电力电子技术模块1基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试电力电子技术 教学课件教学课件.ppt

电力电子技术电力电子技术模块一模块一 基于晶闸管的调光灯电路的基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试制作与调试电力二极管任务二任务一电力电子器件的基本模型和分类整流电路任务四任务三晶闸管任务五单结晶体管触发电路演唱会上的舞台灯光很吸引人，这些灯光的控制是如何实现的？家用调光台灯的灯光温馨而柔和，调光台灯由哪些元件构成？如何实现调光？本课题将学习调光灯的电路原理。模块一模块一 基于晶闸管的调光灯电路的基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试制作与调试（1）知道晶闸管的导通条件、触发原理和使用方法。（2）会用万用表判断晶闸管的好坏。（3）能理解单结晶体管的性能、工作原理及使用方法。（4）能叙述单结晶体管触发电路的工作原理。（5）能阐述单相半波整流电路的工作原理及优缺点。（6）能理解触发电路与主电路电压同步的基本概念。模块一模块一 基于晶闸管的调光灯电路的基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试制作与调试观察日常生活中的调光灯会发现，其输入是交流220 V的电压，而输出通过旋动调光旋钮便可以调节灯泡的亮度。图1-1所示为调光灯的外形及其电路原理图，其中负载HL为灯泡。模块一模块一 基于晶闸管的调光灯电路的基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试制作与调试图1-1 调光灯的外形及其电路原理图这台调压器的输出功率达100 W，一般家用电器都能使用。调光灯是一种最简单的电力电子装置，调光灯电路由主电路、整流电路和控制电路三部分构成，常用的器件有普通晶闸管、双向晶闸管、单结晶体管、二极管、电阻、电容等，其中，二极管、电阻、电容等是前续课程已经介绍过的器件。下面主要认识电力二极管、晶闸管、单相半波可控整流电路、单结晶体管及触发电路等内容，为分析调光灯电路和其他电力电子电路打下基础。模块一模块一 基于晶闸管的调光灯电路的基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试制作与调试模块一模块一 基于晶闸管的调光灯电路的基于晶闸管的调光灯电路的制作与调试制作与调试想一想 如果将图1-1中的HL换成电熨斗、电热毯或电风扇，还可以实现连续调速吗？电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一 电力电子器件的基本概念和模型 一、基本概念基本概念1.电力电子电路中能实现电能转换或控制的开关器件称为电力电子器件，可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制。主电路指电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一基本模型基本模型2.在对电能的变换和控制过程中，电力电子器件可以抽象成图1-2所示的理想开关模型，它有三个电极，其中A和B代表开关的两个主电极，K是控制开关通断的控制极。它只有“通态”和“断态”两种工作情况，在通态时其电阻为零，在断态时其电阻为无穷大。图1-2 电力电子器件的理想开关模型电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一电力电子器件一般都工作在开关状态，其开关状态由外电路（驱动电路）来控制。电力电子器件处理电功率的能力一般远远大于处理信息的电子器件；在工作中，电力电子器件自身的功率损耗，如通态损耗、断态损耗、开关损耗（开关损耗包括开通损耗和关断损耗）也远远大于信息电子器件。当开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。为保证不致因损耗散发的热量导致器件温度过高而损坏，在其工作时一般都要安装散热器。电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一 电力电子器件的分类 二二、按器件的开关控制特性分按器件的开关控制特性分1.按器件的开关控制特性，电力电子器件可分为以下三类。（1）不可控器件。不可控器件本身没有导通、关断控制功能，因此也就不需要驱动电路。如半导体功率二极管或半导体整流器。（2）半控型器件。通过控制信号只能控制其导通，不能控制其关断的电力电子器件称为半控型器件。如晶闸管（thyristor）及其大部分派生器件等。电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一（3）全控型器件。通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断的器件，称为全控型器件或自关断器件。