晶閘管ppt課件.ppt

10.1晶閘管10.2單相可控整流電路10.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路10.4晶閘管的保護(hù),第10章可控整流電路,10.1晶閘管,由四層半導(dǎo)體P1、N1和P2、N2重疊構(gòu)成，中間形成3個(gè)PN結(jié)J1、J2和J3。最外層的P1和N2分別引出陽(yáng)極A和陰極K，中間的P2層引出控制極G。,10.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號(hào),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(yáng)極與陰極之間加反向電壓時(shí)，由于PN結(jié)J1和J3處于反向偏置，無(wú)論控制極是否加電壓，晶閘管均不會(huì)導(dǎo)通，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，稱為反向阻斷。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加正向電壓，控制極不加電壓時(shí)，由于PN結(jié)J2處于反向偏置，晶閘管也不會(huì)導(dǎo)通，也相當(dāng)于開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，稱為正向阻斷。當(dāng)晶閘管的陽(yáng)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(shí)，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(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。,10.1.2晶閘管的工作原理,可把晶閘管等效地看成由一個(gè)NPN型三極管V1和一個(gè)PNP型三極管V2組合而成。陽(yáng)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(shí)IG=0，盡管這時(shí)晶閘管的陽(yáng)極和陰極之間加有正向電壓，由于V1沒(méi)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(yáng)極通過(guò)電阻RA也加上正向電壓UA，使兩個(gè)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(shí)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(qiáng)烈的正反饋，使兩個(gè)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)。,若控制極不加正向電壓，而提高陽(yáng)極電壓，則V1和V2中的正向漏電流增大，當(dāng)陽(yáng)極電壓達(dá)到某一限度時(shí)，正向漏電流增大到能產(chǎn)生正反饋的程度，也會(huì)導(dǎo)致晶閘管的導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，再把開(kāi)關(guān)S打開(kāi)，使控制電流IG消失，但由于管子本身的正反饋?zhàn)员３肿饔?，晶閘管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用。若要晶閘管回到阻斷狀態(tài)，必須使陽(yáng)極電流減小到不能維持其正反饋的數(shù)值，晶閘管自行關(guān)斷，此時(shí)對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極電流稱為維持電流，用IH表示。根據(jù)這個(gè)道理，使晶閘管由導(dǎo)通狀態(tài)回到阻斷狀態(tài)，也可以將陽(yáng)極與電源斷開(kāi)或給陽(yáng)極與陰極之間加一反向電壓。,可見(jiàn)晶閘管相當(dāng)于一個(gè)可控的單向?qū)ㄩ_(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：（1）在陽(yáng)極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼螂妷篣AK；（2）在控制極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼蛴|發(fā)電壓UGK，在實(shí)際工作中，UGK常采用正向觸發(fā)脈沖信號(hào)。,10.1.3晶閘管的工作特性與主要參數(shù),1.正向特性UAK0，IG=0時(shí)，晶閘管正向阻斷，對(duì)應(yīng)特性曲線的0A段。此時(shí)晶閘管陽(yáng)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(shí)，PN結(jié)J2被擊穿，漏電流突然增大，從A點(diǎn)迅速經(jīng)B點(diǎn)跳到C點(diǎn)，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(shí)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(yáng)極電流IA，則當(dāng)IA小于維持電流IH時(shí)，突然由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樽钄?，特性曲線由B點(diǎn)跳到A點(diǎn)。,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(shí)際工作中應(yīng)避免這種現(xiàn)象發(fā)生。另外，外加電壓超過(guò)正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，不論控制極是否加正向電壓，晶閘管均會(huì)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?yàn)樵诳煽卣麟娐分?，?yīng)該由控制極電壓來(lái)決定晶閘管何時(shí)導(dǎo)通，使之成為一個(gè)可控開(kāi)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(shí)，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(guò)反向擊穿電壓UBR時(shí)，反向電流劇增，晶閘管反向擊穿。