《可控整流电路》课件.ppt

15.3可控整流电路,15.3.1晶闸管,15.3.2单相可控整流电路,15.3.3可控整流触发电路,二极管组成的整流电路中，输出电压平均值,若输入交流电压不变，则输出电压平均值是固定的，不能任意控制和改变，因此这种整流电路通常称为不控整流电路。,要想调节不控整流电路的输出电压值，可以接入一个调压变压器，调节U2，但这增加了设备和成本；或串入可变电阻器调压，增加了功耗。,科学的解决办法是采用可控整流电路，这需要使用可控整流元件晶闸管。可控整流不需增加调压变压器，调节容易，便于自动控制。,晶闸管是一种大功率的半导体器件，它具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、使用维护简单、控制灵敏等优点。同时它的功率放大倍数很高，可以用微小的信号功率对大功率的电源进行控制和变换。在脉冲数字电路中也可以作为功率开关使用。,由半导体二极管组成的整流电路，电路形式一旦确定，则当输入的交流电压不变时，输出的直流电压值不能任意控制和改变，因此这种整流电路通常称为不可控整流电路。,然而在实际工作中，有时希望整流器的输出直流电压能够根据需要进行调节，这种情况下需要采用可控整流电路，而晶闸管正是可以实现这一要求的可控整流元件。,晶闸管俗称可控硅。,15.3.1晶闸管,15.3.1.1晶闸管的结构和等效模型,图01.07.01为晶闸管的内部结构和符号。晶闸管有三个电极，A是阳极、K是阴极、G是控制极，晶闸管由PNPN四层半导体构成，中间形成三个PN结：J1、J2、J3。从下面的P1层引出阳极A，从N2层引出阴极K，由中间的P2层引出控制极G，用铝片和钼片作为衬底。,图01.07.01晶闸管的内部结构和符号,15.3.1.1.1晶闸管的结构,根据晶闸管的结构，可以画出图01.07.02的内部结构等效模型，并归结为PNP型晶体管T1和NPN型晶体管T2的闭合连接形式。,图01.07.02晶闸管的内部结构的等效模型,T1的e极是阳极A，T2的e极是阴极K，T1的c极和T2的b极连在一起是栅极G，T1的b极和T2的c极在内部连在一起。这种闭合的连接形式具有十分重要的作用。,15.3.1.1.2晶闸管的等效模型,15.3.1.2晶闸管的工作原理,根据晶闸管的结构，当UAK0，即阳极和阴极之间加正向电压，且控制极不加电压时，由于PN结J2为反偏，所以晶闸管处于阻断状态；,15.3.1.2.1晶闸管工作原理分析,而当UAK0时，由于J1和J3反偏，晶闸管仍然阻断。,如果在UAK0的同时，且UK0，则晶闸管就由阻断变为导通，而且管压降很小，约1V左右，相当于开关处于闭合状态。可见，晶闸管相当于一个可以控制的单方向导电的开关。,当晶闸管加正向电压，即UAK0时，同时，在控制极与阴极之间加电压UK0，则晶闸管出现如下过程,栅极加信号UK0,出现栅极电流I0,于是出现电流IC2和IK，IC2=IB1,于是出现电流IC1和IE1，晶闸管导通。,重要的是，IC1的出现可以代替电流IG，晶闸管导通后即使撤消UGK，晶闸管继续保持导通。所以称UGK为触发信号。,图01.07.03晶闸管的触发导通,图01.07.04晶闸管导通和截止的实验情况,实验电路按左图连线。加UAK0，不加UGK=0，晶闸管不导通；,晶闸管加UAK0，加UGK0，晶闸管导通，灯泡亮；,晶闸管导通后，即使撤消UGK，晶闸管仍然导通，灯泡亮；,15.3.1.2.2晶闸管实验,图01.07.04晶闸管导通和截止的实验情况,要使晶闸管截止，方法之一是加大阳极回路的电阻，减小阳极电流，当阳极电流小于一个称为维持电流时，晶闸管截止。,要使晶闸管截止，方法之二是使阳极回路的电压反接，晶闸管即截止。,图01.07.05是例题电路的波形图，输入为一正弦波，当正弦波的正半周，符合UAK0的条件。此时滞后角加触发脉冲，晶闸管导电角。控制角可调节输出电压的平均值在00.45U2之间变化。,例：分析图01.07.05电路的工作情况。,图01.07.06例题的波形图,图01.07.05例题的电路图,晶闸管的伏安特性描述了阳极和阴极间电压与阳极电流的关系，如图01.07.07所示。,图01.07.07伏安特性曲线,当u0时的伏安特性曲线称为正向特性。由图01.07.07可知，在IG=0时，正向电压小于正向转折电压UBO时，晶闸管是阻断的(OA段)。超过UBO后，晶闸管转为通态(AC段)，阳极电流急剧增大，uAK迅速下降(BC段)，BC段与二极管的正向特性相似。应在阳极回路串入电阻限流，以保护晶闸管。,当u0时的伏安特性曲线称为反向特性。由图可知，在晶闸管加反向电压时，反向电流很小，晶闸管是阻断的。当反向电压达到反向击穿电压UBR时，晶闸管反向击穿。反向特性与普通二极管相似。,15.3.1.2晶闸管的伏安特性,1.额定正向平均电流IF-,在额定环境温度及标准散热条件下，允许通过工频正弦半波电流的平均值。当散热条件较差、环境温度较高和器件导通角较小时，所允许的电流要降低。一般IF为正常工作平均电流的1.52倍。