第 可控整流電路

會計學(xué)1第可控整流電路6.1晶閘管6.2單相可控整流電路6.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路6.4晶閘管的保護第6章可控整流電路第1頁/共32頁6.1晶閘管由四層半導(dǎo)體P1、N1和P2、N2重疊構(gòu)成，中間形成3個PN結(jié)J1、J2和J3。最外層的P1和N2分別引出陽極A和陰極K，中間的P2層引出控制極G。6.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)第2頁/共32頁晶閘管具有導(dǎo)通和截止（阻斷）兩種工作方式。當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加反向電壓時，由于PN結(jié)J1和J3處于反向偏置，無論控制極是否加電壓，晶閘管均不會導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)處于斷開狀態(tài)，稱為反向阻斷。當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極不加電壓時，由于PN結(jié)J2處于反向偏置，晶閘管也不會導(dǎo)通，也相當(dāng)于開關(guān)處于斷開狀態(tài)，稱為正向阻斷。當(dāng)晶閘管的陽極與陰極之間加正向電壓，控制極與陰極之間也加正向電壓時，晶閘管可以導(dǎo)通，且導(dǎo)通后管子的壓降很小，只有1V左右，相當(dāng)于開關(guān)處于閉合狀態(tài)。6.1.2晶閘管的工作原理第3頁/共32頁可把晶閘管等效地看成由一個NPN型三極管V1和一個PNP型三極管V2組合而成。陽極A是V2的發(fā)射極，陰極K是V1的發(fā)射極，V1的基極與V2的集電極相連成為控制極G，而V2的基極與V1的集電極也連在一起。第4頁/共32頁（1）控制極不加電壓時IG=0，盡管這時晶閘管的陽極和陰極之間加有正向電壓，由于V1沒有基極電流輸入，因此V1和V2中只有很小的漏電流，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。（2）控制極加正向電壓UG，而陽極通過電阻RA也加上正向電壓UA，使兩個三極管的發(fā)射結(jié)均為正向偏置，集電結(jié)均為反向偏置，均處于放大狀態(tài)。此時IG就是V1的基極電流IB1，經(jīng)V1放大后，得到V1的集電極電流IC1，而IC1又是V2的基極電流IB2，再經(jīng)V1放大，得到V2的集電極電流IC2。IC2又流入V1基極，再次放大，這樣循環(huán)下去，反復(fù)放大，形成強烈的正反饋，使兩個三極管迅速進入飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。導(dǎo)通后，其壓降很小，電壓UA幾乎全部加到負載電阻RA上，所以晶閘管導(dǎo)通后的電流大小取決于外電路參數(shù)。第5頁/共32頁若控制極不加正向電壓，而提高陽極電壓，則V1和V2中的正向漏電流增大，當(dāng)陽極電壓達到某一限度時，正向漏電流增大到能產(chǎn)生正反饋的程度，也會導(dǎo)致晶閘管的導(dǎo)通。晶閘管導(dǎo)通后，再把開關(guān)S打開，使控制電流IG消失，但由于管子本身的正反饋自保持作用，晶閘管仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用。若要晶閘管回到阻斷狀態(tài)，必須使陽極電流減小到不能維持其正反饋的數(shù)值，晶閘管自行關(guān)斷，此時對應(yīng)的陽極電流稱為維持電流，用IH表示。根據(jù)這個道理，使晶閘管由導(dǎo)通狀態(tài)回到阻斷狀態(tài)，也可以將陽極與電源斷開或給陽極與陰極之間加一反向電壓。可見晶閘管相當(dāng)于一個可控的單向?qū)ㄩ_關(guān)，其導(dǎo)通必須同時具備兩個條件：（1）在陽極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼螂妷篣AK；（2）在控制極和陰極之間加適當(dāng)?shù)恼蛴|發(fā)電壓UGK，在實際工作中，UGK常采用正向觸發(fā)脈沖信號。