1、第 5 章现代电力电子电路第第5章章 晶闸管电路晶闸管电路第第 1 节节功率电子器件功率电子器件第第 2 节节可控桥式整流电路可控桥式整流电路第第 3 节节晶闸管触发电路晶闸管触发电路第第 4 节节调压、变频、逆变和斩波技术调压、变频、逆变和斩波技术第第 5 节节功率电子器件的保护电路功率电子器件的保护电路第第 6 节节晶闸管交流开关电路实例晶闸管交流开关电路实例第5章 重点 晶闸管工作原理 单相可控整流电路别名：别名：可控硅（可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于是一种大功率半导体器件，出现于70年代。年代。它的出现使半导体
2、器件由弱电领域扩展到强电它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域领域 。体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容容量大（正向平均电流达千安、正向耐压量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。达数千伏）。特点特点第第1节节 功率电子器件功率电子器件应用领域：应用领域：逆变逆变 整流整流（交流（交流直流）直流）斩波斩波（直流（直流交流）交流）变频变频（交流（交流交流）交流）（直流（直流直流）直流）此外还可作无触点开关等此外还可作无触点开关等一、基本结构一、基本结构A（阳极）（阳极）P1P2N1三三 个个 PN结结N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G
3、（控制极）（控制极）第节第节 晶闸管晶闸管符号符号AKGPPNNNPAGK二、工作原理二、工作原理结构示意图结构示意图GKP1P2N1N2AAAPPNNNPGK工作原理分析工作原理分析IGIGIGKAGV1V2GKP1P2N1N2AA1、UGK=0时，时，UAK0或或UAK0且且UAK0时时（正向电压）（正向电压），V1导通导通V2导通导通V1进进一步导通，形成正反一步导通，形成正反馈馈晶闸管迅速导通晶闸管迅速导通。IB1=IGIC1=IG=IB2IC2 =IB2=IG=IB1维持电流维持电流IC2=IGIGIGIGKAGV1V2A3、UGK0或或UAK正向正向反向反向UFRM：正向断态重复峰
4、值电压正向断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。（晶闸管耐压值。一一般取般取 UFRM=80%UFSM。普通晶闸管。普通晶闸管UFRM 为为 100V3000V）URRM：反向重复峰值电压：反向重复峰值电压。（控制极断路时，。（控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电可以重复作用在晶闸管上的反向重复电 压。一般取压。一般取URRM=80%URSM。普通晶。普通晶 闸管闸管URRM为为100V3000V）IF：额定通态平均电流额定通态平均电流。（环境温度为。（环境温度为40OC时时,在在 电阻性负载、单相工频电阻性负载、单相工频 正弦半波、正弦半波、导电角不小于导电角不小于170o的电路中，
5、晶闸管允的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管许的最大通态平均电流。普通晶闸管IF为为1A1000A。）。）2、主要参数、主要参数UD:额定电压。额定电压。URRM 与与UFRM中较小的一个中较小的一个。IF含义说明含义说明it2IFmmFIttdII0)(sin21IH：维持电流。维持电流。(在室温下，控制极开路、晶闸管在室温下，控制极开路、晶闸管 被触发导通后，维持导通状态所必须的最被触发导通后，维持导通状态所必须的最 小电流。一般为几十到一百多毫安。）小电流。一般为几十到一百多毫安。）UG、IG：控制极触发电压和电流。：控制极触发电压和电流。（在室温下，（在室温下，阳极电压为
6、直流阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通时，使晶闸管完全导通 所必须的最小控制极直流电压、电流所必须的最小控制极直流电压、电流。一。一 般般UG为为1到到5V，IG为几十到几百毫安。）为几十到几百毫安。）晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压（通态平均电压（UF）额定电压级别（额定电压级别（UD）额定通态平均电流额定通态平均电流（IF）晶闸管类型晶闸管类型P-普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管KKP 100-3晶闸管电压、电流级别晶闸管电压、电流级别额定通态电流（额定通态电流（IF）通用系列为）通用系列为1、5、10、20、30、50、100、200、
