第四讲：晶闸管可控硅整流电路

1、高级维修电工培训课程高级维修电工培训课程第四讲：晶闸管可控硅整流电路第四讲：晶闸管可控硅整流电路一、一、1. 1. 概念概念: : 电力电子器件电力电子器件（Power Electronic Device） 可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件。 主电路（主电路（Main Power Circuit） 电气设备或电力系统中，直接承担电能的变换或控制任务的电路。 2. 分类分类: : 电真空器件电真空器件 (汞弧整流器、闸流管) 半导体器件半导体器件 (采用的主要材料硅）（一）（一） 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征电力电子器件电力电子器件 能处理电功率的能力，一般

2、远大于处理信息的电子器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件，一般都要安装散热器。（一）（一） 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征3. 同处理信息的电子器件相比的一般特征：同处理信息的电子器件相比的一般特征： 通态损耗通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗开关损耗可能成为器件功率损耗的主要因素。主要损耗通态损耗断态损耗开关损耗关断损耗开通损耗（一）（一） 电力电子器件的概念和特征电力电子器件的概念和特征 电力电子器件的损耗电力电子器件的损耗电力电子系统电力电子系统

3、：由控制电路控制电路、驱动电路驱动电路、保护电路保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路主电路组成。图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成控制电路检测电路驱动电路RL主电路V1V2保护电路在主电路和控制电路中附加一些电路，以保证电力电子器件和整个系统正常可靠运行（二（二）应用电力电子器件系统组成应用电力电子器件系统组成电气隔离控制电路l半控型器件（半控型器件（Thyristor）l 通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。l全控型器件（全控型器件（IGBT,MOSFET) )l 通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。l不可控器件不可控器件( (Power Dio

4、de) ) 不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不需要驱动电路。（三）（三）电力电子器件的分类电力电子器件的分类 按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：（三）（三）电力电子器件的分类电力电子器件的分类l电流驱动型电流驱动型 通过从控制端 注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。l电压驱动型电压驱动型 仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。 按照驱动电路信号的性质，分为两类：按照驱动电路信号的性质，分为两类： Power Diode结构和原理简单，工作可靠，自20世纪50年代初期就获得应用。快恢复二极管和肖特基二极

5、管，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。 1、不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管整流二极管及模块 基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。 由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。 从外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装。 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 状态参数正向导通反向截止反向击穿电流正向大几乎为零反向大电压维持1V反向大反向大阻态低阻态高阻态二极管的基本原理就在于PN结的单向导电性这一主要特征。 PN结的反向击穿（两种形式)l雪

6、崩击穿l齐纳击穿l均可能导致热击穿 PN结与电力二极管的工作原理结与电力二极管的工作原理 PN结的状态主要指其伏安特性伏安特性l门槛电压门槛电压UTO，正向电流IF开始明显增加所对应的电压。l与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电正向电压降压降UF 。承受反向电压时，只有微小而数值恒定的反向漏电流。图1-4 电力二极管的伏安特性电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性1. 静态特性静态特性IOIFUTOUFUv正向压降先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如 2V）。v正向恢复时间tfr。v电流上升率越大，UFP越高 。UFPuiiFuFtfrt02V图1-5(b

7、)开通过程二二. 电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 开通过程开通过程： 关断过程关断过程v须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。v关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRPdiFdtdiRdt图1-5(b)关断过程 额定电流额定电流在指定的管壳温度和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1. 正向平均电流正向平均电流IF

8、(AV)在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。3. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。使用时，应当留有两倍的裕量。 4. 反向恢复时间反向恢复时间trr trr= td+ tf电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数2. 正向压降正向压降UF结温结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。TJM是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。TJM通常在125175C范围之内。6. 浪涌电流浪涌电流IFSM指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。 电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数5. 最高工作结温

9、最高工作结温TJM1. 普通二极管普通二极管（General Purpose Diode） 又称整流二极管（Rectifier Diode） 多用于开关频率不高（1kHz以下）的整流电路 其反向恢复时间较长正向电流定额和反向电压定额可以达到很高按照正向压降、反向耐压、反向漏电流等性能，特别是反向恢复特性的不同介绍。电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型 简称快速二极管 快恢复外延二极管快恢复外延二极管 （Fast Recovery Epitaxial DiodesFRED），其trr更短（可低于50ns）， UF也很低（0.9V左右），但其反向耐压多在1200V以下。从性能上可分为快速恢复和