如门极可关断晶闸管（gate turnoff thyristor）、功率场效应管（power MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（insulatedgate bipolar transistor）等。电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一按驱动电路信号的性质分按驱动电路信号的性质分2.按驱动电路信号的性质，电力电子器件可分为以下两类。（1）电流控制型器件。通过从控制端注入或抽出电流实现导通或关断的控制，即采用电流信号来实现导通或关断控制的电力电子器件称为电流控制型器件。如晶闸管、门极可关断晶闸管、功率晶体管、IGCT等。电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一（2）电压控制型器件。仅通过在控制端和公共端之间增加一定的电压信号就可以实现导通或关断的控制，即采用电压控制（场控原理控制）其通、断的电力电子器件称为电压控制型器件。其输入控制端基本不流过控制电流信号，用小功率信号就可驱动其工作。如MOSFET和IGBT等。电力电子器件的基本模型和分类电力电子器件的基本模型和分类任务一电力二极管电力二极管任务二电力二极管（power diode）也称为半导体整流器（semiconductor rectifier，SR），属不可控电力电子器件，它是在PN结上加接触电极、引线和管壳封装制成的。其结构原理简单，工作可靠，是20世纪最早获得应用的电力电子器件，在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流等场合发挥着积极的作用，具有不可替代的地位。从外形上看，电力二极管主要有螺栓型和平板型两种，现在也有做成模块式结构的。图1-3所示为电力二极管及模块。电力二极管电力二极管任务二图1-3 电力二极管及模块 电力二极管电力二极管任务二 电力二极管的工作原理 一、电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，即以半导体PN结为基础。N型半导体和P型半导体结合后构成PN结，如图1-4所示。图1-4 电力二极管的内部结构电力二极管电力二极管任务二常用概念常用概念1.（1）内电场。空间电荷建立的电场称为内电场，也称自建电场。内电场一方面阻止扩散运动，另一方面又吸引对方区内的少子（对本区而言则为多子）向本区运动，即漂移运动。（2）空间电荷。P型半导体和N型半导体交界处电子和空穴的浓度差别，造成了各区的多子向另一区的扩散运动，到对方区内成为少子，在界面两侧分别留下了带正、负电荷但不能任意移动的杂质离子。这些不能任意移动的正、负电荷称为空间电荷。电力二极管电力二极管任务二（3）空间电荷区。扩散运动和漂移运动最终达到动态平衡，正、负空间电荷量达到稳定值，形成了一个稳定的由空间电荷构成的范围，称为空间电荷区，按所强调的角度不同也被称为耗尽层、阻挡层或势垒区。电力二极管电力二极管任务二PNPN结的特性结的特性2.（1）正向特性。给PN结加正向电压，即P区接正电源，N区接负电源，如图1-4所示，此时称PN结为正向偏置。电导调制效应使得PN结在正向电流较大时压降仍然很低，维持在1 V左右，所以正向偏置的PN结表现为低阻态。（2）反向截止特性。PN结加反向电压，即P区接负电源，N区接正电源，此时称PN结为反向偏置。因为少子的数目极少，即使所有的少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，即少子引起的是微小而数值恒定的反向漏电流。PN结表现为反向截止状态。电力二极管电力二极管任务二综上所述，PN结具有单向导电性。利用PN结的单向导电性，二极管可以做开关元件。二极管在正向电压作用下其电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下其电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。二极管也可以对电流起保护作用，当二极管两端的反向电压增大到某一数值时，反向电流会急剧增大，二极管将失去单向导电特性，这时候二极管就击穿了，从而起到保护作用。电力二极管电力二极管任务二电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3.（1）普通二极管。普通二极管又称整流管（rectifier diode），它多用于开关频率在1 kHz以下的整流电路中，其反向恢复时间在5 s以上，额定电流达数千安，额定电压达数千伏以上。电力二极管电力二极管任务二（2）快恢复二极管。反向恢复时间在5 s以下的电力二极管称为快恢复二极管（fast recovery diode，FRD）。快恢复二极管从性能上可分为快速恢复二极管和超快速恢复二极管。前者的反向恢复时间为数百纳秒以上，后者则在100 ns以下。