机器人课程之晶闸管

1、 模块一模块一 调光灯调光灯 晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数 晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 返回返回项目一项目一 认识晶闸管和单结晶体管认识晶闸管和单结晶体管1.1 、晶闸管晶闸管 晶闸管晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管包括：普通晶闸管(SCR)、快速、快速晶闸管晶闸管(FST)、双向晶闸管、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管、逆导晶闸管(RCT) 、可关断晶闸管、可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。和光控晶闸管等。普通晶闸管：也称可控硅整流管普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Controlled Rectif

2、ier), 简称简称SCR。 由于它电流容量大由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性电压耐量高以及开通的可控性(目前生产水平：目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、直流变换等领域流、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率成为特大功率低频低频(200Hz以下以下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。晶闸管及其工作原理晶闸管及其工作原理l晶闸管的外型及符号晶闸管的外型及符号1、晶闸管的结构：晶闸管的结构：常用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符号普通晶闸管SCR双向晶闸管2、晶闸管的工作原理晶闸管的工作

3、原理图图1.1.3 1.1.3 晶闸管的内部结构和等效电路晶闸管的内部结构和等效电路 (1) (1)导通：导通：阳极施加正向电压阳极施加正向电压; 门极门极G也加正向电压也加正向电压晶闸管晶闸管( (单向导电性单向导电性),),导通条件为导通条件为阳极正偏阳极正偏和和门极加正向触发电流门极加正向触发电流。返回返回晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件 可允许开关频率在可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶以上工作的晶闸管称为快速晶闸管闸管(Fast Switching Thyristor，简称，简称FST)，开关频率，开关频率在在10KHZ 以上的称为高频晶闸管。以上的称为高频晶闸管。

4、 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般在般在2000V以下。以下。1. 快速晶闸管快速晶闸管(Fast Switching ThyristorFSTFST 有两个主电极有两个主电极T1和和T2，一，一个门极个门极G。 正反两方向均可触发导通，正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第和所以双向晶闸管在第和第第III象限有对称的伏安特性。象限有对称的伏安特性。a)b)IOUIG=0GT1T2图图1.3.6 1.3.6 双向晶闸管的电气图形双

5、向晶闸管的电气图形符号和伏安特性符号和伏安特性a) 电气图形符号电气图形符号 b) 伏安特性伏安特性2双向晶闸管双向晶闸管(TRIAC)(TRIAC)3. 逆导晶闸管逆导晶闸管 (RCT) 4. 光控晶闸管光控晶闸管(LTT)(LTT)1)又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。导通的晶闸管。2）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可）光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，避免电磁干扰的影响，因此目前在高压大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。

6、如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上的功率集成器件。的功率集成器件。返回返回调节交流电的导通角调节交流电的导通角最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路就可以构成可控整流电路 。通过改变控制角通过改变控制角或导通角或导通角，改变负载上脉冲直流电，改变负载上脉冲直流电压的平均值压的平均值UL，实现了可控整流。，实现了可控整流。 主要作用

7、：主要作用：调相 调相即载波的初始相位随着基带数字信号而变化 。 其特点是抗干扰能力强，但信号实现的技术比较复杂。 3.2.5霍尔器件霍尔器件 霍尔器件这是一种磁敏器件，外表很像晶体霍尔器件这是一种磁敏器件，外表很像晶体三极管。三极管。 霍尔器件有开关型和线性两种。霍尔器件有开关型和线性两种。 在磁场作用下，它随磁场强度变化以呈现开在磁场作用下，它随磁场强度变化以呈现开关变化或线性变化而输出电压。关变化或线性变化而输出电压。 常用来制作传感器、检测旋转角度、移动距常用来制作传感器、检测旋转角度、移动距离和限位等。在对速度有要求的场合，要使离和限位等。在对速度有要求的场合，要使用高速霍尔器件。用

