電工技術(shù)電子技術(shù)-清華-37.ppt

1、2020/9/12,電工電子技術(shù),第37講,第17章 可控硅及其應(yīng)用,17.1 晶閘管工作原理 17.2 晶閘管特性與參數(shù) 17.3 可控整流電路 17.4 觸發(fā)電路 17.5 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路 17.6 晶閘管的其它應(yīng)用 17.7 晶閘管的保護(hù)及其它類型,2020/9/12,電工電子技術(shù),別名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一種大功率半導(dǎo)體器件，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。,特點(diǎn)：體積小、重量輕、無噪聲、壽命長(zhǎng)、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。,應(yīng)用領(lǐng)域：,整流（交流 直流）,逆變（直

2、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。,晶閘管（Thyristor）,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.1 工作原理,1. 結(jié)構(gòu),PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),2020/9/12,電工電子技術(shù),符號(hào),2. 工作原理,2020/9/12,電工電子技術(shù),等效為由二個(gè)三極管組成,T1、T2都導(dǎo)通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然導(dǎo)通,2020/9/12,電工電子技術(shù),(1)陽極A加反向電壓，或不加觸發(fā)信號(hào)（即UGK= 0 ）。,可控硅導(dǎo)通的條件： （1）陽極A加正電壓 （2）控制極G加正的觸發(fā)電壓,可控硅截止的條件：,(2)可控硅正向?qū)ê?，若令其關(guān)斷，必須減

3、小UAK（或使UAK反向），使可控硅中電流小于某一最小電流IH （ IH稱為維持電流）,2020/9/12,電工電子技術(shù),（1）晶閘管具有單向?qū)щ娦浴?若使其關(guān)斷，必須降低 UAK 或加大回路電阻，把陽極電流減小到維持電流以下。,正向?qū)l件：A、K間加正向電壓，G、K間加正的觸發(fā)信號(hào)。,晶閘管的工作原理小結(jié),（2）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極便失去作用。,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.2 特性與參數(shù),1. 特性,IG=0時(shí),有IG時(shí),正向,反向,導(dǎo)通后管壓降約1V,額定正向平均電流,維持電流,2020/9/12,電工電子技術(shù),正向特性： 控制極開路時(shí)，隨UAK的加大，陽極電流逐漸增加。當(dāng)

4、U = UDSM（正向轉(zhuǎn)折電壓）時(shí)，晶閘管自動(dòng)導(dǎo)通。正常工作時(shí)， UAK應(yīng)小于 UDSM 。,反向特性：隨反向電壓的增加，反向漏電流稍有增加，當(dāng) U = URSM （反向擊穿電壓）時(shí)，反向擊穿。正常工作時(shí)，反向電壓必須小于URSM。,2020/9/12,電工電子技術(shù),(1) UDRM：正向阻斷電壓,晶閘管耐壓值。一般取 UDRM = 80% UDSM （正向轉(zhuǎn)折電壓）。 普通晶閘管UDRM 為 100V-3000V,2. 主要參數(shù),2020/9/12,電工電子技術(shù),控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)作用在晶閘管上的反向重復(fù)電壓。一般取URRM = 80% URSM（反向擊穿電壓）。普通晶閘管URRM為10

5、0V-3000V）,(2) URRM：反向峰值電壓,2020/9/12,電工電子技術(shù),(3) IF：額定正向平均電流：,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。,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.3 可控整流電路,1. 單相半波可控整流電路,(1) 電路及工作原理,2020/9/12,電工電子技術(shù),(2) 工作波形(設(shè)u1為正弦波),u2 0 時(shí)，加上觸發(fā)電壓 uG ，晶閘管導(dǎo)通 。且 uL 的大小隨 uG 加入的早晚而變化； u2 0 時(shí)，晶閘管不通，uL = 0 。故稱可控整流。,2020/9/1

6、2,電工電子技術(shù),(3) 輸出電壓及電流的平均值,2020/9/12,電工電子技術(shù),承受的最高反向電壓:,2020/9/12,電工電子技術(shù),電感性負(fù)載（如直流電動(dòng)機(jī)的激磁線圈）,電路及工作原理,由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一定時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?解決辦法：加續(xù)流二極管D,加入D的目的就是消除反電動(dòng)勢(shì)的影響，使晶閘管在u2過零時(shí)關(guān)斷,u2正半周時(shí)晶閘管導(dǎo)通，u2過零后，電感產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)。,2020/9/12,電工電子技術(shù),2. 單相全波可控整流電路,一、電阻性負(fù)載橋式可控整流電路,(1) 電路及工作原理,u2 0的導(dǎo)通路徑：,u2 (A),T1,RL,D2,u2 (B),T

7、1 、D2導(dǎo)通， T2 、D1截止,2020/9/12,電工電子技術(shù),T2,RL,D1,u2 (A),u2 (B),u2 0的導(dǎo)通路徑：,T2 、D1導(dǎo)通， T1 、D2截止,2020/9/12,電工電子技術(shù),(2) 工作波形,2020/9/12,電工電子技術(shù),(3) 輸出電壓及電流的平均值,2020/9/12,電工電子技術(shù),例：橋式可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求輸出電壓平均值Uo的調(diào)節(jié)范圍，以及可控硅（包括二極管）的電流平均值的最大值和承受的最大反向電壓。,UL,=191V， =15,=0V， =180,=191/3=64A,2020/9/12,電工電