快恢复二极管容量可达1 200 V/200 A的水平，多用于高频整流和逆变电路中。（3）肖特基二极管。肖特基二极管是一种金属同半导体相接触形成整流特性的单极型器件，其导通压降的典型值为0.40.6 V，而且其反向恢复时间短（仅为几十纳秒），但反向耐压在200 以下。它常被用于高频低压开关电路或高频低压整流电路中。电力二极管电力二极管任务二典型应用典型应用4.生活中使用电力二极管的电器有很多，如使用高压二极管的微波炉、使用二极管整流的充电器、使用多种二极管的电视机、使用二极管检波的半导体收音机，以及计算机、音响、电磁炉、（电子控制的）电冰箱、（计算机控制的）洗衣机、固定电话、DVD 播放器等。二极管的作用主要有整流、检波、鉴频和箝位等。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗造成的发热效应也不小，使用时必须配备良好的散热器，以使器件的温度不超过规定值，确保安全运行。电力二极管电力二极管任务二 电力二极管的静态特性 二、电力二极管的静态特性主要是指其伏安特性，如图1-5所示。图1-5 电力二极管的伏安特性电力二极管电力二极管任务二正向特性正向特性1.当电力二极管承受的正向电压大到一定值（门槛电压Uj）时，正向电流才开始明显增加，并且电流随着外加正向电压的增大而迅速增加，电力二极管正向导通，呈现低阻态，此时管子两端的正向电压（称为管压降）仅为1 V左右。如图1-5所示，硅管和锗管的门槛电压不同（锗管为0.1 V左右，硅管为0.5 V左右）。电力二极管电力二极管任务二反向特性反向特性2.当电力二极管承受反向电压时，PN结呈现高电阻状态，器件反向截止，只有极小的反向漏电流流过PN结。当反向电压增大到超过某一临界电压值（这个临界电压值称为反向击穿电压UB）时，反向电流急剧增大，电力二极管反向击穿，PN结内产生雪崩击穿，可导致二极管损坏。电力二极管规定的额定电压略低于反向击穿电压。当然，它必须在额定电压以下工作，才能保证使用安全。电力二极管电力二极管任务二 电力二极管的主要参数 三、额定正向平均电流额定正向平均电流1.额定正向平均电流是指在指定的管壳温度（简称壳温）TC和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值，用IF(AV)表示。可以看出，额定正向平均电流是按照电流的发热效应来定义的，因此，在实际应用时应按照工作中实际波形的电流与正向平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取电力二极管的额定电流，并应留有1.52倍的裕量。电力二极管电力二极管任务二然而，通常流过的电流波形形状和电流导通角并不是一定的，各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值（一个周期内波形面积的平均值），也都有一个电流的有效值（方均根值）。现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流波形的波形系数，用Kf表示。电力二极管电力二极管任务二应该注意的是，当用在频率较高的场合时，电力二极管的发热原因除了正向电流造成的通态损耗外，其开关损耗往往也不能忽视。当采用反向漏电流较大的电力二极管时，其断态损耗所造成的发热效应也不小。在选择电力二极管正向电流定额时这些都应加以考虑。电力二极管电力二极管任务二反向重复峰值电压反向重复峰值电压2.反向重复峰值电压是指器件能重复施加的反向最高峰值电压（额定电压），用RRM表示，此电压通常为击穿电压U的2/3。电力二极管电力二极管任务二正向压降正向压降3.正向压降是指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降（又称管压降），用F表示。电力二极管电力二极管任务二反向漏电流反向漏电流4.反向漏电流是指器件对应于反向重复峰值电压时的反向电流，用IRR表示。电力二极管电力二极管任务二最高工作结温最高工作结温5.结温是指管芯PN结的平均温度，用Tj表示。最高结温是指PN结不至于损坏的前提下所能承受的最高平均温度，用TjM表示。TjM通常为125175。晶闸管晶闸管任务三晶闸管（silicon controlled rectifier，SCR）是晶体闸流管的简称，又可称可控硅整流管，俗称可控硅。晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。普通晶闸管电流容量大，耐压高（目前生产水平为 4 500 A/8 000 V），已经被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电路中，成为特大功率低频（200 Hz以下）装置中的主要器件。晶闸管也有许多派生器件，如快速晶闸管（FST）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、光控晶闸管（LTT）等。