电子技术(第二版)第7章

第7章电力电子技术退出晶闸管的结构与工作原理单相可控整流电路晶闸管的保护双相晶闸管与交流调压电路晶闸管触发电路本章小结7.1晶体管的结构与工作原理主要要求：理解晶体管的基本结构和工作原理理解晶体管的伏安特性掌握晶体管的主要参数和型号退出退出7.1.1晶闸管的基本结构晶闸管的外型如下图所示它有三个引出极：阳极（Ａ）、阴极（Ｋ）、和门极（Ｇ）。螺旋式晶闸管中，螺栓是阳极Ａ的引出端，并利用它与散热器紧固。平板式则由两个彼此绝缘的散热器把晶闸管紧夹在中间，由于两面都能散热，因而２００Ａ以上的晶闸管常采用平板式。小功率晶闸管常采用塑封式，其上部的金属片用螺栓与散热片紧密接触，以利散热。螺旋式平板式塑封式退出晶闸管的内部结构和符号晶闸管内部是由ＰＮＰＮ四层半导体构成，所以有三个ＰＮ结J1、J２、J３。阳极Ａ从P1层引出，阴极由N2层引出，门极由P２层引出。普通晶闸管的结构和符号如图所示。普通晶闸管的型号是ＫＰ型退出７.1.２晶闸管的工作原理可按下图所示电路进行晶闸管实验来说明其工作原理1.主电源UAK通过双刀双掷开关S1与灯泡串联，接到晶闸管阳、阴极上，形成主电路。晶闸管阳、阴极两端的电压称阳极电压。2.门极电源UＧK经双刀双掷开关S2加到门极与阴极之间，形成触发电路，门极与阴极间电压称门极电压。退出实验结果如下：1.晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何种电压，它都处于关断状态。2.晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下，才能导通。3.已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门极失去控制作用。4.晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，晶闸管关断。以上结论说明，晶闸管像二极管一样，具有单向导电性。晶闸管电流只能从阳极流向阴极。若加反向阳极电压，晶闸管处于反向阻断状态，只有极小的反向电流。但晶闸管与二极管不同，它还具有正向导通的可控特性。当仅加上正向阳极电压时，元件还不能导通，这是称为正向阻断状态。只有同时还加上一定的正向门极电压、形成足够的门极电流时，晶闸管才能正向导通。而且，一旦导通之后，撤掉门极电压，导通仍然维持。退出7.1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性如下图所示1.当门极电压UＧK＝０时，门极电流IG＝０。此时，若施加正向阳极电压UAK，当UAK较小时，阳极电流IA较小，称为正向漏流，管子处于阻断状态。继续加大UAK至UBO时，管子处于正向阻断状态。管子突然由阻断状态变为导通状态。称UBO值为正向转折电压。导通之后，管压降降为UT，IA随UAK快速增减。当IA减至IH以下时，管子恢复阻断，回到原点。IH为维持电压。2.当UAK0、IG0时，IG越大，管子由断态转为通态所需正向转折电压越小。如,IG1IG0,IG1对应的转折电压小于IG0对应的转折电压。3.当UAK0时，若其值较小,管子有很小的反向漏流,此时管子处于反向阻断状态。若UAK值加大，增至某一值UBR时，反向电流突增，此时管子击穿。UBR称为击穿电压退出7.1.4晶闸管的主要参数1.正向重复峰值电压UDRMUDRM是指在门极开路和晶闸管阻断条件下，允许重复加在晶闸管上的正向峰值电压。普通晶闸管的UDRM值为100—3000V。2.反向重复峰值电压URRMURRM是指门极开路时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。普通晶闸管的URRM值为100—3000V。3.通态平均电流IV(AV)IV(AV)是在环境温度为400C和规定冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单相工频正弦半波，导通角不小于1700的电路中，当结温稳定且不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流。