《極管晶閘管》PPT課件.ppt

1、1.1 功率二極管 1.2 晶閘管 1.3 單相相控整流電路 1.4 晶閘管觸發(fā)電路 習(xí)題及思考題,第1章 功率二極管、晶閘管 及單相相控整流電路,1.1.1 功率二極管的工作原理 功率二極管是以PN結(jié)為基礎(chǔ)的，實(shí)際上就是由一個(gè)面積較大的PN結(jié)和兩端引線封裝組成的。功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖1-1所示。,圖 1-1 功率二極管的結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào),1.1 功 率 二 極 管,功率二極管主要有螺栓型和平板型兩種外形， 如圖1-2 所示。,圖 1-2 功率二極管的外形 (a) 螺栓型； (b) 平板型,功率二極管和電子電路中的二極管工作原理一樣，即若二極管處于正向電壓作用下，則PN結(jié)導(dǎo)通， 正向管

2、壓降很??； 反之， 若二極管處于反向電壓作用下，則PN結(jié)截止， 僅有極小的可忽略的漏電流流過二極管。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量可得功率二極管的伏安特性曲線，如圖1-3所示。,圖1-3 功率二極管的伏安特性曲線 (a) 螺栓型； (b) 平板型,1正向平均電流I F(AV) 功率二極管的正向平均電流I F(AV)是指在規(guī)定的管殼溫度和散熱條件下允許通過的最大工頻半波電流的平均值, 元件標(biāo)稱的額定電流就是這個(gè)電流。實(shí)際應(yīng)用中，功率二極管所流過的最大有效電流為I，則其額定電流一般選擇為,式中的系數(shù)1.52是安全系數(shù)。,1.1.2 功率二極管的主要參數(shù),2正向壓降UF 正向壓降UF是指在規(guī)定溫度下，流過某一穩(wěn)定正向電

3、流時(shí)所對(duì)應(yīng)的正向壓降。,3 反向重復(fù)峰值電壓URRM 反向重復(fù)峰值電壓是功率二極管能重復(fù)施加的反向最高電壓， 通常是其雪崩擊穿電壓UB的2/3。一般在選用功率二極管時(shí)， 以其在電路中可能承受的反向峰值電壓的兩倍來選擇反向重復(fù)峰值電壓。,4反向恢復(fù)時(shí)間trr 反向恢復(fù)時(shí)間是指功率二極管從所施加的反向偏置電流降至零起到恢復(fù)反向阻斷能力為止的時(shí)間。,1 整流二極管 整流二極管多用于開關(guān)頻率不高的場(chǎng)合，一般開關(guān)頻率在1 kHz以下。 整流二極管的特點(diǎn)是電流定額和電壓定額可以達(dá)到很高，一般為幾千安和幾千伏，但反向恢復(fù)時(shí)間較長。,1.1.3 功率二極管的主要類型,2 快速恢復(fù)二極管 快速恢復(fù)二極管的特點(diǎn)是

4、恢復(fù)時(shí)間短，尤其是反向恢復(fù)時(shí)間短，一般在5 s以內(nèi)，可用于要求很小反向恢復(fù)時(shí)間的電路中，如用于與可控開關(guān)配合的高頻電路中。,3 肖特基二極管 肖特基二極管是以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為基礎(chǔ)的二極管，其反向恢復(fù)時(shí)間更短，一般為1040 ns。肖特基二極管在正向恢復(fù)過程中不會(huì)有明顯的電壓過沖，在反向耐壓較低的情況下正向壓降也很小，明顯低于快速恢復(fù)二極管，因此，其開關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都很小。肖特基二極管的不足是，當(dāng)所承受的反向耐壓提高時(shí)，其正向電壓有較大幅度提高。它適用于較低輸出電壓和要求較低正向管壓降的換流器電路中。,1.2.1 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管是一種大功率半導(dǎo)體變流器件， 它具有三個(gè)PN

5、結(jié)的四層結(jié)構(gòu)，其外形、 結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào)如圖1-4所示。由最外的P1層和N2層引出兩個(gè)電極，分別為陽極A和陰極K，由中間P2層引出的電極是門極G（也稱控制極）。,1.2 晶 閘 管,圖 1-4 晶閘管的外形、 結(jié)構(gòu)和圖形符號(hào) (a) 外形； (b) 結(jié)構(gòu)； (c) 圖形符號(hào),常用的晶閘管有螺栓式和平板式兩種外形，如圖1-4(a)所示。晶閘管在工作過程中會(huì)因損耗而發(fā)熱，因此必須安裝散熱器。螺栓式晶閘管是靠陽極（螺栓）擰緊在鋁制散熱器上， 可自然冷卻；平板式晶閘管由兩個(gè)相互絕緣的散熱器夾緊晶閘管，靠冷風(fēng)冷卻。額定電流大于200 A的晶閘管都采用平板式外形結(jié)構(gòu)。此外，晶閘管的冷卻方式還有水冷、油冷等。

