数电06晶闸管及其应用.ppt

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1、第九章晶闸管及其应用,晶闸管是一种大功率的半导体器件，主要用于整流（将交流电转换为直流电）、逆变（将直流电转换为交流电）、调压、开关等四个方面。晶闸管的出现不仅使半导体器件从弱电领域进入了强电领域，而且用晶闸管构成的电能转换或控制设备，具有体积小、重量轻、效率高、无噪声、使用寿命长等许多优点。,1 晶闸管,1 基本结构,J1、J2、J3为三个 PN结,表示符号,2 工作原理,当G端未加电压时，A、K之间无论加正向电压或反向电压，其中三个PN结至少有一个处于反向偏置，所以晶闸管不会导通，相当于一个开关的断开状态，称为阻断。晶闸管区别于二极管就是其具有正、反向阻断能力，而二极管只具有反向阻断能力。

2、,若G、K之间和A、K之间都加正向电压，晶闸管就由阻断变为导通，相当于一个开关的闭合状态。,IG,2IG,12IG,再放大,由于正反馈，T1、T2迅速进入饱和导通状态，晶闸管导通。,晶闸管导通之后，流入T2管的基极电流远比最初的控制极电流IG大得多。这时即使断开 G、K之间电压，也不会影响晶闸管的导通状态。所以晶闸管一旦导通，其控制极便失去控制作用。,晶闸管导通之后,要使晶闸管由导通变为阻断，只要断开G、K之间电压，同时降低A、K之间正向电压或使正向电压变为反向电压。,注意：如果A、K之间正向电压过高，即使G、K之间无加正向电压，晶闸管也可能导通，造成误动作。如果A、K之间反向电压过高，超过一

3、定数值，会使管子反向击穿，造成永久性破坏。,3 伏安特性,正向转折电压,反向击穿电压,OA段：IG=0时，晶闸管正向阻断，只有很小的正向漏电流。当UAK=UBO时，晶闸管正向击穿，工作点迅速由A点到B点再到C点。这时有可能造成永久性击穿，应避免发生。IG0时，IG越大，晶闸管由阻断转为导通的转折电压越小。,BC段：晶闸管正向导通后，工作于BC段，和普通二极管的正向特性相同。其管压降很小，只有1V 左右。晶闸管加反向电压时，若反向电压小于UBR时，反向阻断，只有很小的反向漏电流；当反向电压大于UBR时，则反向击穿。,4 主要参数,IF 正向平均电流 在环境温度不大于40C及标准散热条件下，晶闸管

4、处于全导通时可以连续通过的最大工频正弦半波电流的平均值。,IH 维持电流 控制极断开时，维持晶闸管继续导通的最小电流。当正向电流小于维持电流时，晶闸管自行关断。,UFRM 正向重复 峰值电压 控制极断开且正向阻断的情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，为UBO的80%。,URRM 反向重复峰值电压 控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，为UBR的80%。,2 单相半控桥式整流电路,可控整流电路都由主电路和触发电路两部分组成，其作用是将交流电变换为电压值可调的直流电。,当u为正半周时：a点电位高于b点电位，T1、D2承受正向电压。如果对T1加一正向触发脉冲使其导通，电流的通路为

5、,当u为负半周时：b点电位高于a点电位，T2、D1承受正向电压。如果对T2加一正向触发脉冲使其导通，电流的通路为,控制角导通角,uo的平均值,io的平均值,改变的大小，即可改变Uo、Io的大小,流经晶闸管和二极管的电流平均值,晶闸管和二极管承受的最高反向电压为,3 单结晶体管触发电路,要使晶闸管导通，除了在阳极与阴极之间加正向电压，还要在控制极与阴极之间加触发脉冲，产生触发脉冲的电路称为触发电路。最常用的是单结晶体管触发电路。,1 单结晶体管,单结晶体管又称双基极二极管，有一个发射极和两个基极。外形和普通三极晶体管相似。两个基极之间的接触电阻约为215k,实验电路,称为分压比,=0.5 0.9

