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半导体变流技术现在学习的是第1页，共33页大功率二极管大功率二极管功率晶体管功率晶体管可关断晶闸管可关断晶闸管双相晶闸管双相晶闸管单相晶闸管单相晶闸管电力半导体器件电力半导体器件 晶闸管（晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称简称SCR）是在）是在60年代发展起来的一种新型电力半年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。导体器件，晶闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。 优点优点 ： (1) 用很小的功率用很小的功率(电流约几十毫安一百多毫安，电压约电流约几十毫安一百多毫安，电压约24V)可以控制较大的功率可以控制较大的功率(电流自几十安几千安电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏，电压自几百伏几千伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍；，功率放大倍数可以达到几十万倍； (2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级； (3) 损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅仅1V左右左右)，总效率可达，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为，而一般机组效率仅为85%左右；左右； (4) 体积小、重量轻。体积小、重量轻。现在学习的是第2页，共33页缺点：缺点： (1) 过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量；选用时，其电压、电流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作；抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作； (3) 导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备；导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备； (4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。 在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。5.1 晶闸管晶闸管 晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。一、晶闸管的结构和符号一、晶闸管的结构和符号 晶闸管的外形和结构图分别如图所示晶闸管的外形和结构图分别如图所示 ：现在学习的是第3页，共33页其中：其中：A阳极，阳极，K阴极，阴极，G控制极。控制极。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结现在学习的是第4页，共33页二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理 实验电路如图（实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压）所示，主电路加上交流电压u2，控制极电路接入，控制极电路接入Eg，在，在t1 瞬间合上开关瞬间合上开关S，在，在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S，则，则u2、ug和电阻上和电阻上RL的电压的电压ud的波形关系如图（的波形关系如图（b）所示。）所示。 （1）在）在0t1之间之间: 开关开关S未未合上，合上，ug=0，尽管，尽管uAK0，但，但ud=0，即晶闸管未导通；，即晶闸管未导通； （2）在）在t1t2之间之间: uAK0 ，由，由于开关于开关S合上，使合上，使ug0，而，而 ， 即晶闸管导通；即晶闸管导通； （3）在）在 t2t3 之间，之间， uAK0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （4）在）在 t3t4 之间，之间， uAK0，这时，这时ug0 ,而而 ，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；2uud （5）当）当 t=t4 时，时， ug=0 ，但，但uAK0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态；2uud2uud （6）当）当 t=t5 时，时， uAK=0 ， ug=0 ，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。 现在学习的是第5页，共33页 综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；晶闸管具有正、反向阻断能力； （2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。 晶闸管的晶闸管的PN结可通过几十安结可通过几十安几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件，由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右，而电源电压几乎全部分配在负载左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。电阻上。现在学习的是第6页，共33页三、晶闸管的伏安特性三、晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。 现在学习的是第7页，共33页正向正向( uAK 0 ) 正向阻断状态正向阻断状态: 当当ug=0， uAK 0， uAK 0，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。管压降很小。反向反向( uAK 0 ) 反向截止状态反向截止状态: 当当 uAK URSM ，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。于截止状态。 反向击穿反向击穿：当：当 uAK =URSM ，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状 态。态。 URSM称为称为反反向不重复峰值电压向不重复峰值电压，或用，或用UBR表示称表示称反向击穿电压反向击穿电压。现在学习的是第8页，共33页四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数的平均为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。 1. 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压 。