6、, 我們通過圖1-5所示的電路來說明晶閘管的工作原理。在該電路中，由電源Ea、白熾燈、晶閘管的陽極和陰極組成晶閘管主電路；由電源Eg、開關(guān)S、晶閘管的門極和陰極組成控制電路,也稱觸發(fā)電路。,1.2.2 晶閘管的工作原理,圖 1-5 晶閘管導(dǎo)通試驗(yàn)電路圖,當(dāng)晶閘管的陽極A接電源Ea的正端，陰極K經(jīng)白熾燈接電源的負(fù)端時(shí)，晶閘管承受正向電壓。當(dāng)控制電路中的開關(guān)S斷開時(shí)，白熾燈不亮，說明晶閘管不導(dǎo)通。 當(dāng)晶閘管的陽極和陰極承受正向電壓，控制電路中開關(guān)S閉合，使控制極也加正向電壓（控制極相對(duì)陰極）時(shí)，白熾燈亮，說明晶閘管導(dǎo)通。 當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，將控制極上的電壓去掉（即將開關(guān)S斷開），白熾燈依然亮，說明一

7、旦晶閘管導(dǎo)通，控制極就失去了控制作用。 當(dāng)晶閘管陽極和陰極間加反向電壓時(shí)，不管控制極加不加電壓，燈都不亮，晶閘管截止?？刂茦O加反向電壓，無論晶閘管主電路加正向電壓還是反向電壓，晶閘管都不導(dǎo)通。,通過上述實(shí)驗(yàn)可知，晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備兩個(gè)條件： （1）晶閘管主電路加正向電壓。 （2）晶閘管控制電路加合適的正向電壓。 為了進(jìn)一步說明晶閘管的工作原理，可把晶閘管看成是由一個(gè)PNP型和一個(gè)NPN型晶體管連接而成的，連接形式如圖1-6所示。陽極A相當(dāng)于PNP型晶體管V1的發(fā)射極，陰極K相當(dāng)于NPN型晶體管V2的發(fā)射極。,圖 1-6 晶閘管工作原理等效電路,當(dāng)晶閘管陽極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時(shí)

8、， 晶體管V2處于正向偏置，EC產(chǎn)生的控制極電流IG就是2的基極電流IB2，V2的集電極電流IC2 =2 IG 。而IC2 又是晶體管1的基極電流，1的集電極電流IC1=1IC2 =12 IG （ 1和2分別是1和V2的電流放大系數(shù)）。電流IC1又流入V2的基極， 再一次放大。這樣循環(huán)下去，形成了強(qiáng)烈的正反饋，使兩個(gè)晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通，這就是晶閘管的導(dǎo)通過程。導(dǎo)通后， 晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上，晶閘管中流過的電流即負(fù)載電流。,在晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕砭S持， 即使控制極電流消失，晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此， 控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘

9、管使其導(dǎo)通，導(dǎo)通之后，控制極就失去了控制作用。 要想關(guān)斷晶閘管， 最根本的方法就是必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是將晶閘管的陽極電流減小到小于維持電流。 可采用的方法有： 將陽極電源斷開； 改變晶閘管的陽極電壓的方向， 即在陽極和陰極間加反向電壓。,晶閘管陽極與陰極間的電壓UA和陽極電流IA的關(guān)系稱為陽極伏安特性， 正確使用晶閘管必須要了解其伏安特性。 圖1-7所示即為晶閘管陽極伏安特性曲線， 包括正向特性（第一象限）和反向特性（第三象限）兩部分。,1.2.3 晶閘管的伏安特性,圖 1-7 晶閘管陽極伏安特性曲線,晶閘管的正向特性又有阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之分。在正向阻斷狀態(tài)時(shí)

10、， 晶閘管的伏安特性是一組隨門極電流IG的增加而不同的曲線簇。當(dāng)IG =0時(shí)，逐漸增大陽極電壓UA，只有很小的正向漏電流，晶閘管正向阻斷；隨著陽極電壓的增加，當(dāng)達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，漏電流突然劇增，晶閘管由正向阻斷突變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。 這種在IG =0時(shí)，依靠增大陽極電壓而強(qiáng)迫晶閘管導(dǎo)通的方式稱為“硬開通”。多次“硬開通”會(huì)使晶閘管損壞，因此通常不允許這樣做。,隨著門極電流IG的增大，晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓UBO迅速下降，當(dāng) IG足夠大時(shí)，晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓很小，可以看成與一般二極管一樣，只要加上正向陽極電壓，管子就導(dǎo)通了。 晶閘管正向?qū)ǖ姆蔡匦耘c二極管的正向特性相似，即當(dāng)流過較大的陽

