第6章 晶闸管及其应用电路

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第6章晶闸管及其应用电路6.1晶闸管基本特性6.2晶闸管可控整流电路6.3晶闸管简单触发电路6.4晶闸管的保护6.5全控型电力电子器件6.6逆变电路6.7交流调压6.8直流斩波晶闸管是一种既具有开关作用,又具有整流作用的大功率半导体器件。它是晶体闸流管的简称,俗称可控硅整流器。应用于可控整流、变频、逆变及无触点开关等多种电路。它能以小功率信号去控制大功率系统,从而构成了弱电和强电领域的桥梁。晶闸管大家族:普通晶闸管、快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、可关断晶闸管和光控晶闸管。6.1晶闸管基本特性6.1.1晶闸管的结构和工作原理1、晶闸管的结构晶闸管可以看做是一个带有控制极的特殊整流管。常用的大功率晶闸管,外型有螺栓式和平板式两种。三个电极:阳极A、阴极K和控制极G。(a)外型(b)图形符号图6.1.1晶闸管外型和符号6.1晶闸管基本特性螺栓式晶闸管的阳极是紧栓在散热器上的,安装和更换容易,但因为仅靠阳极散热器散热,散热效果较差,一般仅适用于额定电流小于200A的晶闸管。平板式晶闸管阴极阳极两个电极都带有散热器,所以散热效果好,但更换麻烦。一般用于额定电流为200A以上的晶闸管。晶闸管的内部结构有三个PN结的四层半导体结构,分别标为P1、N1、P2、N2四个区,具有J1、J2、J3三个PN结。图6.1.2晶闸管的内部结构6.1晶闸管基本特性当晶闸管的阳极、阴极加反向电压时(S1合向左边),即阳极为负、阴极为正时,不管控制极如何(断开、加负电压、加正电压),灯泡都不会亮,即晶闸管均不导通。S1合向右边使晶闸管阳极与阴极间加正向电压:若控制极不加电压(S2断开)或加反向电压(S2合向右边),灯泡也不会亮。若控制极也加正向电压(S2合向左边),则灯泡就会亮,晶闸管导通。图6.1.3晶闸管导电特性实验2、晶闸管的工作原理6.1晶闸管基本特性再去掉控制极电压,灯泡仍然会亮,将S1合向左边或断开,灯才会灭,即晶闸管才会关断。综上所述,晶闸管的导通条件是:①阳极和阴极之间要加适当的正向阳极电压;②控制极和阴极之间还要有适当的正向的控制极电压。一旦晶闸管导通,控制极将失去作用。要使导通的晶闸管关断,利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值(称为维持电流)以下。6.1晶闸管基本特性强烈的正反馈过程,使两只三极管迅速进入饱和导通状态。管子内部的正反馈作用足以维持这种导通状态,即使没有控制极电流IG,其导通状态也不会改变。1222BBCIII22121111BCBCIIII图6.1.4晶闸管的内部等效电路阳极和阴极间加反向电压时,PN结J1、J3均承受反向电压,无论有无控制电压,晶闸管都不会导通。阳极与阴极间加上正向电压UAK、控制极与阴极间加上正向电压UGK后产生了控制电流IG,即IB2:晶闸管的内部等效电路工作原理:6.1晶闸管基本特性6.1.2晶闸管的特性及主要参数1.晶闸管的阳极伏安特性晶闸管的阳极伏安特性是指阳极和阴极之间的电压与阳极电流的关系,简称伏安特性。图6.1.5晶闸管的阳极伏安特性曲线6.1晶闸管基本特性第Ⅰ象限为晶闸管的正向特性。第Ⅲ象限为晶闸管的反向特性。当控制极断开时电流为零,虽有正向阳极电压,但由于PN结J2反偏,晶闸管仍处于正向阻断状态,只有很小的正向漏电流。当正向电压增大到一定程度到转折电压UBO时,漏电流急剧增大,晶闸管正向导通。正常工作时,给控制极加上正向电压,IG越大,则元件的正向转折电压就会越低。导通后的晶闸管其通态压降很小,在1V左右。当阳极电流降至维持电流IH以下时,晶闸管就又回到正向阻断状态。图6.1.5晶闸管的阳极伏安特性曲线6.1晶闸管基本特性2.晶闸管的主要参数(1)断态重复峰值电压UDRM。