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1、晶閘管及其基本電路第 十 章電力半導(dǎo)體器件弱電強(qiáng)電 晶閘管（Silicon Controlled Rectifier 簡稱SCR）是在60年代發(fā)展起來的一種新型電力半導(dǎo)體器件。 優(yōu)點(diǎn) ： (1) 用很小的功率(電流約幾十毫安一百多毫安，電壓約24V)可以控制較大的功率(電流自幾十安幾千安，電壓自幾百伏幾千伏)，功率放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十萬倍； (2) 控制靈敏、反應(yīng)快，晶閘管的導(dǎo)通和截止時(shí)間都在微秒級(jí)； (3) 損耗小、效率高，晶閘管本身的壓降很小(僅1V左右)，總效率可達(dá)97.5%，而一般機(jī)組效率僅為85%左右； (4) 體積小、重量輕。缺點(diǎn)： (1) 過載能力弱，在過電流、過電壓情況下很容易

2、損杯，要保證其可靠工作，在控制電路中要采取保護(hù)措施，在選用時(shí)，其電壓、電流應(yīng)適當(dāng)留有余量； (2) 抗干擾能力差，易受沖擊電壓的影響，當(dāng)外界干擾較強(qiáng)時(shí)，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作； (3) 導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變，高次諧波分量增加，干擾周圍的電氣設(shè)備； (4) 控制電路比較復(fù)雜，對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求高。 在實(shí)踐中，應(yīng)該充分發(fā)揮晶閘管有利的一面，同時(shí)采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶閘管作為整流放大元件組成的晶閘管控制系統(tǒng)，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。10.1 晶閘管 晶閘管是在半導(dǎo)體二極管、三極管之后發(fā)現(xiàn)的一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，它是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。一、晶閘管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 晶閘

3、管的外形和結(jié)構(gòu)圖分別如圖所示 ：其中：A陽極，K陰極，G控制極。結(jié)構(gòu)示意圖表示符號(hào)4層半導(dǎo)體(P1、N1、P2、N2)，3個(gè)PN結(jié)二、晶閘管的工作原理 實(shí)驗(yàn)電路如圖（a）所示，主電路加上交流電壓u2，控制極電路接入Eg，在t1 瞬間合上開關(guān)S，在t4 瞬間拉開開關(guān)S，則u2、ug和電阻上RL的電壓ud的波形關(guān)系如圖（b）所示。 （1）在0t1之間: 開關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通； （2）在t1t2之間: uAK0 ，由于開關(guān)S合上，使ug0，而 ， 即晶閘管導(dǎo)通； （3）在 t2t3 之間， uAK0，但 ud=0，即晶閘管關(guān)斷； （4）在 t3t4 之間，

4、 uAK0，這時(shí)ug0 ,而 ，所以，晶閘管又導(dǎo)通； （5）當(dāng) t=t4 時(shí)， ug=0 ，但uAK0 ， ，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)； （6）當(dāng) t=t5 時(shí)， uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。 綜上所述可得出以下結(jié)論： （1）起始時(shí)若控制極不加電壓，則不論陽極加正向電壓還是反向電壓，晶閘管均不導(dǎo)通，說明晶閘管具有正、反向阻斷能力； （2）晶閘管的陽極和控制極同時(shí)正向電壓時(shí)晶閘管才能導(dǎo)通，這是晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備的兩個(gè)條件； （3）在晶閘管導(dǎo)通之后，其控制極就失去控制作用，欲使晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)，必須把陽極正向電壓降低到一定值（或斷開，或反向）。 晶

5、閘管的PN結(jié)可通過幾十安幾千安的電流，因此，它是一種大功率的半導(dǎo)體器件，由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于兩只三極管飽和導(dǎo)通，因此，陽極與陰極間的管壓降為1V左右，而電源電壓幾乎全部分配在負(fù)載電阻上。三、晶閘管的伏安特性 晶閘管陽極對(duì)陰極的電壓和流過晶閘管的電流之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性。 正向( uAK 0 ) 正向阻斷狀態(tài): 當(dāng)ug=0， uAK 0， uAK 0，晶閘管導(dǎo)通，其電流的大小由負(fù)載決定，陽極和陰極間的管壓降很小。反向( uAK 0 ) 反向截止?fàn)顟B(tài): 當(dāng) uAK URSM ，元件中有很小的反向電流（反向漏電流）流過，處于截止?fàn)顟B(tài)。 反向擊穿：當(dāng) uAK =URSM ，晶閘管突然由反

