電力電子學(xué)晶閘管及其基本電路(共38頁).ppt

1、半導(dǎo)體器件開展半導(dǎo)體器件開展 學(xué)）電力電子學(xué)（強(qiáng)電子電力半導(dǎo)體器件方面）微電子學(xué)（弱電子學(xué)集成電路方面A.A. 電力電子學(xué)的任務(wù)電力電子學(xué)的任務(wù) 利用電力半導(dǎo)體器件如：晶閘管和線路利用電力半導(dǎo)體器件如：晶閘管和線路來實(shí)現(xiàn)電來實(shí)現(xiàn)電 功率的變換和控制。功率的變換和控制。 晶閘管晶閘管Silicon Controlled RectifierSilicon Controlled Rectifier簡簡稱稱SCRSCR，19571957年在弱電控制與強(qiáng)電輸出之間起橋年在弱電控制與強(qiáng)電輸出之間起橋梁作用。梁作用。 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)幾十萬倍； 2) 控制靈敏，反響快

2、； 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。10.1 10.1 電力半導(dǎo)體器件電力半導(dǎo)體器件10.1.1 10.1.1 晶閘管晶閘管SCRSCR 新型大功率半導(dǎo)體器件，也稱可控硅。新型大功率半導(dǎo)體器件，也稱可控硅。1. 1. 根本結(jié)構(gòu)根本結(jié)構(gòu) 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) 符號如下圖。陰極K，近的一面是陽極A，遠(yuǎn)的一面是控制極G中間金屬環(huán)是平板形。

3、控制極（門極）G，細(xì)線是陰極K，另一端粗線是陽極A螺栓一端是螺栓形2. 2. 工作原理工作原理 l l 實(shí)驗(yàn)情況實(shí)驗(yàn)情況說明：說明：可用燈泡燈泡 代替電阻電阻RL。 1)晶閘管承受正向電壓，開關(guān)S控制極斷開，此時電燈不亮，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，不管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，不管陽極電壓是正或負(fù)，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷阻斷。 l 結(jié)論 1)晶閘管導(dǎo)通條件：陽極加正向電

4、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娦哉?、反向阻斷能力?l 導(dǎo)通原因 1) 等效為PNP型和NPN型兩個晶體管的組合。 2) 陽極和控制極均加正向電壓時， 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)通過程微秒級。gI2VTgI21VT1VT1VT2VTgI21 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) 陽極加反向電壓，無放大作用，晶閘管不導(dǎo)通；控制電壓反向或未參加，不產(chǎn)生起始 ，晶閘管也不導(dǎo)通。2VTgIgugI3.3.伏安特性伏安特性

5、 晶閘管的伏安特性晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關(guān)系。 1) 截止?fàn)顟B(tài)正向阻斷狀態(tài)陽極加正向電壓，門極開路 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)。這時陽極電壓稱為斷態(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。gIgIgIBOUDSMUBOU 3) 維持電流 保證晶閘管導(dǎo)通的最小陽極電流當(dāng)電流小于 時，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)陽極加反向電壓時，反向漏電流很小。當(dāng)反向陽極電壓增加到某一數(shù)值時，反

6、向漏電流 ，這時對應(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。HIHIRSMUBRU4. 4. 主要參數(shù)主要參數(shù) 1)1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓斷態(tài)重復(fù)峰值電壓在控制極斷路和晶在控制極斷路和晶閘管正向阻斷時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電閘管正向阻斷時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，它比壓，它比 小小100V100V。 “ “多少伏的晶閘管多少伏的晶閘管 2)2) 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓在控制極斷路時，在控制極斷路時，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓，它比可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓，它比

7、 小小100V100V。 3)3) 額定通態(tài)或正向平均電流，簡稱額定電額定通態(tài)或正向平均電流，簡稱額定電流流在環(huán)境溫度不大于在環(huán)境溫度不大于4040和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通時，和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通時，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(nèi)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(nèi)的平均值。的平均值。 “ “多少安的晶閘管多少安的晶閘管DRMUBOURRMUBRUTI 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，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：m

