第四講：晶閘管可控硅整流電路

1、高級維修電工培訓課程高級維修電工培訓課程第四講：晶閘管可控硅整流電路第四講：晶閘管可控硅整流電路一、一、1. 1. 概念概念: :電力電子器件電力電子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主電路中，實現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件。主電路（主電路（Main Power Circuit） 電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔電能的變換或控制任務(wù)的電路。 2. 分類分類: : 電真空器件電真空器件 (汞弧整流器、閘流管) 半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件 (采用的主要材料硅）（一）（一） 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征電力電子器件電力電子器件能處理電功率的能力，一般遠大于

2、處理信息的電子器件。電力電子器件一般都工作在開關(guān)狀態(tài)。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。電力電子器件自身的功率損耗遠大于信息電子器件，一般都要安裝散熱器。（一）（一） 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征3. 同處理信息的電子器件相比的一般特征：同處理信息的電子器件相比的一般特征：通態(tài)損耗通態(tài)損耗是器件功率損耗的主要成因。器件開關(guān)頻率較高時，開關(guān)損耗開關(guān)損耗可能成為器件功率損耗的主要因素。主要損耗通態(tài)損耗斷態(tài)損耗開關(guān)損耗關(guān)斷損耗開通損耗（一）（一） 電力電子器件的概念和特征電力電子器件的概念和特征 電力電子器件的損耗電力電子器件的損耗電力電子系統(tǒng)電力電子系統(tǒng)：由控制電路控制

3、電路、驅(qū)動電路驅(qū)動電路、保護電路保護電路 和以電力電子器件為核心的主電路主電路組成。圖1-1 電力電子器件在實際應(yīng)用中的系統(tǒng)組成控制電路檢測電路驅(qū)動電路RL主電路V1V2保護電路在主電路和控制電路中附加一些電路，以保證電力電子器件和整個系統(tǒng)正常可靠運行（二（二）應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成應(yīng)用電力電子器件系統(tǒng)組成電氣隔離控制電路半控型器件（半控型器件（Thyristor） 通過控制信號可以控制其導(dǎo)通而不能控制其關(guān)斷。全控型器件全控型器件（IGBT,MOSFET) ) 通過控制信號既可控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān) 斷，又稱自關(guān)斷器件。不可控器件不可控器件( (Power Diode) ) 不能用控制信號來

4、控制其通斷, 因此也就不需要驅(qū)動電路。（三）（三）電力電子器件的分類電力電子器件的分類按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：按照器件能夠被控制的程度，分為以下三類：（三）（三）電力電子器件的分類電力電子器件的分類電流驅(qū)動型電流驅(qū)動型 通過從控制端 注入或者抽出電流來實現(xiàn)導(dǎo)通或者 關(guān)斷的控制。電壓驅(qū)動型電壓驅(qū)動型 僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導(dǎo)通或者關(guān)斷的控制。 按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類：按照驅(qū)動電路信號的性質(zhì)，分為兩類： Power Diode結(jié)構(gòu)和原理簡單，工作可靠，自20世紀50年代初期就獲得應(yīng)用?？旎謴?fù)二極管和肖特基二極管，分別在中、高頻整流和逆變，以及

5、低壓高頻整流的場合，具有不可替代的地位。 1、不可控器件不可控器件電力二極管電力二極管整流二極管及模塊基本結(jié)構(gòu)和工作原理與信息電子電路中的二極管一樣。由一個面積較大的PN結(jié)和兩端引線以及封裝組成的。從外形上看，主要有螺栓型和平板型兩種封裝。 電力二極管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號 a) 外形 b) 結(jié)構(gòu) c) 電氣圖形符號PN結(jié)與電力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 狀態(tài)參數(shù)正向?qū)ǚ聪蚪刂狗聪驌舸╇娏髡虼髱缀鯙榱惴聪虼箅妷壕S持1V反向大反向大阻態(tài)低阻態(tài)高阻態(tài)二極管的基本原理就在于PN結(jié)的單向?qū)щ娦赃@一主要特征。 PN結(jié)的反向擊穿（兩種形式)雪崩擊穿齊納擊穿均可能導(dǎo)致熱擊穿 PN結(jié)與電

