電力電子單相橋式整流電路設(shè)計

1、 電力電子技術(shù)前言電力電子技術(shù)又稱為功率電子技術(shù)，他是用于電能變換和功率控制的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)是弱電控制強(qiáng)電的方法和手段，是當(dāng)代高新技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，也是支持電力系統(tǒng)技術(shù)革命發(fā)展的重要基礎(chǔ)，并節(jié)能降耗、增產(chǎn)節(jié)約提高生產(chǎn)效能的重要技術(shù)手段。微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及大功率電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動了電工技術(shù)、電氣工程和電力系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步。 電力電子器件是電力電子技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。正是大功率晶閘管的發(fā)明，使得半導(dǎo)體變流技術(shù)從電子學(xué)中分離出來，發(fā)展成為電力電子技術(shù)這一專門的學(xué)科。而二十世紀(jì)九十年代各種全控型大功率半導(dǎo)體器件的發(fā)明，進(jìn)一步拓展了電力電子技術(shù)應(yīng)用和覆蓋的領(lǐng)域和范圍。電

2、力電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個部門，包括鋼鐵、冶金、化工、電力、石油、汽車、運(yùn)輸以及人們的日常生活。功率范圍大到幾千兆瓦的高壓直流輸電，小到一瓦的手機(jī)充電器，電力電子技術(shù)隨處可見。摘要掌握晶閘管的使用，用晶閘管控制單相橋式全控整流電路（阻感性負(fù)載）并畫出整流電路中輸入輸出、各元器件的電壓、電流波形，理解單相橋式全控整流電路阻感負(fù)載的工作原理和基本計算。選擇觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)，考慮保護(hù)電路。 -1目錄 -2 1 設(shè)計任務(wù)書 1.1.設(shè)計任務(wù)-5 1.2.技術(shù)要求-52 設(shè)計內(nèi)容2.1 方案的選擇-53 觸發(fā)電路的設(shè)計 3. 1同步觸發(fā)電路-6 3. 2 晶閘管的觸發(fā)條件-7 3. 3

3、晶閘管的分類-7 3. 4形成與脈沖放大環(huán)節(jié)-73. 5鋸齒波形成與脈沖移相環(huán)節(jié)-8 3. 6同步信號與主回路的相位關(guān)系-8 4驅(qū)動電路與保護(hù)電路的設(shè)計4. 1典型全控型器件的驅(qū)動電路-9 4. 2 電力電子器件的保護(hù)-10 5. 單相橋式全控整流電路原理說-126元器件和電路參數(shù)計算6. 1元件選取-晶閘管（SCR）-136. 2晶閘管的選型 -187 整流變壓器額定參數(shù)計算7.1 二次相電壓U2 -197.2 一次與二次額定電流及容量計算 -208 設(shè)計結(jié)果分析 -219 心得體會 -2210 參考文獻(xiàn) -23 1.設(shè)計任務(wù)書1.1.設(shè)計任務(wù)：1、進(jìn)行設(shè)計方案的比較，并選定設(shè)計方案；2、完

4、成單元電路的設(shè)計和主要元器件說明；3、完成主電路的原理分析,各主要元器件的選擇；4、驅(qū)動電路的設(shè)計,保護(hù)電路的設(shè)計；1.2.技術(shù)要求:（1）電網(wǎng)供電電壓為單相220V； （2）變壓器二次側(cè)電壓為110V；（3）輸出電壓連續(xù)可調(diào)，為0100V；（4）帶阻感性負(fù)載：L=1000mH，R=1002. 設(shè)計內(nèi)容2.1方案的選擇單相相控整流電路可分為單相半波、單相全波和單相橋式相控流電路，它們所連接的負(fù)載性質(zhì)不同就會有不同的特點(diǎn)。下面分析各種單相控整流電路在帶電阻性負(fù)載、電感性負(fù)載和反電動勢負(fù)載時的工作情況。單相半控整流電路的優(yōu)點(diǎn)是：線路簡單、調(diào)整方便。弱點(diǎn)是：輸出電壓脈動沖大，負(fù)載電流脈沖大（電阻性負(fù)

