毕业设计11电力电子变流实验的仿真设计与开发
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机械机电毕业设计论文
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毕业设计11电力电子变流实验的仿真设计与开发,机械机电毕业设计论文
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1 前 言 随着我国现代电力电子技术和软件技术的迅速发展，电力电子设计的要求越来越高。本设计电力电子变流实验，结合 flash 软件技术的发展情况，编写有关的电力电子仿真实验。主要阐述三相全控整流及有源逆变电路，单相桥式全控整流电路和三相半波可控整流电路的特性仿真，以及各个电路的实验仿真。 全设计共六章。第 1章绪论，讲述电力电子技术和仿真技术的发展及意义；第 2章为有关的 Flash 制作软件的介绍；第 3章为相关的基础知识；第 4章为有关的实验仿真的介绍；第 5章为本次设计的体会。 本设计编写得到了设计指 导老师黄云龙和廖东进老师的大力支持和帮助，以及组员郭建和吴春的团结合作。他们提供了大量资料和技术，一并表示感谢。 本设计编写力求实用，真实，相当的仿真系统力求简明和易操作。电力电子变流技术的不断更新，加之编者水平有限，此设计不可能很完善，错漏和不妥在所难免，敬希有关读者批评指正。 编者 俞亮超 2005-6-13 nts 2 第 1 章 绪 论 现代电源技术是应用电力电子半导体器件 ,综合自动控制、计算机 (微处理器 )技术和电磁技术的多学科边缘交又技术。在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用 ,是现代电力电子技术的具体应用。 当前 ,电力电子作为节能、 自动化、智能化、机电一体化的基础 ,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来 ,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用 ,实现高效率和高品质用电相结合。 本课题涉及的是电力电子变流技 术的仿真设计与开发的设计。目前，科学技术发展到 20世纪末 ,系统仿真学科已经形成较为完善的体系。仿真技术由于其有效性、可重复操作性、经济性和安全性的特点 ,日益显出其重要性和广泛应用性。20世纪 70年代以后 ,民用工业中连续过程仿真得到迅速发展 ,其中发展最快、应用最广的首属电力工业 ,而电力电子技术已经在电力系统中被广泛地运用了。 系统仿真就是在模型上进行试验的过。按照真实系统的物理性质、几何尺寸等构造出系统的物理模型 ,并在该物理模型上进行试验 ,称为物理仿真。把数学模型、物理模型 ,甚至实物联合在一起进行试验 ,称为数 学 -物理仿真 ,又称为半实物仿真。计算机仿真包括三个要素 :系统、模型、计算机。联系这三个要素的有三个基本活动 :对象数学模型建立、仿真模型建立、仿真试验。 其特点是它属于一种可控制的、无破坏性的、耗费小的、并允许多次重复的试验手段。 它以其高效、优质、低廉体现其强大的生命力和潜在的能力。它是迄今为止最有效的经济的综合集成方法，是推动技术进步的战略技术。 我们在下面的叙述中将逐一对我们这次毕业设计的课题 电力电子变流实验的仿真设计与开发进行详细的介绍。 1.1 电力电子技术的发展 现代电力电子技术的发展方向 ,是 从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学 ,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。电力电子技术起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件 ,其发展先后经历了整流器时代、逆变器时代和变频器时代 ,并促进了电力电子技术在许多新领域的应用。八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率 MOSFET 和 IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件 ,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。 1.1.1 整流器时代 大功率的工业用电由工频 (50Hz)交流发电机提供 ,但是大约 20%的电能是以直流 形式消费的 ,其中最典型的是电解 (有色金属和化工原料需要直流电解 )、 牵nts 3 引 (电气机车、电传动的内燃机车、地铁机车、城市无轨电车等 )和直流传动 (轧钢、造纸等 )三大领域。大功率硅整流器能够高效率地把工频交流电转变为直流电 ,因此在六十年代和七十年代 ,大功率硅整流管和晶闸管的开发与应用得以很大发展。当时国内曾经掀起了 -股各地大办硅整流器厂的热潮 ,目前全国大大小小的制造硅整流器的半导体厂家就是那时的产物 。 1.1.2 逆变器时代 七十年代出现了世界范围的能源危机 ,交流电机变频惆速因节能效果显著而迅速发展。变频调速的关键 技术是将直流电逆变为 0100Hz的交流电。