UDRM=UDSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：晶闸管的在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：晶闸管的UDRM 应等于所承受的正向电压的应等于所承受的正向电压的（23）倍。）倍。 2. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压 。URRM=URSM -100 3. 额定通态平均电流（额定电流）额定通态平均电流（额定电流）IT 在环境温度不大于在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流。 4. 维持电流维持电流 IH 在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一般为几mA一百多一百多mA 现在学习的是第9页，共33页5.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 整流将交流电变为直流电的过程；整流将交流电变为直流电的过程；整流电路将交流电变为直流电的电路；整流电路将交流电变为直流电的电路；整流整流单相单相 三相三相 不可控不可控可控可控 不可控不可控可控可控5.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 u2输入电压输入电压 ；ud输出电压输出电压 ； 控制角控制角 ；晶闸管元件承受晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。的作用点之间的电角度。 导通角导通角 ；是晶闸管在一周期是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。时间内导通的电角度。 对单相半波可控整流电路：对单相半波可控整流电路： 的的范范围围 00 一、带电阻性负载的可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路 现在学习的是第10页，共33页214502 cosRU.RUIdd 2145022122cosU.)t(tdsinUUdtsinUu 222 输入电压输入电压：负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22U二、带电感性负载的可控整流电路二、带电感性负载的可控整流电路 单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。的电压和电流。现在学习的是第11页，共33页三、续流二极管的作用三、续流二极管的作用 为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取负载两为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取负载两端并联一只二极管措施。端并联一只二极管措施。5.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。 (a) 单相桥式整流电路 (b)电阻性负载时的电压电流波形1. 电阻性负载电阻性负载 21902122 cosU.)t(tdsinUUd21902 cosRU.RUIdd负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：22UddVSII 2ddvII 22 晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值： 续流二极管的电流平均值：续流二极管的电流平均值：现在学习的是第12页，共33页 2. 电感性负载电感性负载 如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。 有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。断，不会出现失控现象。 流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流：dI 2 流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流： dI 现在学习的是第13页，共33页 为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。制角，即可改变其输出电压。 3.反电势负载反电势负载 当整流电路输出接有电势负载时当整流电路输出接有电势负载时,只有当只有当电源电源的瞬时值大于反电势电源电源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。有的反电势。 现在学习的是第14页，共33页 a. 负载两端的电压平均值比电阻性负载时高负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 b. 负载电流平均值比电阻性负载时低负载电流平均值比电阻性负载时低 REUIdd 因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用。另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动，如图所示。电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动，如图所示。 现在学习的是第15页，共33页现在学习的是第16页，共33页5.2.3 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。成全控桥。 现在学习的是第17页，共33页 例例5.1 欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压U0=0V180V,电流电流I0=010A。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件。 解解: 设在晶闸管导通角设在晶闸管导通角为为(控制角为控制角为0 )时输出电压值为最大（时输出电压值为最大（180V），）， 则对应的则对应的输入交流电压输入交流电压有效值有效值为最大。为最大。V.UU20090180900 实际上还要考虑实际上还要考虑电网电压波动电网电压波动、管压降管压降以及以及导通角导通角常常到不了常常到不了1800 ，交流电压要比上述计算而，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大得到的值适当加大10%左右，即大约为左右，即大约为220V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到到220V的交流电源上。的交流电源上。 交流电流有效值交流电流有效值 ：A.AVVRUIL21210180220 晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压晶闸管所承受的最大正向电压、最大反向电压和二极管所承受的最大反向电压相等，即：相等，即：VV.UUURMFM3102204112流过晶闸管和二极管的平均电流流过晶闸管和二极管的平均电流 ：AAIIIVVS5210210现在学习的是第18页，共33页5.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 5.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路图如图所示。