第九章 晶閘管-自考--模擬、數(shù)字及電力電子技術(shù)

1、1目錄目錄第九章第九章 晶閘管及相控變換器晶閘管及相控變換器第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管晶閘管第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管相控整流電路的相晶閘管相控整流電路的相 控控 原理原理第三節(jié)第三節(jié) 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路2目錄目錄（1）AC DC。把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，稱為。把交流電能轉(zhuǎn)換成直流電能，稱為整流，整流，所所用裝置為整流器。用裝置為整流器。（2）DC AC。把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，稱為。把直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，稱為逆變逆變，所，所用裝置為逆變器。用裝置為逆變器。（3）AC AC。把交流電能的任一參數(shù)（幅值、頻率和相位。把交流電能的任一參數(shù)（幅值、頻率和相位）加以轉(zhuǎn)換，稱為）加以轉(zhuǎn)

2、換，稱為變頻變頻，所用裝置為交流變換器或變頻器。，所用裝置為交流變換器或變頻器。（4） DC DC 將直流電能的任一參數(shù)（幅值和極性）加以將直流電能的任一參數(shù)（幅值和極性）加以轉(zhuǎn)換，稱為轉(zhuǎn)換，稱為斬波斬波。實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的裝置稱為直流變換器或直。實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換的裝置稱為直流變換器或直流斬波器。流斬波器。第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管（硅可控整流器晶閘管（硅可控整流器SCR）一、電力電子技術(shù)概述一、電力電子技術(shù)概述3目錄目錄3/89二、電力電子器件的分類二、電力電子器件的分類按照能夠被控制電路信號所控制的程度按照能夠被控制電路信號所控制的程度 半控型器件半控型器件 主要是指主要是指晶閘管（晶閘管（Thyris

3、tor）及其大部分派生器件。及其大部分派生器件。 器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決器件的關(guān)斷完全是由其在主電路中承受的電壓和電流決定的。定的。 全控型器件全控型器件 目前最常用的是目前最常用的是 絕緣柵雙極晶體管（絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和和功率場功率場效應(yīng)晶體管效應(yīng)晶體管Power MOSFET。 通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。通過控制信號既可以控制其導(dǎo)通，又可以控制其關(guān)斷。 不可控器件不可控器件 電力二極管（電力二極管（Power Diode） 不能用控制信號來控制其通斷。不能用控制信號來控制其通斷。4目錄目錄5目錄目錄G P1P2N1N26目錄目錄常

4、用常用晶閘管的圖片晶閘管的圖片螺栓型晶閘管螺栓型晶閘管晶閘管模塊晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)7目錄目錄GKATSHL(a)HLGKATS(b)GKATSHL(c)GKATSHL(d)(c)去掉控制極正向電壓，燈泡亮。去掉控制極正向電壓，燈泡亮。(d)陽極加反向電壓，燈泡熄滅。陽極加反向電壓，燈泡熄滅。(a)控制極不加電壓，燈泡不亮?？刂茦O不加電壓，燈泡不亮。(b)控制極加正向電壓，燈泡亮?？刂茦O加正向電壓，燈泡亮。8目錄目錄 陽極電流小于維持電流陽極電流小于維持電流 ，或?qū)?，或?qū)㈥枠O電源斷開或者在晶閘管的陽極電源斷開或者在晶閘管的9目錄目錄P1P2N1N2K GAKA

5、 T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGNPPNNAGKP10目錄目錄 T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在極短時間內(nèi)使在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2i11目錄目錄GEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 12目錄目錄URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2正向平均電流正向平均電流)(曲曲線線UfI 13目錄目錄)(sin21m0mF

6、IttdII 環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為40 C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。導(dǎo)通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。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I Im m, , 則則普通晶閘管普通晶閘管IF為為1A 1000A。14目錄目錄UFRM: 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,允許重復(fù)加在晶閘管允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶閘管普通晶閘管 UFRM 為為100V 3000V15目錄目錄

7、URRM： 控制極開路時控制極開路時,允許重復(fù)作用在晶閘管元允許重復(fù)作用在晶閘管元 件上的反件上的反向峰值電壓。一般取向峰值電壓。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶閘管普通晶閘管 URRM為為100V3000VIFSM： 在規(guī)定時間內(nèi)，晶閘管中允許通過的最大過載電流。在規(guī)定時間內(nèi)，晶閘管中允許通過的最大過載電流。16目錄目錄 ，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