在七十年代到八十年代 ,随着变频调速装置的普及 ,大功率逆变用的晶闸管、巨型功率晶体管 (GTR)和门极可关断晶闸管 (GT0)成为当时电力电子器件的主角。类似的应用还包括高压直流输出 ,静止式无功功率动态补偿等。这时的电力电子技术已经能够实现整流和逆变 ,但工作频率较低 ,仅局限在中低频范围内 。 1.1.3 变频器时代 进入八十年代 ,大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展 ,为现代电力电子技术的发展奠定了基础。将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合 ,出现了一批全 新的全控型功率器件、首先是功率 M0SFET 的问世 ,导致了中小功率电源向高频化发展 ,而后绝缘门极双极晶体管 (IGBT)的出现 ,又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。 MOSFET 和 IGBT 的相继问世 ,是传统的电力电子向现代电力电子转化的标志。据统计 ,到 1995 年底 ,功率 M0SFET和 GTR在功率半导体器件市场上已达到平分秋色的地步 ,而用 IGBT代替 GTR在电力电子领域巳成定论。新型器件的发展不仅为交流电机变频调速提供了较高的频率 ,使其性能更加完善可靠 ,而且使现代电子技术不断向高频化发展 ,为用电设备的高效节材节能 ,实现小型轻量化 ,机电一体化和智能化提供了重要的技术基础 。 1.2 仿真模拟技术的发展 1.2.1 仿真技术的特点 仿真是对现象的仿效和模仿。近来由于信息的复杂化和多样化，要求对各种真实再现的现象进行解释和分析就难以做到。而仿真技术是以控制论、相似原理、系统技术和信息技术为基础，以计算机和专用物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合技术。采用仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、不受气象条件和空域场地的限制，可多次重复，以及经济性等特点。因此，仿真技术和方法在许多领 域里受到重视，其应用方法和仿真语 言的研究也迅速发展起来。 1.2.2 仿真技术的应用及发展 nts 4 仿真技术在科学研究，工程设计、建筑、自动控制领域，企业管理、人口动力学等方向有着极其重要的应用。 90 年代，我国对新的先进仿真技术开展了研究，这主要有联网仿真、分布交互仿真、虚拟现实仿真、基于仿真的设计、定量与定性相结合的仿真、建模与仿真的重用和互操作性等等。仿真的发展面临一个长期的发展过程。 50 年代仿真是应用于自动控制领域，采用的是模拟计算机和面向方程的建模方法。 60 年代仿真扩展到离散事件系统和社会经济等非工程领域 。 70 年代仿真应用于指挥人员、管理人员、驾驶员进行模拟培训。 80 年代仿真算法及优化，仿真软件方面取得很大成就，开发出多种通用连续系统仿真语言，连续离散混合仿真语言，这些可在工作站及微机上进行运算。我国还研制出数字仿真计算机，并向智能化新一代仿真计算机方面发展。仿真技术发展可用图 1加以概括。从模拟仿真到模拟 -数字仿真，这期间属于实时仿真，而从模拟 -数字仿真到数字仿真属于非实时仿真。由于当今计算机技术高速发展及普及，仿真技术发展到没有实物介入的非实时性的全数字仿真阶段，这种仿真称为计算机仿真或数字仿真。我们要对 一个系统或对象进行计算机仿真，首先必须把握对象的基本特征，抓住主要因素，引入必要能量，提出科学合理的抽象，选择合理的数学工具，这样的基础上建立数学模型。仿真的步骤如图 2。 建模 计算（仿真） 二次建模 图 1 仿真技术发展历程 图 2 仿真步骤 1.3 电力电子仿真模拟实验的意义 近年来计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用，促进了电力电子产品研究、开发水平的提高，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的创新周期。电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究和产品开发中占有重要的地位，它可以加深工程师对电路与系统工作原理的理解，加速电路的设计和理论的完善，它能帮助生产企业提高自身开发的水平，改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期。 通过仿 真实验演示 ,大大改善了实验的生动性、灵活性和感官性，可以使实验手册上静止的原理图形产生动画效果 ,并产生相应的仿真运行曲线 ,将大篇幅的过程描述与复杂的运行曲线用 FLASH表现出来 ,达到直观生动的实验效果。 模拟仿真 模拟 数字仿真 数字仿真 对 象 模型 计算机 nts 5 第 2 章 FLASN 动画 2.1 Flash 动画 Flash是一种先进的交互式矢量多媒体开发技术，利用 Flash技术制作的网页、动画等有着非常精彩的效果，它会打动每一位观众。而在我们这次毕业设计中， Flash也主要用于制作动画效果图。 2.1.1 Flash 动画的优势 动画是由一帧帧 的静态图片所构成的，这些图片按照顺序在短时间内连续放映，就会产生运动、变化的视觉效果。构成动画的静态图片可以是抽象的图案，也可以是写实性的形象绘画。因此，动画是一种表现动态过程，阐明抽象原理的重要形式。 