8、高速霍尔器件。 326光电隔离器 在很多情况下，电路干扰是由电源或信号共地造成的。使在很多情况下，电路干扰是由电源或信号共地造成的。使用光电耦合器件，可以解决共地带来的干扰。光电隔离器用光电耦合器件，可以解决共地带来的干扰。光电隔离器又称光电耦合器，又称光电耦合器， 工作原理电路信号使左端发光二极管产生亮和灭两种状工作原理电路信号使左端发光二极管产生亮和灭两种状态，也就是说，把电路信号变成了光信号。右端是光敏器态，也就是说，把电路信号变成了光信号。右端是光敏器件，它根据光通量大小产生光电流送到相连的电路，这就件，它根据光通量大小产生光电流送到相连的电路，这就是把光信号转化为电信号。我们不难看出

9、，在电一光一电是把光信号转化为电信号。我们不难看出，在电一光一电的过程中，两边的电信号是通过物理的光作为转换的，左的过程中，两边的电信号是通过物理的光作为转换的，左右两端的电信号没有共地的连接，因而去除了通过地将前右两端的电信号没有共地的连接，因而去除了通过地将前级干扰引入后级而导致的问题。级干扰引入后级而导致的问题。 常用型号 分为单路和多路封装、高速和低速、开关型和线性型。 The end! 作用：产生符合要求的门极触作用：产生符合要求的门极触发脉冲，决定每个晶闸管的触发脉冲，决定每个晶闸管的触发导通时刻。发导通时刻。 图图1.9.41.9.4为为基于脉冲变压器基于脉冲变压器PTPT和三极

10、管放大器的驱动电路。和三极管放大器的驱动电路。 工作原理：工作原理：当控制系统发出的当控制系统发出的高电平驱动信号加至三极管放高电平驱动信号加至三极管放大器后，变压器大器后，变压器PTPT输出电压经输出电压经D D2 2输出脉冲电流触发输出脉冲电流触发SCRSCR导通。导通。当控制系统发出的驱动信号为当控制系统发出的驱动信号为零后，零后，D D1 1、D DZ Z续流，续流，PTPT的原边的原边电压速降为零，防止变压器饱电压速降为零，防止变压器饱和。和。图图1.9.4 带隔离变压器的带隔离变压器的SCR驱动电路驱动电路 图图1.9.51.9.5光耦隔离的光耦隔离的SCRSCR驱动驱动电路。电路

11、。工作原理：工作原理：当控制系统发当控制系统发出驱动信号致光耦输入端时，出驱动信号致光耦输入端时，光耦输出电路中光耦输出电路中R R上的电压上的电压产生脉冲电流触发产生脉冲电流触发SCRSCR导通。导通。图图1.9.5 光耦隔离的光耦隔离的SCR驱动电路驱动电路2GTO的驱动电路的驱动电路 1) 作用作用: 将控制电路输出的控制信号放大到足以保证将控制电路输出的控制信号放大到足以保证GTR可靠导通和关断的程度。可靠导通和关断的程度。 2) 功能功能: 提供合适的正反向基流以保证提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关可靠导通与关断断(期望的基极驱动电流波形如图期望的基极驱动电流波形如图1.

12、9.7 所示所示)。 实现主电路与控制电路的隔离。实现主电路与控制电路的隔离。 具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动具有自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号，避免损坏切除驱动信号，避免损坏GTR。 电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。电路尽可能简单、工作稳定可靠、抗干扰能力强。 3GTR的驱动电路的驱动电路 图图1.9.8 双电源驱动电路双电源驱动电路 图图1.9.10 UAA4002组成组成 的的GTR驱动电路驱动电路 由于由于IGBT的输入特性几乎和的输入特性几乎和VDMOS相同相同(阻抗高，阻抗高，呈容性呈容性)所以，要求的驱动功率小，电路简单，用于所以，要求