5、載時），且整流變壓器二次繞組中存在直流分量,使鐵心磁化，變壓器不能充分利用。而單相全控式整流電路具有輸出電流脈動小，功率因數(shù)高，變壓器二次電流為兩個等大反向的半波，沒有直流磁化問題，變壓器利用率高的優(yōu)點(diǎn)。 單相全控式整流電路其輸出平均電壓是半波整流電路2倍，在相同的負(fù)載下流過晶閘管的平均電流減小一半；且功率因數(shù)提高了一半。 根據(jù)以上的比較分析因此選擇的方案為單相全控橋式整流電路（負(fù)載為阻感性負(fù)載）。 3 觸發(fā)電路的設(shè)計3.1同步觸發(fā)電路晶閘管最重要的特性是可控的正向?qū)ㄌ匦?當(dāng)晶閘管的陽極加上正向電壓后,還必須在門極與陰極之間加上一個具有一定功率的正向觸發(fā)電壓才能打通, 這一正向觸發(fā)電壓的導(dǎo)通

6、是由觸發(fā)電路提供的,根據(jù)具體情況這個電壓可以是交流、直流或脈沖電壓。由于晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通以后，門極的觸發(fā)電壓即失去控制作用，所以為了減少門極的觸發(fā)功率，常常用脈沖觸發(fā)。觸發(fā)脈沖的寬度要能維持到晶閘管徹底導(dǎo)通后才能撤掉，晶閘管對觸發(fā)脈沖的幅值要求是：在門極上施加的觸發(fā)電壓或觸發(fā)電流應(yīng)大于產(chǎn)品提出的數(shù)據(jù)，但也不能太大，以防止損壞其控制極，在有晶閘管串并聯(lián)的場合，觸發(fā)脈沖的前沿越陡越有利于晶閘管的同時觸發(fā)導(dǎo)通。為了保證晶閘管電路能正常，可靠的工作，觸發(fā)電路必須滿足以下要求：觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。由閘管的門極伏安特性曲線可知，同一型號的晶

7、閘管的門極伏安特性的分散性很大，所以規(guī)定晶閘管元件的門極阻值在某高阻和低阻之間，才可能算是合格的產(chǎn)品。晶閘管器件出廠時，所標(biāo)注的門極觸發(fā)電流Igt、門極觸發(fā)電壓U是指該型號的所有合格器件都能被觸發(fā)導(dǎo)通的最小門極電流、電壓值，所以在接近坐標(biāo)原點(diǎn)處以觸發(fā)脈沖應(yīng)一定的寬度且脈沖前沿應(yīng)盡可能陡。由于晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間。只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的掣住電流以上時，晶閘管才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)信號應(yīng)有足夠的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠的導(dǎo)通，對于電感性負(fù)載，脈沖的寬度要寬些，一般為0.51MS，相當(dāng)于50HZ、18度電度角。為了可靠地、快速地觸發(fā)

8、大功率晶閘管，常常在 觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)能在規(guī)定范圍內(nèi)移動。例如單相全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時，要求觸發(fā)脈沖的移項(xiàng)范圍是0度180度，帶大電感負(fù)載時，要求移項(xiàng)范圍是0度90度；三相半波可控整流電路電阻性負(fù)載時，要求移項(xiàng)范圍是0度90度。同步電壓：來自同步電源(同步電源變壓器)，經(jīng)鋸齒波形成電路，得到與電源同步的鋸齒波電壓。缺少同步電壓則不能形成鋸齒波電壓，將無觸發(fā)脈沖；鋸齒波電壓：鋸齒波電壓與控制電壓，偏移電壓疊加，在其交叉點(diǎn)形成觸發(fā)脈沖；沒有鋸齒波電壓，也將無觸發(fā)脈沖；控制電壓：工作時，控制其大小，實(shí)現(xiàn)在需要的范圍內(nèi)移相；偏移電壓：與控制電壓疊加，以確定控

9、制電壓為零時，觸發(fā)脈沖的初始位相位。如果缺少偏移電壓，或偏移電壓不當(dāng)，將不能在需要的范圍內(nèi)移相。觸發(fā)脈沖與主電路電源必須同步。為了使晶閘管在每一個周期都以相同的控制角被觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與電源同步，兩者的頻率應(yīng)該相同，而且要有固定的相位關(guān)系，以使每一周期都能在同樣的相位上觸發(fā)。觸發(fā)電路同時受控于電壓uc與同步電壓us控制。3.2晶閘管的觸發(fā)條件（1）: 晶閘管承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通； （2）：晶閘管承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管都才能導(dǎo)通；（3）：晶閘管一旦導(dǎo)通門極舊失去控制作用；（4）：要使晶閘管關(guān)斷，只能使其電流小到零一下.3.3晶閘

