第8章-晶閘管及可控整流

第8章晶閘管及可控整流本章主要討論晶閘管的基本特性,主要參數(shù);可控整流電路的基本原理和基本的分析方法;晶閘管的過壓及過流保護(hù)8.1晶閘管

晶閘管的主要用途可控整流有源逆變交流調(diào)壓變頻器無觸點功率開關(guān)晶閘管種類包括普通晶閘管雙向晶閘管快速晶閘管可關(guān)斷晶閘管光控晶閘管逆導(dǎo)晶閘管化學(xué)工業(yè)出版社

8.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)1．晶閘管的結(jié)構(gòu)

G控制極K陰極陽極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體三個

PN

結(jié)晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合T1_N2P1P2N1N2K

GA+KA

T2P2N1IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK

T1T28.1.2工作原理A

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。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R

晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。GEA>0、EG>0KEA+_R

T1T2EGA形成正反饋過程晶閘管導(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。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：

1.必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應(yīng)不能維持。

2.將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。正向特性反向特性URRMUDRMIG2>IG1>IG0UBRITUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流

U8.1.3伏安特性及主要參數(shù)1.伏安特性2.主要參數(shù)UDRM:正向重復(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,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UDRM

=80%UB0

。普通晶閘管UDRM

為100V—3000V反向重復(fù)峰值電壓控制極開路時,允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM

=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000VURRM：正向平均電流環(huán)境溫度為40

C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。

IT(AV)：IT

t

2

如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IT為1A—1000A。UT(AV):

通態(tài)平均電壓（管壓降）在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。IH:

維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。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)通所必須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。晶閘管型號及其含義導(dǎo)通時平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者正向平均電流IT(AV)（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KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。8.2單相可控整流電路8.2.1單相半波可控整流電路

1.電阻性負(fù)載(1)

電路

u2

>0時：若ug

=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

2<0時:

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

ud=0,uvs=u2

，故稱可控整流。控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，

u2udRL+–+uvs+––VS1id(2)工作原理

t1

2u2

<

0時:

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷

加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通

tOu2

>0時:

tO

tO

接電阻負(fù)載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形

動畫控制角

t1

tO

tO

t22

tO導(dǎo)通角(3)工作波形(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Ud。晶體管承受的最大反向電壓：名詞術(shù)語：

1、控制角α：從晶閘管承受正偏到觸發(fā)導(dǎo)通所對應(yīng)的角度

2、控制角θ：晶閘管在一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間所對應(yīng)的電角度。

3、移相：改變α的大小?？煽刂苪d的值。

4、移相范圍：改變α的大小使輸出電壓平均值從最小到最大。5、同步：觸發(fā)脈沖與電源電壓保持頻率相同。6、換相：由一組晶體管導(dǎo)通改變到另一組晶體管導(dǎo)通的過程。α

+θ=π8.2.2單相半控橋式整流電路1.

電路2.

工作原理VD3和VD2承受正向電壓。VD3控制極加觸發(fā)電壓,則VD3和VD2導(dǎo)通，電流的通路為VD3、VD4

晶閘管VD1、VD2

晶體管aRLVD2VD3b(1)電壓u

為正半周時io+–+–VD3VD4RLuoVD1VD2a

u+–b此時，VD4和VD1均承受反向電壓而截止。id+–+–VD3VD4RLudVD1VD2a

u+bVD4和VD1承受正向電壓。

VD4控制極加觸發(fā)電壓,則VD4和VD1導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時bRLVD1VD4a此時，VD3和VD2均承受反向電壓而截止。–

t

tO

tO3.工作波形2

tO4.輸出電壓及電流的平均值晶閘管觸發(fā)電路基本要求：能夠提供足夠的電壓電流。觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，前沿盡可能陡，應(yīng)使脈沖消失以前，晶閘管的陽極電流能夠迅速上升維持導(dǎo)通（電阻負(fù)載開通時間6μs，要求脈沖寬度為10μs；對于電感負(fù)載，開通時間為100μs，脈沖寬度達(dá)到1ms,相當(dāng)于50HZ正弦波的18°）觸發(fā)脈沖必須與主電路同步。與主電路同一電源。脈沖的移相范圍必須滿足整流電路的需要。（三相橋式整流電路在電阻性負(fù)載時可以移相120°；在大電感性負(fù)載時，可以移相90°）觸發(fā)脈沖要動態(tài)響應(yīng)快，受溫度影響小，抗干擾能力強，經(jīng)濟(jì)可靠體積小。8.3晶閘管觸發(fā)電路8.4.1單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a)示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(b)符號B2EB11.結(jié)構(gòu)單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)2.工作原理UE<

UBB+UD=UP時PN結(jié)反偏，IE很??；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。UE≥

UP時

–分壓比(0.5~0.9)UP

–峰點電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1測量單結(jié)晶體管的實驗電路由圖可求得

UP(峰點電壓)：單結(jié)管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。

3.單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點電壓、電流):維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

IpIVoIEUEUP峰點電壓UV谷點電壓V負(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)負(fù)阻區(qū)：UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。P1.UE<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。單結(jié)晶體管的特點B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比

不同，則峰點電壓UP不同。3.不同單結(jié)晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都不一樣。谷點電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。8.4.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.振蕩電路單結(jié)晶體管振蕩電路

單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(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。ugR2R1RUucE+C+__+_50

100k

300

0.47F鋸齒波周期：T※T=RCln［1/(1-η)］–分壓比(0.5~0.9)，C-電容=0.6C=0.47F,T=100×0.47×10-6ln［1/(1-0.6)］ugR2R1RUuCE+C+__+_50

100k

300

0.47F2.

振蕩過程分析設(shè)通電前uC=0。

接通電源U,電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。

當(dāng)uC≥

UP時,單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuC

tug

t電容放電至uC

≤Uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。upuv(c)電壓波形uC

t

tugOO鋸齒波周期：TT=RCln［1/(1-η)］–分壓比(0.5~0.9)C-電容主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC+