電力電子技術(shù)第二講晶閘管doc

1、1.3 半控器件晶閘管全稱晶體閘流管，又稱可控硅整流器（scr）。1、晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理晶閘管結(jié)構(gòu)圖、雙晶體管模型圖、工作原理圖和符號圖如圖1所示，晶閘管的管芯是p1n1p2n2四層半導(dǎo)體，形成3個pn結(jié)j1、j2和j3?？傻刃閜np和npn兩個三極管。圖1 晶閘管結(jié)構(gòu)圖、雙晶體管模型圖、工作原理圖和符號圖晶閘管的工作原理是：門極電流igib2ic2(ib1)ic1ik，陽極a、陰極k飽和導(dǎo)通。2、晶閘管工作特點(diǎn)是：（1）承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通。（2）承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通。（3）晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用。（4

2、）要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下 。3、晶閘管電流關(guān)系根據(jù)晶體管的工作原理和結(jié)點(diǎn)電流定律，得： （2-1）阻斷狀態(tài)：ig=0，a1+a2很小。流過晶閘管陽極的漏電流稍大于兩個晶體管漏電流之和。開通狀態(tài)：若注入觸發(fā)電流使晶體管的發(fā)射極電流增大以致a1+a2趨近于1，則流過晶閘管的電流ia將趨近于無窮大，實(shí)現(xiàn)飽和導(dǎo)通，ia實(shí)際由外電路決定。4、閘管靜態(tài)特性晶閘管靜態(tài)v-i特性曲線圖如圖2所示。圖2 晶閘管靜態(tài)v-i特性曲線圖（1）正向特性：ig=0時，器件兩端施加正向電壓，只有很小的正向漏電流，為正向阻斷狀態(tài)。正向電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓ubo，則漏電流急劇增大，器件開通

3、。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。晶閘管本身的壓降很小，在1v左右。（2）反向特性：反向特性類似二極管的反向特性。反向阻斷狀態(tài)時，只有極小的反相漏電流流過。5、動態(tài)特性晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形如圖7所示。圖7晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形（1）開通過程：延遲時間td ：0.51.5ms。上升時間tr ：0.53ms。開通時間tgt：以上兩者之和，tgt=td+ tr。（2）關(guān)斷過程：反向阻斷恢復(fù)時間trr，正向阻斷恢復(fù)時間tgr，關(guān)斷時間tq是以上兩者之和tq=trr+tgr 。普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。6、晶閘管的主要參數(shù)（1）電壓定額斷態(tài)重復(fù)峰值電壓udrm：在門極斷路而結(jié)溫

4、為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓urrm：在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通態(tài)（峰值）電壓ut：晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。（2）電流定額通態(tài)平均電流 it(av)：在環(huán)境溫度為40°c和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。標(biāo)稱其為額定電流參數(shù)。使用時應(yīng)按有效值相等的原則來選取晶閘管。維持電流 ih：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流。擎住電流 il：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后， 能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對同一晶閘管來說，通常il約為i

5、h的24倍。浪涌電流itsm：指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流 。（3）動態(tài)參數(shù)除開通時間tgt和關(guān)斷時間tq外，還有以下幾個參數(shù)：斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt：指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。電壓上升率過大，使充電電流足夠大，就會使晶閘管誤導(dǎo)通。 通態(tài)電流臨界上升率di/dt：指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，可能造成局部過熱而使晶閘管損壞。1.6.2 晶閘管的觸發(fā)電路1、觸發(fā)電路要求晶閘管的觸發(fā)電路作用：產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻

6、斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通。晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)滿足下列要求：（1）脈沖的寬度應(yīng)保證晶閘管可靠導(dǎo)通；觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度。（2）不超過門極電壓、電流和功率定額，且在可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)。（3）有良好的抗干擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形如圖2所示。圖2 理想的晶閘管觸發(fā)脈沖電流波形t1t2 ¾ 脈沖前沿上升時間（<1ms）。t1t3 ¾ 強(qiáng)脈寬度。im ¾ 強(qiáng)脈沖幅值（3igt5igt）。t1t4 ¾ 脈沖寬度。i ¾ 脈沖平頂幅值（1.5igt2igt）。2、教材所述觸發(fā)電路教材圖1-6-3所示。v2、v3構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)