近年来，它被广泛应用于电视、电影等视觉媒体中。动画可以阐明抽象的原理，可以展示各种利用摄像机不能或者很难拍摄到的镜头，可以体现出影片的趣味性，吸引人的注意力。 Flash是二维动画制作软件中的佼佼者。使用 Flash软件可以轻松从外部导入图像，也可以利用 Flash的绘图工具面板，绘制所需的矢量图形。利用 Flash软件还可以将所需的声音导入到影片中，并对声音的长短、强弱进行修改。该软件制作的动画体积小、交互性强。在 Flash 中还可以将制作完成的动画直接导出为 AVI视频文件。 Flash MX 中的“库”面板可以用来保存在影片中用到的所有图片、声音、视频等素材。在 Flash 库中可以显示素材文件被使用的次数，这样就可以方便地观察到文件是否被使用。对于那些没有在影片中用到的素材，就可以利用库面板删除掉。例如，你可能导入了几段声音，但决定只使用其中的一段。我们就可以通过库面板将其余的声音删掉。 Flash MX还添加了“共 享库”面板。我们在共享库中可以找到 Flash MX自带的声音、按钮、影片剪辑等。如果我们经常在影片中使用到一系列图形，就可以把它们放到自定义的、永久性的库中。自定义的永久库会添加到共享库列表中，使用的方法与系统自带的库的方式是一样的。 创建自定义共享库的方法为： 创建一个 Flash影片，在其中包含想放入共享库中的所有符号。 将 Flash文件复制到 Flash应用程序文件夹下 First Run子文件夹下的 Libraries文件夹内。这样，当我们打开 Flash软件，选择主菜单下的窗口 /共享库命令时，就可以看到 被创建的自定义共享库了。 Flash MX 添加了“影片探测器”面板。利用该面板提供的层次结构树，我们可以很快掌握 Flash 影片的全貌。它显示了每个场景、每个图层以及每个帧的内容。利用该功能，我们可以很容易地搞清楚 Flash源程序的结构，尤其是对于那些含有大量嵌套符号和动作符号的文件。我们会从网络中下载大量的 Flashnts 6 源文件，通过“影片探测器”面板，我们可以利用很短的时间，掌握文件的结构，通过分析文件的结构，学习到 Flash动画的制作技术。 2.1.2 Flash 动画的构成要素及制作技术 2.1.2.1 Flash 元件 在 Flash中构成动画的对象被称为元件。元件是 Flash中极其重要并且经常要用到的概念，在利用 Flash开发动画的时候通过引用符号可以有效地减少所生成影片的大小。元件的类型包括：图形、影片剪辑、按钮。在 Flash 中不管是矢量图形，还是位图图像，都可以转换为图形类型的元件。影片剪辑类型的元件用来放置声音或者是有多帧构成的简单动画。利用影片剪辑便于对动画进行管理，并且可以在影片中的任意场景或图层调用。例如，我们制作一个树叶下落的影片剪辑。在影片的制作过程中，我们不仅可以在一个图层里放置多个该影片 剪辑，从而造成一种树叶纷纷坠落的过程；我们还可以在另外的场景中，放置该影片剪辑，从而达到尽量减少文件大小的效果。 按钮类型的元件用来制作 Flash 动画中的按钮，按钮的应用可以实现动画的交互。我们可以通过为按钮设置动作，使动画产生停止、播放、跳转到任意帧、载入其他影片、链接到外部网站等的作用。我们可以通过 Insert/Convert to Symbol（或按快捷键 F8）将所选中的图形元素转换为符号。通过 Library（库）面板，我们可以对影片中的符号进行预览和操作。当需要使用符号时，只需将合适的符号从 Library面板中拖拽至需要的位置即可。 2.1.2.2 图层 Flash中的图层是用来放置影片中的元件的。在动画文件中，创建图层的数量取决于电脑的内存容量，但是不影响制作出来的动画文件的容量。在影片中，如果图层创建的数量太多，管理起来就会非常麻烦。所以，我们在制作动画时，应合理安排元件放置的位置。例如，将作为背景的所有元件放置在同一层内，并将其命名为“背景”。这样，我们在修改的时候，就会清晰明了。 2.1.2.3 帧 在 Flash中，帧分为普通帧和关键帧两种。在创作动画时，一些关键的画面，我们就会把它们设置为 关键帧，用来放置我们自定义的静态画面；而在这些关键画面之间由电脑自动绘出的过渡画面就称为普通帧。关键帧以黑色小圆点显示，普通帧以方形显示。 2.1.2.4 动画类型 Flash MX 的制作动画有两种形式：序列动画和内插动画，而内插动画包括Motion 动画和 Shape 动画。当我们制作动画的时候，要根据实际需要来考虑到使用的动画的制作类型。序列动画就是动画中每帧都制作一幅静态的图片，如动画有 24帧，我们就要制作 24帧的图片。这样制作的动画体积比较大，制作的过程比较复杂，因此用到的较少。在 Flash中，我们一般用 内插动画来进行制作。内插动画是指在创建动画时，只制作动画中的关键帧 ， 关键帧之间就由电脑自动绘制出过渡帧，生成一个动画。例如，我们制作一个由正方形渐变成圆形的动画，只需将这两个图形（分别是起始状态和最终状态）分别插入到两个关键帧中（两帧不相连），然后为起始帧设定 Shape 变形即可，中间的变形部分由电脑自动生成。但是，内插动画不适合表现较复杂的变形（比如走路）。 Flash MX 的内插动画类型有两种： Motion 变化， Motion 变化在 Flash MX 中可以做出物体nts 7 的移动、放大、缩小、旋转、颜色渐变、透明度渐 变等效果； Shape 变形， 利用Shape 进行一般的变形， Flash MX 会根据首尾两个关键帧上的形状的大小和位置，模拟一个从首帧上的形状变化到尾帧上形状的动画。 