10、管的分類晶閘管分為：快速晶閘管，逆導(dǎo)晶閘管，雙向晶閘管，光控晶閘管，門極可關(guān)斷晶閘管（GTO），電力晶閘管（GTR），功率場效應(yīng)晶閘管（MOSFET），絕緣珊雙極晶閘管（IGBT），MOS控制晶閘管，集成門極換向晶閘管.靜電感應(yīng)晶體管。3.4 形成與脈沖放大環(huán)節(jié)脈沖的形成環(huán)節(jié)由晶閘管V4、V5組成，V7、V8組成脈沖功率放大環(huán)節(jié)?？刂?、電壓uct和負(fù)偏移相電壓up分別經(jīng)過電阻R6、R7、R8并聯(lián)接入V4基極。在分析該環(huán)節(jié)時，暫不考慮鋸齒波電壓ue3和負(fù)偏電壓up對電路的影響。對控制電壓uct=0時，V4截止，+15V電源通過電阻R11供給V5一個足夠大的基極電流，使V5飽和導(dǎo)通，V5的集電極電

11、壓接近-15V，所以V7、V8截止，無脈沖輸出，同時，+15V電源經(jīng)R9和飽和晶體管V5及-15V電源對電容C3進(jìn)行充電，充電結(jié)束后，電容兩端電壓為30V，其左端為+15V右端為-15V。 調(diào)節(jié)電壓uct，當(dāng)uct0.7V時，V4由截止變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通，其集電極A端ua由+15V迅速下降至1V左右，由于電容C3上的電壓不能突變，C3右端的電壓也開始的-15V下降至-30V，V5的基射結(jié)由于受到反偏而立即截止，其集電極電壓uc5由開始的-15V左右迅速上升，當(dāng)uc52.1時，V7、V8導(dǎo)通，脈沖變壓器一次側(cè)流過電流，其二次側(cè)有觸發(fā)脈沖輸出。同時，電容C3反向充電使V5的基極電壓ub5由-30V開始上

12、升，當(dāng)ub5-15V，V5又重新導(dǎo)通，uc5又變成-15V，使V7、V8又截止，輸出脈沖結(jié)束?？梢姡琕4導(dǎo)通的瞬間決定了脈沖發(fā)出的時刻，到V5截止時間即是脈沖的寬度，而V5截止時間的長短反向充電時間常數(shù)R11C3決定的。3.5 鋸齒波形成與脈沖移相環(huán)節(jié)該環(huán)節(jié)主要由V1、V2、V3、C2、VS等元器件組成，鋸齒波是由恒流源電流對C2充電形成的。在圖中，VS、RP2、R3、V1組成了一個恒流源電路，恒流源電流Ic1對電容C2進(jìn)行充電，電容C2兩端的電壓uc2為 uc2=t可見，uc2是隨時間現(xiàn)性變化的，其充電斜率為。當(dāng)V2導(dǎo)通時，由于電阻R4的阻值很少，所以，電容C2經(jīng)R4及V2迅速放電，當(dāng)V2周

13、期性的關(guān)斷與導(dǎo)通時，電容C2兩端就得到了線性很好的鋸齒波電壓，要想改變鋸齒波的斜率，只要改變充電電流的大小，即只要改變RP2的阻值即可。該鋸齒波電壓經(jīng)過由V3管組成射極跟隨器后，ue3是一個與遠(yuǎn)波形相同的鋸齒波電壓。Ue3、up、uct三個信號通過電阻R6、R7、R8的綜合作用成為ub4，它控制V4的導(dǎo)通與關(guān)斷。這里采用電工學(xué)課程中的疊加原理，在考慮一個信號在b4點(diǎn)的作用時，可以將另外兩個信號接地，而三個信號在b4點(diǎn)作用綜合電壓ub4才是控制V4的真正信號。當(dāng)uct=0時，V4的基極電壓的ub4的波形有ue3+up決定，控制偏移電壓up的大小。使鋸齒波向下移動。當(dāng)uct從0增加時，V4 的基極

14、電位ub4的波形就由ue3+uct+up決定，即當(dāng)ub40.7V時的時刻，即V4由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的時刻，也就是該時刻電路輸出脈沖。如果把偏移電壓up調(diào)整到某特定值而固定時，調(diào)節(jié)控制電壓uct就能改變ub4波形上升到0.7V的時間，也就是說，改變控制電壓uct就可以改變移動脈沖電壓的相位，從而達(dá)到脈沖移相的目的。電路中設(shè)置負(fù)偏移電壓up的目的是為了確定初始脈沖相位。通過三相橋式整流及逆變電路的分析可知：當(dāng) 負(fù)載大電感連續(xù)時，三相橋式整流電路的脈沖初始相位在控制角=90的位置，對于可逆系統(tǒng)，電路需要在整流與逆變兩種工作狀態(tài)，這時需要脈沖的移相范圍約為180，考慮鋸齒波電壓波形兩端的非線性，因此要求鋸

