第11章 電力電子器件( 晶閘管及其應(yīng)用)

電子技術(shù)晶閘管及其運(yùn)用第11章晶閘管及其運(yùn)用11.1晶閘管11.2可控整流電路11.4晶閘管的維護(hù)11.3單結(jié)晶體管觸發(fā)電路11.5運(yùn)用舉例前往后一頁前一頁前一頁后一頁本章要求1、了解晶閘管的根本構(gòu)造、任務(wù)原理、特性和主要參數(shù)。2、了解可控整流電路的任務(wù)原理、掌握電壓平均值與控制角的關(guān)系。3、了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的任務(wù)原理。第11章晶閘管及其運(yùn)用前往晶閘管〔SiliconControlledRectifier〕一種可控單導(dǎo)游電開關(guān)〔任務(wù)于開關(guān)形狀下的大功率電子器件〕出現(xiàn)于70年代。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。體積小、分量輕、效率高無噪聲、壽命長、容量大〔正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏〕。

優(yōu)點(diǎn)：前往前一頁后一頁整流〔交流直流〕逆變〔直流交流〕變頻〔交流交流〕斬波〔直流直流〕此外還可作無觸點(diǎn)開關(guān)等運(yùn)用領(lǐng)域：前往前一頁后一頁11.1晶閘管11.1.1可控硅的構(gòu)造及任務(wù)原理1.構(gòu)造及符號K陰極控制極G陽極A符號KGAP1P2N1N2構(gòu)造三個PN結(jié)四層半導(dǎo)體前往前一頁后一頁P(yáng)PNNNPAGKKAGVT2VT1內(nèi)部等效電路P1P2N1N2K

GA內(nèi)部構(gòu)造前往前一頁后一頁2.任務(wù)原理KAGVT1VT2EA>0、EG>0在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。構(gòu)成正反響過程:EGEA前往前一頁后一頁KAGVT1VT2晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG，依托正反響，仍可維持導(dǎo)通形狀。正反響過程:2.任務(wù)原理EAEGEA>0、EG>0前往前一頁后一頁晶閘管導(dǎo)通的條件：1、晶閘管陽極電路〔陽極與陰極之間〕施加正向電壓。2、晶閘管控制電路〔控制極與陰極之間〕加正向電壓或正向脈沖〔正向觸發(fā)電壓〕。晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。依托正反響，可控硅仍可維持導(dǎo)通形狀。前往前一頁后一頁晶閘管關(guān)斷的條件：晶閘管正導(dǎo)游通后，假設(shè)要使其關(guān)斷〔截止〕，必需使可控硅陽極電流減小，直到正反響效應(yīng)不能維持。當(dāng)EA下降到0或電源斷開時，可控硅自行關(guān)斷前往前一頁后一頁11.1.2晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)1.伏安特性URRMIHUFRMIG3IG2IG1>>UBR正向特性反向特性IG1=0AIG2IG3ABCUI0IFUBO前往前一頁后一頁前一頁后一頁2.主要參數(shù)UFRM：正向反復(fù)峰值電壓〔晶閘管耐壓值〕晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許反復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。普通取UFRM=80%UB0。普通晶閘管UFRM為100V---3000VURRM：反向反復(fù)峰值電壓控制極開路時,允許反復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。普通取URRM=80%UBR普通晶閘管URRM為100V---3000V前往IF含義闡明正向平均電流環(huán)境溫度為40OC及規(guī)范散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時可以延續(xù)經(jīng)過的最大工頻半波電流的平均值。普通可控硅IF為1A—1000A。IF：IFt

2前一頁后一頁前往UF:通態(tài)平均電壓〔管壓降〕。在規(guī)定的條件下，經(jīng)過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。普通為1V左右。IH：維持電流在室溫下，控制極開路、晶閘管維持導(dǎo)通形狀所必需的最小電流。普通為幾十到一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導(dǎo)通所必需的最小控制極直流電壓、電流。一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。前一頁后一頁前往晶閘管型號通態(tài)平均電壓〔UF〕共九級額定電壓〔UFRM或URRM〕額定正向平均電流〔IF〕晶閘管類型P---普通晶閘管K---快速晶閘管S---雙向晶閘管晶閘管K前一頁后一頁前往晶閘管元件電壓、電流級別額定正向平均電流IF通用系列為：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、800、1000A等14種規(guī)格。額定電壓UFRM通用系列為：1000V以下的每100V為一級，1000V到3000V的每200V為一級。通態(tài)平均電壓〔UF〕等級普通用A~I字母表示，由0.4~1.2V，每0.1V為一級。前一頁后一頁前往11.2可控整流電路11.2.1單相半波可控整流1.電阻性負(fù)載1)電路前一頁后一頁

uuTuoRL+–++––Tu<0時：假設(shè)uG=0，晶閘管不導(dǎo)通，u<0時,晶閘管接受反向電壓不導(dǎo)通,u0=0,uT=u，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管接受正向電壓導(dǎo)通，前往2〕任務(wù)原理tt1t0

