1)

負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管。2)

電流電壓過(guò)零變負(fù)時(shí)，續(xù)流二極管導(dǎo)通，晶閘管自行關(guān)斷（無(wú)電流流回電源）。3)

負(fù)載兩端電壓為二極管管壓降，接近于零（電感放出能量消耗在電阻上）。4)

波形與電阻性負(fù)載一樣，波形與之很不相同。當(dāng)時(shí)，電流脈動(dòng)小，波形近似于一條平行于橫軸的直線。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路10.2.2單相橋式可控整流電路

（應(yīng)用很廣）它與不可控橋式整流電路的區(qū)別：二只晶閘管代替二只二極管。

1.

單相半控橋式整流電路

工作原理：l

輸入電壓正半周，觸發(fā)VS1，VS2和V1反向截止，電流通路為：l

輸入電壓負(fù)半周，觸發(fā)VS2，VS1和V2反向截止，電流通路為：電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

1)

電阻性負(fù)載與半波整流相比較，和增加了一倍，分別為：

2)

電感性負(fù)載l加續(xù)流二極管——不出現(xiàn)“失控”現(xiàn)象。

l不加續(xù)流二極管——不失控，VS2與V1交換位置。注意：電源電壓為零（或θ=0或觸發(fā)回路切斷）時(shí)，V1

和V2形成續(xù)流（電流增大），VS1或VS2可靠關(guān)斷。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路3)

只用一個(gè)晶閘管進(jìn)行控制的整流電路四個(gè)整流二極管組成單相橋式全波電路——節(jié)省晶閘管元件。（a）電阻性負(fù)載——與半控橋一樣（b）電感性負(fù)載——必須加續(xù)流二極管（c）優(yōu)缺點(diǎn)：①控制線路簡(jiǎn)單，成本較低；②承受整流過(guò)的脈動(dòng)電壓，不承受反向電壓；③整流元件較多，體積較大；④壓降、損耗較大；⑤選用維持電流較大的晶閘管，以免失控。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

4)

反電勢(shì)負(fù)載電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路分析：（a）導(dǎo)通條件：l

電源電壓大于反電勢(shì)；l

有觸發(fā)脈沖。（b）比電阻性負(fù)載大，。（c）電流的幅值與平均值之比相當(dāng)大，必須降低電流定額使用。（d）對(duì)大容量電動(dòng)機(jī)或蓄電池負(fù)載，常串聯(lián)電抗器L（用以平滑電流的脈動(dòng)）。電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路

2.

單相全控橋式整流電路電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路1)

它與半控橋的區(qū)別：l

四只全是晶閘管。l

每半周期要求觸發(fā)兩只晶閘管。l

電感性負(fù)載（無(wú)續(xù)流二極管）時(shí)，輸出電壓的瞬時(shí)值出現(xiàn)負(fù)值。

l

電阻性負(fù)載時(shí)，不比半控橋整流優(yōu)越，一般采用半控橋線路。l

主要用于正反向逆變電路中。注意：在全控橋中元件承受的最大正、反