15、齒波底寬為240，此時使脈沖初始位置調(diào)整到鋸齒波的中點(diǎn)位置，對應(yīng)主電路=90位置。 3.6 同步信號與主回路的相位關(guān)系 同步問題是指觸發(fā)脈沖與主回路電源同步。同步變壓器BT和主回路整流變壓器接在同一交流電源上，具有相同頻率。主回路整流變壓器為Yo/Y-12聯(lián)接組，同步變壓器為Y/Y-6，Y/Y-12聯(lián)接組。選擇T1的同步電壓為-uTa，其余T2T6的同步電壓見圖5-2。被觸發(fā)的晶閘管T1T2T3T4主回路電壓+Ua-Ub+Ub-Ua同步信號電壓-uTa+uTb-uTb+uTa 圖5-2晶閘管單相全控橋中晶閘管的同步信號電壓同步變壓器二次正弦波電壓uBT經(jīng)D1間接地加在T2的基極上。在uBT負(fù)半

16、周的下降段，D1導(dǎo)通，同步電壓uBT對C1迅速充電，C1的端電壓uA跟隨uBT變化，T2截止。在uBT負(fù)半周的上升段，電源通過R1給C1反向充電，由于充電時間常數(shù)較大，致使電容端電壓uA波形上升比uBT緩慢，D1截止。隨著C1反向充電，A點(diǎn)電位按指數(shù)規(guī)律逐漸上升，當(dāng)A點(diǎn)電位大于1V后，D2、T2開始導(dǎo)通，uA穩(wěn)定在1.4V左右。因此可使T2截止時間大于180，達(dá)到240左右。由WD1、R2、R4、WR1及T1組成恒流電路。在T2截止時，+12V直流電源經(jīng)WR1、R4和T1對C2進(jìn)行恒流充電。在T2導(dǎo)通后，電容C2通過R3和T2放電，由于R3電阻很小，所以C2迅速放電，使T3基極電位迅速降到0V

17、附近。于是在C2兩端形成底寬為240左右的正鋸齒波電壓，此電壓通過T3組成的射極跟隨器輸出。由于可逆系統(tǒng)，電路需要在整流和逆變狀態(tài)下工作，這時要求脈沖移相范圍約為180，考慮到鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸齒波寬度大于180。4驅(qū)動電路與保護(hù)電路的設(shè)計4.1典型全控型器件的驅(qū)動電路GTO是電流驅(qū)動型器件。它的導(dǎo)通控制與普通晶閘管相似，但對觸發(fā)前沿的幅值和陡度要求較高，且一般需要在整個導(dǎo)通期間施加正向門極電流。要使GTO關(guān)斷則需施加反向門極電流，對其幅值和陡度的要求則更高，幅值需達(dá)到陽極電流的1/3左右，陡度需達(dá)50A/s，其中強(qiáng)負(fù)脈沖寬度約30s，負(fù)脈沖總寬度100s，關(guān)斷后還需在門極-陰

18、極間施加約5V的負(fù)偏壓，以提高器件的抗干擾能力。GTO一般用于大容量電流的場合，其驅(qū) 動電路通常包括開通驅(qū)動電路、關(guān)斷驅(qū)動電路和門極反偏電路三部分，可分為脈 沖變壓器耦合式和直流耦合式兩種類型。直流耦合式驅(qū)動電路可避免電路內(nèi)部的 相互干擾和寄生振蕩，可以得到較陡的脈沖前沿，因此目前應(yīng)用較為廣泛，其缺 點(diǎn)是功耗大，效率低。直流耦合式GTO驅(qū)動電路的電源由高頻電源經(jīng)二極管整 流后得到，二極管VD1和電容C1提供+5V電壓，VD2、VD3、C2、C3構(gòu)成倍壓整 流電路，提供+15V電壓，VD4和電容C4提供-15V電壓。場效應(yīng)晶體管V1開通 時，輸出正強(qiáng)脈沖；V2開通時，輸出正脈沖平頂部分；V2關(guān)斷

