第6章可控整流電路

1、 第第6章章 可控整流電路可控整流電路 第第6章章 可控整流電路可控整流電路 6.1 晶閘管晶閘管 由四層半導體P1、N1和P2、N2重疊構成，中間形成3個PN結 J1、J2和J3。最外層的P1和N2分別引出陽極A和陰極K，中間 的P2層引出控制極G。 陰極K控制極G 陽極A J3 J2 J1 P1 N1 P2 （a） N2 A K G （b） N2 P2 N1 P1 G K A （c） J3 J2 J1 晶閘管具有導通和截止（阻斷）兩種工作方式。晶閘管具有導通和截止（阻斷）兩種工作方式。 當晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，由于當晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，由于 PN結結J1和和J

2、3處于反向偏置，無論控制極是否加電處于反向偏置，無論控制極是否加電 壓，晶閘管均不會導通，相當于開關處于斷開狀壓，晶閘管均不會導通，相當于開關處于斷開狀 態(tài)，稱為態(tài)，稱為。 當晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極當晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極 不加電壓時，由于不加電壓時，由于PN結結J2處于反向偏置，晶閘管處于反向偏置，晶閘管 也不會導通，也相當于開關處于斷開狀態(tài)，稱為也不會導通，也相當于開關處于斷開狀態(tài)，稱為 。 當晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極當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，晶閘管可以導通，與陰極之間也加正向電壓時，晶閘管可以

3、導通， 且導通后管子的壓降很小，只有且導通后管子的壓降很小，只有1V左右，相當于左右，相當于 開關處于開關處于狀態(tài)。狀態(tài)。 G A K P1 N1 P2 N1 P2 N2 G G A K P1 N1 P2 N2 K A V2 V1 可把晶閘管等效地看成由一個可把晶閘管等效地看成由一個NPN型三極管型三極管V1和一個和一個PNP型型 三極管三極管V2組合而成。陽極組合而成。陽極A是是V2的發(fā)射極，陰極的發(fā)射極，陰極K是是V1的發(fā)的發(fā) 射極，射極，V1的基極與的基極與V2的集電極相連成為控制極的集電極相連成為控制極G，而而V2的基的基 極與極與V1的集電極也連在一起。的集電極也連在一起。 （1）控

4、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)。 G K A S + UG + UA RA IG 1IG V2 V1 12IG （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)射結均為正向偏置，集電結均為反向 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，反復放大，

5、形成強烈的正反饋，使兩個三 極管迅速進入飽和狀態(tài)，即晶閘管導通。導通后，其壓降很小， 電壓UA幾乎全部加到負載電阻RA上，所以晶閘管導通后的電流 大小取決于外電路參數(shù)。 若控制極不加正向電壓，而提高陽極電壓，則V1和V2中的正向 漏電流增大，當陽極電壓達到某一限度時，正向漏電流增大到 能產(chǎn)生正反饋的程度，也會導致晶閘管的導通。 晶閘管導通后，再把開關S打開，使控制電流IG消失，但由于 管子本身的正反饋自保持作用，晶閘管仍然處于導通狀態(tài)。因 此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管導通，導通后，控制極就失 去了控制作用。若要晶閘管回到阻斷狀態(tài)，必須使陽極電流減 小到不能維持其正反饋的數(shù)值，晶閘管自行關斷，

6、此時對應的 陽極電流稱為維持電流，用IH表示。根據(jù)這個道理，使晶閘管 由導通狀態(tài)回到阻斷狀態(tài)，也可以將陽極與電源斷開或給陽極 與陰極之間加一反向電壓。 可見晶閘管相當于一個可控的單向導通開關，其導通必須同時 具備兩個條件： （1）在陽極和陰極之間加適當?shù)恼螂妷篣AK； （2）在控制極和陰極之間加適當?shù)恼蛴|發(fā)電壓UGK，在實 際工作中，UGK常采用正向觸發(fā)脈沖信號。 IA /mA 0 正向特性 反向特性 UAK/V UBO IG =0 IG 增大 A B IH UBRUBRM C UFRM （1）正向特性。UAK0， IG=0時，晶閘管正向阻斷， 對應特性曲線的0A段。此時 晶閘管陽極和陰極

7、之間呈現(xiàn) 很大的正向電阻，只有很小 的正向漏電流。當UAK增加 到正向轉折電壓UBO時，PN 結J2被擊穿，漏電流突然增 大，從A點迅速經(jīng)B點跳到C 點，晶閘管轉入導通狀態(tài)。 晶閘管正向導通以后工作在 BC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。 晶閘管導通以后，如果減小陽 極電流IA，則當IA小于維持電流 IH時，突然由導通狀態(tài)變?yōu)樽钄?，特性曲線由B點跳到A點。 應該指出，晶閘管的這種導通是正向擊穿現(xiàn)象，很容易造成 晶閘管永久性損壞，實際工作中應避免這種現(xiàn)象發(fā)生。另外 ，外加電壓超過正向轉折電壓時，不論控制極是否加正向電 壓，晶閘管均會導通，控制極