由于普通晶闸管面世早，应用极为广泛，因此在无特别说明的情况下，本书说的晶闸管都为普通晶闸管。晶闸管晶闸管任务三 晶闸管的结构和分类 一、晶闸管的结构晶闸管的结构1.晶闸管的内部是PNPN四层半导体结构，具有J1、J2、J3三个PN结，对外引出三个电极，即阳极（A）、阴极（K）和门极（控制极，G），如图1-6所示。晶闸管在电路中的文字符号为V、VT（旧标准中用字母SCR表示），图1-6（b）所示为晶闸管的图形符号。图1-6 晶闸管的内部结构、等效电路及图形符号晶闸管晶闸管任务三晶闸管的分类晶闸管的分类2.（1）按外形分类。晶闸管按照外形不同分为塑封式、平板式、螺栓式及晶闸管模块等，如图1-7所示。常用的是平板式和螺栓式。螺栓式晶闸管的螺栓是阳极，做成螺栓状的目的是能与散热器紧密相连。图1-7 晶闸管的外形晶闸管晶闸管任务三（2）按关断、导通及控制方式分类。晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管（SCR）、双向晶闸管（TRIAC）、逆导晶闸管（RCT）、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管（TT国外，TTS国内）和光控晶闸管（LTT）等多种。（3）按引脚和极性分类。晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。（4）按封装形式分类。晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。晶闸管晶闸管任务三（5）按电流容量分类。晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管采用陶瓷封装，而中、小功率晶闸管则采用塑封或金属封装。（6）按关断速度分类。晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管，快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管，可分别应用于400 Hz和10 kHz以上的斩波或逆变电路中（备注：高频不能等同于快速晶闸管）。晶闸管晶闸管任务三晶闸管的识别晶闸管的识别 3.晶闸管晶闸管任务三晶闸管的散热器晶闸管的散热器 4.晶闸管是大功率器件，在工作时会因损耗产生大量的热，因此必须安装散热器。晶闸管的散热器如图1-8所示，可分为自冷式、风冷式、水冷式等。平板式晶闸管由两个彼此绝缘的散热器紧夹在中间，散热方式为风冷或水冷，以获得较好的散热效果。图1-8 晶闸管的散热器晶闸管晶闸管任务三想 一 想螺栓式与平板式晶闸管拧紧在散热器上，是否拧得越紧越好？晶闸管晶闸管任务三 晶闸管的导通与关断 二、晶闸管的加电方式晶闸管的加电方式1.晶闸管共有三个电极，分别是阳极A、阴极K和门极（控制极）G。如图1-9所示，把加在晶闸管阳极和阴极之间的电压称为阳极电压，用A表示，有正向阳极电压和反向阳极电压两种情况。图1-9 晶闸管的加电方式晶闸管晶闸管任务三正向阳极电压也称为阳极正偏电压，反向阳极电压也称为阳极反偏电压。把加在晶闸管门极和阴极之间的电压称门极电压，用EG表示，有正向门极电压和反向门极电压两种情况。加正向门极电压后晶闸管的状态称为门极正偏，加反向门极电压后晶闸管的状态称为门极反偏。晶闸管晶闸管任务三实验原理实验原理2.那么晶闸管的导通与关断条件是什么？下面通过晶闸管导通与关断测试进行探寻。为了说明晶闸管的工作原理，先做一个实验，实验原理图如图1-10所示。图1-10 实验原理图 晶闸管晶闸管任务三阳极电源通常用EA表示（取12 V），连接负载（白炽灯）接到晶闸管的阳极A与阴极K，组成晶闸管的主电路。流过晶闸管阳极的电流称阳极电流IA。门极电源通常用EG表示（取5 V），连接晶闸管的门极G与阴极K，组成控制电路，亦称触发电路。流过门极的电流称门极电流IG，电位器起了限流作用，以防止晶闸管导通时流过的电流过大。用灯泡来观察晶闸管的通断情况。晶闸管导通时灯泡发亮，晶闸管不导通时灯泡不亮。晶闸管晶闸管任务三由于阳极电压可分为加正向阳极电压和反向阳极电压两种情况，门极电压可分为加正向门极电压、反向门极电压和不加门极电压三种情况，使得晶闸管导通实验测试有6种情况，如表1-3所示。测试时给晶闸管串联一个灯泡，通过观察实验前后灯泡的亮灭来判断晶闸管的导通情况，并填写表1-3。晶闸管晶闸管任务三1 1）晶闸管阳极加反向电压测试晶闸管阳极加反向电压测试依次给晶闸管门极不加电压、加反向电压、加正向电压，有如下三个测试步骤，如图1-11所示。图1-11 晶闸管阳极加反向电压测试 晶闸管导通实验晶闸管导通实验 3.晶闸管晶闸管任务三（1）按图1-11（a）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。（2）按图1-11（b）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。