19、而V3開通時輸出 負(fù)脈沖；V3關(guān)斷后電阻R3和R4提供門極負(fù)偏壓。4.2 電力電子器件的保護(hù) 在電力電子器件電路中，除 了電力電子器件參數(shù)要選擇合適，驅(qū)動電路設(shè)計良好外，采用合適的過電壓保護(hù) ，過電流保護(hù)，du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必不可少的。4.2.1 過電壓的產(chǎn)生及過電壓保護(hù) 電力電子裝置中可能發(fā)生的過電 壓分為外因過電壓和內(nèi)因過電壓兩類。(1):外因過電壓主要來自雷擊和系 統(tǒng)中的操作過程等外部原因，包括：操作過電壓：由分閘，合閘等開關(guān) 操作引起的過電壓，電網(wǎng)側(cè)的操作過電壓會由供電變壓器電磁感應(yīng)耦合，或由變 壓器繞組之間的存在的分布電容靜電感應(yīng)耦合過來。雷擊過電壓：由雷擊引起 的過

20、電壓。(2): 內(nèi)因過電壓主要來自電力電子裝置 內(nèi)部器件的開關(guān)過程，包括以下幾個部分。 換 相過電壓：由于晶閘管或者與全控型器件反并聯(lián)的續(xù)流二極管在換相結(jié)束后不 能恢復(fù)阻斷能力時，因而有較大的反向電流通過，使殘存的載流子恢復(fù)，而當(dāng)其 恢復(fù)了阻斷能力時，反向電流急劇減小，這樣的電流突變會因線路電感而在晶 閘管陰陽極這間或與續(xù)流二極管反并聯(lián)的全控型器件兩端產(chǎn)生過電壓。關(guān) 斷過電壓：全控型器件在較高頻率下工作，當(dāng)器件關(guān)斷時，因正向電流的迅速 降低而線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。各 電壓保護(hù)措施及配置位置，各電力電子裝置可視具體情況只來用采用其中的幾 種。其中RC3和RCD為抑制內(nèi)因過電壓的裝置，

21、其功能屬于緩沖電路的范疇。在抑 制外因過電壓的措施中，采用RS過電壓抑制電路是最為常見的。RC過電壓抑制 電路可接于供電變壓器的兩側(cè)（通常供電電網(wǎng)一側(cè)稱網(wǎng)側(cè)，電力電子電路一側(cè) 稱閥側(cè)）或電力電子電路的直側(cè)流。對于大容量的電力電子裝置，可采用圖1 39所示的反向阻斷式RC電路。有關(guān)保護(hù)電路的參數(shù)計算可參考相關(guān)的工程手冊。 采用雪崩二極管，金屬氧化物壓敏電阻，硒堆和轉(zhuǎn)折二極管（BOD）等非線性元 器件來限制或吸收過電壓也是較為常用的手段。4.2.2 過電 流保護(hù)電力電子 電路運(yùn)行不正常或者發(fā)生故障時，可能會發(fā)生過電流現(xiàn)象。過電流分載和短路 兩種情況。一般電力電子均同時采用幾種過電壓保護(hù)措施，怪提高

22、保護(hù)的可靠 性和合理性。在選擇各種保護(hù)措施時應(yīng)注意相互協(xié)調(diào)。通常，電子電路作為第 一保護(hù)措施，快速熔斷器只作為短路時的部分區(qū)斷的保護(hù)，直流快速斷路器在電子電力動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器在過載時動作。在選擇快熔時應(yīng)考慮：1、電壓等級應(yīng)根據(jù)快熔熔斷后實(shí)際承受的電壓來確定。2、電流容量應(yīng)按照其在主電路中的接入方式和主電路連接形式確定。快熔一般與電力半導(dǎo)體體器件串聯(lián)連接，在小容量裝置中也可串接于閥側(cè)交流母線或直流母線中。3、快熔的It值應(yīng)小于被保護(hù)器件的允許It值。4、為保證熔體在正常過載情況下不熔化，應(yīng)考慮其時間電流特性?？烊蹖ζ骷谋Ｗo(hù)方式分為全保護(hù)和短保護(hù)兩種。全保護(hù)是指無論過載還是短路均由

23、快熔進(jìn)行保護(hù)，此方式只適用于小功率裝置或器件使用裕量較大的場合。短路保護(hù)方式是指快熔只要短路電流較大的區(qū)域內(nèi)起保護(hù)作用，此方式需與其他過電流保護(hù)措施相配合。對一些重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或者工作頻率較高，很難用快熔保護(hù)的全控型器件，需要采用電子電路進(jìn)行過電流保護(hù)。除了對電動機(jī)起動時的沖擊電流等變化較慢的過電流可以用控制系統(tǒng)本身調(diào)節(jié)器進(jìn)行對電流的限制之外，需設(shè)置專門的過電流保護(hù)電子電路，檢測到過流之后直接調(diào)節(jié)觸發(fā)，驅(qū)動電路，或者關(guān)斷被保護(hù)器件。此外，常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，這種措施對器件過電流的5. 單相橋式全控整流電路原理說明5.1.阻感性負(fù)載1）工作原理:假設(shè)電