7、。脈沖變壓器tm和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。 v2、v3導(dǎo)通時，通過脈沖變壓器向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。vd1回流（或續(xù)流）二極管；vd2整流（或檢波）二極管；vd3是保護(hù)二極管，當(dāng)脈沖變壓器反相輸出時，使加到門極和陰極反相電壓小于0.7v。圖1-6-3 常見的晶閘管觸發(fā)電路3、實(shí)驗(yàn)臺單結(jié)晶體管觸發(fā)電路（1）利用單結(jié)晶體管(又稱雙基極二極管)的負(fù)阻特性和rc的充放電特性，可組成頻率可調(diào)的自激振蕩電路，如圖3所示，單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的各點(diǎn)波形如圖4所示。圖中v6為單結(jié)晶體管，其常用的型號有bt33和bt35兩種，由等效電阻v5和c1組成組成rc充電回路，由c1-v6-脈沖變

8、壓器組成電容放電回路，調(diào)節(jié)rp1即可改變c1充電回路中的等效電阻。圖3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路原理圖圖4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路各點(diǎn)的電壓波形(=900)工作原理簡述如下：由同步變壓器副邊輸出60v的交流同步電壓，經(jīng)vd1半波整流，再由穩(wěn)壓管v1、v2進(jìn)行削波，從而得到梯形波電壓，其過零點(diǎn)與電源電壓的過零點(diǎn)同步，梯形波通過r7及等效可變電阻v5向電容c1充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到單結(jié)晶體管的峰值電壓up時，單結(jié)晶體管v6導(dǎo)通，電容通過脈沖變壓器原邊放電，脈沖變壓器副邊輸出脈沖。同時由于放電時間常數(shù)很小，c1兩端的電壓很快下降到單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓uv，使v6關(guān)斷，c1再次充電，周而復(fù)始，在電容c1兩端呈現(xiàn)鋸

9、齒波形，在脈沖變壓器副邊輸出尖脈沖。在一個梯形波周期內(nèi)，v6可能導(dǎo)通、關(guān)斷多次，但只有輸出的第一個觸發(fā)脈沖對晶閘管的觸發(fā)時刻起作用。充電時間常數(shù)由電容c1和等效電阻等決定，調(diào)節(jié)rp1改變c1的充電的時間，控制第一個尖脈沖的出現(xiàn)時刻，實(shí)現(xiàn)脈沖的移相控制。單結(jié)晶體管觸發(fā)電路的各點(diǎn)波形如圖1-9所示。電位器rp1已裝在面板上，同步信號已在內(nèi)部接好，所有的測試信號都在面板上引出。4、實(shí)驗(yàn)臺鋸齒波同步移相觸發(fā)電路鋸齒波同步移相觸發(fā)電路由同步檢測、鋸齒波形成、移相控制、脈沖形成、脈沖放大等環(huán)節(jié)組成，其原理圖如圖5所示。 圖5 鋸齒波同步移相觸發(fā)電路i原理圖由v3、vd1、vd2、c1等元件組成同步檢測環(huán)節(jié)，其作用是利用同步電壓ut來控制鋸齒波產(chǎn)生的時刻及鋸齒波的寬度。由v1、v2等元件組成的恒流源電路，當(dāng)v3截止時，恒流源對c2充電形成鋸齒波；當(dāng)v3導(dǎo)通時，電容c2通過r4、v3放電。調(diào)節(jié)電位器rp1可以調(diào)節(jié)恒流源的電流大小，從而改變了鋸齒波的斜率。控制電壓uct、偏移電壓ub和鋸齒波電壓在v5基極綜合疊加，從而構(gòu)成移相控制環(huán)節(jié)，rp2、rp3分別調(diào)節(jié)控制電壓uct和偏移電壓ub的大小。v6、v7構(gòu)成脈沖形成放大環(huán)節(jié)，c5為強(qiáng)觸發(fā)電容改善脈沖的前沿，由脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖，電路的各點(diǎn)電壓波形如圖6所示。本裝置有兩路鋸齒波同步移相觸發(fā)電路，i和ii，在電路上完全一樣，只是鋸齒波觸發(fā)電路