2u2<0時：可控硅接受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷前一頁后一頁,0，晶閘管不導(dǎo)通，u2>0時加觸發(fā)信號，晶閘管接受正向電壓導(dǎo)通前往電壓、電流波形3)

導(dǎo)通角控制角tttt

0t12動畫前一頁后一頁前往4〕輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改動控制角，可改動輸出電壓U0。前一頁后一頁前往計(jì)算舉例那么=37.2V設(shè)V前一頁后一頁前往5〕晶閘管的選擇電流的選擇器件的損壞，取決于電流的熱效應(yīng)，而熱效應(yīng)與電流的有效值相關(guān)。因此電路設(shè)計(jì)中，可控硅電流的選擇，必需根據(jù)電流的有效值，而不能根據(jù)平均值〔IF〕。電流波形為正弦半波的情況下，有效值與平均值的區(qū)別計(jì)算如下：前一頁后一頁前往平均值：有效值：平均值=1.57有效值001.57301.66601.88902.221202.781503.991800不同下有效值和平均值之比前一頁后一頁前往晶閘管電流選擇步驟計(jì)算給定下的通態(tài)電流平均值ITAV查表〔或計(jì)算〕相應(yīng)的電流有效值IT計(jì)算IT對應(yīng)的正弦半波電流平均值ITAV’(ITAV’=)選晶閘管的額定值

ITAV’K〔K為保險系數(shù)〕×前一頁后一頁前往晶閘管電壓選擇步驟根據(jù)電源電壓的峰值〔U2M〕,計(jì)算正、反向反復(fù)峰值電壓。普通?。篣DRM=URRM=〔1.5~2〕U2M其中1.5~2為平安系數(shù)

根據(jù)UDRM、URRM選取晶閘管電壓的額定值前一頁后一頁前往選晶閘管22.3×1.5=33.5(A)UDRM=URRM=1.5×=233(V)可選用額定值為：300V、50A的晶閘管前一頁后一頁前往2.電感性負(fù)載1〕電路及任務(wù)原理u正半周時晶閘管導(dǎo)通，u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單導(dǎo)游電作用。設(shè)u為正弦波uo

uuTRL+++–––前一頁后一頁前往2〕任務(wù)波形uGuLtu2tttuT

前一頁后一頁前往電感性負(fù)載〔加續(xù)流二極管〕1〕電路及任務(wù)原理u>0時：D反向截止，不影響整流電路任務(wù)。u0時：>D正導(dǎo)游通,晶閘管接受反向電壓關(guān)斷,L釋放能量構(gòu)成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路〔續(xù)流〕，負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載一樣。uo

uuTRL+++–––D前一頁后一頁前往2〕任務(wù)波形〔加續(xù)流二極管后〕

tu2tuGtuTuLt0t1

2iL前一頁后一頁前往20.2.2單相半控橋式整流電路1.電路2.任務(wù)原理u2(A)VT1RLu2(B)VD2+–T1、T2--晶閘管D1、D2--晶體管T1T2D1D2RLuouAB+–u>0：給T1控制極加觸發(fā)電壓后電流的通路：前一頁后一頁前往u2(B)u2(A)動畫VT2RLVD1前一頁后一頁T1、T2--晶閘管D1、D2--晶體管ABT1T2D1D2RLuou+-+–u<0時，給T2控制極加觸發(fā)電壓后電流的通路：前往2〕任務(wù)波形tu2tuGtuLtuT1前一頁后一頁前往3〕輸出電壓及電流的平均值前一頁后一頁前往兩種常用可控整流電路電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。晶閘管和負(fù)載上的電流一樣。前一頁后一頁1〕uTD2D1D4u0RLD3+-+-前往電路特點(diǎn)該電路接入電感性負(fù)載時，VD1、VD2便起續(xù)流二極管作用。由于VT1的陽極和VT2的陰極相連，兩管控制極必需加獨(dú)立的觸發(fā)信號。2〕前一頁后一頁20.2.3三相半波可控整流電路動畫T1T2D1D2uu0RL+-+-前往11.2.4三相橋式半控整流電路前一頁后一頁2.任務(wù)原理1.電路動畫0u2a2

u2bu2cut1t2TT1RLu0D3T2T3D2D1i00cbau2+-+–前往11.3觸發(fā)電路11.3.1單結(jié)晶體管構(gòu)造及任務(wù)原理1.構(gòu)造管內(nèi)基極體電阻EB2B1RB2RB1等效電路E〔發(fā)射極〕B2〔第二基極〕B1〔第一基極〕PNPN結(jié)內(nèi)部構(gòu)造歐姆接觸前一頁后一頁前往2.任務(wù)原理UAUE<UA+UD=UP時PN結(jié)反偏，IE很?。籾EUP時PN結(jié)正導(dǎo)游通,IE迅速添加。

–分壓比(0.3~0.9)UP–峰點(diǎn)電壓UD–PN結(jié)正向?qū)▔航礏2RB1RB2B1AUBBEUE前一頁后一頁前往3.單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點(diǎn)電壓、電流):維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點(diǎn)電壓)：單結(jié)管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。UP峰點(diǎn)電壓IFIVUV谷點(diǎn)電壓V負(fù)阻區(qū)：UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE添加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。IE0UE前一頁后一頁前往單結(jié)管符號B2EB1UE<UP時單結(jié)管截止；UE>UP時單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時恢復(fù)截止。小結(jié)單結(jié)管特性前一頁后一頁前往11.3.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.振蕩電路RR2R1CUucuOEB1利用單結(jié)管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路前一頁后一頁前往2.振蕩過程分析uE=uC<UP時，單結(jié)管不導(dǎo)通，uo0。此時R1上的電流很小，其值為：R1、R2外加電阻，不同于內(nèi)部的RB1、RB2。前者普通取幾十歐~幾百歐；RB1+RB2普通為2~15千歐。uOR2R1RCUucEIR1前一頁后一頁前往隨電容的充電，uc逐漸升高。ucUpUvuoUp-UDuOR2R1RCUucE當(dāng)uCUP時，單結(jié)管導(dǎo)通。電容C放電，R1上得到一個脈沖電壓。電容放電至ucUv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使uo0。前一頁后一頁前往振蕩波形ucttuouvup留意：R值不能選的太小，否那么單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。前一頁后一頁前往11.3.3單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路1.電路RLau1VTuLu3R1R2RPCucu2RbcdeDZ主電路觸發(fā)電路前一頁后一頁前往2、任務(wù)原理〔1〕整流削波u2uabU2MucbU2M整流削波UZau2RbcDZUZ前一頁后一頁前往〔2〕觸發(fā)電路UZ削波udbUpUvueb電容充、放電UP-UD觸發(fā)脈沖ucb

2bUZR1R2RPCuccdeDZ前一頁后一頁前往〔3〕可控整流uebuLu3輸出電壓觸發(fā)脈沖VTuLu3eb前一頁后一頁前往單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個變壓器上？一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只需第一個起作用？如何改動控制角？輸出電壓如何調(diào)理，其大小如何計(jì)算？觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？思索題前一頁后一頁前往問題討論單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個變壓器上？目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時過零〔即兩者同步〕，使電容在每半個周期均從零開場充電，從而保證每半個周期的第一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時辰一樣〔即角一樣〕，以使輸出平均電壓不變。前一頁后一頁前往觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？穩(wěn)壓管的作用是：將整流后的電壓變成梯形〔即削波〕，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生第一脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。前一頁后一頁前往一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只需第一個起作用？如何改動控制角？根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號，仍能維持導(dǎo)通形狀。因此，每半個周期中只需第一個觸發(fā)脈沖起作用。前一頁后一頁改動充電時間常數(shù)即可改動控制角?？刂平亲兓姆秶Q為移相范圍前往輸出電壓如何調(diào)理，其大小如何計(jì)算？RP電容充電速度變慢

uL電壓的調(diào)理電壓的計(jì)算前一頁后一頁前往11.4晶閘管的維護(hù)晶閘管的過流、過壓才干很差，是它的主要缺陷。晶閘管的熱容量很小，一旦過流，溫度急劇上升，器件被燒壞。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許繼續(xù)0.02秒，否那么將被燒壞；晶閘管接受過電壓的才干極差，電壓超越其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。正向電壓超越轉(zhuǎn)機(jī)電壓時，會產(chǎn)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。前往前一頁后一頁11.4.1晶閘管的過壓維護(hù)1、阻容維護(hù)CRRCRC~利用電容吸收過壓。即將過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后由電阻耗費(fèi)掉。阻容維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的接法晶閘管元件的阻容維護(hù)前往前一頁后一頁2.非線性電阻維護(hù)壓敏電阻為非線性元件，過壓后其電阻急劇減小，將浪涌電壓的能量泄放掉，或快速熔斷保險絲，以到達(dá)維護(hù)晶閘管的目的。~前往前一頁后一頁11.4.2晶閘管的過流維護(hù)1.快速熔斷器維護(hù)電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的平安。~接在輸出端接在輸入端和晶閘管串聯(lián)前往前一頁后一頁2.過流繼電器維護(hù)3.過流截止維護(hù)在輸入端〔交流側(cè)〕或輸出端〔直流側(cè)〕接入過電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過流缺點(diǎn)時，繼電器動作，使電路自動切斷。在交流側(cè)設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過流缺點(diǎn)時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停頓產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立刻關(guān)斷。前往前一頁后一頁11.5運(yùn)用舉例1.電瓶充電機(jī)電路R1~AVR2R4R3RPVDVZVTC+_待充電瓶VT1該電