数电06晶闸管及其应用.ppt

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。,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,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,（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。,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