第6頁/共32頁6.1.3晶閘管的伏安特性（1）正向特性。UAK>0，IG=0時，晶閘管正向阻斷，對應(yīng)特性曲線的0A段。此時晶閘管陽極和陰極之間呈現(xiàn)很大的正向電阻，只有很小的正向漏電流。當(dāng)UAK增加到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時，PN結(jié)J2被擊穿，漏電流突然增大，從A點迅速經(jīng)B點跳到C點，晶閘管轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管正向?qū)ㄒ院蠊ぷ髟贐C段，電流很大而管壓降只有1V左右，此時的伏安特性和普通二極管的正向特性相似。晶閘管導(dǎo)通以后，如果減小陽極電流IA，則當(dāng)IA小于維持電流IH時，突然由導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)樽钄啵匦郧€由B點跳到A點。第7頁/共32頁應(yīng)該指出，晶閘管的這種導(dǎo)通是正向擊穿現(xiàn)象，很容易造成晶閘管永久性損壞，實際工作中應(yīng)避免這種現(xiàn)象發(fā)生。另外，外加電壓超過正向轉(zhuǎn)折電壓時，不論控制極是否加正向電壓，晶閘管均會導(dǎo)通，控制極失去控制作用，這種現(xiàn)象也是不希望出現(xiàn)的，這是因為在可控整流電路中，應(yīng)該由控制極電壓來決定晶閘管何時導(dǎo)通，使之成為一個可控開關(guān)，所以，晶閘管的正常導(dǎo)通應(yīng)在控制極施加正向觸發(fā)電壓。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，晶閘管的觸發(fā)電流IG越大，就越容易導(dǎo)通，正向轉(zhuǎn)折電壓就越低。不同規(guī)格的晶閘管所需的觸發(fā)電流是不同的，一般情況下，晶閘管的正向平均電流越大，所需的觸發(fā)電流也越大。（2）反向特性。晶閘管承受反向電壓，即時，晶閘管只有很小的反向漏電流，此段特性與二極管反向特性很相似，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流劇增，晶閘管反向擊穿。第8頁/共32頁6.1.4晶閘管的主要參數(shù)（1）額定正向平均電流IF。IF是指在環(huán)境溫度不大于40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下，在電阻性負載的電路中，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。它也叫通態(tài)平均電流，簡稱正向電流。在選擇晶閘管時，其通態(tài)平均電流IF應(yīng)為安裝處實際通過的最大平均電流的1.5～2倍。（2）維持電流IH。在規(guī)定環(huán)境溫度下，控制極斷開后，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH，當(dāng)正向電流小于IH時，晶閘管自行關(guān)斷。（3）正向重復(fù)峰值電壓UFRM。在晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下，可以重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓，用UFRM表示。通常規(guī)定UFRM為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80％。（4）反向重復(fù)峰值電壓URRM。在控制極開路時，可以重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓，用URRM表示。通常規(guī)定URRM為反向擊穿電壓UBR的80％。通常把UFRM和URRM中較小者作為晶閘管的額定電壓。選用晶閘管時，額定電壓應(yīng)為正常工作時峰值電壓的2～3倍，作為允許的過電壓余量。第9頁/共32頁6.2單相可控整流電路u2的正半周，觸發(fā)脈沖ug到來時晶閘管導(dǎo)通，負載電壓uo=u2。u2下降到接近于零時晶閘管關(guān)斷。u2的負半周，晶閘管反向阻斷。