13、的驱动功率小，电路简单，用于IGBT的驱动电路同样可以用于的驱动电路同样可以用于VDMOS。图图1.9.11 采用脉冲变压器采用脉冲变压器 隔离的栅极驱动电路隔离的栅极驱动电路 图图1.9.12 推挽输出的推挽输出的 栅极驱动电路栅极驱动电路 l4MOSFET和和IGBT的驱动电路的驱动电路图图1.9.13 EXB8XX驱动模块框图驱动模块框图 图图1.9.14 集成驱动器的应用电路集成驱动器的应用电路 1.9.3 保护电路保护电路 电力电子系统在发生故障时可能会发生过电力电子系统在发生故障时可能会发生过电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。电流、过压，造成开关器件的永久性损坏。 过流、过压保

14、护包括器件保护和系统保护过流、过压保护包括器件保护和系统保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护两个方面。检测开关器件的电流、电压，保护主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开主电路中的开关器件，防止过流、过压损坏开关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的关器件。检测系统电源输入、输出以及负载的电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而电流、电压，实时保护系统，防止系统崩溃而造成事故造成事故 。 措施：措施：通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔通常电力电子系统同时采用电子电路、快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流断器、直流快速断路器和过电流继电器等几种过电流保护措施，提高

15、保护的可靠性和合理性。保护措施，提高保护的可靠性和合理性。 快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路快熔仅作为短路时的部分区段的保护，直流快速断路器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器器整定在电子电路动作之后实现保护，过电流继电器整定在过载时动作。整定在过载时动作。 l图图1.9.16 电力电子系统中常用的过流保护方案电力电子系统中常用的过流保护方案 1 . 过电流保护（过流包括过载和短路）过电流保护（过流包括过载和短路） 过电压过电压外因过电压和内因过电压。外因过电压和内因过电压。v 外因过电压：外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、

16、合闸等开关操作引起）等外因。（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。v 内因过电压：内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。关过程。 (1) 换相过电压：换相过电压：晶闸管或与全控型器件反并联的二晶闸管或与全控型器件反并联的二极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反极管在换相结束后不能立刻恢复阻断，因而有较大的反向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减向电流流过，当恢复了阻断能力时，该反向电流急剧减小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。小，会由线路电感在器件两端感应出过电压。 (2) 关断过电压：关断过电压：全控型器件关断时，正向电流

17、迅速降全控型器件关断时，正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。l2过电压保护过电压保护 2过电压保护过电压保护 过电压外因过电压和内因过电压。外因过电压：主要来自雷击和系统中的操作过程（由分闸、合闸等开关操作引起）等外因。内因过电压：主要来自电力电子装置内部器件的开关过程。电力电子系统中常用的过电压保护方案： 作用：防止器件串联使用时电压、并联作用：防止器件串联使用时电压、并联使用时电流分配不均匀，使其电压、电使用时电流分配不均匀，使其电压、电流超过器件的极限损坏器件。流超过器件的极限损坏器件。3开关器件串联、并联使用时的开关器件串联、并

18、联使用时的 均压、均压、 均流均流1.9.4 缓冲电路缓冲电路 1）原因：）原因： 电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态电力电子器件工作状态有开通、通态、关断、断态四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载四种工作状态，其中断态时承受高电压，通态时承载大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受大电流，而开通和关断过程中开关器件可能同时承受过压、过流、过大的过压、过流、过大的 、 以及过大的瞬时功以及过大的瞬时功率。率。 2）缓冲电路作用：）缓冲电路作用：防止高电压和大电流可能使器件防止高电压和大电流可能使器件工作点超出安全工作区而损坏器件。工作点超出安全工作区而损坏器件。 3）原理：）原理：关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换关断缓冲电路吸收器件的关断过电压和换相过电压，抑制相过电压，抑制 ,减小关断损耗；开通缓冲电路抑减小关断损耗；开通缓冲电路抑制器件开通时的电流过冲和制器件开通时的电流过冲和 ,减小器件的开通