11、極電流時(shí)， 晶閘管的壓降很小。 ,UDRM、 URRM正、 反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓； UDSM、URSM正、 反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓； UBO正向轉(zhuǎn)折電壓； URO反向擊穿電壓。,晶閘管正向?qū)ê?，要使晶閘管恢復(fù)阻斷，只有逐步減小陽極電流IA，使IA下降到小于維持電流IH（維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流），則晶閘管又由正向?qū)顟B(tài)變?yōu)檎蜃钄酄顟B(tài)。 圖1-7中各物理量的含義如下：,晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。在正常情況下，當(dāng)承受反向陽極電壓時(shí)，晶閘管總是處于阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流流過。當(dāng)反向電壓增加到一定值時(shí)，反向漏電流增加較快，再繼續(xù)增大反向陽極電壓會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿， 造

12、成晶閘管永久性損壞，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為反向擊穿電壓URO。, 1 正向重復(fù)峰值電壓UDRM 在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓稱為正向重復(fù)峰值電壓UDRM。一般規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%。 2反向重復(fù)峰值電壓URRM 在控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的反向峰值電壓稱為反向重復(fù)峰值電壓URRM。此電壓取反向擊穿電壓URO的80%。 ,1.2.4 晶閘管的主要參數(shù),3 通態(tài)平均電流IV(AV) 在環(huán)境溫度小于40和標(biāo)準(zhǔn)散熱及全導(dǎo)通的條件下， 晶閘管可以連續(xù)導(dǎo)通的工頻正弦半波電流平均值稱為通態(tài)平均電流IV(AV)或正向平均電流，通常所說晶閘管是多

13、少安就是指這個(gè)電流。 如果正弦半波電流的最大值為IM，則,額定電流有效值為,然而在實(shí)際使用中，流過晶閘管的電流波形形狀、波形導(dǎo)通角并不是一定的，各種含有直流分量的電流波形都有一個(gè)電流平均值，也就有一個(gè)電流有效值?，F(xiàn)定義某電流波形的有效值與平均值之比為這個(gè)電流的波形系數(shù)，用Kf表示，即,根據(jù)上式可求出正弦半波電流的波形系數(shù),這說明額定電流IV(AV)=100 A的晶閘管，其額定電流有效 值為IV=KfIV(AV)=157 A。,不同的電流波形有不同的平均值與有效值，波形系數(shù)Kf也不同。在選用晶閘管的時(shí)候，首先要根據(jù)管子的額定電流（通態(tài)平均電流）求出元件允許流過的最大有效電流。不論流過晶閘管的電流

14、波形如何，只要流過元件的實(shí)際電流最大有效值小于或等于管子的額定有效值，且散熱冷卻在規(guī)定的條件下，管芯的發(fā)熱就能限制在允許范圍內(nèi)。由于晶閘管的電流過載能力比一般電機(jī)、電器要小得多，因此在選用晶閘管額定電流時(shí)，根據(jù)實(shí)際最大的電流計(jì)算后至少要乘以1.52的安全系數(shù)，使其有一定的電流裕量。,4維持電流IH和掣住電流IL 在室溫且控制極開路時(shí)，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH。維持電流大的晶閘管容易關(guān)斷。維持電流與元件容量、結(jié)溫等因素有關(guān)，同一型號(hào)的元件其維持電流也不相同。通常在晶閘管的銘牌上標(biāo)明了常溫下IH的實(shí)測(cè)值。 給晶閘管門極加上觸發(fā)電壓，當(dāng)元件剛從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)就撤除觸發(fā)電壓

15、，此時(shí)元件維持導(dǎo)通所需要的最小陽極電流稱為掣住電流IL。對(duì)同一晶閘管來說，掣住電流 IL要比維持電流IH大24倍。 ,5 晶閘管的開通與關(guān)斷時(shí)間 1） 開通時(shí)間tgt 一般規(guī)定：從門極觸發(fā)電壓前沿的10%到元件陽極電壓下降至10%所需的時(shí)間稱為開通時(shí)間tgt，普通晶閘管的tgt約為6s。開通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的陡度大小、結(jié)溫以及主回路中的電感量等有關(guān)。為了縮短開通時(shí)間，常采用實(shí)際觸發(fā)電流比規(guī)定觸發(fā)電流大35倍、前沿陡的窄脈沖來觸發(fā)，稱為強(qiáng)觸發(fā)。另外， 如果觸發(fā)脈沖不夠?qū)?，晶閘管就不可能觸發(fā)導(dǎo)通。一般說來， 要求觸發(fā)脈沖的寬度稍大于tgt，以保證晶閘管可靠觸發(fā)。,2） 關(guān)斷時(shí)間tq 晶閘管導(dǎo)通時(shí)，內(nèi)

