电工学与电工技术.ppt

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1、,晶闸管及其应用,清华大学电机系电工学教研组唐庆玉编,19.1 电力电子器件19.2 可控整流电路19.3 逆变电路19.4 直流调压电路19.5 直流斩波电路,目 录,别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。,特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,应用领域：,整流（交流 直流）,逆变（直流 交流）,变频（交流 交流）,斩波（直流 直流）,此外还可作无触点开关等。,晶闸管（Thyristor）,17.1 工作原理,1.

2、结构,PNPN四层半导体结构,符号,2.工作原理,等效为由二个三极管组成,T1、T2都导通后，即使去掉UGK，T1、T2仍然导通,(1)阳极A加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）。,可控硅导通的条件：（1）阳极A加正电压（2）控制极G加正的触发电压,可控硅截止的条件：,(2)可控硅正向导通后，若令其关断，必须减小UAK（或使UAK反向），使可控硅中电流小于某一最小电流IH（IH称为维持电流）,（1）晶闸管具有单向导电性。,若使其关断，必须降低 UAK 或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。,正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加正的触发信号。,晶闸管的工作原理小结,（2）晶

3、闸管一旦导通，控制极便失去作用。,17.2 特性与参数,1.特性,IG=0时,有IG时,正向,反向,导通后管压降约1V,额定正向平均电流,维持电流,正向特性：控制极开路时，随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U=UDSM（正向转折电压）时，晶闸管自动导通。正常工作时，UAK应小于 UDSM。,反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U=URSM（反向击穿电压）时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。,(1)UDRM：正向阻断电压,晶闸管耐压值。一般取 UDRM=80%UDSM（正向转折电压）。普通晶闸管UDRM 为 100V-3000V,2.主要参数,控制极断路时，可以

4、重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取URRM=80%URSM（反向击穿电压）。普通晶闸管URRM为100V-3000V）,(2)URRM：反向峰值电压,(3)IF：额定正向平均电流：,通用系列为：,1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14种规格。,17.3 可控整流电路,1.单相半波可控整流电路,(1)电路及工作原理,(2)工作波形(设u1为正弦波),u2 0 时，加上触发电压 uG，晶闸管导通。且 uL 的大小随 uG 加入的早晚而变化；u2 0 时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。,(3)输出电压及电流的平均值,承受的

5、最高反向电压:,电感性负载（如直流电动机的激磁线圈）,电路及工作原理,由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，失去单向导电作用。,解决办法：加续流二极管D,加入D的目的就是消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断,u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，电感产生反电动势。,2.单相全波可控整流电路,一、电阻性负载桥式可控整流电路,(1)电路及工作原理,u2 0的导通路径：,u2(A),T1,RL,D2,u2(B),T1、D2导通，T2、D1截止,T2,RL,D1,u2(A),u2(B),u2 0的导通路径：,T2、D1导通，T1、D2截止,(2)工作波形,(3)输出电压及电流的平

6、均值,例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求输出电压平均值Uo的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压。,UL,=191V，=15,=0V，=180,=191/3=64A,二、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及负载上的电流、电压和电阻性负载类似。,两种常用可控整流电路的特点,电路特点,1.该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。,2.晶闸管和负载上的电流相同。,T1,T2,D1,D2,u2,uL,R,L,电路特点,1.该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起续流二极管作用。,2.由于T1的

7、阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,电路二：,17.4 触发电路,1.单结晶体管工作原理,工作原理：,当uE UP=UA+UF 时,PN结反偏，iE很小；,当 uE UP 时,PN结正向导通,iE迅速增加。,-分压比(0.35 0.75),2.单结晶体管的特性和参数,uEUV 时单结管截止,uEUP 时单结管导通,单结晶体管符号,3.单结晶体管振荡电路,振荡波形,(1)电路组成,(a)uE=uC UP 时，单结管不导通，uo 0。,(2)振荡过程分析,R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧几百欧；RB1+RB2一般为215千欧。,此时R1上的电流很

8、小，其值为：,(b)随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC UP 时，单结管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。,R2起温度补偿作用,UP、UV-峰点、谷点电压,(c)电容放电至 uc uv时，单结管重新关断，使 uo0。,17.5 单结管触发的可控整流电路,一、电路,触发电路,主电路,二、波形关系,整流稳压电路部分,单结晶体管电路部分,可控硅桥式整流电路部分,1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？,问题讨论,2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？,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（即控制角 的变化范围）有多大？,4.输出电

9、压如何调节，其大小如何计算？,1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？,保证主电路和触发电路的电源电压同时过零（即两者同步），使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同（即 角一样），以使输出平均电压不变。,2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？,稳压管的作用是：将整流后的电压变成梯形（即削波），使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。,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（即控制角 的变化范围）有多大？,根据单结

10、管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有一个触发脉冲起作用。,触发脉冲移相范围的计算,f电源电压的频率,4.输出电压如何调节，其大小如何计算？,RP,电容充电速度变慢,电压的调节,电压的计算,UL,17.6 晶闸管的其他应用,拨盘式密码锁控制电路,拨盘,工作原理,根据晶闸管的特性分析可知，开锁时三个晶闸管的工作顺序应该是：T1T2T3。否则T3或T2将因阳极和阴极间加不上电压而不导通，继电器线圈不通电，锁打不开。,1.开锁时晶闸管工作情况,UCC,T3,T2,T1,J,D1,D2,T1导通时的路径,T1导通时的路径如图中虚线

11、，此时发光管D2导通，给出指示信号。,2.开锁过程,根据开锁时三只晶闸管导通顺序的要求以及 图中连线，可知开锁过程如下：,拨盘拨至10,T2导通,按下S,T3导通,拨盘拨至2,按下S,拨盘拨至7,按下S,T1导通,此密码锁的开锁密码是：,7-10-2,结论,改换密码号的办法：变更拨盘和晶闸管控制极的连线。,防止长期按下按钮以拨动拨盘而自动开锁的办法：将拨盘中的某几个点接地。使拨盘转到该点时，按钮按下后通过电阻（R）支路产生较大分流，使晶闸管中的电流降低到最小维持电流以下，迫使其关断。从而防止琐被打开。,17.7 晶闸管的保护及其它类型,1.晶闸管的保护,晶闸管承受过电压的能力极差，电压超过其反

12、向击穿电压时，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，导通后的电流较大，使器件受损。,晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。,晶闸管的热容量很小，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。,例如：一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；,一、过流保护措施,快速熔断器：电路中加快速熔断器。,过流继电器：在输出端装直流过电流继电器。,过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。,阻容吸收,硒整流堆,二、过压保护,：利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。,：硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。,