,10.1.4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(guò)的工頻正弦半波電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。它也叫通態(tài)平均電流，簡(jiǎn)稱正向電流。在選擇晶閘管時(shí)，其通態(tài)平均電流IF應(yīng)為安裝處實(shí)際通過(guò)的最大平均電流的1.52倍。（2）維持電流IH。在規(guī)定環(huán)境溫度下，控制極斷開(kāi)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(shí)，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(kāi)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(kāi)路時(shí)，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(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作時(shí)峰值電壓的23倍，作為允許的過(guò)電壓余量。,10.2晶閘管應(yīng)用電路,u2的正半周，觸發(fā)脈沖ug到來(lái)時(shí)晶閘管導(dǎo)通，負(fù)載電壓uo=u2。u2下降到接近于零時(shí)晶閘管關(guān)斷。u2的負(fù)半周，晶閘管反向阻斷。,10.2.1可控整流電路,1、單相半波可控整流電路,(1)電阻性負(fù)載,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(guò)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(huì)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(shí)，晶閘管才能會(huì)關(guān)斷。,可見(jiàn)，在單相可控半波整流電路接電感性負(fù)載時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角將大于。負(fù)載電感愈大，導(dǎo)通角愈大，在一個(gè)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(shí)能及時(shí)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(gè)二極管。當(dāng)交流電壓u2過(guò)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(dòng)勢(shì)eL產(chǎn)生的電流經(jīng)過(guò)這個(gè)二極管形成回路。因此這個(gè)二極管稱為續(xù)流二極管。這時(shí)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。,2.單相半控橋式整流電路,u2的正半周VT1和VD2承受正向電壓。這時(shí)如對(duì)晶閘管VT1引入觸發(fā)信號(hào)，則VT1和VD2導(dǎo)通，電流通路為：aVT1RLVD2b這時(shí)VT2和VD1都因承受反向電壓而截止。,u2的負(fù)半周VT2和VD1承受正向電壓。這時(shí)如對(duì)晶閘管VT2引入觸發(fā)信號(hào)，則VT2和VD1導(dǎo)通，電流通路為：bVT2RLVD1a這時(shí)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：,10.2.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,對(duì)觸發(fā)電路的要求：（1）觸發(fā)時(shí)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(shí)，輸出脈沖的幅度為410V。（2）晶閘管不應(yīng)導(dǎo)通時(shí)，觸發(fā)電路輸出的漏電電壓不超過(guò)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(shí)間準(zhǔn)確，一般要求前沿時(shí)間小于10s。（4）觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度。對(duì)于電阻性負(fù)載電路，一般要求脈沖寬度大于20s。（5）由觸發(fā)脈沖所產(chǎn)生的控制角要能平穩(wěn)移動(dòng)并有足夠?qū)挼囊苿?dòng)范圍。對(duì)于單相可控整流電路，控制角的范圍要求接近或大于150。（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。,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215k之間。設(shè)RB1和RB2分別為兩個(gè)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(diǎn)P與谷點(diǎn)V是單結(jié)晶體管工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)UEUP（UP=UA+UD）時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，RB1急劇減小，UE也隨之下降；當(dāng)UEUV時(shí)，單結(jié)晶體管截止。,2.單結(jié)晶體管脈沖發(fā)生電路,接通電源后，電源UG通過(guò)R向C充電，電壓UE按指數(shù)規(guī)律增大。UEUP時(shí)，單結(jié)晶體管截止。當(dāng)UEUP時(shí)，單結(jié)管開(kāi)始導(dǎo)通，RB1急劇減小，C向R1放電。由于R1較小，放電很快，放電電流在R1上形成尖脈沖電壓。當(dāng)UEUV時(shí)，單結(jié)晶體管截止。此后電源再次經(jīng)R向C充電，然后放電，形成振蕩。如此反復(fù)，結(jié)果在電容C上形成鋸齒波電壓，在電阻R1上得到一系列的尖脈沖電壓ug。,3.