6、力二極管的工作原理結(jié)與電力二極管的工作原理 PN結(jié)的狀態(tài)主要指其伏安特性伏安特性門檻電壓門檻電壓UTO，正向電流IF開始明顯增加所對應(yīng)的電壓。與IF對應(yīng)的電力二極管兩端的電壓即為其正向電正向電壓降壓降UF 。承受反向電壓時，只有微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。圖1-4 電力二極管的伏安特性電力二極管的基本特性電力二極管的基本特性1. 靜態(tài)特性靜態(tài)特性IOIFUTOUFU正向壓降先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如 2V）。正向恢復(fù)時間tfr。電流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V圖1-5(b)開通過程二二. 電力二極管的基本特性電力二極管的基本特

7、性 開通過程開通過程： 關(guān)斷過程關(guān)斷過程須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。關(guān)斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt圖1-5(b)關(guān)斷過程額定電流額定電流在指定的管殼溫度和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應(yīng)來定義的，使用時應(yīng)按有效值相等的原則有效值相等的原則來選取電流定額，并應(yīng)留有一定的裕量。電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)1. 正向平均電流正向平均電流IF(AV)在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應(yīng)的正向壓

8、降。3. 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM對電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓。使用時，應(yīng)當留有兩倍的裕量。 4. 反向恢復(fù)時間反向恢復(fù)時間trr trr= td+ tf電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)2. 正向壓降正向壓降UF結(jié)溫結(jié)溫是指管芯PN結(jié)的平均溫度，用TJ表示。TJM是指在PN結(jié)不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。TJM通常在125175C范圍之內(nèi)。6. 浪涌電流浪涌電流IFSM指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。 電力二極管的主要參數(shù)電力二極管的主要參數(shù)5. 最高工作結(jié)溫最高工作結(jié)溫TJM1. 普通二極管普通二極管（General

9、Purpose Diode）又稱整流二極管（Rectifier Diode）多用于開關(guān)頻率不高（1kHz以下）的整流電路其反向恢復(fù)時間較長正向電流定額和反向電壓定額可以達到很高按照正向壓降、反向耐壓、反向漏電流等性能，特別是反向恢復(fù)特性的不同介紹。電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型簡稱快速二極管快恢復(fù)外延二極管快恢復(fù)外延二極管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐壓多在1200V以下。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個等級。前者trr為數(shù)百納秒或更長，后者則在100ns以下，

10、甚至達到2030ns。2. 快恢復(fù)二極管快恢復(fù)二極管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖特基二極管的弱點弱點反向耐壓提高時正向壓降會提高，多用于200V以下。反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴格地限制其工作溫度。肖特基二極管的優(yōu)點優(yōu)點反向恢復(fù)時間很短（1040ns）。正向恢復(fù)過程中也不會有明顯的電壓過沖。反向耐壓較低時其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管。效率高，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。電力二極管的主要類型電力二極管的主要類型3. 肖特基二極管肖特基二極管(DATASHEET) ) 以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢壘為基礎(chǔ)的二極管稱為肖特基勢壘二極管（Schottky Bar

11、rier Diode SBD）。 1956年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管。1957年美國通用電氣公司開發(fā)出第一只晶閘管產(chǎn)品。1958年商業(yè)化。開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時代。20世紀80年代以來，開始被全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，在大容量的場合具有重要地位。晶閘管晶閘管（Thyristor）：晶體閘流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）G P1P2N1N2P1P2N1N2K GAKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK常用常用晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型

12、晶閘管外形及結(jié)構(gòu)外形有螺栓型和平板型兩種封裝。有三個聯(lián)接端。螺栓型封裝，通常螺栓是其陽極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便。平板型晶閘管可由兩個散熱器將其夾在中間。 T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在極短時間內(nèi)使兩在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2iGEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 必須使可控硅陽極電流減小必須使可控硅陽極電流減小, ,直到直到正反饋正反饋效應(yīng)效應(yīng)不能維持。不能維持。 將