退出4.维持电流IH在室温下，门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降低至刚好能保持导通的最小电流。5.门极触发电流IGIG是指在室温下，晶闸管施加6V正向阳极电压时，使其完全开通所必须的最小门极直流电流。6.门极触发电压UG与门极触发电流相对应的门极直流电压退出7.1.5晶闸管的型号晶闸管的型号由字母及数字五部分组成。具体含义如下。KP表示闸流特性通态平均电压组别额定电流额定电压P－普通型，N－逆导型，G－可关断型7.2单相可控整流电路主要要求：理解单相半波可控整流电路理解单相桥式可控整流电路退出退出7.2.1单相半波可控整流电路1.电阻性负载如下图所示由图可见，整流变压器次级电压u2加在晶闸管阳极回路中。若晶闸管门级不加触发电压，即，UG=0,则晶闸管将处于阻断状态，负载RL上无电流，RL两端电压uL为零。晶闸管V承受u2全部电压。现在t1时刻加上触发脉冲uG如图b所示,则V从t1时刻开始导通，负载RL两端电压突然上升，其波形与ωt1~π期间的u2波形相似。管子一直导通到u2的正半周结束，电压降至零，晶闸管电流低于维持电流而关断。在u2的负半周，晶闸管承受反压，处于阻断状态，负载两端电压为零。到下一周期，又重复上述过程。波形图b所示a电路图b波形图用晶闸管代替单相半波整流电路中的二极管就成了单相半波可控整流电路，如图a所示。退出把晶闸管从承受正压起到触发导通之间的电角度称为控制角，用表示。晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用表示。对单相半波电路而言，显然有：把改变门极触发电压加入的时刻就可以控制晶闸管的导通角，从而改变整流输出电压。忽略晶闸管导通管压降，则整流输出电压的平均值为：式中U2为整流变压器二次侧电压有效值。2cos145.02cos12sin221222UUttdUULAV退出对于电阻性负载，流过电阻RL的平均值为通过晶闸管的电流平均值与负载电流平均值相等。固有整流电压的有效值为流过负载电阻的电流有效值为当α＝00时，θ＝1800，ULAV=0.45U2，UL=晶闸管全导通，相当于一般整流二极管的单相半波整流。当α＝1800时，θ＝00，ULAV=UL＝0晶闸管全阻断。2cos145.02cos1222LLLLLAVRURURUI2cos145.02)(LLAVAVVRUII22sin41)()sin2(21222UtdtUUL22sin412LLLLRURUI2U2退出2.电感性负载如下图所示整流电路的负载若是直流电机的电枢、各种电机的励磁绕组、电磁铁等，均属于电感性负载。整流电路带电感性负载时的工作情况与带电阻性负载时有很大不同，为便于分析，把电感与线圈电阻分开，如图a所示。由于电路中有电感存在，电流不会发生跃变，因此电流的波形不再与电压的波形相似，如图b所示。在变压器次级电压u2为正半周期内，晶闸管被触发导通后，由于电感的作用，输出电流iL由零逐渐增加。由于通过电感的电流发生变化，在电感两端会产生感应电动势，eL=-L阻止电流的增加。eL的方向与图中所标正方向相反，这时电感中储存电磁能量。当u2由正半周下降至过零变负时，由于电感中电流在减小，电感两端会产生感应电动势eL，iL抵抗的减小。这时eL的方向与图中所标正方向一致。由于感应电动势的存在，即使u2为零甚至变负，加在晶闸管阳极阴极之间的电压仍然是正向电压，因而晶闸管仍然维持导通。这时电感在释放所储存的能量。随着u2负值的增加，当感应电动势eL与u2的值接近相等时，流过晶闸管的电流减小到维持IH以下时，晶闸管关断，并立即承受反向电压。tidda电路图b波形图退出由上述分析，由于负载为电感性负载，在电源电压进入负半周之后晶闸管仍维持一定的导通时间，因而整流电压输出电压uL出现负值。