2.1.2.5 Flash 动画输出 Flash 制作的动画文件可以输出为 SWF 流式播放文件、 HTML 网页文件、 EXE直接可执行文件、 GIF 动态图像、 AVI 文件等。 SWF 格式的文件体积较小，适合在网络上传播，可嵌入网页中播放，需要使用 Flash播放器进行播放。 EXE直接可执行文件可直接在 Windows环境下执行播放，不需要独立的播放器。 GIF 动态图像 可以用来制作网站中所使用 BANNER，用来对网站进行宣传。 AVI 文件是标准的影视制作输出格式，在利用 Flash制作影视动画的首选输出格式。这种文件格式的缺点是，动画将不会再具有交互性，且输出的文件体积较大。在输出为 AVI文件之后，可以被影片制作软件读取，并做进一步的修改。因此，如果制作的Flash动画应用于科教片中的话，可以选择在制作完成后输出为 AVI 文 件格式。 2.2 FLASH 软件对于本设计的作用 在此之前 ,我们在学习过程中 ,已经使用了一些多媒体学习软件 ,实现方式多为 Powerpoint、 Direct、 Authorware 等。以上软件是目前主流的多媒体制作软件 ,但是这些软件往往存在着实现动画较为困难且效果单调 ,内部函数编辑功能弱或专业技术要求较高 ,通常需要借助其他动画软件才能达到动画效果 ,特别是在制作一些需要大量动画进行模拟演示的多媒体软件时 ,更感到力不从心。在这种情况下 ,利用 Flash 来制作动画较多的多媒体软件不仅仅是一种尝试 ,而更多的是一种必然选择。 Flash 软件除具有强大的动画制作、图片处理、声音编辑功能之外 ,还有强大而且易用的内部函数编辑器 ,它所制成的播放文件十分小巧 ,压缩比例大 ,这些是 Flash软件在制作动画多媒体方面的优势。 Flash自带的图片处理工具可以与很多经典的图像处理软件相媲美 ,例如 Photoshop 和 Coreldraw 等 ,另外配合Macromedia的 Fireworks可以处理多种格式的图片 ,更为重要的是 Flash自带的图片处理工具能够实现图片的全矢量化制作 ,这就保证了图片在改变放大倍数的情况下播放 ,仍能处于最优状态。 Flash 集成了强大的声音编辑功能。能导入多种声音格式 ,并能在内部进行压缩 ,压缩比可达 10:1。 Flash能在内部截取声音文件 ,控制输出声道 ,音量大小 ,输出格式 等等 ,这就使得利用 Flash 可以随心所欲地使用想要的音乐文件。 在 Flash 中作为制作多媒体软件不可缺少的内部函数编辑功能也很出色 ,Flash 的函数编辑器可以让用户轻松地编辑所需的帧函数或元件动作函数 ,而这很大程度上可以通过按钮或勾选实现 ,使编程轻松自如。并能保证软件的可靠性和稳定性。 Flash软件强大的功能，简单的操作手段使其逐渐为人们所熟知。我们利用它既可以制作在教学中使用的多媒体教学软件，也可以制作互联网页动画，当然也可以将其应用于电视教材的动画制作电视、电影中。 这些对于我们制作电力电子仿真实验 有着极大的帮助，可以使我们的实验通过 Flash的动画形式展现给广大观众。 nts 8 第 3 章 电力电子变流的 基础知识 3.1 实验所需的电力电子原件 3.1.1 晶闸管 一、 工作原理及伏安特性 晶闸管是由四层 PNPN 半导体材料构成的，可以把它看成是一个 PNP 晶体管和一个 NPN晶体管互连的器件，即 BG1的集电极接至 BG2的基极，而 BG2的集电极接 BG1的基极，如图 1-1所示。 图 1-1 晶闸管 双晶体管模型 当控制极 G开路时，给阳极和阴极加正向电压，即 A为正， K为负，这时，由于 J2 反偏， A， K 不导 通，只有微小的漏电流通过 ，当 A， K 之间正向电压足够大时，管子击穿， VBO为正向击穿电压，当 A， K之间加反向电压，即 K为正，A 为负，由于 J1和 J3反偏， A， K 仍然不导通，两者之间仍然只有微小的漏电流通过当 A， K之间的反向电压足够大时，管子反向击穿， VRO为反向击穿电压。 在阳极和阴极之间加正向电压的同时，控制极相对阴极加正的触发电压。一旦有足够的控制极电流 IR流入，根据图 1-1，就会形成强烈的正反馈，这样，就会使管子饱和导通，伏安特性曲线如图 1-2 所示。 图 1-2 伏安特性曲线 使管子突然导通时的阳极电 压叫转折电压。在使用中，不允许把 A， K 之间nts 9 的电压加到 VBO或 VRO上。 晶闸管的阳极电流是不随控制电流大小而变的，只能控制触发导通的时刻，IR大，可以使管子提早导通，就是当 A， K 之间只有 较 小电压时就可导通，也就是说， IR越大，转折电压越小，这点可 重复 ；伏安特性曲线上明显看出 晶闸管一旦触发导通，把控制极信号减小甚至完全去掉，管子仍然导通，只有当阳极电流减小到维持电流以下，管子才会截止，这是晶闸管与一般晶体管根本不同之点。 二 、主要特性参数 晶闸管的参数有 20 多项，这里将 一些常用的参数加以简单介绍。过去我国对晶闸管都使用机械工业部“ KP 型晶闸管整流元件”部标准，即 JB1144-75 和电子工业部“ 3GT型半导体晶闸管”部标准。