8、mTIttdII)(sin2102)(sin21202mmeIttdII57. 12TeIIKTeII57. 157. 1)25 . 1 (eTIIeIHICHCHII252120121 5. 型號及其含義國產(chǎn)晶閘管 例如： 3CT50/500 為50A， 為500V； KP5-7K晶閘管，P普通型，額定電流5A，額定電壓700V。TIDRMU3C T/DRMUTI可控整流元件 N型硅材料 三個電極 6. 6. 判別管子的好壞判別管子的好壞 用萬用表的歐姆檔來判別管子的好壞。 表10.1 用萬用表測試晶閘管各管腳之間的電阻注意：注意：當(dāng)AK間為高阻值，而KG間逆向電阻大于順向電阻時，管子良好管

9、子良好。測試點(diǎn)表內(nèi)電池極性測量范圍測試結(jié)果AK順向或逆向R1000高電阻（表針不動）AG同上同上同上KG順向：G “+”,K “-”逆向：G -”,K “+”R1R110 10050 50010.1.2 其它電力半導(dǎo)體器件其它電力半導(dǎo)體器件 雙向晶閘管雙向晶閘管 可關(guān)斷晶閘管可關(guān)斷晶閘管 功率晶體管功率晶體管 整流二極管整流二極管1. 雙向晶閘管TRIAC 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，簡化觸發(fā)電路； 5) 本錢低，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(如下圖) l 工作原理 1)

10、 門極無信號時， 、 不導(dǎo)電。 2) 導(dǎo)通條件： + ， -，G + -， +，G - l 電壓波形圖(如下圖)1MT2MT2MT2MT1MT1MT2. 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。 20 m A / 30A2) 動態(tài)特性較好，關(guān)斷時間較短。 1s / (5 30) s3) 主要用于直流調(diào)壓和直流開關(guān)電路。4) 電路簡單，工作頻率高。 l 符號 與晶閘管相似。3. 3. 功率晶體管功率晶體管GTRGTR 300A300A，100V100V或或100A100A，300V300V 達(dá)林頓晶體管200A，500V注：復(fù)合管，正向?qū)▔航?，功率損耗。

11、l l 特點(diǎn)特點(diǎn)可在高電壓和強(qiáng)電流定額下使用；可在高電壓和強(qiáng)電流定額下使用；正向?qū)▔航嫡驅(qū)▔航?.3 0.80.3 0.8V V，功率損耗較晶閘管功率損耗較晶閘管1V1V小；小；基極電流消失或反偏時，晶體管立即截止基極電流消失或反偏時，晶體管立即截止不存在關(guān)斷問題；不存在關(guān)斷問題；允許的電流變化率低；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；處于導(dǎo)通狀態(tài)，基極電路功率損耗大；體積更小，價格更低比晶閘管。體積更小，價格更低比晶閘管。4. 4. 大功率二極管整流二極管大功率二極管整流二極管l l 特點(diǎn)特點(diǎn)可在高溫下工作；室溫可在高溫下工作；室溫 加正向?qū)▔航导诱驅(qū)▔航?.8

12、 10.8 1V V；反向電壓就截止，加正向電壓就導(dǎo)通；反向電壓就截止，加正向電壓就導(dǎo)通；額定值可達(dá)額定值可達(dá)200A200A和和400V400V，或更高。，或更高。注：它相當(dāng)于一只開關(guān)。注：它相當(dāng)于一只開關(guān)。作業(yè)：作業(yè)：P:276 10.1P:276 10.1，10.310.37 710.2 10.2 單相可控整流電路單相可控整流電路 由晶閘管組成的可控整流電路類似于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。相橋式、三相零式半波、三相橋式。 10.2.1 10.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可