,2.维持电流IH-,是指由通态到断态的最小电流。,3.控制极触发电压UG、触发电流IG-,在规定的环境温度和阳极-阴极间加一定正向电压的条件下，使晶闸管从阻断状态转变为导通状态所需要的最小控制极直流电压、最小控制极直流电流，称为触发电压、触发电流。一般UG为15V，IG为为几十到几百毫安。,15.3.1.3晶闸管的主要参数,5.阻断态重复峰值电压UDRM-,当控制极断路，器件结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压，又称正向阻断峰值电压，其值为,指在额定结温（100A以上为115C，50A以下为100C）和控制极断开的条件下，阳极-阴极间加正弦半波正向电压，使元件由阻断状态发生正向转折变成导通状态所对应的电压峰值。,4.正向转折电压UBO,6.反向重复峰值电压URRM-,又称反向阻断峰值电压，指在控制极开路和额定结温下，允许重复加在器件上的反向峰值电压。其值为,15.3.2单相可控整流电路,单相桥式可控电路如图15.3.5(a)所示，用晶闸管VT1、VT2代替了不可控桥式整流电路中的二极管，并加入触发电路。,图15.3.5单相桥式可控整流电路,在u2的正半周，VT1、VD2承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，VT1不导通，此时负载中没有电流流过。当t=时，在VT1控制极加上触发脉冲，VT1导通，电流流经VT1、RL、VD2。负载电压uL=u2，方向自上而下。这时VT2和VD1承受反向电压而阻断。,当t=时，u2降为零，VT1变为阻断状态，电流为0。,15.3.2.1工作原理,方向自上而下,在u2负半周，VT2、VD1承受正向电压，若晶闸管的控制极不加脉冲，VT1不导通，此时负载中没有电流流过。当t=+时，晶闸管VT2受触发而导通，电流流经VT2、RL、VD1，负载上的电压仍然为uL=u2，方向自上而下。这时VT1和VD2承受反向电压而阻断。当t=2时，u2=0，VT2变为阻断状态。,方向自上而下,图15.3.5单相桥式可控整流电路波形图,15.3.2.1波形图,图中称为控制角，=-称为导电角，显而易见，当愈小时，即愈大时，输出电压平均值愈大。由uL的波形图可得,由单相桥式可控电路的工作原理可以得到波形图，如图15.3.5(b)所示。,单相桥式可控整流电路的输出电压UO(AV)与的关系曲线如图15.3.6所示。,图15.3.6单相桥式可控整流电路的输出电压与的关系,输出电流的平均值IO(AV):,流过二极管及晶闸管的平均电流为:,晶闸管和二极管所承受的最大反向电压:,单相桥式可控整流电路与单相桥式不控整流电路的工作原理差别仅在于整流元件及其导电角不同，不控整流的开关元件是二极管，导电角；可控整流的开关元件是晶闸管，导电角。,15.3.3.1单结晶体管的结构,单结晶体管是一种具有负阻特性的半导体器件，在电子电路中被广泛使用。它是在一块条形N型半导体的中间制作一个PN结，从P型半导体引出的电极称为发射极E；在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触的电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2。单结晶体管的结构示意图和符号见图01.06.01。,(a)结构示意图(b)符号图01.06.01单结晶体管的结构示意图及符号,15.3.3可控整流触发电路,15.3.3.2单结晶体管的等效模型,为了了解单结晶体管的工作原理，需要研究单结晶体管的等效模型，图01.06.02中的虚线框内为单结晶体管的等效电路。条形N型半导体中间的PN结用一个二极管D来代替，从PN结负极A点到B1和B2用电阻RB1和RB2表示。当UE=0时，PN结不导通，当UEUA时，PN结导通，并起到控制RB1阻值的作用。,图01.06.02单结晶体管的等效电路,单结晶体管有一个重要的参数分压比,15.3.3.3单结晶体管的工作原理和特性曲线,单结晶体管具有负阻特性，在电子电路中广泛使用。下面结合图01.06.02加以说明。它是在一块条形N型半导体的中间制作一个PN结，从P型半导体引出的电极称为发射极E；在N型半导体的两端各制造一个欧姆接触的电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2。单结晶体管的等效电路和伏安特性曲线见下图。,图01.06.02单结晶体管的等效电路,图01.06.03单结晶体管的伏安特性,当UE等于0或小于UEUA+Uth(on)之前，二极管反偏，电流极小，单结晶体管相当截止。,当UE=UA+Uth(on)，IE达到峰点电流IP时，D、RB1中的电流明显增加，载流子浓度大大增加，使RB1对应的N型区的电阻下降，所以随着电流的增加，RB1上电压降反而降低，出现负阻区，直至达到谷点电流IV。,当UE继续增加时，IE达到谷点电流IV后，单结晶体管进入饱和区，并转入正阻区。