考虑到某些方面更合理、更先进，以便与国际 IEC 标准一致，国家标准局于 1985 年颁布“普通晶闸管”的国家标准。即 GB4940-85。本书使用的是这个新标准，请读者与过去的老标准相区别。 1. 断态及反向重复峰值电压 Vdrm和 Vrrm 控制极断器，在一定的温度下，允许重复加在管子上的正向电压为断态重复峰值电压，用 Vdrm 表示。这个数值是不重复峰值电压 Vdsm的 90%，而不重复峰值电压即为正向伏安特性曲线急剧弯曲点所决定的断态峰值电压。反向重复峰值电压用 Vrrm 表示，它也是在控制极开路条件下，规定一定的温度，允许重复加在管子上的反向电压，同样， Vrrm为反向不重复峰值电压 Vrsm的 90%。 “重复”是指重复率为每秒 50次，持续时间不大于 10ms。 Vdrm和 Vrrm随温度的升高而降低，在测试条件中，将对温度作严格的规定 。生产厂把 Vdrm和 Vrrm 中较小的一个数值作为管子的额定电压。 2 断态漏电流 Idrm 和反向漏电流 Irrm 对应 Vdrm 和 Vrrm 的漏电流为断态漏 电流和反向漏电流，分别用 Idrm 和Irrm表示这个数值用峰值表示。 3. 额定通态电流 Ir 在环境温度为 40C和规定的冷却条件下，在单向工频（即 50HZ）正弦半波电路中，导通角为不大于 170，负载为电阻性，当结温稳定且不超过额定结温时，管子所允许的最大通态电流为额定通态电流。这个值用平均值和有效值分别表示。 4. 通态电压 Vtm 在规定环境温度和标准散热条件下，管子在额定通态电流 It 时所对应的阳极 和阴极之间的电压为通态电压，即一般称为管压降。此值用峰值表示。 这是一个很重要的参数，晶闸管导通时的 正向损耗主要由 It 与 Vtm 之积决定，希望 Vtm越小越好。 5. 维持电流 Ih 在室温下，控制极开路，晶闸管被触发导通后维持导通状态所必须的最小电流。也就是说，在室温下，在控制极回路通以幅度和宽度都足够大的脉冲电流，同时在阳极和阴极之间加上电压，使管子完全开通。然后去掉控制极触发信号，缓慢减小正向电流，管子突然关断前瞬间的电流即为维持电流。 6. 控制极触发电流 Igt和触发电压 Vgt 在室温条件下，晶闸管阳极和阴极间施加 6V 和 12V 的直流电压，使管子完全开通所必须的最小控制极直流电流为控制极触发电流 Igt。普通晶闸管的 Igt一般为数毫安至几百毫安；高灵敏晶闸管的 Igt小至数微安。对应控制极触发电nts 10 流的控制极电压称为控制触发电压 Vgt 7. 浪涌电流 在规定条件下，晶闸管通以额定电压，稳定后，在工频正弦波半周期间内管子能承受的最大过载电流。同时，紧间浪涌后的半周期间应能承受规定的反向电压。浪涌电流用峰值表示，是不重复的额定值；在管子的寿命内，浪涌次数有一定的限制。 8 断态电压临界上升率（ dv/dt） 在额定结温和控制极断路条件下，使管子从截止转入导通的最低电压上升率称为断态电压临界上升率，用 dv/dt 表 示，希望这个数值愈大愈好。 50 100A晶闸管的 dv/dt 25V/s,200A 以上管子的 dv/dt 50V/s。 9. 通态电流临界上升率（ dv/dt） 在规定条件下，管子在控制极开通是能承受而不导致损坏的通态电流的最大上升率称为通态电流临界上升率，用 di/dt 表示，管子在开通瞬间产生很大的功率损耗，而且这种损耗由于导通扩展速度有限，总是集中在控制极附近的阴极区域，如果管子的 di/dt 耐力不够，就 容易引起过热点，导致控制极永久性破2 4b ac 坏，对大电流的管子，这个问题更为突出。 10.控制极开通时间（agt） 当控制极加上足够的触发信号后，晶闸管并不立即导通，而是要延迟一小段时间。这延迟的一小段时间称为开通时间gtt。具体规定是控制极触发脉冲前沿的10%到阳极电压下降至 10%的时间为gtt，如图 1-3所示。 图 1-3 开通时间 Tgt的定义 11.电路换向关断时间（ tq） 从通态电流降至零这一瞬间起到管子开始承受规定的断态电压瞬间为止的时间间隔称为电路换向关断时间 tq。 开通时间gtt和关断时间 tq 决定管子的工作频率，工作频率较高的电路要选nts 11 用 tq 小的管子（ tq 小，gtt会更小）。这一参数是普通晶闸管和快速晶闸管的主要区别。关断时间 tq 的大小除了和管子内部结构有关以外，还与应用条件有很大关系，关断前晶闸管所通电流大小、 温度、关断时所加反向电压大小，重加dv/dt。反向 didt对关断时间 tq影响的定性关系如图 1-4所示。 图 1-4 诸因素对关断时间的影响 从图 1-4可见：温度、重加 dvdt、正向电流、重加电压、反向 dt/dt增加。则关断时间增大；反向电压增加，则关断时间减小。 三 、常用参数的测试 1. 根据国家标准 GB4024-83测试 (1)断态和反向峰值电流 Idrm,Irrm 测试原理电路如图 1-5所示 图 1-5 测 试漏电流的原理电路 nts 12 图中 : DUT 被测晶闸管； D1， D2 产生正半周电压的二极管，使只测量断态特性（ DUT 极性交换则只测量反向特性）； B 门极电路； R1 保护电阻器； Rs 校准电流的无感电阻器； Ap,Vp 峰值电流表、峰值电压表或示波器。 测试条件 : a.结温： 25和 Tjm（额定最高结温）； b.断态电压或反向电压：断态重复峰值电压（ Vdrm）或反向重复峰值电压（ Vrrm）； c.