三相半波可控整流电路图如图所示。 自然换相点：自然换相点：0 时时：当当01 .触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位差：触发脉冲的相位差：1200PPdU.)t(tdsinUU265621712321 设输入电压为：设输入电压为：tsinUuPA 22现在学习的是第19页，共33页 cosU.)t(tdsinUUP)()(Pd265621712321时时：当当602 .时时当当6563 .330117123210262 cosU.)t(tdsinUUP)(Pd现在学习的是第20页，共33页 可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为：PU22PPUU22632 当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:现在学习的是第21页，共33页控控共阴极组中阳极电位最高的共阴极组中阳极电位最高的晶闸管导通晶闸管导通;VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io Cba+共阳极组共阳极组共阴极组共阴极组现在学习的是第22页，共33页 在在 t1 t2 期间期间共阴极组中共阴极组中a点电位最高，点电位最高，VT1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中b点电位最低，点电位最低，VT4 导通。导通。负载电压负载电压uouaubuC2 t uoott1t2t3t4t5t6t7t8t9VT1RLVT6VT3VT5VT4VT2io Cba0 现在学习的是第23页，共33页 在在 t2 t3 期间期间共阴极组中共阴极组中a点电位最高，点电位最高，VT 1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中c点电位最低，点电位最低， VT6 导通。导通。RLuoio Cbau+ o负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压uouaubuC2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uotoVT1VT3VT5VT2VT4VT6现在学习的是第24页，共33页 在在 t3 t4 期间期间共阴极组中共阴极组中b点电位最高，点电位最高， VT 3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中c点电位最低，点电位最低， VT 6 导通。导通。负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压uouaubuC2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uotoRLio Cbau+ oVT1VT3VT5VT2VT4VT6现在学习的是第25页，共33页 在在 t4 t5 期间期间共阴极组中共阴极组中b点电位最高，点电位最高，VT3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中a点电位最低，点电位最低，VT2 导通。导通。负载电压负载电压变压器副边电压变压器副边电压uouaubuC2 t t1t2t3t4t5t6t7t8t9uotoRLio Cbau+ oVT1VT3VT5VT2VT4VT6现在学习的是第26页，共33页t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoto 在一个周期中，每个晶闸管只有在一个周期中，每个晶闸管只有三分之一的时间导通（导通角为三分之一的时间导通（导通角为120）。）。变压器副边电压变压器副边电压负载电压负载电压uouaubuC2 t RLio Cbau+ oVT1VT3VT5VT2VT4VT6uo现在学习的是第27页，共33页时的波形图时的波形图60 VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io Cba+现在学习的是第28页，共33页输出电压的均值输出电压的均值 1 1、时时600 cos35. 1cos23)(sin23/13/23/UUttdUUL 时时60 )3cos(123)(sin23/13/ UttdUUL2 2、注：此处的注：此处的U为线电压有效值为线电压有效值现在学习的是第29页，共33页5.4 晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路触发电路。 （1）单结晶体管触发电路）单结晶体管触发电路 （2）小容量晶闸管触发电路）小容量晶闸管触发电路 （3）晶体管触发电路）晶体管触发电路 5.4.1 晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 实质：晶闸管的可靠触发实质：晶闸管的可靠触发 （1）触发电路应能供给足够大的）触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该在，一般要求触发电压应该在4V以上，以上，10V以下，如图所示；以下，如图所示； （2）触发脉冲的宽度触发脉冲的宽度必须在必须在10微秒以上，如果负载是大微秒以上，如果负载是大电感，电流电感，电流 上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。 （3）不触发时，触发电路的输出电压应该小于）不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个时可在控制极上加上一个1V2V的负偏压；的负偏压；（4）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。 现在学习的是第30页，共33页（5）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路应该和主电路同步同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），前后移动（移相），移相的范围移相的范围要足够宽。要足够宽。 5.4.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 一、单结晶体管一、单结晶体管 单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。叫双基极二极管。 现在学习的是第31页，共33页1. 工作特性工作特性2. 工作特点工作特点 发射极电压大于发射极电压大于UP时，单结晶体时，单结晶体管导通；管导通； 导通后，发射极电压必须小于谷导通后，发射极电压必须小于谷点电压点电压 UV时，单结晶体管才截止。时，单结晶体管才截止。UP峰值电压峰值电压UV谷点电压谷点电压 二、单结晶体管的自振荡电路二、单结晶体管的自振荡电路 利用单结晶体管的负阻特性和利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特充放电特性，可组成自振荡电路，如图所示。性，可组成自振荡电路，如图所示。 现在学习的是第32页，共33页三、单结晶体管触发电路三、单结晶体管触发电路 E的大小对触发脉冲的影响：相位的大小对触发脉冲的影响：相位 周期周期 R、C的大小对触发脉冲的影响：宽度的大小对触发脉冲的影响：宽度 现在学习的是第33页，共33页