8、.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。17目錄目錄 歷年典型考題歷年典型考題 2009、2010考題考題18目錄目錄 歷年典型考題歷年典型考題 2007、2008考題考題22. 為保護(hù)晶閘管SCR安全可靠工作，要進(jìn)行過電壓及 保護(hù)。19目錄目錄(1) 電路分析電路分析。uuu To, 0。0,To uuu+T第二節(jié)第二節(jié) 晶閘管相控

9、整流電路的相晶閘管相控整流電路的相 控原理控原理20目錄目錄 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 tO21目錄目錄 tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO導(dǎo)通角導(dǎo)通角22目錄目錄 tuUd21O )d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U23目錄目錄 +TLeL24目錄目錄 tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 25目錄目錄+LTD+26目錄目錄iL tOu tuO tTuO 2 tguO27目錄目錄27

10、單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路1) 帶電阻負(fù)載的工作情況帶電阻負(fù)載的工作情況a)u (i )ttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4單相全控橋式帶電阻負(fù)載時的電路及波形工作原理及波形分析工作原理及波形分析VT1和VT4組成一對橋臂，在u2正半周承受電壓u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。VT2和VT3組成另一對橋臂，在u2正半周承受電壓-u2，得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷。電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)為什么？第三節(jié)第三節(jié) 單相橋式相控整流電路單相橋式相控整流電路28目錄目錄28數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系2cos19 . 02cos122)( dsin21222dUUttUUa

11、角的移相范圍為180。向負(fù)載輸出的平均電流值為：流過晶閘管的電流平均值只有輸出直流平均值的一半，即：2cos145.0212ddVTRUII2cos19 . 02cos12222ddRURURUIttt000i2udidb)c)d)dduVT1,429目錄目錄29流過晶閘管的電流有效值：變壓器二次測電流有效值I2與輸出直流電流I有效值相等：由式（2-12）和式（2-13）得：2sin212)(d)sin2(21222VTRUttRUI2sin21)()sin2(12222RUtdtRUII2I21IITttt000i2udidb)c)d)dduVT1,4思考：額定電壓、額定電流應(yīng)該如何取值？3

12、0目錄目錄57.1)25.1(aTIIT選擇晶閘管的額定電流：選擇晶閘管的額定電壓：2U2)32(UT注意：注意：單相橋式全控整流電路晶閘管承受的最大反單相橋式全控整流電路晶閘管承受的最大反向電壓為向電壓為 。正向電壓最大值為。正向電壓最大值為 。2U222U22sin2122RUI2cos12dRUI)cos1 (2/2sin21I22RUId2I21TI31目錄目錄312）帶阻感負(fù)載的工作情況）帶阻感負(fù)載的工作情況 u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4單相全控橋帶阻感負(fù)載時的電路及波形 假設(shè)電路已工作于穩(wěn)態(tài)，id的平均值不

13、變。假設(shè)負(fù)載電感很大，負(fù)載電流id連續(xù)且波形近似為一水平線。u2過零變負(fù)時，晶閘管VT1和VT4并不關(guān)斷。至t=+ 時刻，晶閘管VT1和VT4關(guān)斷，VT2和VT3兩管導(dǎo)通。VT2和VT3導(dǎo)通后，VT1和VT4承受反壓關(guān)斷，流過VT1和VT4的電流迅速轉(zhuǎn)移到VT2和VT3上，此過程稱換相換相，亦稱換流換流。32目錄目錄32 數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系cos9 . 0cos22)(dsin21222dUUttUU（2-15）晶閘管移相范圍為90。晶閘管導(dǎo)通角與a無關(guān)，均為180。電流的平均值和有效值：變壓器二次側(cè)電流i2的波形為正負(fù)各180的矩形波，其相位由a角決定，有效值I2=Id。ddT21IIddT7

14、07. 021III晶閘管承受的最大正反向電壓均為 。22U2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,433目錄目錄333） 帶反電動勢負(fù)載時的工作情況帶反電動勢負(fù)載時的工作情況單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻負(fù)載時的電路及波形 在|u2|E時，才有晶閘管承 受正電壓，有導(dǎo)通的可能。在a 角相同時，整流輸出電壓比電阻負(fù)載時大。導(dǎo)通之后， ud=u2， ， 直至|u2|=E，id即降至0使得 晶閘管關(guān)斷，此后ud=E 。REuidd與電阻負(fù)載時相比，晶閘管提前了電角度停止導(dǎo)電， 稱為停止導(dǎo)電角，212sinUEb)idOEudtIdOt

15、34目錄目錄34當(dāng) 時，觸發(fā)脈沖到來時，晶閘管承受負(fù)電壓，不可能導(dǎo)通。單相橋式全控整流電路接反電動勢電阻電阻負(fù)載時的波形 電流斷續(xù)電流斷續(xù)觸發(fā)脈沖有足夠的寬度，保證當(dāng) t= 時刻有晶閘管開始承受正電壓時，觸發(fā)脈沖仍然存在。這樣，相當(dāng)于觸發(fā)角被推遲為 。 如圖所示id波形所示：電流連電流連續(xù)續(xù)ub)idOEdtIdOt35目錄目錄35負(fù)載為直流電動機(jī)時，如果出現(xiàn)電流斷續(xù)，則電動機(jī) 的機(jī)械特性將很軟 。為了克服此缺點，一般在主電路中直流輸出側(cè)串聯(lián)一個平波電抗器。這時整流電壓ud的波形和負(fù)載電流id的波形與阻感負(fù)載電流連續(xù)時的波形相同，ud的計算公式也一樣。為保證電流連續(xù)所需的電感量L可由下式求出：

16、dmin23dmin21087.222IUIUL（2-17）圖2-8 單相橋式全控整流電路帶反電動勢負(fù)載串平波電抗器，電流連續(xù)的臨界情況tOud0Eidt = 36目錄目錄aRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+37目錄目錄+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a38目錄目錄 tOu tuO tT1uO2 tguO39目錄目錄 tuUd1O )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2cos19 . 0 U40目錄目錄2-40單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路41目錄目錄2-41在在u2正半周，正半周，u2經(jīng)經(jīng)VT1和和VD4向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。 u2過零

17、變負(fù)時，因電感作用電流不再流經(jīng)過零變負(fù)時，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由變壓器二次繞組，而是由VT1和和VD3續(xù)流。續(xù)流。在在u2負(fù)半周觸發(fā)角負(fù)半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)時刻觸發(fā)VT2，VT2導(dǎo)通，導(dǎo)通，u2經(jīng)經(jīng)VT2和和VD4向負(fù)載供電。向負(fù)載供電。u2過零變正時，過零變正時，VD4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VD3關(guān)斷。關(guān)斷。VT2和和VD4續(xù)流，續(xù)流，ud又為零。又為零。42目錄目錄2-42 避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。避免可能發(fā)生的失控現(xiàn)象。 若無續(xù)流二極管，則當(dāng)若無續(xù)流二極管，則當(dāng)a 突然增大突然增大至至180 或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶或觸發(fā)脈沖丟失時，會發(fā)生一個晶閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管

18、輪流導(dǎo)通的情閘管持續(xù)導(dǎo)通而兩個二極管輪流導(dǎo)通的情況，這使況，這使ud成為正弦半波，其平均值保持成為正弦半波，其平均值保持恒定，稱為恒定，稱為失控失控。43目錄目錄43單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 單相全控橋中，每個導(dǎo)電回路中有2個晶閘管，1個晶閘管可以用二極管代替，從而簡化整個電路。 如此即成為單相橋式半控整流單相橋式半控整流電路電路（先不考慮VDR）。udOb)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iVD3iVDR單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形管，阻感負(fù)載時的電路及波形電阻負(fù)載電阻負(fù)載 半控電路與全控電路在電阻負(fù)載時的工作情況相同。應(yīng)為應(yīng)為VD244目錄目錄44單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況單相半控橋帶阻感負(fù)載的情況單相橋式半控整流電路，有續(xù)流二極管，阻感負(fù)載時的電路及波形在u2正半周，u2經(jīng)VT1和VD4向負(fù)載供電。 u2過零變負(fù)時，因電感作用電流不再流經(jīng)變壓器二次繞組，而是由VT1和VD2續(xù)流。在u2負(fù)半周觸發(fā)角a時刻觸發(fā)VT3，VT3導(dǎo)通，u2經(jīng)VT3和VD2向負(fù)載供電。u2過零變正時，VD4導(dǎo)通，VD2關(guān)斷。VT3和VD4續(xù)流，ud又為零。Ob)2OudidIdOOOOOi2IdIdIdIIdtttttttiVT1iVD4iVT2iV