24、路已經(jīng)工作在穩(wěn)定狀態(tài)， 圖5.1阻感性負(fù)載電路（a）工作波形（b）假 設(shè) ，負(fù)載電流連續(xù)，近似為一平直的直線。 （1 ）輸出電壓平均值Ud和輸出電流平均值Id （2）晶閘管的電流平均值IdT和有效值IT （3）輸出電流有效值I和變壓器二次電流有效值I2 （4）晶閘管所承受的最大正向電壓和反向電壓均為 6元器件和電路參數(shù)計算6.1元件選取-晶 閘管（SCR）6.1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是大功率的半導(dǎo)體器件，從總體結(jié)構(gòu)上看，可區(qū)分為管芯及散熱器兩大部分，分別如圖1-6及圖1-7所示。 a） 螺栓型 b）平板型 c）符號圖6.1 晶閘管管芯及電路符號表示 管芯是晶閘管的本體部分，由半導(dǎo)體 材料構(gòu)

25、成，具有三個與外電路可以連接的電極：陽極，陰極和門極（或稱 控制極），其電路圖中符號表示如圖1-6c）所示。散熱器則是為了將管芯在 工作時由損耗產(chǎn)生的熱量帶走而設(shè)置的冷卻器。按照晶閘管管芯與散熱器間的安 裝方式，晶閘管可分為螺栓型與平板型兩種。螺栓型（圖1-6a）依靠螺栓將管 芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個面?zhèn)鬟f熱量。 a）自冷 b）風(fēng)冷 c）水冷 圖6.2 晶閘管的散熱器晶閘管管芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-3所示，是一個四層（P1N1P2N2）三端（A、K、G）的功率半導(dǎo)體器件。它是在N型的硅基片（N1）的兩邊擴(kuò)散型半導(dǎo)體雜質(zhì)層（P1、P2），形成了兩個PN結(jié)J1、J2。再在P2層內(nèi)擴(kuò)

26、散型半導(dǎo)體雜質(zhì)層N2又形成另一個PN結(jié)J3。然后在相應(yīng)位置放置鉬片作電極，引出陽極A，陰極K及門極G，形成了一個四層三端的大功率電子元件。這個四層半導(dǎo)體器件由于三個PN結(jié)的存在，決定了它的可控導(dǎo)通特性。圖6.3 晶閘管管芯結(jié)構(gòu)原理圖 6.1.2 晶閘管的工作原理通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：1） 只有當(dāng)晶閘管同時承受正向陽極電壓和正向門極電壓時晶閘管才能導(dǎo)通，兩者不可缺一。2） 晶閘管一旦導(dǎo)通后門極將失去控制作用，門極電壓對管子隨后的導(dǎo)通或關(guān)斷均不起作用，故使晶閘管導(dǎo)通的門極電壓不必是一個持續(xù)的直流電壓，只要是一個具有一定寬度的正向脈沖電壓即可，脈沖的寬度與晶閘管的開通特性及負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。這個脈

27、沖常稱之為觸發(fā)脈沖。3） 要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，必須使陽極電流降低到某一數(shù)值之下（約幾十毫安）。這可以通過增大負(fù)載電阻，降低陽極電壓至接近于零或施加反向陽極電壓來實(shí)現(xiàn)。這個能保持晶閘管導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流，是晶閘管的一個重要參數(shù)。晶閘管為什么會有以上導(dǎo)通和關(guān)斷的特性，這與晶閘管內(nèi)部發(fā)生的物理過程有關(guān)。晶閘管是一個具有P1N1P2N2四層半導(dǎo)體的器件，內(nèi)部形成有三個PN結(jié)J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽 極電壓時，其中J1、J3承受反向阻斷電壓，J2承受正向阻斷電壓。這三個PN結(jié) 的功能可以看作是一個PNP型三極管VT1（P1N1P2）和一個NPN型三極管VT2 （N1P2N2）構(gòu)成的

28、復(fù)合作用，如圖1-9所示。 圖6.4 晶閘管的等 效復(fù)合三極管效應(yīng) 可以看出，兩個晶體管連接的特點(diǎn)是一個晶體管的集電極電流就是另一個晶體管 的基極電流，當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時，兩個相互復(fù)合的晶體管電路就會 形成強(qiáng)烈的正反饋，導(dǎo)致兩個晶體管飽和導(dǎo)通，也即晶閘管的導(dǎo)通。如 果晶閘管承受的是反向陽極電壓，由于等效晶體管VT1、VT2均處于反壓狀態(tài)， 無論有無門極電流Ig，晶閘管都不能導(dǎo)通。6.1.3 晶閘管的基本特性1靜態(tài)特性靜態(tài)特 性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關(guān)系。這里介紹陽極伏安特性和 門極伏安特性。（1） 陽 極伏安特性晶閘管的 陽極伏安特性表示晶閘管陽極與陰極之間的電壓Ua