16、部存在大量的載流子。晶閘管的關(guān)斷過程是： 當(dāng)陽極電流剛好下降到零時(shí)，晶閘管內(nèi)部各PN結(jié)附近仍然有大量的載流子未消失，此時(shí)若馬上重新加上正向電壓， 晶閘管仍會(huì)不經(jīng)觸發(fā)而立即導(dǎo)通，只有再經(jīng)過一定時(shí)間，待元件內(nèi)的載流子通過復(fù)合而基本消失之后，晶閘管才能完全恢復(fù)正向阻斷能力。我們把晶閘管從正向陽極電流下降為零到它恢復(fù)正向阻斷能力所需要的這段時(shí)間稱為關(guān)斷時(shí)間tq。 晶閘管的關(guān)斷時(shí)間與元件結(jié)溫、關(guān)斷前陽極電流的大小以及所加反壓的大小有關(guān)。普通晶閘管的tq約為幾十到幾百微秒。,6 通態(tài)電流臨界上升率di/dt 門極流入觸發(fā)電流后，晶閘管開始只在靠近門極附近的小區(qū)域內(nèi)導(dǎo)通，隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)通區(qū)才逐漸擴(kuò)大到P

17、N結(jié)的全部面積。如果陽極電流上升得太快，則會(huì)導(dǎo)致門極附近的PN結(jié)因電流密度過大而燒毀，使晶閘管損壞。因此，對(duì)晶閘管必須規(guī)定允許的最大通態(tài)電流上升率，稱通態(tài)電流臨界上升率di/dt。 ,7 斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 晶閘管的結(jié)面積在阻斷狀態(tài)下相當(dāng)于一個(gè)電容，若突然加一正向陽極電壓， 便會(huì)有一個(gè)充電電流流過結(jié)面，該充電電流流經(jīng)靠近陰極的PN結(jié)時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)于觸發(fā)電流的作用，如果這個(gè)電流過大，將會(huì)使元件誤觸發(fā)導(dǎo)通，因此對(duì)晶閘管還必須規(guī)定允許的最大斷態(tài)電壓上升率。我們把在規(guī)定條件下，晶閘管直接從斷態(tài)轉(zhuǎn)換到通態(tài)的最大陽極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。, 1 晶閘管的型號(hào),圖 1-8 晶閘

18、管型號(hào)的含義,1.2.5 晶閘管的型號(hào)及簡單測(cè)試方法,2晶閘管的簡單測(cè)試方法 對(duì)于晶閘管的三個(gè)電極，可以用萬用表粗測(cè)其好壞。依據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ娫?，用萬用表歐姆擋測(cè)試元件的三個(gè)電極之間的阻值，可初步判斷管子是否完好。如用萬用表R1 k 擋測(cè)量陽極A和陰極K之間的正、反向電阻都很大，在幾百千歐以上，且正、反向電阻相差很小；用R10或R100擋測(cè)量控制極G和陰極K之間的阻值，其正向電阻應(yīng)小于或接近于反向電阻，這樣的晶閘管是好的。如果陽極與陰極或陽極與控制極間有短路，陰極與控制極間為短路或斷路，則晶閘管是壞的。,3 晶閘管的派生系列 1）快速晶閘管 快速晶閘管的外形、符號(hào)、基本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶

19、閘管相同，但它專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)?？焖倬чl管的開通與關(guān)斷時(shí)間短，允許的電流上升率高，開關(guān)損耗小，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)可獲得較平直的電流波形。普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為數(shù)百微秒，快速晶閘管則為數(shù)十s。,2） 雙向晶閘管 雙向晶閘管可被認(rèn)為是一對(duì)反并聯(lián)連接的普通晶閘管的集成。圖1-9所示為它的基本結(jié)構(gòu)、等效電路及伏安特性。 雙向晶閘管有兩個(gè)主電極V1和2，一個(gè)門極G。門極使器件在主電極的正、反兩個(gè)方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，因此雙向晶閘管在第一和第三象限有對(duì)稱的伏安特性。,雙向晶閘管門極加正、負(fù)觸發(fā)脈沖都能使管子觸發(fā)導(dǎo)通， 因此有四種觸發(fā)方式： +、-表示V1、2間加正向電壓時(shí)，正、負(fù)脈沖能觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通；+、-

20、表示1、2間加反向電壓時(shí)，正、負(fù)脈沖能觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。 圖1-9(c)中注明了兩個(gè)主電極1和2相對(duì)的電壓極性，并注明門極G相對(duì)主電極2的電壓極性。四種觸發(fā)方式的靈敏度各不相同， 其中+方式最低，因此在實(shí)際應(yīng)用中只采用(+、 -)與(-、 -)兩組觸發(fā)方式。,圖 1-9 雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)及伏安特性 (a) 基本結(jié)構(gòu)； (b) 等效電路； (c) 伏安特性,雙向晶閘管與一對(duì)反并聯(lián)晶閘管相比是經(jīng)濟(jì)的，并且控制電路比較簡單， 但有以下局限性： （1） 雙向晶閘管重新施加du/dt的能力差，這使它難以用于感性負(fù)載。雙向晶閘管在交流電路中使用時(shí)，須承受正、 反兩個(gè)半波電流和電壓。它在一個(gè)方向?qū)щ婋m已結(jié)束，