7、300、400500、600、800、1000A 等等14种规格。种规格。额定电压（额定电压（UD）通用系列为：）通用系列为：1000V以下的每以下的每100V为为一一级级，1000V到到3000V的的每每200V 为为一一级。级。通态平均电压（通态平均电压（UF）等级）等级一一般用般用A I字母表字母表示，示，由由 0.4 1.2V每每 0.1V 为为一一级。级。四、四、特殊晶闸管特殊晶闸管1、可关断晶闸管（、可关断晶闸管（GTO-Gata Turn Off thyristor）可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断
8、不能控制，只能靠减小阳之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。此它属全控器件。2、双向晶闸管、双向晶闸管 特点：特点：相当于相当于两个晶闸管反向并两个晶闸管反向并联，两者共用一个联，两者共用一个控制极。控制极。A2A1G符号符号PNNNNNPGA2A1结构结构3、逆导晶闸管、逆导晶闸管 特点：特点：相当于相当于一个晶闸管与一个一个晶闸管与一个二极管反向并联。二极管反向并联。正向特性
9、相当于晶正向特性相当于晶闸管，反向特性相闸管，反向特性相当于二极管。当于二极管。AKGAKG符号符号等效电路等效电路4、快速晶闸管、快速晶闸管 特点：特点：开通和关断时间短。适于高频场合。开通和关断时间短。适于高频场合。第第2节节 可控整流电路可控整流电路一、单相半波可控整流电路一、单相半波可控整流电路1、电阻性负载电阻性负载电路及工作原理电路及工作原理设设u1为为正弦波正弦波 u2 0 时，时，加上触发电压加上触发电压 uG，晶闸管导通，晶闸管导通。且。且 uL 的大小随的大小随 uG 加入的迟早而变化；加入的迟早而变化；u2 R时时，ILT在整个周期中可近似在整个周期中可近似看做直流看做直
10、流。IT=晶闸管的中电流晶闸管的中电流IT=0221tdILTLTI0360平均值平均值:有效值有效值:LTI0360晶闸管的选择晶闸管的选择晶闸管电压晶闸管电压 （1.5 2）U2M晶闸管电流晶闸管电流 （1.5）57.1IT二、单相桥式半控整流电路二、单相桥式半控整流电路1、电阻性负载桥式可控整流电路电阻性负载桥式可控整流电路（1）电路及工作原理电路及工作原理u2 0的导通路径：的导通路径：u2(A)V1RLV4u2(B)V1、V2-晶闸管晶闸管V3、V4-晶体管晶体管V1V2V3V4RLuLu2AB+-V2RLV3u2(A)u2(B)u2 0的导通路径：的导通路径：V1、V2-晶闸管晶闸
11、管V3、V4 二极管二极管V1V2V3V4RLuLu2AB+-（2）工作波形工作波形tu2tuGtuLt uT1输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值ULT =tdu12ttdsinu212ILT =LLTRU（3）2cos1U9.022、电感性负载桥式可控整流电路电感性负载桥式可控整流电路 该电路加续流二极管后电路工作情况以该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。请自行分析。u2V1V2V3V4VuLRL两种常用可控整流电路的特点两种常用可控整流电路的特点（1）电路电路特点特点该电路只用一只晶闸管，且其该
12、电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。上无反向电压。晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。u2VV2V1V4uLRLV3（2）电路电路特点特点 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，V2、V4 便便起续流二极管作用。起续流二极管作用。由于由于V1的阳极和的阳极和V3的阴极相连，两的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。管控制极必须加独立的触发信号。V1V3V2V4u2uLRL思考思考带反电动势负载的可控整流电路带反电动势负载的可控整流电路该电路的工作过程。该电路的工作过程。画出画出uL、iL的工作波形。的工作波形。V1V2V3V4RuLu2E+-触发电路产生的触发脉