6、向截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀 態(tài)。 URSM稱為反向不重復(fù)峰值電壓，或用UBR表示稱反向擊穿電壓。四、晶閘管的主要參數(shù) 一般在產(chǎn)品目錄上給出了參數(shù)的平均值或極限值，產(chǎn)品合格證上標(biāo)有元件的實(shí)測數(shù)據(jù)。 1. 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 晶閘管正向阻斷狀態(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極兩端的正向峰值電壓 。UDRM=UDSM -100 在選擇晶閘管時(shí)還要考慮留有足夠的余量，一般： 晶閘管的UDRM 應(yīng)等于所承受的正向電壓的（23）倍。 2. 反向重復(fù)峰值電壓URRM 晶閘管反向截止?fàn)顟B(tài)下，可以重復(fù)加在晶閘管陽極和陰極兩端的反向峰值電壓 。URRM=URSM -100四、晶閘管的主要參數(shù) 3. 額定通態(tài)平均

7、電流（額定電流）IT 在環(huán)境溫度不大于40度的標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流（在一個(gè)周期內(nèi)）平均值，稱為額定通態(tài)平均電流，簡稱為額定電流。 4. 維持電流 IH 在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路時(shí)，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱維持電流。一般為幾mA一百多mA 10.2 單相可控整流電路 整流將交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^程；整流電路將交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娐?；整流單?三相 10.2.1 單相半波可控整流電路 u2輸入電壓 ；ud輸出電壓 ；控制角 ；晶閘管元件承受正向電壓起始點(diǎn)到觸發(fā)脈沖的作用點(diǎn)之間的電角度。 導(dǎo)通角 ；是晶閘管在一周期時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度。 對(duì)單相半波可

8、控整流電路： 一、帶電阻性負(fù)載的可控整流電路 輸入電壓：負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：二、帶電感性負(fù)載的可控整流電路 單相半波可控整流電路用于大電感性負(fù)載時(shí)，如果不采取措施，負(fù)載上就得不到所需要的電壓和電流。三、續(xù)流二極管的作用 為了提高大電感負(fù)載時(shí)的單相半波可控整流電路整流輸出平均電壓，可采取負(fù)載兩端并聯(lián)一只二極管措施，如圖所示。 晶閘管電流平均值： 續(xù)流二極管的電流平均值：10.2.2 單相半控橋式整流電路 晶閘管組成的半控橋式整流電路，如圖所示。 (a) 單相橋式整流電路 (b)電阻性負(fù)載時(shí)的電壓電流波形1. 電阻性負(fù)載 負(fù)載電壓：負(fù)載電流：晶閘管承受的最大正反向電壓：

9、 2. 電感性負(fù)載 半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時(shí)采用加接續(xù)流二極管的措施。 有了續(xù)流二極管，當(dāng)電源電壓降到零時(shí)，負(fù)載電流流經(jīng)續(xù)流二極管，晶閘管因電流為零而關(guān)斷，不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 流過每只晶閘管平均電流： 流過續(xù)流二極管的平均電流： 2. 電感性負(fù)載 半控橋式整流電路在電感性負(fù)載時(shí)，可以不加續(xù)流二極管。 這是因?yàn)樵陔娫措妷哼^零時(shí)，電感中的電流通過V1和V2形成續(xù)流，確保VS1或VS2可靠關(guān)斷，這樣也就不會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象。 流過每只晶閘管平均電流： 流過續(xù)流二極管的平均電流 ： 為了節(jié)省晶閘管元件，還可采用下圖的接線，它由四只整流二極管組成單相橋式電路，將交流電整流成脈動(dòng)的直流電，然后用一只晶閘

10、管進(jìn)行控制，改變晶閘管的控制角，即可改變其輸出電壓。 3.反電勢負(fù)載 當(dāng)整流電路輸出接有電勢負(fù)載時(shí),只有當(dāng)電源電源的瞬時(shí)值大于反電勢，同時(shí)又有觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管才能導(dǎo)通，整流電路才有電流輸出，在晶閘管關(guān)斷的時(shí)間內(nèi)，負(fù)載上保留原有的反電勢。 a. 負(fù)載兩端的電壓平均值比電阻性負(fù)載時(shí)高 b. 負(fù)載電流平均值比電阻性負(fù)載時(shí)低 因?yàn)閷?dǎo)通角小，導(dǎo)電時(shí)間短，回路電阻小，所以，電流的幅值與平均值之比值相當(dāng)大，晶閘管元件工作條件差，晶閘管必須降低電流定額使用。另外，對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來說整流子換向電流大，易產(chǎn)生火花，對(duì)于電源則因電流有效值大，要求的容量也大，因此，對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)或蓄電池負(fù)載，常常串聯(lián)電抗器，用以

11、平滑電流的脈動(dòng)，如圖所示。 10.2.3 單相全控橋式整流電路 單相全控橋式整流電路如圖所示。把半控橋中的兩只二極管用兩只晶閘管代替即構(gòu)成全控橋。 10.3 三相可控整流電路 10.3.1 三相半波可控整流電路 三相半波可控整流電路圖如圖所示。 自然換相點(diǎn)：觸發(fā)相序：ABC觸發(fā)脈沖的相位：1200設(shè)輸入電壓為： 可能承受的最大反向電壓為： 當(dāng)晶閘管沒有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，晶閘管承受的最大正向電壓為:10.4 逆變器 利用晶閘管電路把直流電變成交流電，這種對(duì)應(yīng)于整流的逆向過程，稱之為逆變，把直流電變成交流電的裝置，叫做逆變器。變流器交流側(cè)接到負(fù)載，把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可變頻率的交流電供給負(fù)載，則稱為

12、。 有源逆變逆變無源逆變變流器的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反饋到電網(wǎng)去 一、無源逆變電路的工作原理 無源逆變器的工作原理，可以用如圖所示的開關(guān)電路來說明。 1. 無源逆變器的簡單工作原理 2.單相晶閘管橋式逆變器 二、單相無源逆變器的電壓控制 1. 控制逆變器的輸入直流電壓 2. 在逆變器內(nèi)部的電壓控制 （1）脈寬控制 不改變逆變器輸入直流電壓的大小，而是通過改變逆變器中晶閘管（或晶體管）的導(dǎo)通時(shí)間以控制輸出脈沖的寬度來改變逆變器輸出電壓，此方法稱脈寬控制。 若使延遲角從0變到1800，將可以使逆變器的輸出電壓從最大值變到零。 （2）脈沖寬度調(diào)制（PWM） 如果使VS1

13、與VS4，VS2與VS3通過高頻調(diào)制控制，能在半個(gè)周期內(nèi)重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷N次，則其輸出電壓波形為一系列被調(diào)制的矩形脈沖（稱載波），如圖所示（這時(shí)N=5）。 逆變器輸出電壓的幅值是通過改變脈沖總的導(dǎo)通時(shí)間與總的關(guān)斷時(shí)間的比率來控制的，這有兩種基本的方法： 第一種方法是維持恒定的脈沖寬度而改變每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)； 第二種方法是改變脈寬，而維持每一半周期內(nèi)的脈沖數(shù)不變。三、無源逆變器的換相（換流） 兩組晶閘管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷的過程，就是電流轉(zhuǎn)換的過程，簡稱換流。 但由于電流是直流電，沒有像交流電那樣電壓有過零變負(fù)的時(shí)候，所以，如不采取措施，則晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后就關(guān)斷不了。 負(fù)載是由電感L和補(bǔ)償電容

14、C組成的并聯(lián)諧振回路，Ld為限流電抗器。10.5 晶閘管的觸發(fā)電路 向晶閘管供給觸發(fā)脈沖的電路，叫觸發(fā)電路。 （1）單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 （2）小容量晶閘管觸發(fā)電路 （3）晶體管觸發(fā)電路 10.5.1 晶閘管對(duì)觸發(fā)電路的要求 實(shí)質(zhì)：晶閘管的可靠觸發(fā) （1）觸發(fā)電路應(yīng)能供給足夠大的觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流，一般要求觸發(fā)電壓應(yīng)該在4V以上，10V以下，如圖所示； （2）觸發(fā)脈沖的寬度必須在10微秒以上，如果負(fù)載是大電感，電流 上升比較慢，那么，觸發(fā)脈沖的寬度還應(yīng)該增大。 （3）不觸發(fā)時(shí)，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)該小于0.15V0.20V，為了提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)，必要時(shí)可在控制極上加上一個(gè)1V2V的負(fù)偏壓；（4）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，保證晶閘管的觸發(fā)時(shí)間前后一致。 （5）在晶閘管整流等移相控制的觸發(fā)電路中，觸發(fā)脈沖應(yīng)該和主電路同步，脈沖發(fā)出的時(shí)間應(yīng)該能夠平穩(wěn)地前后移動(dòng)（移相），移相的范圍要足夠?qū)挕?10.5.2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 一、單結(jié)