21、但當(dāng)管芯硅片各層中的載流子還沒有回復(fù)到阻斷狀態(tài)的位置時(shí)就立即承受反向電壓，這些載流子電流有可能成為晶閘管反向工作時(shí)的觸發(fā)電流而使之誤導(dǎo)通，造成換相失敗。另外，其換相能力隨結(jié)溫升高而有所下降。 （2） 電路靈敏度比較低。,（3） 管子的關(guān)斷時(shí)間tq比較長。 雙向晶閘管常在電阻性負(fù)載電路中用作相位控制，也用作固態(tài)繼電器，有時(shí)還用于電動(dòng)機(jī)控制，其供電頻率通常被限制在工頻附近。就目前的工藝水平而言，雙向晶閘管的電壓和電流定額比普通晶閘管低些。 由于雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示它的額定電流值。以200 A(有效值)雙向晶閘管為例,其峰值電流即為。而由式（1-2）可知，一個(gè)

22、峰值為283 A的普通晶閘管的平均電流值為283 A/90 A, 所以一個(gè)200 A(有效值)的雙向晶閘管可代替兩個(gè)90 A(平均值)的普通晶閘管。,1.3.1 電阻性負(fù)載 1 電路的工作原理 電爐、白熾燈等均屬于電阻性負(fù)載。電阻性負(fù)載的特點(diǎn)是： 負(fù)載兩端的電壓和流過的電流波形相同，相位相同。單相橋式全控整流電路如圖1-10(a)所示。電路由四個(gè)晶閘管和負(fù)載電阻Rd組成。晶閘管V1和V3組成一對(duì)橋臂，V2和V4組成另一對(duì)橋臂。,1.3 單相相控整流電路,圖 1-10 單相全控橋式整流電路電阻性負(fù)載及其波形 電路； (b) 電源電壓； (c) 觸發(fā)脈沖； (d) 輸出電壓； (e) 晶閘管上的電

23、壓； (f) 變壓器副邊電流,2 數(shù)值關(guān)系 由圖1-10（d）所示的負(fù)載上電壓波形可知， 在晶閘管承受正向電壓的時(shí)間內(nèi)，改變控制極觸發(fā)脈沖的輸入時(shí)刻(即移相)， 負(fù)載上得到的電壓波形就隨之改變，這樣就控制了負(fù)載上輸出電壓的大小。晶閘管在正向電壓下不導(dǎo)通的電角范圍稱為控制角，有時(shí)也稱其為移相角，用表示；而導(dǎo)電范圍稱為導(dǎo)通角，用表示。 由圖1-10可知整流輸出電壓的平均值為,（1-5）,當(dāng)=0時(shí)，相當(dāng)于不可控橋式整流，此時(shí)輸出電壓最大， 即Ud=0.9U2。當(dāng)=180時(shí)，輸出電壓為零，故晶閘管的可控移相范圍為0180。 整流輸出電壓的有效值為,在負(fù)載上，輸出電流的平均值Id和有效值I分別為,負(fù)載電

24、流的波形系數(shù)為,由于晶閘管V1、V4和V2、V3在電路中是輪流導(dǎo)通的，因此流過每個(gè)晶閘管的平均電流只有負(fù)載上平均電流的一半， 即,流過晶閘管的電流有效值為,在選擇晶閘管以及導(dǎo)線截面積時(shí)， 要考慮發(fā)熱問題， 應(yīng)根據(jù)電流的有效值進(jìn)行計(jì)算。 在一個(gè)周期內(nèi)電源通過變壓器TR兩次向負(fù)載提供能量，因此負(fù)載電流有效值I與變壓器次級(jí)電流有效值I2相同，則電路的功率因數(shù)可以按下式計(jì)算：,例1-1 如圖1-10(a)所示單相全控橋式整流電路，Rd=4 ， 要求Id在025 A之間變化，求： （1） 整流變壓器TR的變比（不考慮裕量）； （2） 連接導(dǎo)線的截面積（取允許電流密度J=6 A/mm2）； （3） 選擇晶

25、閘管的型號(hào)（考慮2倍的裕量）； （4） 在不考慮損耗的情況下， 選擇整流變壓器的容量； （5） 計(jì)算負(fù)載電阻的功率； （6） 計(jì)算電路的最大功率因數(shù)。,解 （1） 負(fù)載上的最大平均電壓為,Udmax=IdmaxRd=254=100V,又因?yàn)?， 當(dāng)=0時(shí)，Ud最大，即Udmax=0.9U2， 所以有,所以變壓器的變比,（2） 因?yàn)?0時(shí)，id的波形系數(shù)為,所以負(fù)載電流有效值為,選擇導(dǎo)線截面積為,選BU70銅線。,（3） 考慮到每個(gè)晶閘管電流的有效值 ， 則晶閘管的額定電流為,考慮2倍裕量，取IV(AV)為30A。 晶閘管承受的最高電壓 ，考慮2倍裕量，取400 V，選擇KP30-4晶閘管。,（

26、4） 在不考慮損耗的情況下， 整流變壓器的容量為 S=U2I2=U2I=11127.75=3.08 kVA （5） 負(fù)載電阻消耗的功率為 PR=I2Rd=27.7524=3.08 kVA （6） 電路的最大功率因數(shù)由式(1-12)可知為,當(dāng)=0時(shí)，cos=1。, 1 單相全控橋式整流電路 在生產(chǎn)實(shí)踐中，除了電阻性負(fù)載外，最常見的負(fù)載還有電感性負(fù)載，如電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，整流電路中串入的濾波電抗器等。為了便于分析和計(jì)算，在電路圖中將電阻和電感分開表示。 當(dāng)整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)，整流工作的物理過程和電壓、電流波形都與帶電阻性負(fù)載時(shí)不同。因?yàn)殡姼袑?duì)電流的變化有阻礙作用，即電感元件中的電流不能突變，當(dāng)

27、電流變化時(shí)電感要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)而阻礙其變化，所以，電路電流的變化總是滯后于電壓的變化。,1.3.2 大電感負(fù)載,圖 1-11 單相全控橋式整流電路電感性負(fù)載及其波形 電路； (b) 電源電壓； (c) 觸發(fā)脈沖； (d) 輸出電壓； (e) 輸出電流； (f) 晶閘管V -1 , V -4上的電流； (g) 晶閘管V -2 , V -3上的電流； (h) 變壓器副邊電流； (i) 晶閘管V -1 , V -4上的電壓,負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，整流電壓平均值可按下式計(jì)算： ,輸出電流波形因電感很大，平波效果很好而呈一條水平線。 兩組晶閘管輪流導(dǎo)電，一個(gè)周期中各導(dǎo)電180， 且與無關(guān)， 變壓器二次繞組中電

28、流i2的波形是對(duì)稱的正、負(fù)方波。負(fù)載電流的平均值Id和有效值I相等，其波形系數(shù)為1。在這種情況下： 當(dāng)=0時(shí)，Ud=0.9U2； 當(dāng)=90時(shí)，Ud=0，其移相范圍為90。 晶閘管承受的最大正、反向電壓都是。,流過每個(gè)晶閘管的電流平均值和有效值分別為,很明顯，單相全控橋式整流電路具有輸出電流脈動(dòng)小、功率因數(shù)高和變壓器利用率高等特點(diǎn)。 然而值得注意的是，在大電感負(fù)載情況下，當(dāng)控制角接近/2時(shí)，輸出電壓的平均值接近于零，負(fù)載上的電壓太小，且理想的大電感負(fù)載是不存在的， 故實(shí)際電流波形不可能是一條直線， 而且在=/2之前電流就會(huì)出現(xiàn)斷續(xù)。電感量越小，電流開始斷續(xù)的值就越小。,2 單相半控橋式整流電路,

29、圖 1-12 單相半控橋式整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的電壓、 電流波形 (a) 電路； (b) 波形,當(dāng)u2的正半周、控制角為時(shí)，觸發(fā)晶閘管V1，則V1和VD2因承受正向電壓而導(dǎo)通。當(dāng)u2下降到零并開始變負(fù)時(shí)， 由于電感的作用，它將產(chǎn)生一感應(yīng)電勢(shì)使V1繼續(xù)導(dǎo)通。但此時(shí)VD1已承受正向電壓正偏導(dǎo)通，而VD2反偏截止，負(fù)載電流id經(jīng)VD1 、 V1流通。此時(shí)整流橋輸出電壓為V1和VD1的正向壓降， 接近于零，所以整流輸出電壓ud沒有負(fù)半周，這種現(xiàn)象我們把它叫做自然續(xù)流。 在這一點(diǎn)上， 半控橋和全控橋是不同的。,u2的負(fù)半周具有與正半周相似的情況，控制角為時(shí)觸發(fā)V2，V2、VD1導(dǎo)通，u2過零變正時(shí)經(jīng)V

30、D2、V2自然續(xù)流。 綜上所述，單相半控橋式整流電路帶大電感負(fù)載時(shí)的工作特點(diǎn)是：晶閘管在觸發(fā)時(shí)刻換流，二極管則在電源電壓過零時(shí)換流；由于自然續(xù)流的作用，整流輸出電壓ud的波形與全控橋式整流電路帶電阻性負(fù)載時(shí)相同，的移相范圍為0180，ud 、Id的計(jì)算公式和全控橋帶電阻性負(fù)載時(shí)相同； 流過晶閘管和二極管的電流都是寬度為180的方波且與無關(guān)，交流側(cè)電流為正、 負(fù)對(duì)稱的交變方波。上述各波形如圖1-12(b)所示。,單相半控橋式整流電路帶大電感性負(fù)載時(shí)，雖本身有自然續(xù)流的能力，似乎不需要另接續(xù)流二極管。但在實(shí)際運(yùn)行中， 當(dāng)突然把控制角增大到180以上或突然切斷觸發(fā)電路時(shí)， 會(huì)發(fā)生正在導(dǎo)通的晶閘管一直