门极偏置条件：应规定门极电源电压和电源电阻，或门极至阴极间的电阻，或门极电路断路（门极电流为零）； d.交流电源频率： 50Hz 测量程序 : 被测管分别在 25和 Tjm 下，调节交流电源 G，按 VP 显示，使断态电压达到断态重复电压，由 AP或示波器显示的断态电流即为所断态重复峰值电流 IDRM。 被测管主电极的极性交换，重复上述操作即可测得反向重复峰值电流 IRRM。 (2) 通态峰值电压 VTM 测试原理电路如图 1-6 所示。 图 1-6 测试通态峰值电压 VTM原理电路 图中 : DUT 被测晶闸管； R 保护电阻器（限制充电电流）； RS 校准电流的无感电阻器； R1 当规定时接入的偏置电阻器； L， C 产生通态脉 冲电流的电感器和电容器； B 门极触发电源。 测试条件 : a.结温：出厂测试为 25C，型式试验为 25C和 TJM； b.通态峰值电流：通态平均值的倍（可以近似取 3）； c.电流脉冲可以是单次的，也可以是发热效应能忽略的低重复频率脉冲； d.电流脉冲宽度应足够宽，以使被测管完全开通。对于单次脉冲，视不同的nts 13 被测管，脉宽在 1 10ms 范围选择，对于大容量插件，还可以采用预开涌措施。应注意脉宽不可过窄，以免造成电流上升率超过额定值； e.测量位置，按图 1-7规定： 图 1-7 测量 VTM的测试点 测量程序 : 电源电压和门极触发电压先调至零。 被测管按规定压力和接线接入电路中。结温调至规定值，门极电路调至规定的偏置条件。 电源电压由零增加，通过 L， C 震荡，使流过被测管的脉冲电流整定到规定值（由 AP 或示波器指示），此时 VP 或示波器上显示的数值即为所测的通态峰值电压，其波形如图 1-8所示。 图 1-8 通态峰值电压波形 (1) 门极触发电流 IGT和触发电压 VGT测量原理电路如图 1-9所示。 图 1-9 测试 Igt Vgt 原理电路 图中 : E1 直流电源，也可用脉动直流电源； E2 可调直流电源； R 决定开通后通态电流大小的负载电阻器。 R 的阻值应选择保证被测管完全开通，并且开通后的电流不小于擎住电流； nts 14 V1， V2 直流电压表； A1， A2 直流电流表。 测试条件 : a.结温： 25C； b.断态电压：直流 12V或 6V； c.R， R1的阻值应予规定。 测量程序 : 被测管在 25C 下，由零开始逐渐增加门极至阴极间电压，当 V1 电压表指示的断态电压突然下降， A1电流表指示出通态电流的瞬间，此时， A2 表和 V2表的指示分别为所测门极触发电流和门极触发电压。应注意测量读数是在被测管刚好完全开通下进行。 业余测试 对于晶闸管使用者来说，有的也需对管子进行测试，如有的单位在外购元器件进仓前，需要进行复测或抽验；有的设计人员，根据具体情况，需要对某些参数进行挑选；有的维修人员在维修设备中也要对晶闸管进行简单的测试，以便决定是否更换原来的元件。一般来说，这些测试不必用专用仪器，只需用通用仪器仪表作简单的测试就行了。下面介绍使用万用表，晶体管图示仪对晶闸管几项常用的参数进行测试的方法。 (1) 使用万用表判别晶闸管的 “好” “坏” 从图 1 3可知，晶闸管的四层 PNPN半导体材料构成的器件，它包括了三个，PN结，根据 PN结单向导电的基本原理，可以用万能表很快判断的“好”或“坏” 具体做法是：用万用表“欧姆”档，将开关置于 10RK 或 100RK ，测量晶闸管阳极 A和阴极 K之间的电阻，不管“红绿表”置 A还是置 K，阳极和阴极的之间的电阻值都很大，一般为几百千欧以上。再测量控制极 G和阴极 K之间的电阻。 G 和 K 之间是一个 PN 结，但它 不是一个理想的 PN 结，它的正向特性并不象普通二极管那样具有较固定的压降，反向特性也并不表现出很大的电阻，有时甚至正反向电阻值接近。在测量时，将万用表置于 1R 或 10R 挡，测出的阻值为十几欧至几百欧。 如果测得某个晶闸管 A， K之间的正向或反向电阻为零，或者 G， K之间的电阻为零，那就说明晶闸管坏了。 (2) 用 JT 1型图示仪测量触发特性和维持电流及管压降 A.触发电流GTI的测试 接线 将被测管的 A， G， K分别接图示仪的 C， B， E（即原来测晶体管时应接的 C，B， E） 各旋钮，开关应放的位置 a.将基极阶级性和集电极扫描极性开关置于“ +”，阶梯作用置于重复，级 /秒置于 200； b.峰值电压范围开关置于 0 20V，先将峰值电压调至零； c.将 Y轴集电极电流置于合适的档级，即与晶闸管的阳极电流相适应； d.功耗电阻要选择恰当，不能太小，应满足特性曲线幅值的要求； e.将 X轴开关置于“基极电流或基极电压源”档 f.阶梯选择置于合适的电流档级，即与晶闸管触发电流 IGT相适应的档级。 nts 15 测量和读数 将峰值电压由零调至 8V，若没有触发（即屏幕上只有 X轴上的十个点子），这时，应将阶梯选择开关置于大一档的位置，如触发了，出现如图 1-12 所示的图形，这样，就可以读出 IGT的数值。例如：阶梯选择开关置于 5mA/级，图 1-12所示的 IGT应为 5 6=30mA。 B. 触发电压 VGT 的测试 与测试触发电流相同，只需要阶梯选择开关置于合适的电压档级，如置于 0。2V/级，测的如图 1-13所示的图形，这时，触发电压 VGT=0。 2 7=1。 4V。 C. 