当控制极断开,元件处于额定结温时,允许重复加在器件上的正向峰值电压为断态重复峰值电压,用UDRM表示。一般为100~3000V。(2)反向重复峰值电压URRM。当控制极断开,元件处于额定结温时,允许重复加在器件上的反向峰值电压为晶闸管的反向重复峰值电压,用URRM表示。一般为100~3000V。6.1晶闸管基本特性晶闸管的主要参数(3)额定电压UTn。实际选用时额定电压要留有一定的裕量,一般为实际工作时晶闸管承受的峰值电压的2~3倍。(4)通态平均电流IT(AV)。在环境温度为+40ºC和规定的冷却条件下,晶闸管在电阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170º的电路中,且结温不超过额定结温和稳定时,晶闸管所允许通过的最大电流的平均值。其值一般为1~1000A。(5)维持电流IH。指在室温下控制极断开时,晶闸管从较大的通态电流降至刚好能保持导通所必需的最小的阳极电流。一般为几十到几百毫安。6.1晶闸管基本特性6.1.3晶闸管的派生器件1.快速晶闸管(FastSwitchingThyristor–FST)快速晶闸管的关断时间可分为快速关断型、快速开通型和两者兼顾型三种。2.双向晶闸管(TriodeACSwitch–TRLAC)有塑封式、螺栓式和平板式。3.逆导晶闸管(ReverseConductingThyristor–RCT)逆导晶闸管是将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。4.光控晶闸管(LightTriggeredThyristor–LTT)又称光触发晶闸管,是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。S506.1晶闸管基本特性6.2晶闸管可控整流电路6.2.1单相半波可控整流电路电路结构:T为变压器,将一次侧电网电压u1变换成与负载所需的二次侧电压u2。Rd为负载电阻。V为整流晶闸管。图6.2.1单相半波可控整流电路(a)电路图uduTu2Rd6.2晶闸管可控整流电路在u2正半周,晶闸管承受正向电压,但在区间的之前,晶闸管仍保持阻断状态,承受全部u2电压。在时刻,加触发电压ug,晶闸管导通,有电流通过,Rd两端的电压ud和变压器二次侧u2的波形类似。~01t1t图6.2.1单相半波可控整流电路(a)电路图(b)波形图6.2晶闸管可控整流电路在时,u2为零,晶闸管阳极无电压被关断。在时,晶闸管反向阻断,ud为零。晶闸管触发时刻改变,则ud和id的波形跟着改变,得到幅值变化的脉动直流电压。控件角:从晶闸管开始承受正向电压,到其上加上触发脉冲的这一段时间。导通角:晶闸管在一个周期内导通的电角度。二者关系为。改变移相角的大小,输出整流电压ud就随之改变,控制角的移相角范围为。时,ud为正弦半波时,ud=0。t2~tTT180~001806.2晶闸管可控整流电路电流有效值2cos145.0)(sin22122UttdUUd2cos145.02dIUdRUIdd42sin2)()sin2(21222UtdtUUdRUI各电量计算公式(1)直流输出电压平均值Ud(2)直流输出电流的平均值Id(3)负载上得到的直流输出电压有效值,即均方根值U6.2晶闸管可控整流电路(4)晶闸管电流有效值IV及其两端可能承受的最大正反向电压UVM。(5)功率因数当时,最大为0.707说明尽管是电阻性负载,电源的功率因素也达不到1,而且越大,越小,设备利用率就越低。42sin22ddVRURUII22UUVMcos42sin2cos22IUUISP0coscos注:在计算选择变压器容量,晶闸管额定电流,熔断器以及负载电阻的有功功率时,均须按有效值计算。6.2晶闸管可控整流电路[例6.2.1]单相半波可控整流电路直接由交流电网220V供电与整流变压器降至60V供电,哪一种方案更合理?(考虑2倍裕量)要求:直流电压0~24V连续可调,最大负载电流Id=30A。