31、導(dǎo)通，兩個(gè)二極管輪流導(dǎo)通的現(xiàn)象。此時(shí)觸發(fā)信號(hào)對(duì)輸出電壓失去了控制作用，我們把這種現(xiàn)象稱為失控。 失控現(xiàn)象在使用中是不允許的，為消除失控，帶電感性負(fù)載的半控橋式整流電路還需另接續(xù)流二極管VD， 如圖1-13(a)所示。,圖 1-13 單相半控橋式整流電路帶大電感負(fù)載接續(xù)流二極管時(shí)的波形 (a) 電路； (b) 波形,根據(jù)以上分析， 可求出輸出電壓平均值為,(1-16),其輸出電壓有效值為,在控制角為時(shí)，每個(gè)晶閘管一周內(nèi)的導(dǎo)通角為V=-，續(xù)流管的流通角為VD=2，則流過晶閘管的電流平均值和有效值分別為,流經(jīng)續(xù)流二極管的電流平均值和有效值分別為,1.4.1 對(duì)觸發(fā)電路的要求 晶閘管的型號(hào)很多，其應(yīng)用

32、電路種類也很多，不同的晶閘管型號(hào)、不同的晶閘管應(yīng)用電路對(duì)觸發(fā)信號(hào)都會(huì)有不同的具體要求。歸納起來， 晶閘管觸發(fā)主要有移相觸發(fā)、過零觸發(fā)和脈沖列調(diào)制觸發(fā)等。不管是哪種觸發(fā)電路， 對(duì)它產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖都有如下要求： （1）觸發(fā)信號(hào)可為直流、交流或脈沖電壓。由于晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，門極觸發(fā)信號(hào)即失去控制作用，為了減小門極的損耗，一般不采用直流或交流信號(hào)觸發(fā)晶閘管，而廣泛采用脈沖觸發(fā)信號(hào)。,1.4 晶閘管觸發(fā)電路,（2） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率。觸發(fā)脈沖的電壓和電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的裕量。觸發(fā)功率的大小是決定晶閘管元件能否可靠觸發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。由于晶閘管元件門極參數(shù)的分散性很大，隨溫度的

33、變化也大，為使所有合格的元件均能可靠觸發(fā)，可參考元件出廠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或產(chǎn)品目錄來設(shè)計(jì)觸發(fā)電路的輸出電壓和電流值。 ,(3） 觸發(fā)脈沖應(yīng)有一定的寬度，脈沖的前沿盡可能陡， 以使元件在觸發(fā)導(dǎo)通后，陽極電流能迅速上升超過掣住電流而維持導(dǎo)通。普通晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間約為6s，故觸發(fā)脈沖的寬度至少應(yīng)有6s以上。對(duì)于電感性負(fù)載，由于電感會(huì)抵制電流上升，因而觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)更大一些，通常為0.51 ms。此外，某些具體的電路對(duì)觸發(fā)脈沖的寬度會(huì)有一定的要求，如后續(xù)將要討論的三相全控橋等電路的觸發(fā)脈沖寬度要求大于60或采用雙窄脈沖。 為了快速可靠地觸發(fā)大功率晶閘管，常在觸發(fā)脈沖的前沿疊加上一個(gè)強(qiáng)觸發(fā)脈沖，其波形如圖1

34、-14所示。強(qiáng)觸發(fā)電流的幅值igm可達(dá)最大觸發(fā)電流的5倍，前沿t1約幾微秒。 ,圖1-14 強(qiáng)觸發(fā)電流波形,（4） 觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽極電壓同步，脈沖移相范圍必須滿足電路要求。為保證控制的規(guī)律性，要求晶閘管在每個(gè)陽極電壓周期都必須在相同的控制角觸發(fā)導(dǎo)通，這就要求觸發(fā)脈沖的頻率與陽極電壓的頻率一致，且觸發(fā)脈沖的前沿與陽極電壓應(yīng)保持固定的相位關(guān)系，這叫做觸發(fā)脈沖與陽極電壓同步。不同的電路或者相同的電路在不同負(fù)載、不同用途時(shí)，要求的變化范圍（移相范圍）亦即觸發(fā)脈沖前沿與陽極電壓的相位變化范圍不同， 所用觸發(fā)電路的脈沖移相范圍必須能滿足實(shí)際的需要。, 單結(jié)晶體管也稱為雙基極二極管，它有一個(gè)發(fā)射極

35、和兩個(gè)基極, 外形和普通三極管相似。 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)是在一塊高電阻率的N型半導(dǎo)體基片上引出兩個(gè)歐姆接觸的電極：第一基極B1和第二基極B2；在兩個(gè)基極間靠近B2處，用合金法或擴(kuò)散法滲入P型雜質(zhì)，引出發(fā)射極E。單結(jié)晶體管共有上述三個(gè)電極， 其結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號(hào)如圖1-15所示。B2 、B1間加入正向電壓后， 發(fā)射極E、 基極B1間呈高阻特性。 但是當(dāng)E的電位達(dá)到B2 、B1間電壓的某一比值（例如59%）時(shí)，E、 B1間立刻變成低電阻，這是單結(jié)晶體管最基本的特點(diǎn)。 ,1.4.2 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性,圖 1-15 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和電氣符號(hào),圖1-16所示為單結(jié)晶體管特性實(shí)驗(yàn)電路及其等效