8、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，應該由控制極 電壓來決定晶閘管何時導通，使之成為一個可控開關，所以 ，。從圖中 可以發(fā)現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)電流IG越大，就越容易導通，正向 轉折電壓就越低。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。 （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 準散熱及全導

9、通的條件下，在電阻性負載的電路中，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應為安裝處實際通過的最大平均電流的1.52倍。 （2）維持電流IH。在規(guī)定環(huán)境溫度下，控制極斷開后，維持晶 閘管繼續(xù)導通的最小電流稱為維持電流IH，當正向電流小于IH 時，晶閘管自行關斷。 （3）正向重復峰值電壓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為正向轉折電壓UBO的80。 （4）反向重復峰值電壓URRM。在控制極開路時，可以重復加 在晶閘管上的反

10、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，額定電壓應為正常工作時峰值電壓的23倍，作為允許 的過電壓余量。 6.2 單相可控整流電路單相可控整流電路 u2的正半周，觸發(fā)脈沖ug到 來時晶閘管導通，負載電 壓uo=u2。u2下降到接近于 零時晶閘管關斷。u2的負半 周，晶閘管反向阻斷。 + u2 + u1 VT + uo RL io t u2 0 2 34 t 0 2 34 t 0 ug t1t2 t uVT 0234 uo io uo io 輸出電壓的平均值： 2 cos1 45. 0 )c

11、os1 ( 2 2 )d(sin2 2 1 2 2 2o U U ttUU 輸出電流的平均值： 2 cos1 45. 0 L 2 L o o R U R U I 晶閘管承受的最高正向和反向電壓： 2RMFM 2UUU + u2 + u1 VT + uo RL L io uo，io t 0 t uVT 0 uo io u2經(jīng)過零值變負之后，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 會關斷，負載上出現(xiàn)了負電壓。當電流下降到維持電流以下時， 晶閘管才能會關斷。 可見，在單相可控半波整流電路接電感性負載時，晶閘管的導 通角將大于。負載電感愈大，導通

12、角愈大，在一個周期中負 載上負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斷，使負 載上不出現(xiàn)負電壓，必須采取相應措施。 解決的方法是在電感性負載兩端并 聯(lián)一個二極管。當交流電壓u2過零 值變負后，二極管因承受正向電壓 而導通，于是負載上由感應電動勢 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。這時負載兩端電壓近似為零， 晶閘管因承受反向電壓而關斷。負 載電阻上消耗的能量是電感元件釋 放的能量。 + u2 + u1 VT + uo RL L io iDVD + u1 + uo RL io VT1VT2 VD1VD2

13、 + u2 a b t 0 uo，io t uVT1 0 uo t uVT2 0 io u2的正半周VT1和VD2承受正 向電壓。這時如對晶閘管 VT1引入觸發(fā)信號，則VT1和 VD2導通，電流通路為： aVT1RLVD2b 這時VT2和VD1都因承受反 向電壓而截止。 u2的負半周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 導通，電流通路為： bVT2RLVD1a 這時VT1和VD2截止。 + u1 + uo RL io VT1VT2 VD1VD2 + u2 a b t 0 uo，io t uVT1 0 uo t uVT2 0 io 輸出電壓的平均值：

14、 2 cos1 9 . 0 2o UU 輸出電流的平均為： 2 cos1 9 . 0 L 2 L o o R U R U I 晶閘管和二極管承受的最高正向和反向電壓： 2DRMRMFM 2UUUU 例例 6 6. .1 1 有一純電阻負載，需要電壓1800 o UV、電流60 o IA 的可調直 流電源。現(xiàn)采用如圖 6.10（a）所示的單相半控橋式整流電路，設晶閘管導通角 180 （控制角 0 ）時，180 o UV，6 o IA。試求： （1）交流電壓 u2的有效值； （2）各整流元件承受的最大電壓和流過各整流元件的電流平均值； （3）整流電路輸出電壓 120 o U V時的輸出電流 Io和

15、晶閘管的導通角。 解解 （1）交流電壓 u2的有效值為： 200 9 . 0 180 0.9 o 2 U U （V） 實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動、管壓降以及導通角常常到不了 180（一般只有 160170左右）等因素，交流電壓要比上述計算而得到的值適當加大 10左右，即 大約為 220 V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到 220 V的交流電源上。 （2）晶閘管所承受的最高正向電壓 UFM、最高反向電壓 URM和二極管所承受 的最高反向電壓 UDRM都等于： 31022041. 12 2DRMRMFM UUUU （V） 流過晶閘管和二極管電流的平均值為： 36 2 1 2 1 oDT