29、k與陽極電流ia之間的關(guān)系曲 線，如圖1-10所示。 圖6.5 晶閘管陽極伏安特性 正向阻斷高阻區(qū)；負(fù)阻區(qū)；正向?qū)?通低阻區(qū)；反向阻斷高阻區(qū)陽極伏安特性可以劃分為兩個區(qū)域：第 象限為正向特性區(qū)，第象限為反向特性區(qū)。第象限的正向特性又可分為 正向阻斷狀態(tài)及正向?qū)顟B(tài)。（2） 門極伏安特性 晶閘管的門極與陰極間存在著一個PN結(jié)J3，門極伏安特性就是指這個PN結(jié)上正向門極電壓Ug與門極 電流Ig間的關(guān)系。由于這個結(jié)的伏安特性很分散，無法找到一條典型的代表曲線，只能用一條極限高阻門極特性和一條極限低阻門極特性之間的一片區(qū)域來代 表所有元件的門極伏安特性，如圖1-11陰影區(qū)域所示。 圖6.6 晶閘管門

30、極伏安特性2動態(tài)特性晶閘管常應(yīng)用于低頻的相控電力電子電路時，有時也在高頻電力電子電路中得到應(yīng)用，如逆變器等。在高頻電路應(yīng)用時，需要嚴(yán)格地考慮晶閘管的開關(guān)特性，即開通特性和關(guān)斷特性。（1）開通特性晶閘管由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的過程為開通過程。圖1-12給出了晶閘管的開關(guān)特性。在晶閘管處在正向阻斷的條件下突加門極觸發(fā)電流，由于晶閘管內(nèi)部正反饋過程及外電路電感的影響，陽極電流的增長需要一定的時間。從突加門極電流時刻到陽極電流上升到穩(wěn)定值IT的10%所需的時間稱為延遲時間td，而陽極電流從10%IT上升到90%IT所需的時間稱為上升時間tr，延遲時間與上升時間之和為晶閘管的開通時間tgt=td+tr，普通晶閘

31、管的延遲時間為0.51.5s，上升時間為0.53s。延遲時間隨門極電流的增大而減少，延遲時間和上升時間隨陽極電壓上升而下降。圖6.7 晶閘管的開關(guān)特性（2）關(guān)斷特性通常采用外加反壓的方法將已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷。反壓可利用電源、負(fù)載和輔助換流電路來提供。要關(guān)斷已導(dǎo)通的晶閘管，通常給晶閘管加反向陽極電壓。晶閘管的關(guān)斷，就是要使各層區(qū)內(nèi)載流子消失，使元件對正向陽極電壓恢復(fù)阻斷能力。突加反向陽極電壓 后，由于外電路電感的存在，晶閘管陽極電流的下降會有一個過程，當(dāng)陽極電 流過零，也會出現(xiàn)反向恢復(fù)電流，反向電流達(dá)最大值IRM后，再朝反方向快速衰 減接近于零，此時晶閘管恢復(fù)對反向電壓的阻斷能力。6.1.4 晶

32、閘管的主要參數(shù)要正確 使用一個晶閘管，除了了解晶閘管的靜態(tài)、動態(tài)特性外，還必須定量地掌握晶閘 管的一些主要參數(shù)?，F(xiàn)對經(jīng)常使用的幾個晶閘管的參數(shù)作一介紹。1電壓 參數(shù)（1） 斷 態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 門極開路， 元件額定結(jié)溫時，從晶閘管陽極伏安特性正向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中的曲線 ）漏電流急劇增長的拐彎處所決定的電壓稱斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓UDSM，“不重復(fù) ”表明這個電壓不可長期重復(fù)施加。取斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓的90定義為斷態(tài)重 復(fù)峰值電壓UDRM，“重復(fù)”表示這個電壓可以以每秒50次，每次持續(xù)時間不大 于10ms的重復(fù)方式施加于元件上。（2） 反向重復(fù) 峰值電壓URRM 門極開路，元件額 定結(jié)