36、電路。將單結(jié)晶體管等效成一個(gè)二極管和兩個(gè)電阻RB1、RB2組成的等效電路，那么當(dāng)基極上加電壓UBB時(shí)，RB1上分得的電壓為,式中， 為分壓比，是單結(jié)晶體管的主要參數(shù)，一般為0.50.9。 ,圖 1-16 單結(jié)晶體管特性試驗(yàn)電路及其等效電路 (a) 特性實(shí)驗(yàn)電路； (b) 等效電路,下面分析單結(jié)晶體管的工作情況。 調(diào)節(jié)RP，使UE從零逐漸增加。當(dāng)UE UBB時(shí)，單結(jié)晶體管PN結(jié)處于反向偏置狀態(tài)，只有很小的反向漏電流。當(dāng)發(fā)射極電位UE比UBB高出一個(gè)二極管的管壓降UVD時(shí)，單結(jié)晶體管開始導(dǎo)通，這個(gè)電壓稱為峰點(diǎn)電壓Up，故Up =UBB+ UVD, 此時(shí)的發(fā)射極電流稱為峰點(diǎn)電流Ip, Ip是單結(jié)晶體

37、管導(dǎo)通所需的最小電流。,圖 1-17 單結(jié)晶體管發(fā)射極伏安特性曲線,當(dāng)IE增大至一定程度時(shí)，載流子的濃度使注入空穴遇到阻力， 即電壓下降到最低點(diǎn)，這一現(xiàn)象稱為飽和。欲使IE繼續(xù)增大，必須增大電壓UE。由負(fù)阻區(qū)轉(zhuǎn)化到飽和區(qū)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)V稱為谷點(diǎn)。與谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓和電流分別稱為谷點(diǎn)電壓Uv和谷點(diǎn)電流Iv。谷點(diǎn)電壓是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小電壓，一旦UE小于Uv ，則單結(jié)晶體管將由導(dǎo)通轉(zhuǎn)化為截止。,綜上所述， 單結(jié)晶體管具有以下特點(diǎn)： （1） 當(dāng)發(fā)射極電壓等于峰點(diǎn)電壓Up時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通。 導(dǎo)通之后，當(dāng)發(fā)射極電壓小于谷點(diǎn)電壓Uv時(shí)，單結(jié)晶體管就恢復(fù)截止。 （2） 單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓Up與外加固定電壓

38、及其分壓比有關(guān)。 （3） 不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓Uv和谷點(diǎn)電流Iv都不一樣。 谷點(diǎn)電壓大約在25 V之間。在觸發(fā)電路中，常選用稍大一些，Uv低一些和Iv大一些的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。,圖 1-18 單結(jié)晶體管自激振蕩電路及其波形 (a) 電路； (b) 波形,1.4.3 單結(jié)晶體管的自激振蕩電路,設(shè)電源未接通時(shí)，電容C上的電壓為零。電源接通后，C經(jīng)電阻RE充電，電容兩端的電壓uC逐漸升高，當(dāng)uC達(dá)到單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓Up時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，電容經(jīng)單結(jié)晶體管的發(fā)射極、電阻RB1向電阻R1放電, 在R1上輸出一個(gè)脈沖電壓。 當(dāng)電容放電至uC=Uv并趨向更低時(shí)，單結(jié)晶體管截止

39、， R1上的脈沖電壓結(jié)束。之后電容從Uv值又開始充電，充電到Up時(shí)，單結(jié)晶體管又導(dǎo)通，此過程一直重復(fù)下去，在R1上就得到一系列的脈沖電壓。由于C的放電時(shí)間常數(shù)1=（ R1 +RB1）C, 遠(yuǎn)小于充電時(shí)間常數(shù)2=REC，故脈沖電壓為鋸齒波。uC和u R1的波形如圖1-18所示。改變RE的大小，可改變C的充電速度，從而改變電路的自振蕩頻率。,應(yīng)該注意，當(dāng)RE的值太大或太小時(shí)，不能使電路振蕩。當(dāng)RE太大時(shí)，較小的發(fā)射極電流IE能在RE上產(chǎn)生大的壓降，使電容兩端的電壓uC升不到峰點(diǎn)電壓Up，單結(jié)晶體管就不能工作到負(fù)阻區(qū)。當(dāng) RE太小時(shí)， 單結(jié)晶體管導(dǎo)通后的IE將一直大于Iv，單結(jié)晶體管不能關(guān)斷。 欲使電路振蕩，RE的值應(yīng)滿足下列條件,如忽略電容的放電時(shí)間， 上述電路的自振蕩頻率近似為,電阻R2的作用是溫度補(bǔ)償。無電阻R2時(shí)，若溫度升高，則二極管的正向電