16、 III 為了保證晶閘管在出現(xiàn)瞬時過電壓時不致?lián)p壞，通常根據(jù)下 式選取晶閘管所承受的正向和反向重復峰值電壓 UFRM和 URRM： UFRM930620310)32()32( FM U（V） UFRM930620310)32()32( FM U（V） （3）負載電阻為： 30 6 180 o o L I U R （） 所以，當輸出電壓120 o UV時的輸出電流 Io為： 4 30 120 L o o R U I （A） 此時晶閘管的控制角為： 75.771 2209 . 0 1202 arccos1 9 . 0 2 arccos 2 o U U 晶閘管的導通角為： 25.10275.7718

17、0180 6.3 單結晶體管觸發(fā)電路單結晶體管觸發(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410V。 （2）晶閘管不應導通時，觸發(fā)電路輸出的漏電電壓不超過 0.25V，以免發(fā)生誤導通。 （3）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，以保證觸發(fā)時間準確，一般要求 前沿時間小于10s。 （4）觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度。對于電阻性負載電路，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)移動并有足夠寬 的移動范圍。對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

18、的波形為非 周期性，造成輸出電壓平均值不穩(wěn)定。 PN 結 E B2 B1 N 型硅片 P 區(qū) 歐姆接 觸電阻 B2 B1 E A RB2 RB1 + UE + UA + UBB B2 B1 E 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RB1和RB2 分別為兩個基極與PN結之間的電阻，則RBB= RB1+RB2。 A RB2 RB1 + UE + UA + UBB B2 B1 E 截止區(qū) 負阻區(qū) 飽和區(qū) 0 P V IV IE UE UV UP IP RE IE BBBB B2B1 B1 A UU RR R U 峰點P與谷點V

19、是單結晶體管工作狀態(tài)的轉折點，當UEUP （UP=UA+UD）時，單結晶體管導通，RB1急劇減小，UE也隨 之下降；當UEUV時，單結晶體管截止。 R2 R1 + ug B2 B1 E UG R C uC t UP UV 0 ug t 0 + uC 接通電源后，電源UG通過R向C充電，電壓UE按指數(shù)規(guī)律增大。 UEUP時，單結晶體管截止。當UE UP時，單結管開始導通，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UEUV 時，單結晶體管截止。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，結果在電容C 上形成鋸齒波電壓，在電阻R1上得到

20、一系列的尖脈沖電壓ug。 + uo RL io VT1VT2 VD1VD2 R2 R1 + ug R C + u2 u1 + + uo1 VDZ R3 RP + uZ t 0 uo1 t 0 uZ UZ t 0 uC UP t 0 ug t 0 uo 當電源電壓u1過零時，u2也過零， 使單結晶體管觸發(fā)電路電源電 壓UBB=0，此時峰點電壓 UPUBB 0，單結晶體管的E、 B1結導通。如果此時電容C上的 電壓uC不為零值，就會通過單 結晶體管的E、B1結對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

21、的時間間隔是固定的。 雖然在每個半周期內會產(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)導通，后面的脈沖 不再起作用。 6.4 晶閘管的保護晶閘管的保護 晶閘管的主要缺點是承受過電壓、過電流的能力 較弱。當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，造成元件內部短 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措施。 晶閘管發(fā)生過電流的原因： 負載端過載或短路； 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)引起過電流。 晶閘管允許過電流時間很短，例如一個100A額

22、定電流的晶閘 管過載倍數(shù)為4倍，即通過400A的過電流時，僅允許持續(xù)0.02s （工頻的1個周），否則將因過熱而損壞。過載倍數(shù)越大，允 許的時間越短。這表明晶閘管允許在短時間內承受一定的過 電流，所以，過電流保護的作用就是當發(fā)生過電流時，應在 允許的時間內將過電流切斷，以保護晶閘管不致?lián)p壞。 + u1 + uo RL VT1VT2 VD1VD2 + u2 這是一種專用保護晶閘 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

23、護晶閘管不致?lián)p壞?？?速熔斷器內裝的是銀質 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 本身的故障進行保護。二是將快速熔 斷器接在輸出（負載）端，這種接法 對輸出回路的過載或短路起保護作用， 但對元件本身故障引起的過電流無保 護作用。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 短路起保護作用，但熔斷器熔斷后不 能馬上判斷是什么故障。 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斷開。這種保護措 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的跳閘都需要一定時間，如果短路電 流比較大，這種保護方法不很有效。所以，快速熔斷器仍然 需要，以防止短路事故。 電路中一旦出現(xiàn)過電流后，通過電流反饋信