（3）按图1-11（c）接线，阳极和阴极之间加反向电压，门极和阴极之间加正向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。晶闸管晶闸管任务三通过观察实验前后灯泡的亮灭来判断晶闸管的导通情况，并填写表1-4。晶闸管晶闸管任务三2 2）晶闸管阳极加正向电压测试晶闸管阳极加正向电压测试 依次给晶闸管门极不加电压、加反向电压、加正向电压，有如下三个测试步骤，如图1-12所示。图1-12 晶闸管阳极加正向电压测试晶闸管晶闸管任务三（1）按图1-12（a）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间不加电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。（2）按图1-12（b）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间加反向电压，指示灯不亮，晶闸管不导通。（3）按图1-12（c）接线，阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间也加正向电压，指示灯亮，晶闸管导通。晶闸管晶闸管任务三通过观察实验前后灯泡的亮灭来判断晶闸管的导通情况，并填写表1-5。晶闸管晶闸管任务三晶闸管导通实验现象及结论如表1-6所示。晶闸管晶闸管任务三晶闸管关断测试晶闸管关断测试4.晶闸管关断测试电路图如图3-13（a）所示，测试按照如下三个步骤完成，如图1-13（b）、（c）、（d）所示。图1-13 晶闸管关断实验晶闸管晶闸管任务三（1）按图1-13（b）接线，去掉触发电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。（2）按图1-13（c）接线，门极和阴极之间加反向电压，指示灯亮，晶闸管仍导通。（3）按图1-13（d）接线，去掉触发电压，将电位器阻值加大，晶闸管阳极电流减小，当电流减小到一定值时，指示灯熄灭，晶闸管关断。晶闸管晶闸管任务三通过观察实验前后灯泡的亮灭来判断晶闸管的导通情况，并填写表1-7。晶闸管晶闸管任务三晶闸管导通与关断实验小结晶闸管导通与关断实验小结5.晶闸管导通和关断（截止）条件结论如表1-8所示。晶闸管晶闸管任务三晶闸管是一种能够通过控制信号控制其导通，但不能控制其关断的半控型器件。由于其导通时刻可控，满足了调压要求。晶闸管具有体积大，效率高，动作迅速，操作方便等特点，因而在生产实际中获得了广泛的应用。晶闸管晶闸管任务三 晶闸管的触发原理与特点 三、晶闸管的触发原理晶闸管的触发原理1.触发就是当晶闸管加正向阳极电压后，门极加适当的正向门极电压，使晶闸管导通的过程。晶闸管的触发原理可以用双向晶体管模型来解释，如图1-14（a）所示。在器件上取一斜面，则晶闸管可以看作是由V1和V2两个三极管组合而成的，V1是PNP型管，V2是NPN型管。即晶闸管的P1N1P2N2结构又可以等效为PNP和NPN两个互补连接的晶体管。图1-14（b）所示为晶闸管工作原理的等效电路。晶闸管晶闸管任务三图1-14 晶闸管的结构与工作原理的等效电路晶闸管晶闸管任务三晶闸管加正向阳极电压EA，此时开关S闭合，门极也加上足够的门极电压EG，则有门极电流IG从门极流入V2（N1P2N2）的基极，也就是注入了驱动电流。IG经V2放大后形成集电极电流IC2，而IC2又是V1（P1N1P2）的基极电流，再经V1，进一步放大了IC1，IC1又是V2的基极电流，IC1又流入V2的基极。如此循环，产生强烈的正反馈，最后V1、V2两个晶体管快速饱和，从而使晶闸管由阻断迅速地变为导通。导通后晶闸管两端的压降一般为1.5 V左右，此过程称为门极触发。晶闸管晶闸管任务三对晶闸管的驱动过程中，产生注入门极的触发电流IG的电路称为门极触发电路，而流过晶闸管的电流取决于外加电源电压和主回路的阻抗。正反馈的过程如下。IGIB2IC2=2IB2IB1IC1=1IB1IB2(正反馈)晶闸管一旦导通，即使此时撤掉外电路注入门极的电流，即IG=0，晶闸管由于内部已经形成了强烈的正反馈，仍然维持导通状态。要使晶闸管关断，只有降低阳极电压到零或对晶闸管施加反向阳极电压，使得流过晶闸管的阳极电流小于维持电流，晶闸管方可恢复到阻断状态。晶闸管晶闸管任务三晶闸管的特点晶闸管的特点2.（1）晶闸管的优点。用很小的功率（电流为几十毫安一百多毫安，电压为24 V）可以控制较大的功率（电流为几十安几千安，电压为几百伏几千伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍。体积小，重量轻，控制灵敏，反应快。晶闸管的导通和截止时间都在微秒级。损耗小，效率高。晶闸管本身的压降很小（仅1 V左右），总效率可达97.5%。晶闸管晶闸管任务三（2）晶闸管的缺点。过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损坏。