电感量L越大，负半周维持导通的时间越长，负电压部分占的比例越大，这必将造成整流电压的输出电压的平均值ULAV下降，当足L够大时，便使输出电压的正负阴影面积近似相等，输出电压平均值接近为零，此时将无法满足输出一定平均电压的要求。a电路图b波形图退出为了克服上述缺点，就要设法使晶闸管在u2过零时关断，从而在输出端不出现负电压。为此，通常在负载两面端并联一个二极管D，如图a所示。在u2的正半周，D因反偏而截止。负载上电压与不加D一样。当u2过零变负时，负载上由电感所维持的电流经过二极管形成回路，电流继续流通，所以称此二极管为续流二极管。二极管导通后，晶闸管承受反压而关断。这样，整流电路的输出电压波形就不出现负电压部分，与电阻负载时输出电压的波形一样。如图b所示。输出电压平均值的计算式也为式2cos145.02cos12sin221222UUttdUULAVa电路图b波形图退出应当说明，接续流二极管后，整流电路的负载电流iL波形与电阻负载时大不相同。在晶闸管导通时负载电流由电源经晶闸管提供(iV)，晶闸管截止时负载由电感的感应电动势经二极管续流(iD)，负载上的电流是这两部分电流的合成。当电感很大时(ωLRL)，iL基本上为一恒定值。在大电感时，流过晶闸管和续流二极管的平均电流分别为式中ILAV中为负载上总的电流平均值。电流有效值为LAVLAVAVVIII22)(LAVLAVAVDIII222)(LAVLAVLAVVVIItdItdiI22)(21)()(210202LAVDII2退出7.2.2单相桥式可控整流电路1.电阻性负载如下图所示图a所示为单相桥式可控整流电路，它就是将单相想入桥式不可控整流电路中两只本极管换成两只晶闸管得到的。图中，两只晶闸管V1,V2为共阴极接法，而两只二极管D1,D2为共阳极接法。由于V1,V2阴极接在一起，所以给他们加的阳极电压办能是一个为正方向，另一个为反方向，不可能同时为正向。这样，即使两只管同时触发，也只能有一个导通。比如，当u2为正半周时角发，V1导通，V2截止，电流途径为：a端→V1→RL→D2→b端，在u2过零时，V1阻断，输出电流为零。当u2为负半周时触发，V2导通，V1截止，电流途径为：b端→V2→RL→D1→a端，在u2过零时，V2阻断，输出电流为零。这样就形成了图b所示输出电压波形。由于是电阻性负载，输出电流的波形与输出电压相似。a电路图b波形图退出输出电压平均值为输出电压有效值为输出电流平均值为2cos19.02cos122sin21222UUttdUULAV22sin41)()sin2(21222UtdtUULLAVLAVAVVIIVI22)(退出输出电流有效值为可见，输出电压，电流平均值均为单相半波可控整流的2倍，有效值为倍。通过晶闸管，二极管的电流平均值及有效值分别为晶闸管承受的最大正向，反向电压，二极管承受的最大正向，反向电压均为。2sin212LLLLRURUI22ULAVAVDAVVIII21)()(22sin41)()sin2(21222LLDVRUtdtRUII2退出2.电感性负载如下图所示单相桥式可控整流电路接电感性负载时电路如图所示。由于是电感负载采用了续流二极管。这样，当电源电压过零时，负载经续流二极管续流，晶闸管电流降为零而关断。当电感值较大时，负载电流波形为一直线，负载电流平均值与有效值相等。a电路图b波形图退出2.电感性负载如下图所示当控制角为α时，一个周期内每只晶闸管的导通角为θv=π－α，续流二极管的导通角为θD=2α。流过每个晶闸管的电流平流平均值为有效值为流过续流二极管的电流平均值为有效值为。LAVLAVAVVIIVI22)(LAVLAVVIIVI22LAVLAVDAVDIII222)(LAVLAVDDIII222a电路图b波形图7.3晶闸管的保护主要要求：理解过流保护理解过电压保护退出退出7.3.1过电流保护晶闸管电中若出现元件击穿，输出超载或短路，控制电路工作不正常或受干扰使晶闸管误触发等均可导致流过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流。设置过电流保护的任务，就是当路一旦出现过电流时，能在元件还在未损坏之前，迅速地把过电流现象