试从两种方案计算晶闸管的导通角、额定电压、额定电流以及电源和变压器二次侧的功率因数和对电源的容量要求等方面考虑。解:(1)采用220V电源直接供电,当时采用整流变压器降至60V供电,当时只要调节角,上述两种方案均能满足0~24V要求。0)(9922045.045.020VUUd0)(276045.045.020VUUd6.2晶闸管可控整流电路(2)采用220V电源直接供电,Ud最大为24V,U2=220V承受最大电压为考虑2倍裕量,晶闸管额定管电压流过晶闸管的电流有效值I考虑2倍裕量,额定电流由计算公式求得电源提供有功功率电源侧功率因数145.02cos2UUd12159121180)(31122VUUVM)(6222VUUVMTn)(8441212sin3601211808.0220AIV)(10757.12)(AIIVTAV)(8.56448.08422WRIPd305.0842208.5644cosSP6.2晶闸管可控整流电路6.2.2单相桥式半控整流电路如图6.2.2所示为晶闸管共阴接法的带电阻性负载的单相桥式半控整流电路。图中V1、V2为共阴极的两个晶闸管,V3、V4为二极管。图6.2.2单相桥式半控整流电路(a)电路V1V2V3V46.2晶闸管可控整流电路工作原理:u2正半周时刻,触发电路向V1控制极送出正向触发脉冲,V1和二极管V4正偏导通,电流由电源a端经V1和负载Rd及V4流回电源b端。直流输出电压。u2处在负半周,在相同的控制角触发V2,V2和V3因承受正向电压而导通,电流由电源b端经V2和负载Rd及V3流回电源a端,输出电压ud方向与前一半周u2相同。晶闸管的导通角,晶闸管承受的最大反向电压为电源电压的峰值。2uud图6.2.2单相桥式半控整流电路(b)桥式半控整流电路波形6.2晶闸管可控整流电路各电量计算公式直流输出电压的平均值Ud直流输出电流的平均值Id负载上得到的直流输出电压有效值U和电流有效值I2cos19.0)(sin2122UttdUUd2cos1.9.02ddddRURUI22sin2UU22sin2ddRURUI6.2晶闸管可控整流电路流过每只晶闸管和二极管的电流的平均值IdD和IDV为总输出电流Id的一半,其有效值IV、Id为直流输出电流有效值I的变压器二次侧电流有效值与负载上直流电流有效值I相等变压器容量晶闸管和二极管所承受的最大反向电压的峰值均为。212cos1.45.02dDVdDRUIIIRUIIddV2142sin2222sin22dRUII22SUI22U6.3晶闸管简单触发电路6.3.1对触发电路的要求晶闸管装置主电路对控制极触发电路一般有如下要求:(1)触发脉冲应有足够的功率。(2)触发脉冲应满足要求的移相范围。(3)触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步。两者频率应该相同,而且要有固定的相位关系,使每一周期都能在同样的相位上触发。(4)触发脉冲的波形要符合要求。电感性负载,脉冲应有足够的宽度,一般对应50Hz的脉宽18o。多个晶闸管做并联运用时,为改善均流和均压,脉冲前沿陡度应大于。s/16.3晶闸管简单触发电路6.3.2简单触发电路介绍特点:电路所用元件少,仅采用几个电阻、电容和二极管,结构简单,调试方便。1、简易触发电路举例如图所示,由可变电阻引入本相电压作为控制极触发电压的电路和波形u2为交流电源电压,Rd为负载,晶闸管V为调压开关。改变控制极回路可变电阻R的阻值,就改变了控制极电流的大小,可改变晶闸管在一个周期中开始导通的时刻,从而调节Rd上电压的大小。电路移相范围小于90o。图6.3.1引入本相电压作为触发信号的电路及波形Rd6.3晶闸管简单触发电路图6.3.2为阻容移相触发电路,利用电容C充电延时触发以达到控制移相的目的。改变R的阻值,则可改变电容C反充电的速度,即改变电压uc到达UG的时间,从而实现移相触发。移相范围可达20o~180o。图6.3.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