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、电流应适当留有裕量。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，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。控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。基于以上优缺点，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。晶闸管晶闸管任务三 晶闸管的伏安特性 四、晶闸管的阳极、阴极间电压和阳极电流之间的关系，称为阳极伏安特性。其伏安特性曲线如图1-15所示。伏安特性包括正向特性和反向特性两部分，第一象限是正向特性，第三象限是反向特性。其中，UDRM、URRM分别为正向、反向断态重复峰值电压；UDSM、URSM分别为正向、反向断态不重复峰值电压；UBO为正向转折电压；URO为反向击穿电压。晶闸管晶闸管任务三图1-15 晶闸管的阳极伏安特性曲线晶闸管晶闸管任务三晶闸管的正向伏安特性晶闸管的正向伏安特性1.晶闸管的正向伏安特性如图1-15中第一象限所示。正向特性又包括正向阻断状态和导通状态。当门极电流为零（IG=0）时，如果在晶闸管两端所加正向电压UA未增加到正向转折电压UBO，此时晶闸管上只有很小的正向漏电流，晶闸管都处于正向阻断状态。在正向阻断状态，晶闸管的伏安特性曲线是一组随着门极电流增大而不正向电压同的曲线组，其中随着门极电流越大，正向转折电压UBO越来越小。晶闸管晶闸管任务三当正向电压UA增加到正向转折电压UBO时，漏电流急剧增大，晶闸管由正向阻断突变为正向导通状态。这种在门极电流为零的情况下依靠增加阳极电压UA而强迫晶闸管导通的方式称为“硬开通”。多次“硬开通”会损坏管子，晶闸管通常不允许这样工作。一般是对晶闸管的门极加足够大的触发电流使其导通，门极触发电流越大，正向转折电压越低，加上正向阳极电压，管子就导通了。晶闸管晶闸管任务三晶闸管的反向伏安特性晶闸管的反向伏安特性2.晶闸管的反向伏安特性如图中第三象限所示，它与整流二极管的反向伏安特性相似。当晶闸管承受反向电压时，它总处于阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压后，造成晶闸管反向击穿而损坏。外电路若无限制措施，则反向漏电流急剧增加，导致晶闸管发热损坏。晶闸管晶闸管任务三综上所述，晶闸管就像一个可以由门极电流控制其开通，不能控制其关断的单向的无触点开关。当然这个单向的无触点开关不是理想的，在正向阻断和反向阻断时，晶闸管的电阻不是无穷大；在正向导通时，晶闸管的电阻也不为零，还有一定的管压降。晶闸管晶闸管任务三 晶闸管的主要参数 五、普通晶闸管在反向稳态下，一定是处于阻断状态。而与电力二极管不同的是，晶闸管在正向工作时不但可能处于导通状态，也可能处于阻断状态。因此，在提到晶闸管的参数时，断态和通态都是为了区分正向的不同状态，因而“正向”二字可省去。此外，各项主要参数的给出往往是与晶闸管的结温相联系的，在实际应用时都应注意参考器件参数和特性曲线的具体情况而定。晶闸管晶闸管任务三一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。在使用过程中，往往要根据实际的工作条件进行管子的合理选择，以达到满意的技术和经济效果。怎样才能正确选择管子呢？这主要包括两个方面的内容：一方面要根据实际情况确定所需晶闸管的额定值；另一方面根据额定值确定晶闸管的型号。晶闸管的各项额定参数在晶闸管生产后，由厂家经过严格测试而确定，作为使用者来说，只需要正确地选择管子即可。表1-9列出了晶闸管的一些主要参数。晶闸管晶闸管任务三晶闸管的电压定额晶闸管的电压定额1.（1）正向（断态）重复峰值电压。在图1-15的晶闸管的阳极伏安特性中，我们规定，当门极断开，晶闸管处在额定结温时，允许重复加在管子上的正向峰值电压称为晶闸管的正向（断态）重复峰值电压，用UDRM表示。国标规定重复频率为50 Hz，每次持续时间不超过10 ms。晶闸管的正向（断态）不重复峰值电压（即断态最大瞬时值）为 UDSM=UBO裕量 晶闸管晶闸管任务三晶闸管的正向（断态）重复峰值电压 UDRM=（UBO裕量）90%=UDSM90%晶闸管的正向（断态）不重复峰值电压应该低于正向转折电压UBO，而断态不重复峰值电压UDSM与正向转折电压UBO的差值裕量，则由生产厂家自定。这里需要说明的是，晶闸管正向工作时有两种工作状态：阻断状态（简称断态）和导通状态（简称通态）。晶闸管晶闸管任务三*：元件出厂上限值由各厂根据合格的产品试验自定。晶闸管晶闸管任务三（2）反向重复峰值电压。相似地，规定当门极断开，晶闸管处在额定结温时，允许重复加在管子上的反向峰值电压为反向重复峰值电压，用URRM表示。