單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,當(dāng)電源電壓u1過(guò)零時(shí)，u2也過(guò)零，使單結(jié)晶體管觸發(fā)電路電源電壓UBB=0，此時(shí)峰點(diǎn)電壓UPUBB0，單結(jié)晶體管的E、B1結(jié)導(dǎo)通。如果此時(shí)電容C上的電壓uC不為零值，就會(huì)通過(guò)單結(jié)晶體管的E、B1結(jié)對(duì)R2放電，uC迅速下降至零，使得電容C在電源每次過(guò)零后都從零開(kāi)始重新充電，只要R與C的數(shù)值不變，則每半周由過(guò)零點(diǎn)到產(chǎn)生第一個(gè)脈沖的時(shí)間間隔是固定的。雖然在每個(gè)半周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)脈沖，但只有第一個(gè)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。,10.2.3晶閘管的保護(hù),晶閘管的主要缺點(diǎn)是承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力較弱。當(dāng)晶閘管承受過(guò)電壓過(guò)電流時(shí)，晶閘管溫度會(huì)急劇上升，可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。為了使元件能可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行，必須對(duì)晶閘管電路中的晶閘管采取保護(hù)措施。,1.過(guò)電流保護(hù),晶閘管發(fā)生過(guò)電流的原因：負(fù)載端過(guò)載或短路；電路中某一晶閘管擊穿短路，引起相鄰的其它晶閘管過(guò)電流；觸發(fā)電路工作不正?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)引起過(guò)電流。,晶閘管允許過(guò)電流時(shí)間很短，例如一個(gè)100A額定電流的晶閘管過(guò)載倍數(shù)為4倍，即通過(guò)400A的過(guò)電流時(shí)，僅允許持續(xù)0.02s（工頻的1個(gè)周），否則將因過(guò)熱而損壞。過(guò)載倍數(shù)越大，允許的時(shí)間越短。這表明晶閘管允許在短時(shí)間內(nèi)承受一定的過(guò)電流，所以，過(guò)電流保護(hù)的作用就是當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，應(yīng)在允許的時(shí)間內(nèi)將過(guò)電流切斷，以保護(hù)晶閘管不致?lián)p壞。,(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(guò)電流倍數(shù)情況下，快速熔斷器熔體熔斷時(shí)間比普通熔斷器熔體熔斷時(shí)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(kāi)，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(duì)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(duì)輸出回路的過(guò)載或短路起保護(hù)作用，但對(duì)元件本身故障引起的過(guò)電流無(wú)保護(hù)作用。三是將快速熔斷器接在輸入端，這樣可同時(shí)對(duì)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(guò)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(guò)電流繼電器，或在輸出端（直流端）接入直流過(guò)電流繼電器，都可在發(fā)生過(guò)電流故障時(shí)動(dòng)作，使輸入端的自動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。這種保護(hù)措施對(duì)過(guò)載是有效的，但是在發(fā)生短路故障時(shí)，因?yàn)檫^(guò)電流繼電器的動(dòng)作及自動(dòng)開(kāi)關(guān)的跳閘都需要一定時(shí)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(guò)流截止保護(hù),電路中一旦出現(xiàn)過(guò)電流后，通過(guò)電流反饋信號(hào)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(guò)電流。,2.過(guò)電壓保護(hù),產(chǎn)生過(guò)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(kāi)電源時(shí)，或從一個(gè)晶閘管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到另一個(gè)晶閘管導(dǎo)通（稱換相）時(shí)，或熔斷器熔斷時(shí)，由于電路中電流的變化而在電感兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使電路中電壓往往超過(guò)正常值。有時(shí)，電源或負(fù)載側(cè)受雷擊會(huì)引起雷擊過(guò)電壓。過(guò)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(guò)電壓的能力很差，加給它的反向電壓超過(guò)它的反向擊穿電壓時(shí)，即使超出數(shù)值不多、時(shí)間不長(zhǎng)（0.51s)，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(guò)了它的正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，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(shí)，導(dǎo)通后通過(guò)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(guò)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(guò)電壓時(shí)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(guò)電壓使晶閘管損壞；其三是將阻