13、控整流電路 特點(diǎn)： 應(yīng)用較少，電路簡單，調(diào)整容易。 直流輸出電壓低，脈動大。電阻性負(fù)載電阻性負(fù)載 分析：分析：1)1) 控制角晶閘管元件承受正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)之間向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖作用點(diǎn)之間的電角度，的電角度， 導(dǎo)通角晶閘管在一周期時導(dǎo)通角晶閘管在一周期時間內(nèi)導(dǎo)通的電角度，間內(nèi)導(dǎo)通的電角度， ， ， 。2) 2) 最大正向、反向電壓為最大正向、反向電壓為 電電源變壓器副邊電壓源變壓器副邊電壓 的最大值。的最大值。3) 3) 負(fù)載輸出直流電壓平均值、負(fù)載輸出直流電壓平均值、負(fù)載電流平均值分別為：負(fù)載電流平均值分別為：4) 4) ，到達(dá)可控整流的，到達(dá)可控整流

14、的目的。目的。 22UtUusin2222cos145. 0)(sin22122UttdUUd2cos145. 02RURUIddddIU， 2.2. 電感性負(fù)載電感性負(fù)載 如：各種電機(jī)的勵磁線圈等。分析：電感阻礙電流變化 自感電勢或反電動勢。 大于電源負(fù)電壓，晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通，也就是說，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。Le,ddIU，Le3.3. 續(xù)流二極管的作用大電感性負(fù)載續(xù)流二極管的作用大電感性負(fù)載 分析：分析：1)1) 負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管。負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管。2)2) 電流電壓過零變負(fù)時，續(xù)流二極管導(dǎo)通，晶閘電流電壓過零變負(fù)時，續(xù)流二

15、極管導(dǎo)通，晶閘管自行關(guān)斷無電流流回電源。管自行關(guān)斷無電流流回電源。3)3) 負(fù)載兩端電壓為二極管管壓降，接近于零電負(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。感放出能量消耗在電阻上。4)4) 波形與電阻性負(fù)載一樣，波形與電阻性負(fù)載一樣， 波形與之很不波形與之很不相同。當(dāng)相同。當(dāng) 時，電流脈動小，時，電流脈動小， 波形近波形近似于一條平行于橫軸的直線。似于一條平行于橫軸的直線。dudiRL VVSdiiidVSdII2)(dVdII22)(di10.2.2 10.2.2 單相橋式可控整流電路單相橋式可控整流電路 應(yīng)用很廣應(yīng)用很廣 它與不可控橋式整流電路它與不可控橋式整流電路的區(qū)

16、別：二只晶閘管代替二只的區(qū)別：二只晶閘管代替二只二極管。二極管。 1.1. 單相半控橋式整流電路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：2121VRVS1212VRVS 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= 0或觸發(fā)回路切斷時，V1 和V2形成續(xù)流電流增大，VS1或VS2可靠關(guān)斷。dUdI2cos19 . 02UUd2co

17、s19 . 02RUIddVSdII2)(dVdII)3(dVdII22)( 3) 只用一個晶閘管進(jìn)行控制的整流電路 四個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)： 控制線路簡單，本錢較低； 承受整流過的脈動電壓，不承受反向電壓； 整流元件較多，體積較大； 壓降、損耗較大； 選用維持電流較大的晶閘管，以免失控。 4) 反電勢負(fù)載分析：a導(dǎo)通條件： l 電源電壓大于反電勢； 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對大容量電動機(jī)或蓄電池負(fù)載，常串聯(lián)電抗器L用以平滑電

18、流的脈動。dUREUIdd 2.2. 單相單相全控橋全控橋式整流電路式整流電路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)載無續(xù)流二極管時，輸出電壓的瞬時值出現(xiàn)負(fù)值。 l 電阻性負(fù)載時，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、反向電壓仍是 。20cos9 . 0)(sin22222UttdUUd22U2) 電感性負(fù)載時工作狀況： l 為正，瞬時 ，VS1、VS2 導(dǎo)通。當(dāng) 0 時，L上反電勢作用，VS1、VS2繼續(xù)導(dǎo)通，直至 為負(fù)。 l 為負(fù)，即 為正，對應(yīng)瞬時 ，VS3 、VS4 導(dǎo)通，VS1、VS2關(guān)斷。當(dāng) 0 時，VS3、VS4繼續(xù)導(dǎo)通到觸發(fā)VS1、VS2時關(guān)斷。注意：注意：為了提高整流電壓，可在負(fù)載兩端并接續(xù)流二極管續(xù)流二極管。12u1t21u2t；，：，：