晶闸管的反向（断态）不重复峰值电压（即反向最大瞬时值）为 URSM=URO裕量 晶闸管的反向（断态）重复峰值电压为 URRM=（URO裕量）90%=URSM90%晶闸管晶闸管任务三晶闸管的反向（断态）不重复峰值电压应低于反向击穿电压URO，反向不重复峰值电压URSM与反向转折电压URO的差值即裕量，则由生产厂家自定。一般晶闸管若承受反向电压，它一定是阻断的，因此参数中的“断态”两字可省去。晶闸管晶闸管任务三（3）额定电压UTn。额定电压也称为通态电压，它是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态电流时的瞬态峰值电压。通常将正向重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的一个数值取整后作为该晶闸管的额定值。选用时，额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的23倍。如某只晶闸管实测UDRM812 V，URRM756 V，将两者较小的756 V按表1-10取整得700 V，该晶闸管的额定电压为700 V。晶闸管晶闸管任务三在晶闸管的铭牌上，额定电压是以电压等级的形式给出的，通常标准电压等级规定为：电压在1 000 V以下，每100 V为一级；电压为1 0003 000 V，每200 V为一级。用百位数或千位和百位数表示级数。晶闸管标准电压等级见表1-10。晶闸管晶闸管任务三在使用过程中，环境温度的变化、散热条件及出现的各种过电压都会对晶闸管产生影响，因此在选择管子的时候，应当使晶闸管的额定电压是实际工作时可能承受的最大电压UTM的23倍，即 UTn(23)UTM晶闸管晶闸管任务三（4）通态平均电压UT（AV）。在规定环境温度、标准散热条件下，元件通以额定电流时，阳极和阴极间电压降的平均值，称为通态平均电压（一般称管压降）。管压降越小，表明元件耗散功率越小，管子的质量越好。晶闸管通态平均电压分组级别见表1-11，用大写字母AI来表示0.41.2 V九个等级。从减小损耗和元件发热来看，应选择UT（AV）较小的管子。实际上，当晶闸管流过较大的恒定直流电流时，其通态平均电压比元件出厂时定义的值（见表1-11）要大，约为1.5 V。晶闸管晶闸管任务三晶闸管晶闸管任务三晶闸管的电流定额晶闸管的电流定额2.（1）通态平均电流IT（AV）。国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为40 和规定的冷却条件下，稳定结温不超过额定结温时所允许通过的最大工频正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。同电力二极管的正向平均电流一样，这个参数是按照正向电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此，在使用时同样应像电力二极管那样，按照实际波形的电流与晶闸管所允许的最大正弦半波电流（其平均值即通态平均电流IT（AV）所造成的发热效应相等（即有效值相等）的原则来选取晶闸管的此项电流定额，并应留有一定的裕量。一般取其通态平均电流为按此原则所得计算结果的1.52倍。晶闸管晶闸管任务三晶闸管的额定电流是以通态平均电流来标定的，而发热效应由流过电流的有效值决定，为此可以根据管子的额定电流IT（AV）换算出额定有效电流IT，在实际使用时不论流过管子的电流波形如何，导通角多大，只要其最大电流有效值ITm10Rd即可），对于不同的控制角，导通角将接近22，这时负载上得到的电压波形正负面积接近相等，平均电压Ud0。可见，不管如何调节控制角，Ud值总是很小，电流平均值Id也很小，没有实用价值。实际的单相半波可控整流电路在带有阻感性负载时，都在负载两端并联有续流二极管。整流电路整流电路任务四（2）阻感性负载接续流二极管。为了使电源电压过零变负时能及时地关断晶闸管，使ud波形不出现负值，又能给电感线圈L提供续流的旁路，可以在整流输出端并联续流二极管，如图1-30所示。图1-30 大电感负载接续流管的单相半波整流电路及电流电压波形 整流电路整流电路任务四图1-30所示为阻感性负载接续流二极管、某一控制角时输出电压、电流的理论波形。从波形图上可以得出以下结论。整流电路整流电路任务四在电源电压正半周（0区间），晶闸管承受正向电压，触发脉冲在时刻触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流。在此期间，续流二极管VD承受反向电压而关断。在电源电压负半周（2区间），电感的感应电压使续流二极管VD承受正向电压导通续流，此时电源电压u20，u2通过续流二极管使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压仅为续流二极管的管压降。如果电感足够大，续流二极管一直导通到下一周期晶闸管导通，使电流id连续，且id波形近似为一条直线。整流电路整流电路任务四通过分析可知，与没有续流二极管的情况相比，在电源电压u2正半周，由于二极管承受反向电压而关断，电路的工作情况同不接续流二极管是一样的，负载电流id由晶闸管提供。