33、溫時，從晶閘管陽極伏安特性反向阻斷高阻區(qū)（圖1-10中曲線）反向漏 電流急劇增長的拐彎處所決定的的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓URSM，這個電壓 是不能長期重復(fù)施加的。取反向不重復(fù)峰值電壓的90定義為反向重復(fù)峰值電 壓URRM，這個電壓允許重復(fù)施加。（3） 晶閘管的額定電 壓UR 取UDRM和URRM中較小的一 個，并整化至等于或小于該值的規(guī)定電壓等級上。電壓等級不是任意決定的， 額定電壓在1000以下是每100一個電壓等級，1000至3000則是每200 一個電壓等級。由于晶閘管工作中可能會 遭受到一些意想不到的瞬時過電壓，為了確保管子安全運(yùn)行，在選用晶閘管時應(yīng) 使其額定電壓為正常工作電壓峰值

34、UM的23倍，以作安全余量。 UR =（23） UM （1-4） （4） 通 態(tài)平均電壓UT（AV）指在晶閘 管通過單相工頻正弦半波電流，額定結(jié)溫、額定平均電流下，晶閘管陽極與陰極 間電壓的平均值，也稱之為管壓降。在晶閘管型號中，常按通態(tài)平均電壓的數(shù) 值進(jìn)行分組，以大寫英文字母AI表示。通態(tài)平均電壓影響元件的損耗與發(fā)熱 ，應(yīng)該選用管壓降小的元件來使用。2電流參 數(shù)（1） 通態(tài) 平均電流IT（AV） 在環(huán)境溫度 為40、規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負(fù)載的單相、工頻、正弦半波 、導(dǎo)通角不小于170的電路中，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125時所允許的通態(tài)時 的最大平均電流稱為額定通態(tài)平均電流IT（A

35、V）。選用晶閘管時應(yīng)根據(jù)有效電流相 等的原則來確定晶閘管的額定電流。由于晶閘管的過載能力小，為保證安全可靠 工作，所選用晶閘管的額定電流IT（AV）應(yīng)使其對應(yīng)有效值電流為實(shí)際流過電流有效值的1.52倍。按晶閘管額定電流的定義，一個額定電流為100A的晶閘管，其允許通過的電流有效值為157A。晶閘管額定電流的選擇可按下式計算。 （1-5）（2） 維持電流IH 維持電流是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。維持電流與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，維持電流越小，晶閘管越難關(guān)斷。（3） 掣住電流IL 晶閘管剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)并撤除門極觸發(fā)信號，此時要維持元件導(dǎo)通所需的最小陽極電流稱為

36、掣住電流。一般掣住電流比維持電流大（24）倍。3晶閘管的型號普通型晶閘管型號可表示如下KP電流等級電壓等級/100通態(tài)平均電壓組別其中其中K代表閘流特性，P為普通型。如KP50015型號的晶閘管表示其通態(tài)平均電流（額定電流）IT（AV）為500A，正反向重復(fù)峰值電壓（額定電壓）UR為1500V，通態(tài)平均電壓組別以英文字母標(biāo)出，小容量的元件可不標(biāo)。6.2晶閘管的選型該電路為大電感負(fù)載，電流波形可看作連續(xù)且平直的。Ud=100V時，不計控制角余量按=0計算由Ud=0.9U2得U2=111V 取150VU =（23）U=（23）U2=（23）150V=7351102 V取U為1000V當(dāng)=1時，晶閘

37、管額定電流= =0.64A考慮2倍裕量：取1.28A 7 整流變壓器額定參數(shù)計算在很多情況下晶閘 管整流裝置所要求的交流供電電壓與電網(wǎng)往往不能一致，同時又為了減少電網(wǎng) 與整流裝置的相互干擾，使整流主電路與電網(wǎng)隔離，為此需要配置整流變壓器。 整流變壓器根據(jù)主電路的型式、負(fù)載額定電壓和額定電流，算出整流變壓器二 次相電壓U2、一次與二次額定電流以及容量。由于整流變壓器二次與 一次電流都不是正弦波，因而存在著一定的諧波電流，引起漏抗增大，外特性變 軟以及損耗增大，所以在設(shè)計或選用整流變壓器時，應(yīng)考慮這些因素。 7.1 二次相電壓U2 平時我們在計算U2 是在理想條件下進(jìn)行的，但實(shí)際上許多影響是不可忽略的。如電網(wǎng)電壓波動、管 子本身的壓降以及整流變壓器等效內(nèi)阻造成的壓降等。所以設(shè)計時U2應(yīng)按下式計 算：U2 =式中 U負(fù)載 的額定電壓； 整流 元件的正向?qū)▔航?，一般?V； 電流