13、陽極電源斷開或者在晶閘管的將陽極電源斷開或者在晶閘管的URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2正向平均電流正向平均電流)(曲曲線線UfI UFRM:晶閘管晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下控制極開路且正向阻斷情況下, ,允允許重復(fù)加在許重復(fù)加在晶閘管晶閘管兩端的正向峰值電壓。兩端的正向峰值電壓。一般取一般取UFRM = = 80% UB0 。普通普通晶閘管晶閘管 UFRM 為為100V 3000V控制極開路時控制極開路時, ,允許重復(fù)作用在允許重復(fù)作用在晶閘管晶閘管元元 件上的反向峰值電壓。件上的反向峰值電壓。一般取一般取 URRM = 80% UBR

14、 普通普通晶閘管晶閘管 URRM為為100V3000VURRM：)(sin21m0mFIttdII 環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為4040 C C及及標準散熱條件下，標準散熱條件下，晶閘晶閘管處于管處于全導(dǎo)通時全導(dǎo)通時可以連續(xù)通過的工頻正弦可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。半波電流的平均值。 IF t 2 i如果正弦半波電流的最大值為如果正弦半波電流的最大值為Im, 則則普通晶閘管普通晶閘管IF為為1A 1000A。額定電壓額定電壓, ,用百位或千位數(shù)表示用百位或千位數(shù)表示取取UFRM或或URRM較小者較小者額定正向平均電流額定正向平均電流( (IF) 晶閘管晶閘管K P普通型普通型如如KP5-7

15、表示表示額定正向平均電流為額定正向平均電流為5A, ,額定電壓為額定電壓為700V。A1A2G通過控制電壓的控制可實現(xiàn)雙向?qū)?。通過控制電壓的控制可實現(xiàn)雙向?qū)?。A1A2G RC Tu雙向二極管雙向二極管(1) 電路電路。uuu To, 0。0,To uuu+T t1 2 。uu,u T 0o:1t 。0,To uuu tuO晶晶閘閘管管不不導(dǎo)導(dǎo)通通。,0,0g1 ut t 。uuu To, 0gu tO tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO導(dǎo)通角導(dǎo)通角 tuUd21O )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U +T

16、LeL tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 +LTD+(1) 電路電路iL tOu tuO tTuO 2 tguOaRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a tOu tuO tT1uO2 tguO tuUd1O )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2cos19 . 0 U兩種常用可控整流電路兩種常用可控整流電路電路電路特點特點1. 該電路只用一只晶閘管，且其上該電路只用一只晶閘管，且其上 無反向電壓。無反向電壓。2. 晶閘管和負載上的電流相同。晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D4u0RL+-+-電路電

17、路特點特點 1. 該電路接入電感性負載時，該電路接入電感性負載時，D1、D2 便起便起 續(xù)流二極管作用。續(xù)流二極管作用。(2)動畫動畫2. 由于由于T1的陽極和的陽極和T2的陰極相連，兩管控的陰極相連，兩管控 制極必須加獨立的觸發(fā)信號。制極必須加獨立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-u2a2 u2bu2ct1t2ut o ，一旦發(fā)生過，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將電流時，溫度急劇上升，可能將PNPN結(jié)燒壞，造成元結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只件內(nèi)部短路或開路。例如一只100A的的晶閘管晶閘管過電流過電流為為400A400A時，僅允許持續(xù)時，僅允許持續(xù)0.020.

18、02秒，否則將因過熱而損秒，否則將因過熱而損壞；壞； 電壓超過其反電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。的電流較大，使器件受損。與晶閘與晶閘管串聯(lián)管串聯(lián)接在接在輸入輸入端端接在接在輸出輸出端端 RCRC 硒堆保護硒堆保護(硒整流片硒整流片)晶閘管元件晶閘管元件的阻容保護的阻容保護NPPN結(jié)結(jié)N型硅片型硅片2B1B1BBB1BRRRUU BBBBBB1BUURR 分壓比分壓比( (0.5 0.9) )UBB+_+_RP+_+_RB1RB2AUBB+_RP+_+_(3) 維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小 電壓、電流。電壓、電流。 單結(jié)管由截止變導(dǎo)通單結(jié)管由截止變導(dǎo)通 所需發(fā)射極電壓所需發(fā)射極電壓。IpIVV截止區(qū)截止區(qū)P 3. 不同單結(jié)晶體管的谷點電壓不同單結(jié)晶體管的谷點電壓谷點電流谷點電流都都 不一樣。谷