当u2过零变负后，引起了id减小的趋势，使得电感上感应出上负下正的感应电压，则二极管导通，使负载电流id不经过晶闸管而由二极管继续流通，故称为续流二极管。二极管之所以续流，是因为电感存储的磁场能量保证电流id能在LRdVD回路中流通，即“续流”；而二极管导通后其管压降近似为零，使负极性电源电压通过二极管全部施加在晶闸管的阳极和阴极之间，晶闸管承受反向阳极电压而关断，同时使得输出电压ud为零。整流电路整流电路任务四阻感性负载加续流二极管后，输出电压波形不再出现负的部分，使得输出电压波形与电阻性负载输出电压波形相同，但电流id的波形是不一样的。在晶闸管关断期间，二极管可持续导通，使电流id连续。如果电感无穷大，负载电流波形连续且近似为一条直线，流过晶闸管和续流二极管的电流波形是矩形波。可见，续流二极管的作用是提高输出电压。整流电路整流电路任务四（3）基本计算。输出电压平均值Ud与输出电流平均值Id。整流电路整流电路任务四晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压。晶闸管和续流二极管承受的最大正反向电压均为电源电压的峰值，即 单相半波可控整流电路的优点是线路简单，调整方便。缺点是输出电压脉动大，负载电流脉动大；整流变压器次级绕组中存在直流电流分量，使铁心磁化，变压器容量不能充分利用，若不用变压器，则交流回路有直流电流，使电网波形畸变而引起额外损耗。因此，单相半波可控整流电路只适于小容量、波形要求不高的场合。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路任务五前面已知要使晶闸管导通，除了加上正向阳极电压外，还必须在门极和阴极之间加上适当的正向触发电压与电流。为门极提供触发电压与电流的电路称为触发电路，又称门极控制电路。由于晶闸管导通后，门极即失去控制作用，为了减少门极损耗与确保触发时刻的准确性，门极电压、电流大都采用脉冲的形式。触发电路是晶闸管装置中的重要部分，正确设计与选择触发电路可以充分发挥晶闸管装置的潜力，是保证装置正常运行的关键。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路任务五 触发电路的基本要求 一、触发信号要有足够的功率触发信号要有足够的功率1.晶闸管是电流控制型器件，必须在门极上注入足够的电流才能使其导通。由于晶闸管门极伏安特性的分散性，以及触发电压、电流随温度变化的特性，为使各管子在各种条件下均能可靠触发，触发电路提供的触发电压与电流要大于产品参数提供的门极触发电压与触发电流值，但不能超过规定的门极最大允许峰值电压与峰值电流。由于触发信号是脉冲的形式，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值短时间内可以超过铭牌规定值。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路任务五对触发信号波形的要求对触发信号波形的要求2.脉冲应有一定的宽度，以保证在触发期间阳极电流能达到擎住电流而维持导通，否则触发脉冲一旦消失，管子就关断了。不同容量的晶闸管和不同的负载性质，所需要触发脉冲的宽度也不同。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路任务五为了减小触发功率并保证可靠触发，目前使用由许多窄脉冲高频调制组成的脉冲列来触发。触发脉冲的前沿要尽可能陡，一般要小于10 s，以保证控制晶闸管导通的精度。为了快速而可靠地触发大功率晶闸管，常在脉冲的前沿叠加一个强触发脉冲，如图1-31所示。图1-31 常见触发信号的电压波形单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路任务五触发脉冲的同步及移相范围触发脉冲的同步及移相范围3.为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角触发导通，触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压即电源电压同步，并与电源电压波形保持固定的相位关系；还应保证脉冲能在相应的范围内进行移相。触发脉冲的移相范围与主电路形式、负载性质及变流装置的用途有关。例如，三相半波整流电路可达到的整流范围是：电阻负载时为0150，大电感负载电流连续工作在整流时为090；三相全控桥整流电路，电阻负载时的移相范围为0120；若工作于既整流又逆变的状态，移相范围为0180。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路任务五防止干扰与误导通防止干扰与误导通4.晶闸管的误导通往往是由干扰信号进入门极电路引起的，因此需要对触发电路采取屏蔽、隔离等抗干扰措施。单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路