维持电流 IH的测试 维持电流较小，中小晶闸管 IH 通常为几毫安至几十毫安。在控制触发电流IGT 的测试中，把 Y 轴电流改为 1 2mA/度，功耗电阻适当加大，（如 500），根据维持电流的定义， IH是管子由导通转变成阻断时的阳极电流，在图 1-10中，IH约为 5mA。 图 1-10 测试 Igt Vgt 波形 D 通态电压TMV的测试 以测 5A 的管子为例 被测管的 A， G， K 分别接图示仪的 C， B， E，但接线套尽量短一些、粗一些。 各旋钮、开关应放的位置 Y 轴集电极电流置于 500 mA/度 X 轴集电极电压置于 0。 2V/度 峰值电压范围置于 0 20V，先将峰值电压调到 0V； 功耗电阻置于 2 ； 集电极极性开关置于“ +”； 基极阶梯信号极性开关置于“ +”； 阶梯作用置于重复 级 /秒置于 100mA/级 测量和读数 将峰值电压由零逐渐增加，配合功耗电阻调节，使 Y 轴集电极电流达到额定值 5A（峰值 3 5=15A）可得如下图 a 所示图形，从而读取通态电压 VTM （ 3） 用 QT2 型图示仪测量断态及反向重复峰值电压和漏电流 断态及反向电压和峰值电流本来可用 JT-1 型图示仪进行测量，但由于它集电极峰值电压最高只有 200V，而晶闸管的耐压多数大于 200V，所以，用于 JT-1相类似的 QT2 来测试。 在测试晶闸管额定电压时，可在 QT2 图示仪专用的高压测试装置中参照二nts 16 极管测试方法进行，即：将峰值电压旋转至零；把二极管测试盒与仪器二极管测试孔相连（或者用耐高压导线与测试孔相连）。再将被测晶闸管按面板所示的二极管极性与插孔相连接（阳极 A 接二极管“ +”极、阴极 K 接二极管“ ”极），晶闸管的门极端开。其他旋转、开关的位置为： 输出电压琴键置于 3000V； Y 轴电流置于 0.2mA/度 X 轴电压置于 200V/度 按住“测试”按钮，逐渐开高峰值电压，直到出现特性曲线急剧转折点，读取此值的 80%就是 VDRM 数值（图 b） 再将晶闸管反接（即 A 接“ -”、“ +”），即可测得 VDRM，在测定 VDRM， VRRM 的同时，可以读出正反向电流 IDRM和 IRRM 的值。图 1-15 中， VDRM=1000V， IDR=0.1mA。 图 a 测试 Vtm波形 图 b 测耐压及漏电流的波形 四 、特性曲线 第三节给出的有关电流参数还不能全面反映晶闸管电流方面的性能，因此，国家标准 GB4940 要求制造厂在企业标准或产品说明书中对每种规格的器件要向用户提供七种特性曲线。它们是： (1) 通态伏安特性曲引（TM TMIV）； (2) 瞬间热阻抗与时间关系曲线（ Z tth）； (3) 通态功耗与通态平均电流（导通角作参变量）的关系曲线 T AV T AVPI； (4) 管壳温度与通态平均电流 的降额曲线（导通角作参变量）（ C T AVTI）； (5) 浪涌电流与周波数关系曲线（TSMIn） (6) 2It特性曲线（ 2I t t ） ; (7) 门极触发范围特性曲线。 上述（ 1），（ 2），（ 7）三种曲线是实验曲线，是由制造厂对批量器件实测后给出的实用曲线。而其他曲线一般是根据实验曲线（ 1），（ 2）以及有关理论计算出来的，但具有很好的 实用效果。 各种曲线简介如下： 1.通态伏安特性曲线 nts 17 它是晶闸管在导通时流过的主电流和由此产生的主电压的关系曲线，它是晶闸管最基本的特性曲线之一。由于曲线上任一点反映了电流为瞬时值 ITM时电压瞬时值为 VTM，故该曲线又称 ITM-VTM曲线。 图 1-11、图 1-12 通态伏安特性 图 1-11晶闸管通态伏安特性示意图。一般应分别给出在 25C室温条件下和最高工作结温（一般是 125C）时两条曲线。从图 1-11可看出，在电流较小时，高温峰值电压低；而电流较大时，高温峰值电压比 相同通态电流的低温峰值电压大。两曲线有一交点 P。 P点对应的电流在器件的通态平均电流 T AVI和 TAVI之间变换。该电流越靠近 T AVI，则管子越好用。 如果只给出一条曲线，应给出高温时的曲线。 由于通态伏安特性曲线是一条非线性曲线，实际使用时计算很不方便。而曲线在工作范围内又很接近特性曲线。故在实际计算时，常采用直线近似的方法。 如图 1-12所示，在通态伏安特性曲线上去 两规定点 A， B，该两点对应的 ITM值应根据具体条件事先规定，一般是 1.5 T AVI和 4.5 TAVI， A， B 连线则近似作为伏安特性曲线，其解析表示为 T M T D T T MV V r I（ 1） 这里，0TV称为门槛电压，Tr称为斜率电阻。国外许多大公司和国内一些重点器件生产单位的产品样本中，都给出了jmV时0TV和Tr的值。 Rt的单位一般以 m给出。门槛电压反映了晶闸管的结压降，Tr反映了体内电导调制状况。有了这组值，就对器件的通态特性有全面概括的掌握。 当电流超出一定范围后 ,由 (1)式算出的 VTM 与实验值偏差就很大了。故 ,国外有的 公司样本往往给出两组 (0TV, Tr)值 ,分别对应工作电流和大电流下的直线近似特性。 晶闸管并联使用时 ,通态特性在选择器件时就显得特别重要。通常 ,选通态峰值电压相等的管子并联以保证良好的均流。其实 ,这个方法是不可靠的 ,因为它只保证了在峰值电流这一点均流。要得到大范围的动态均流，应选择并联晶闸管的门槛电压0TV、斜率电阻Tr大致相等。