6、,（1）调节RP，使UE从0开始逐渐增大。当UEUA=UB时，二极管处于反向偏置，E与B1之间不能导通，呈现很大电阻。在这个过程，开始是一个反向漏电流，随着UE的增大，变成一个正向漏电流。由于漏电流很小，所以这一段称截止区。,（2）当UE=UA=UB+UD时，二极管正向导通，此后RB1急剧减小，UE随之减小，IE显著增大，单结晶体管呈负阻特性，负阻区对应PV段。P点为电压最高点，称为峰点；V点为电压最低点，称为谷点。,（3）过了谷点之后，IE继续增大，UE略有上升，但变化不大。谷点之后称为饱和区。,结论,2 单结晶体管触发电路,接通电源U后，U通过R向C充电，使uC按指数规律上升，当uC上升到

7、单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管子导通，进入其负阻区，uC通过R2迅速放电，在R2形成脉冲电压uG。当uC下降至单结晶体管的谷点电压UV时，单结晶体管截止，U又通过R向C充电。重复上述过程，即在R2上得到一系列前沿很陡的触发脉冲。,单结晶体管的弛张振荡电路,由单结晶体管触发的单相半控桥式整流单路,DZ的作用是将整流输出电压uo1变换成梯形波，使其幅值稳定在一个电压值UZ上，进而使uC和uG在每半周的变化规律都相同，不受交流电源电压波动的影响。,由单结晶体管触发的单相半控桥式整流单路,主电路与触发电路通过变压器接在同一电源上，所以主电路的交流电源电压和单结晶体管上的电压uZ 同时过0，二者

8、同步。这里变压器不仅是整流变压器，还是同步变压器。,由单结晶体管触发的单相半控桥式整流单路,改变RP的大小，可以改变C充电的快慢。比如RP增大，C充电变慢，因此每半波出现第一个脉冲的时间后移，使晶闸管的控制角增大，导通角变小，输出电压的平均值也变小。这里RP起移相作用，达到调压目的。,4 电感性负载时单相半波可控整流电流,当u为正半周，在触发脉冲作用下，T一旦导通，io从0开始逐渐增大，达到最大，再从最大逐渐减小，直到为0。在此期间，当io增大时，eL和io方向相 反，当io减小时，eL和io方向相同。由于负载为电感性，io 比u滞后，当u为0时，io滞后一个角度才为0。只要io不为0，T就导

9、通，就有uo=u。在io不为0期间，u从正变为负，uo随之也从正变为负。当io一旦为0，T立刻关断，并承受反向电压。,这里180o-。负载电感越大，角越大，在一个周期中负电压所占比重越大，整流输出电压和电流的平均值也就越小。为了使T在u为0时及时关断，使负载上不出现负电压，可在电感性负载两端并联一个续流二极管。当u为负时，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势产生的电流经过二极管形成回路。这时uo近似为0，而T因承受反向电压而关断。,5 逆变电路,将直流电变换成交流电的变换装置称为逆变器，它的应用非常广泛。其典型应用有：交流电动机的变频调速，中高频感应加热，功率超声波电源，电火化加

10、工，高频逆变焊接，不间断电源等。,单相矩形波输出型逆变器,Ui可由交流经整流滤波获得 也可由蓄电池获得（如UPS）,T1、T3和T2、T4交替导通，就可在负载RL上得到矩形波交流电压uo。uo的频率由开关元件的切换频率来决定，幅值等于输入直流电压Ui。,矩形波输出型逆变器的输出矩形波，其谐波成分较大，若作为电动机变频调速电源使用，会引起谐波损耗与转矩脉动增大，使电动机效率下降，功率因数降低，并影响电动机的平稳运行，因此仅适用于短时供电的UPS电源。电动机变频调速电源常采用正弦脉宽调制（SPWM）型逆变器。,单相矩形波输出型逆变器,单极性SPWM型逆变器,uR的频率为uC频率的整数倍，且固定不变

11、。,uC与uR 在电压比较器的输入端进行比较：,uo为一组幅值为Ud、宽度不等但按正弦规律变化的序列脉冲，这组序列脉冲可以等效为与uC同频率的正弦波电压。改变uC的频率，即可达到调频的目的。,电压比较器输出为正，晶体管导通,电压比较器输出为负，晶体管截止,在uR、Ud不变时，增大uC的幅值，可增大每个矩形脉冲的宽度，从而可增大uo的等效幅值。,KSPWM控制器的参数,与矩形波逆变器相比，SPWM型逆变器具有谐波分量小，噪声低，便于实现调频、调压等优点。但SPWM逆变器开关管开关频率较高，开关损耗加大，且控制复杂。,单极性SPWM型逆变器,双极性SPWM型逆变器,6 交流调压电路,uo的有效值,The End,