10、超快速恢复两个等级。前者trr为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。2. 快恢复二极管快恢复二极管 （Fast Recovery DiodeFRD）肖特基二极管的弱点弱点 反向耐压提高时正向压降会提高，多用于200V以下。 反向稳态损耗不能忽略，必须严格地限制其工作温度。肖特基二极管的优点优点 反向恢复时间很短（1040ns）。 正向恢复过程中也不会有明显的电压过冲。 反向耐压较低时其正向压降明显低于快恢复二极管。 效率高，其开关损耗和正向导通损耗都比快速二极管还小。电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型3. 肖特基二极管肖特基二极管(DATASHEET) ) 以金

11、属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管称为肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode SBD）。 1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。 晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）G P1P2N1N2P1P2N1N2K GAKA T2T1_P2N1N2IGIAP

12、1N1P2IKGPPNNNPAGK常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构外形有螺栓型和平板型两种封装。有三个联接端。螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装方便。平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。 T1T2G2Bii 1BG22Ciii 在极短时间内使两在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。211CCii 2BG21ii EGEA+_RGi2BiG21iG2iGEA+_R T1T2Gi2BiGi21Gi2EGG2Bii 1BG22Ciii 211CCii 2BG21ii 必须使可控硅

13、阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小, ,直到直到正反馈正反馈效应效应不能维持。不能维持。 将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBOIHoUIIG0IG1IG2正向平均电流正向平均电流)(曲曲线线UfI UFRM:晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下, ,允允许重复加在许重复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取UFRM = = 80% UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为100V 3000V控制极开路时控制极开路时, ,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管

14、晶闸管元元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取一般取 URRM = 80% UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100V3000VURRM：)(sin21m0mFIttdII 环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散热条件下，标准散热条件下，晶闸晶闸管处于管处于全导通时全导通时可以连续通过的工频正弦可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。半波电流的平均值。 IF t 2 i如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im, 则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较

15、小者额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF) 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A, ,额定电压为额定电压为700V。A1A2G通过控制电压的控制可实现双向导通。通过控制电压的控制可实现双向导通。A1A2G RC Tu双向二极管双向二极管(1) 电路电路。uuu To, 0。0,To uuu+T t1 2 。uu,u T 0o:1t 。0,To uuu tuO晶晶闸闸管管不不导导通通。,0,0g1 ut t 。uuu To, 0gu tO tOuO 控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO导通角导通角 tuUd21O )

16、d(sin221ttU 2cos145. 0LLOO RURUI2cos145. 0 U +TLeL tguO tTuO tOuO t1 tuO t22 +LTD+(1) 电路电路iL tOu tuO tTuO 2 tguOaRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a tOu tuO tT1uO2 tguO tuUd1O )d(sin21ttUU 2cos19 . 0LO RURUI2cos19 . 0 U两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。无反向电压。2. 晶闸

17、管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D4u0RL+-+-电路电路特点特点 1. 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作用。续流二极管作用。(2)动画动画2. 由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-u2a2 u2bu2ct1t2ut o ，一旦发生过，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将电流时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只件内部短路或开路。例如一只100A

18、的的晶闸管晶闸管过电流过电流为为400A400A时，仅允许持续时，仅允许持续0.020.02秒，否则将因过热而损秒，否则将因过热而损坏；坏； 电压超过其反电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。的电流较大，使器件受损。与晶闸与晶闸管串联管串联接在接在输入输入端端接在接在输出输出端端 RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护NPPN结结N型硅片型硅片2B1B1BBB1BRRRUU BBBBBB1BUURR 分压比分压比( (0.5 0.9) )UBB+_+_RP+_+_RB1RB2AUBB+_RP+_+_(3) 维持单结管导通的最小维持单结管导通的最小 电压、电流。电压、电流。 单结管由截止变导通单结管由截止变导通 所需发射极电压所需发射极电压。IpIVV截止区截止区P 3. 不同单结晶体管的谷点电压不同单结晶体管的谷点电压谷点电流谷点电流都都 不