即它们的通态伏安特性曲线相同。 2瞬态热阻抗与时间关系曲线 这是晶闸管另一条基本特性曲线。晶闸管通过电流发热，其温度最高处应在PN 结，热量也不断从结处向外散逸。稳态时，其结温jT、管温度cT、传输的功率 Pt（ AV）之间有关系： j c jc T A VT T R P（ 2） 这里，jcR称为结 -壳热阻，表示了“热路”对热量传递的阻挡能力。在未达到稳nts 18 态之前，（ 2）式应写为 jcT（ t） = jcZ（ t） P （ 3） 这里，jcT（ t）表示在时刻 t 时结 -壳间温度差，jcZ（ t）表示此时的结 -壳瞬态热阻抗。由于管子：热路“上存 在热容，故jcZ（ t）比稳态热阻jcR小。一般jcZ（ t）的变化规律是由小随时间指数的增加，最后达到稳态热阻jcR的值。除jcZ（ t）外，还有结散瞬态热阻抗jsZ（ t）和总瞬态热阻jaZ（ t）等，一般用thZ（ t）表示。为了节省篇幅，瞬态热阻抗曲线采用单对数坐标， t轴为对数坐标，thZ（ t）为算术坐标，故曲线呈“ S”状，如图 1-13 所示。 图 1-13 在计算各种脉冲电流容量时，thZ-t曲线是必不可少的。因为，短时间电流脉冲不可能使器件达到热稳态，它的各种热计算都离不开瞬态热 阻抗曲线。设有一矩形脉冲，其幅值功率为 Pm，宽度为wt，则器件通过该脉冲后结温升高 j m th wT P Z t 。若有一系列周期为 T、宽度为 wt 、幅值功率为 Pm的矩形脉冲通过晶闸管，则第 n 个脉冲后结温升为 （ 4） 这是线路设计者经常要使用的公式。 3通态功耗与通态平均电流关系曲线 这是一个以电流波形（正弦波或矩形波）以及导通角为参量的计算曲线。计算中采用了对通态伏安特性曲线的直线近 似，即以一组（0TV，Tr）表示伏安特性。这样，通态平均损耗功率 PT（ AV）和通态平均电流的关系就可用下式描述： 220TTT A V T A V T A VP V I F r I（ 5） 式中， F 称为波形因数，它的意义是通态方均根电流和通态平均电流之比，即 R M ST A VIFI不同波形、不同导通角，则波形因数不同。常用的 F值如表 1-1所示。 导通角 30 60 90 120 180 270 DC 正弦波 F 4 00 2 78 2 22 1 88 1 57 矩形波 F 3 46 2 45 2 00 1 73 1 41 1 16 1 00 通 过（ 5）式计算出一组曲线，称为功率损耗与平均电流关系曲线，即nts 19 T AV T AVPI曲线。它直观地表示了不同波形以各种导通角流过晶闸管时所产生的功率损耗。用户可很方便地用它对不同波 形线路进行设计计算。 4管壳温度与通态平均电流降额曲线 国家标准中晶闸管电流容量是以最大通态平均电流额定的（国外有的公司用方均根电流额定）。一个额定电流为 500A 的晶闸管，并不是说总是能通过 500A的平均电流，它是有严格条件的：对于导通角为 180，频率为 50HZ 的正弦波电流，在保证了必要的散热条件并使壳温 Tc 保持某一规定值时，晶闸管才能通过 500A 的平均电流，这时，其结温达到其最高工作结温 125。晶闸管稳定工作时，其结温是不允许超过 125的，否则，会造成器件本身性能永久性的蜕变以至损坏。这是晶闸管工 作对电流的最基本限制条件。如果散热条件差，晶闸管壳温只保持在某一比规定值高的温度，则流过管子的电流必须降额，以维持结温不超过额定值。若壳温就等于额定结温（ 125 ），则允许通过的电流就是零。 结温的变化是由于电流产生功耗和热阻的存在而发生的，若平均电流 IT（ AV）产生的功耗为 PT（ AV），则结温jT、壳温cT、结 -壳热阻jcR间有如下关 系： j c jcT A VT T P R（ 6） c T AVTI曲线就是根据（ 5）、（ 6）式计算出来的，该组曲线是以电压波形和导通角为参数的。在这里需要说明的是：对于不同波形和导通角，jcR是不同的，这主要是因为在电流波形的各个计算时刻，均未达到热稳定，故jcR应 是用瞬态热阻抗曲线经过复杂计算得 出来的，不等于稳态热阻值。一般可根据实际在稳态热阻加上某一修正值取得。 c T AVTI曲线清楚地表明了晶闸管的电流容量及其限制条件。样本中给出 的额定电流值只是曲线上的一个点，用该曲线可方便地去顶某一电流下的最高壳温，成为选配散热器的重要依据。同时，还可通过测量壳温推算结温，看器件是否正常工作。 5浪涌电流和周波数的关系曲线与 I2t特性曲线 样本参数中给出一个周波浪涌电流额定值，实质是给出了晶闸管最高瞬态结温的限制。这个瞬态结温可高达 200以上。但是，持续时间必须很 短，以浪涌过后晶闸管仍具有规定的阻断能力为条件。如果浪涌电流不是一个周波，而是几个周波，要使其瞬态结温不超过额定值，使浪涌电流通过后管子仍具有规定的阻断能力，电流必须降额。且 n 越大，降额越大。这就是TSMIn曲线的意义。该曲线对过载使用的线路具有特殊的意义。 晶闸管的 I2t 表示了其承受短时间（小于 10ms）能量冲击的能用，该参数对选择保持电路及快速熔断器有重要作用。保护电路的动作时间应保证流过晶闸管的故障电流冲击小于其 2It额定值；快速熔断器的 2It应在保证变流器连续工作情况下小于晶闸管的 2It，否则不能保护晶闸管。 2I t
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