6.2.1單相可控半波整流電路1、電阻性負載第10頁/共32頁輸出電壓的平均值：輸出電流的平均值：晶閘管承受的最高正向和反向電壓：第11頁/共32頁2、電感性負載與續(xù)流二極管u2經(jīng)過零值變負之后，只要eL大于u2，晶閘管繼續(xù)承受正向電壓，電流仍將繼續(xù)流通。只要電流大于維持電流，晶閘管就不會關(guān)斷，負載上出現(xiàn)了負電壓。當(dāng)電流下降到維持電流以下時，晶閘管才能會關(guān)斷。第12頁/共32頁可見，在單相可控半波整流電路接電感性負載時，晶閘管的導(dǎo)通角θ將大于。負載電感愈大，導(dǎo)通角θ愈大，在一個周期中負載上負電壓所占比重就愈大，整流輸出電壓和電流的平均值就愈小。為了使晶閘管在電源電壓降到零值時能及時關(guān)斷，使負載上不出現(xiàn)負電壓，必須采取相應(yīng)措施。解決的方法是在電感性負載兩端并聯(lián)一個二極管。當(dāng)交流電壓u2過零值變負后，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，于是負載上由感應(yīng)電動勢eL產(chǎn)生的電流經(jīng)過這個二極管形成回路。因此這個二極管稱為續(xù)流二極管。這時負載兩端電壓近似為零，晶閘管因承受反向電壓而關(guān)斷。負載電阻上消耗的能量是電感元件釋放的能量。第13頁/共32頁6.2.2單相半控橋式整流電路u2的正半周VT1和VD2承受正向電壓。這時如對晶閘管VT1引入觸發(fā)信號，則VT1和VD2導(dǎo)通，電流通路為：a→VT1→RL→VD2→b這時VT2和VD1都因承受反向電壓而截止。第14頁/共32頁u2的負半周VT2和VD1承受正向電壓。這時如對晶閘管VT2引入觸發(fā)信號，則VT2和VD1導(dǎo)通，電流通路為：b→VT2→RL→VD1→a這時VT1和VD2截止。第15頁/共32頁輸出電壓的平均值：輸出電流的平均為：晶閘管和二極管承受的最高正向和反向電壓：第16頁/共32頁第17頁/共32頁第18頁/共32頁6.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路對觸發(fā)電路的要求：（1）觸發(fā)時能提供足夠的觸發(fā)脈沖電壓和電流。一般要在觸發(fā)電路接到晶閘管控制極時，輸出脈沖的幅度為4～10V。（2）晶閘管不應(yīng)導(dǎo)通時，觸發(fā)電路輸出的漏電電壓不超過0.25V，以免發(fā)生誤導(dǎo)通。（3）觸發(fā)脈沖的前沿要陡，以保證觸發(fā)時間準(zhǔn)確，一般要求前沿時間小于10μs。（4）觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度。對于電阻性負載電路，一般要求脈沖寬度大于20μs。（5）由觸發(fā)脈沖所產(chǎn)生的控制角α要能平穩(wěn)移動并有足夠?qū)挼囊苿臃秶τ趩蜗嗫煽卣麟娐?，控制角的范圍要求接近或大?50°。（6）觸發(fā)電路必須與主電路同步，否則輸出電壓的波形為非周期性，造成輸出電壓平均值不穩(wěn)定。第19頁/共32頁6.3.1單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理1、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)在基極B1和B2之間的電阻（包括硅片本身的電阻和基極與硅片之間的接觸電阻）為RBB，一般約在2～15kΩ之間。設(shè)RB1和RB2分別為兩個基極與PN結(jié)之間的電阻，則RBB=RB1+RB2。第20頁/共32頁2、單結(jié)晶體管的伏安特性峰點P與谷點V是單結(jié)晶體管工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)折點，當(dāng)UE≥UP（UP=UA+UD）時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，RB1急劇減小，UE也隨之下降；當(dāng)UE<UV時，單結(jié)晶體管截止。第21頁/共32頁6.3.2單結(jié)晶體管脈沖發(fā)生電路接通電源后，電源UG通過R向C充電，電壓UE按指數(shù)規(guī)律增大。