13、冲须满足下列要求：触发电路产生的触发脉冲须满足下列要求：1、足够的功率；、足够的功率；2、一定的宽度；、一定的宽度；3、与主电路同步；、与主电路同步；4、一定的移相范围。、一定的移相范围。第第3节节 晶闸管触发电路晶闸管触发电路 产生的方式：产生的方式：1、单结晶体管触发电路；、单结晶体管触发电路；2、集成触发电路。、集成触发电路。一、单结晶体管触发电路一、单结晶体管触发电路等效电路等效电路EB2B1RB2RB1管内基极管内基极 体电阻体电阻E（发射极）（发射极）B2（第二基极）（第二基极）B1（第一基极）（第一基极）NPPN结EB2B1基本结构基本结构符符号号1、单结晶体管、单结晶体管工作原
14、理工作原理2B1B1BBBRRRUUABBUUE UA+UEA=UP 时时PN结反偏，结反偏，IE很小；很小；UE UP时时PN结正向导通结正向导通,IE迅速迅速增加。增加。-分压比分压比 (0.35 0.75)UP-峰点电压峰点电压UEA-PN结正向结正向 导通压降导通压降B2ERB1RB2B1AUB BIEUE2单结晶体管的特性和参数单结晶体管的特性和参数IEUEUVUPIVUV、IV-谷点电压、电流谷点电压、电流（UEUP后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。UP-峰点电压峰点电压（UEUP时单结管导通）时单结管导
15、通）B2ERB1RB2B1AUB BIEUE3、单结晶体管振荡电路、单结晶体管振荡电路RR2R1CUucuOEB1ucttuouvup振荡波形振荡波形2B1BRRU22B1B11RRRRRUIuE=uC UP 时时，单结管不导通，单结管不导通，uo 0。此时此时R1上的电流很小，其值为：上的电流很小，其值为：振荡过程分析振荡过程分析IR1R1、R2是外加的，不同于内是外加的，不同于内部的部的RB1、RB2。前者一般取。前者一般取几十欧几十欧几百欧；几百欧；RB1+RB2一般为一般为215千欧。千欧。uOR2R1RCUucE 随电容的随电容的 充电，充电，uc逐渐升高。当逐渐升高。当 uC UP
16、 时时，单结管导通。然后电容放电，单结管导通。然后电容放电，R1上便得上便得到一个脉冲电压到一个脉冲电压。R2R1RCUucEuOR2起温度补偿作用起温度补偿作用ucUpUvuoUp-UDUP、UV-峰点、谷点电压峰点、谷点电压UD-PN结正向导通压降结正向导通压降注意：注意：R值不能选的太小，否则单结管不能值不能选的太小，否则单结管不能 关断，电路亦不能振荡。关断，电路亦不能振荡。电容放电至电容放电至 uc uv时时，单结管重新关断，使，单结管重新关断，使 uo 0。脉冲宽度的计算：脉冲宽度的计算：11lnRCTTuoucupuvtw振荡周期的计算：振荡周期的计算：VP1wUUlnCRt 4
17、、单结管触发的可控整流电路、单结管触发的可控整流电路主电路主电路u1V1V2V3V4uLRLu3触发触发电路电路R1aR2RPCucu2RbcdeV（1）电路）电路波形关系波形关系u2uabU2MU2Mubc削削 波波整整 流流UZ（2）波形关系（波形关系（1）au2RbcVUZ波形关系（波形关系（2）UZ削削 波波ucbudbUpUvueb电容充、放电电容充、放电UP-UD触触 发发 脉脉 冲冲UZR1R2RPCuccdeVb波形关系（波形关系（3）uLu3ueb触发脉冲触发脉冲输出电压输出电压u3V1V2V3V4uLRLbe5、晶闸管的保护、晶闸管的保护 晶闸管的过流、过压能力很差，是它的
18、晶闸管的过流、过压能力很差，是它的主要缺点。主要缺点。晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小，一旦过，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。例如一流，温度急剧上升，器件被烧坏。例如一只只100A的晶闸管过电流为的晶闸管过电流为400A时，仅允时，仅允许持续许持续0.02秒，否则将被烧坏；秒，否则将被烧坏；晶闸管承晶闸管承受过电压的能力极差受过电压的能力极差，电压超过其反向击，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。导通后的电流较大，使器件受损。过