8、子技術(shù),二、電感性負(fù)載橋式可控整流電路,該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負(fù)載上的電流、電壓和電阻性負(fù)載類似。,2020/9/12,電工電子技術(shù),兩種常用可控整流電路的特點(diǎn),電路 特點(diǎn),1. 該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。,2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。,2020/9/12,電工電子技術(shù),T1,T2,D1,D2,u2,uL,R,L,電路 特點(diǎn),1. 該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2 便起續(xù)流二極管作用。,2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。,電路二：,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.4 觸發(fā)電路,1. 單結(jié)晶體管工作原理,2020/9/

9、12,電工電子技術(shù),工作原理：,當(dāng)uE UP = UA+UF 時(shí),PN結(jié)反偏，iE很小；,當(dāng) uE UP 時(shí),PN結(jié)正向?qū)? iE迅速增加。, - 分壓比 (0.35 0.75),2020/9/12,電工電子技術(shù),2. 單結(jié)晶體管的特性和參數(shù),uEUV 時(shí)單結(jié)管截止,uEUP 時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通,2020/9/12,電工電子技術(shù),單結(jié)晶體管符號(hào),2020/9/12,電工電子技術(shù),3. 單結(jié)晶體管振蕩電路,振蕩波形,(1) 電路組成,2020/9/12,電工電子技術(shù),(a) uE = uC UP 時(shí)，單結(jié)管不導(dǎo)通，uo 0。,(2)振蕩過程分析,R1、R2是外加的，不同于內(nèi) 部的RB1、RB2。前者

10、一般取 幾十歐幾百歐； RB1+RB2 一般為215千歐。,此時(shí)R1上的電流很小，其值為：,2020/9/12,電工電子技術(shù),(b) 隨電容的 充電，uC逐漸升高。當(dāng) uC UP 時(shí)，單結(jié)管導(dǎo)通。然后電容放電，R1上便得到一個(gè)脈沖電壓。,R2起溫度補(bǔ)償作用,UP、UV- 峰點(diǎn)、谷點(diǎn)電壓,(c) 電容放電至 uc uv時(shí)， 單結(jié)管重新關(guān)斷，使 uo0。,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.5 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路,一、電路,觸發(fā)電路,主電路,2020/9/12,電工電子技術(shù),二、波形關(guān)系,整流穩(wěn)壓電路部分,2020/9/12,電工電子技術(shù),單結(jié)晶體管電路部分,2020/9/12,電工電子

11、技術(shù),可控硅橋式整流電路部分,2020/9/12,電工電子技術(shù),1. 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(gè)變壓器上？,問題討論,2020/9/12,電工電子技術(shù),2. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？,2020/9/12,電工電子技術(shù),3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？其移相范圍（即控制角 的變化范圍）有多大？,2020/9/12,電工電子技術(shù),4. 輸出電壓如何調(diào)節(jié)，其大小如何計(jì)算？,2020/9/12,電工電子技術(shù),1. 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(gè)變壓器上？,保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過零（即兩者同步），使電

12、容在每半個(gè)周期均從零開始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同（即 角一樣），以使輸出平均電壓不變。,2020/9/12,電工電子技術(shù),2. 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(gè)周期產(chǎn)生第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。,2020/9/12,電工電子技術(shù),3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？其移相范圍（即控制角 的變化范圍）有多大？,根據(jù)單結(jié)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(hào)，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此

13、，每半個(gè)周期中只有一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。,2020/9/12,電工電子技術(shù),觸發(fā)脈沖移相范圍的計(jì)算,f電源電壓的頻率,2020/9/12,電工電子技術(shù),4. 輸出電壓如何調(diào)節(jié)，其大小如何計(jì)算？,RP,電容充電速度變慢,電壓的調(diào)節(jié),電壓的計(jì)算,UL,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.6 晶閘管的其他應(yīng)用,撥盤式密碼鎖控制電路,撥盤,2020/9/12,電工電子技術(shù),工作原理,根據(jù)晶閘管的特性分析可知，開鎖時(shí)三個(gè)晶閘管的工作順序應(yīng)該是：T1T2T3。否則T3或T2將因陽極和陰極間加不上電壓而不導(dǎo)通，繼電器線圈不通電，鎖打不開。,1. 開鎖時(shí)晶閘管工作情況,UCC,T3,T2,T1,J,D1,D

14、2,T1導(dǎo)通時(shí)的路徑,T1導(dǎo)通時(shí)的路徑如圖中 虛線，此時(shí)發(fā)光管D2導(dǎo) 通，給出指示信號(hào)。,2020/9/12,電工電子技術(shù),2. 開鎖過程,根據(jù)開鎖時(shí)三只晶閘管導(dǎo)通順序的要求以及 圖中連線，可知開鎖過程如下：,撥盤撥至10,T2導(dǎo)通,按下S,T3導(dǎo)通,撥盤撥至2,按下S,撥盤撥至7,按下S,T1導(dǎo)通,2020/9/12,電工電子技術(shù),此密碼鎖的開鎖密碼是：,7-10-2,結(jié)論,改換密碼號(hào)的辦法：變更撥盤和晶閘管控制極的連線。,2020/9/12,電工電子技術(shù),防止長(zhǎng)期按下按鈕以撥動(dòng)撥盤而自動(dòng)開鎖的辦法：將撥盤中的某幾個(gè)點(diǎn)接地。使撥盤轉(zhuǎn)到該點(diǎn)時(shí)，按鈕按下后通過電阻（R）支路產(chǎn)生較大分流，使晶閘管中的電流降低到最小維持電流以下，迫使其關(guān)斷。從而防止瑣被打開。,2020/9/12,電工電子技術(shù),17.7 晶閘管的保護(hù)及其它類型,1. 晶閘管的保護(hù),晶閘管承受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。,晶閘管的主要缺點(diǎn)：過流、過壓能力很差。,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400