UE<UP時，單結(jié)晶體管截止。當(dāng)UE≥UP時，單結(jié)管開始導(dǎo)通，RB1急劇減小，C向R1放電。由于R1較小，放電很快，放電電流在R1上形成尖脈沖電壓。當(dāng)UE<UV時，單結(jié)晶體管截止。此后電源再次經(jīng)R向C充電，然后放電，形成振蕩。如此反復(fù)，結(jié)果在電容C上形成鋸齒波電壓，在電阻R1上得到一系列的尖脈沖電壓ug。第22頁/共32頁6.3.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路第23頁/共32頁當(dāng)電源電壓u1過零時，u2也過零，使單結(jié)晶體管觸發(fā)電路電源電壓UBB=0，此時峰點電壓UP≈ηUBB≈0，單結(jié)晶體管的E、B1結(jié)導(dǎo)通。如果此時電容C上的電壓uC不為零值，就會通過單結(jié)晶體管的E、B1結(jié)對R2放電，uC迅速下降至零，使得電容C在電源每次過零后都從零開始重新充電，只要R與C的數(shù)值不變，則每半周由過零點到產(chǎn)生第一個脈沖的時間間隔是固定的。雖然在每個半周期內(nèi)會產(chǎn)生多個脈沖，但只有第一個脈沖起到觸發(fā)晶閘管的作用，一旦晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，后面的脈沖不再起作用。第24頁/共32頁6.4晶閘管的保護晶閘管的主要缺點是承受過電壓、過電流的能力較弱。當(dāng)晶閘管承受過電壓過電流時，晶閘管溫度會急劇上升，可能燒壞PN結(jié)，造成元件內(nèi)部短路或開路。為了使元件能可靠地長期運行，必須對晶閘管電路中的晶閘管采取保護措施。第25頁/共32頁6.4.1過電流保護晶閘管發(fā)生過電流的原因：負載端過載或短路；電路中某一晶閘管擊穿短路，引起相鄰的其它晶閘管過電流；觸發(fā)電路工作不正常或受干擾，使晶閘管誤觸發(fā)引起過電流。晶閘管允許過電流時間很短，例如一個100A額定電流的晶閘管過載倍數(shù)為4倍，即通過400A的過電流時，僅允許持續(xù)0.02s（工頻的1個周），否則將因過熱而損壞。過載倍數(shù)越大，允許的時間越短。這表明晶閘管允許在短時間內(nèi)承受一定的過電流，所以，過電流保護的作用就是當(dāng)發(fā)生過電流時，應(yīng)在允許的時間內(nèi)將過電流切斷，以保護晶閘管不致?lián)p壞。第26頁/共32頁1、快速熔斷器這是一種專用保護晶閘管的快速熔斷器，它與普通熔斷器的主要區(qū)別是，在同樣的過電流倍數(shù)情況下，快速熔斷器熔體熔斷時間比普通熔斷器熔體熔斷時間短很多。這樣可保證晶閘管未損壞前，快速熔斷器的熔體就已熔斷，將事故電路與電源斷開，保護晶閘管不致?lián)p壞?？焖偃蹟嗥鲀?nèi)裝的是銀質(zhì)熔絲?？焖偃蹟嗥鹘尤腚娐返姆绞剑阂皇菍⒖焖偃蹟嗥髋c晶閘管串聯(lián)，可對元件本身的故障進行保護。二是將快速熔斷器接在輸出（負載）端，這種接法對輸出回路的過載或短路起保護作用，但對元件本身故障引起的過電流無保護作用。三是將快速熔斷器接在輸入端，這樣可同時對輸出端短路和元件短路起保護作用，但熔斷器熔斷后不能馬上判斷是什么故障。第27頁/共32頁2、過電流繼電器在輸入端（交流端）經(jīng)電流互感器接入靈敏的過電流繼電器，或在輸出端（直流端）接入直流過電流繼電器，都可在發(fā)生過電流故障時動作，使輸入端的自動開關(guān)斷開。這種保護措施對過載是有效的，但是在發(fā)生短路故障時，因為過電流繼電器的動作及自動開關(guān)的跳閘都需要一定時間，如果短路電流比較大，這種保護方法不很有效。所以，快速熔斷器仍然需要，以防止短路事故。3、過流截止保護電路中一旦出現(xiàn)過電流后，通過電流反饋信號將晶閘管的觸發(fā)脈沖后移，使晶閘管的導(dǎo)通角減小或停止觸發(fā)，晶閘管關(guān)斷，電路斷電，切斷過電流。第28頁/共32頁6.4.2過電壓保護產(chǎn)生過電壓的主要原因：由于電路中通常都接有電感元件，當(dāng)晶閘管所在裝置或鄰近的用電設(shè)備接通或斷開電源時，或從一個晶閘管導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到另一個晶閘管導(dǎo)通（稱