19、过流流保保护护快速熔断器：快速熔断器：电路中加快速熔断器电路中加快速熔断器;过流继电器：过流继电器：在输出端装直流过电流继在输出端装直流过电流继电器电器;过流截止电路：过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸利用电流反馈减小晶闸管的管的 导通角或停止触发，从而切断过流导通角或停止触发，从而切断过流电路。电路。保护措施保护措施 接在接在输出端输出端 接在接在输入端输入端和晶闸和晶闸管串联管串联阻容吸收阻容吸收硒整流堆硒整流堆过压保护过压保护（利用电容吸收过压。即（利用电容吸收过压。即 将过电压的能量变成电将过电压的能量变成电 场能量储存到电容中，场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。）然后由电阻消耗掉
20、。）（硒堆为非线性元件，（硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其过压后迅速击穿，其 电阻减小，抑制过压电阻减小，抑制过压 冲击。）冲击。）CRRCRC硒硒堆堆第第4节节 调压、变频、逆变和斩波技术调压、变频、逆变和斩波技术一、一、交流调压交流调压触触 发发 电电 路路u1u主主 电电 路路 V1V2RLuLu2RRE2R1RST1T2RE1RC1USuG1uG2 主电路的两只晶闸管不共阴极，两者的控主电路的两只晶闸管不共阴极，两者的控制极必须由两个独立的触发脉冲触发，才能制极必须由两个独立的触发脉冲触发，才能正常工作。因此，触发电路中脉冲变压器的正常工作。因此，触发电路中脉冲变压器的副边有两个线
21、圈，分别为两只晶闸管提供触副边有两个线圈，分别为两只晶闸管提供触发信号。发信号。电路特点电路特点 主电路的两只晶闸管，分别在交流电源的主电路的两只晶闸管，分别在交流电源的正负半周内触发导通，从而实现交流调压的正负半周内触发导通，从而实现交流调压的目的。目的。波形关系波形关系uuG1uG2uL输出电压的调节输出电压的调节 usuL二、二、单相无源逆变器单相无源逆变器滤波电容滤波电容变压器变压器直流电源直流电源具有中心抽具有中心抽头的电感头的电感+-EL1L2V1V2C1C2RLV1V2T工作原理工作原理 工作时，工作时，两晶闸管由频率一定、相位差为两晶闸管由频率一定、相位差为180o的两个脉冲信
22、号交替作用在它们的控制极上。从的两个脉冲信号交替作用在它们的控制极上。从而由直流电源提供能量，在负载上得到交流电压。而由直流电源提供能量，在负载上得到交流电压。当触发脉冲作用于当触发脉冲作用于V1的控制极上时，的控制极上时，V1导通，直流电源导通，直流电源给电容给电容C1充电，其充电，其方向如图中虚线所方向如图中虚线所示。充电电流通过示。充电电流通过变压器变压器T给负载提供给负载提供一定的电压；一定的电压；V1V2+-EL1L2C1C2RLT+-UL当触发脉冲作用于当触发脉冲作用于V2的控制极时，的控制极时，V2导通，导通，电容电容C1通过通过V2放电，其方向如图中虚线所示。放电，其方向如图中
23、虚线所示。放电电流通过变压器放电电流通过变压器T给负载提供与上方向给负载提供与上方向相反的电压。相反的电压。电容放电时，放电电电容放电时，放电电流在电感流在电感L2上产生感应上产生感应电动势，方向如图所示。电动势，方向如图所示。此感应电动势通过互感，此感应电动势通过互感，在在L1上产生的电压将晶上产生的电压将晶闸管闸管V1关断；同理，电关断；同理，电容充电时容充电时L2上的感应电上的感应电动势将动势将V2关断。关断。V1V2+-EL1L2C1C2RLT+-UL+-+思考题思考题1、晶闸管的导通和截止条件是什么？、晶闸管的导通和截止条件是什么？2、有哪些特殊的晶闸管？主要应用在什么场合？、有哪些特殊的晶闸管？主要应用在什么场合？3、一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围、一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围（即控制角（即控制角 的变化范围）有多大？的变化范围）有多大？4、试解释晶闸管交流调压电路的工作原理？、试解释晶闸管交流调压电路的工作原理？习题：P263 5-1 5-5 5-6 5-8
