第11章电力电子器件晶闸管及其应用ppt课件

1、电电 子子 技技 术术晶闸管及其应用返回返回后一页后一页前一页前一页前一页前一页 后一页后一页返回返回晶闸管晶闸管（Silicon Controlled Rectifier） 一种可控单向导电开关工作于开关一种可控单向导电开关工作于开关状态下的大功率电子器件出现于状态下的大功率电子器件出现于70年代。年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域强电领域 。 体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命长、长、 容量大正向平均电流达千安、正向耐容量大正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。压达数千伏）。 优点：优点：返回返回前一页

2、前一页 后一页后一页 整流整流 （交流（交流直流）直流）逆变逆变 （直流（直流交流）交流）变频变频 （交流（交流交流）交流）斩波斩波 （直流（直流直流）直流）此外还可作无触点开关等此外还可作无触点开关等返回返回前一页前一页 后一页后一页11.1.1 可控硅的结构及工作原理可控硅的结构及工作原理 1. 结构及符号结构及符号 K 阴极阴极控制极控制极G阳极阳极 A符号符号K GAP1P2N1N2构造构造三三 个个 PN结结四四 层层 半半 导导 体体返回返回前一页前一页 后一页后一页PPNNNPAGKKAGVT2VT1内部等效电路内部等效电路P1P2N1N2K GA内部结构内部结构返回返回前一页前

3、一页 后一页后一页Gi2BiKAGVT1VT2Gi21Gi2EA 0、EG 0GBii212BGCiii 在极短时间内使在极短时间内使两个三极管均饱和两个三极管均饱和导通，此过程称触导通，此过程称触发导通。发导通。11 BCii 221BGii 形成正反馈过程形成正反馈过程:EGEA返回返回前一页前一页 后一页后一页Gi2BiKAGVT1VT2Gi21Gi2GBii212BGCiii晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉EG ， 依靠正反依靠正反馈，仍可维持导通馈，仍可维持导通状态。状态。11 BCii 221BGii 正反馈过程正反馈过程:EAEGEA 0、EG 0返回返回前一页前一页 后一页

4、后一页晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1、晶闸管阳极电路阳极与阴极之间施加、晶闸管阳极电路阳极与阴极之间施加 正向电压。正向电压。2、晶闸管控制电路控制极与阴极之间加、晶闸管控制电路控制极与阴极之间加 正向电压或正向脉冲正向触发电压）。正向电压或正向脉冲正向触发电压）。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正依靠正反响，可控硅仍可维持导通状态。反响，可控硅仍可维持导通状态。返回返回前一页前一页 后一页后一页晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： 晶闸管正向导通后，若要使其关断截晶闸管正向导通后，若要使其关断截止），必须使可控硅阳极电流减小，直到正止），必须使可

5、控硅阳极电流减小，直到正反馈效应不能维持。反馈效应不能维持。 当当EAEA下降到下降到 0 0 或电源断开时，可控硅自或电源断开时，可控硅自行关断行关断返回返回前一页前一页 后一页后一页11.1.2 晶闸管的伏安特性和主要参数晶闸管的伏安特性和主要参数1. 伏安特性伏安特性 URRMIHUFRMIG3 IG2 IG1UBR正向特性正向特性反向特性反向特性IG1=0AIG2IG3ABCUI0IFUBO返回返回前一页前一页 后一页后一页)(UfI 前一页前一页 后一页后一页2. 2. 主要参数主要参数UFRM：正向重复峰值电压晶闸管耐压值）正向重复峰值电压晶闸管耐压值）晶闸管控制极开路且正向阻断情

6、况下晶闸管控制极开路且正向阻断情况下, ,允允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取一般取 UFRM = 80% UB0 UFRM = 80% UB0 。普通晶闸管普通晶闸管 UFRM UFRM 为为 100V -3000V100V -3000VURRM：反向重复峰值电压：反向重复峰值电压 控制极开路时控制极开路时,允许重复作用在晶闸管允许重复作用在晶闸管元元 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 普通晶闸管普通晶闸管 URRM为为100V - 3000V返回返回IF含义说明含义说明mmFIttdII0)(

7、sin21正向平均电流正向平均电流环境温度为环境温度为40OC及标准散热条件下，晶闸及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的最大工频管处于全导通时可以连续通过的最大工频半波电流的平均值。半波电流的平均值。普通可控硅普通可控硅IF为为1A 1000A。 IF：IFt2i前一页前一页 后一页后一页返回返回UF:UF:通态平均电压管压降）。通态平均电压管压降）。 在规定的条件下，通过正弦半波平均在规定的条件下，通过正弦半波平均电流电流 时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。 一般为一般为1V1V左右。左右。IH：维持电流：维持电流 在室温下，控制极开路、晶闸管

8、维持导通在室温下，控制极开路、晶闸管维持导通 状态所必须的最小电流。状态所必须的最小电流。 一般为几十到一百多毫安。一般为几十到一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流：控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。 一一 般般UG为为1到到5V，IG为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。前一页前一页 后一页后一页返回返回晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压通态平均电压UFUF共九级共九级 额定电压额定电压UFRM或或URRM ）额定正向平均电流额定正向平均电流I

9、FIF）晶闸管类型晶闸管类型P-P-普通晶闸管普通晶闸管K-K-快速晶闸管快速晶闸管S-S-双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管K前一页前一页 后一页后一页返回返回晶闸管元件电压、电流级别晶闸管元件电压、电流级别额定正向平均电流额定正向平均电流IFIF通用系列为：通用系列为：1 1、5 5、1010、2020、3030、5050、100100、200200、300300、400400、500500、600600、800800、1000A 1000A 等等1414种种规格。规格。额定电压额定电压UFRMUFRM通用系列为：通用系列为：1000V1000V以下的每以下的每100V100V为一级，为一级

10、，1000V1000V到到30003000V V的每的每200V 200V 为一级。为一级。通态平均电压通态平均电压UFUF等级一般用等级一般用A IA I字母字母表示，由表示，由 0.4 1. 2V0.4 1. 2V，每，每 0.1V 0.1V 为一级。为一级。前一页前一页 后一页后一页返回返回11.2.1 单相半波可控整流单相半波可控整流 1. 电阻性负载电阻性负载1) 1) 电路电路前一页前一页 后一页后一页+T。uuuTo , 0。0 Touuu,返回返回2工作原理工作原理tG Gu u t1t2 2u u0 2 u2 0 时时。uuuTo , 0: :1t 加触发信号，晶闸管承受正向

11、电压导通加触发信号，晶闸管承受正向电压导通。0 Touuu,返回返回电压、电流波形电压、电流波形3) 导通角导通角控制角控制角 t2 2u u tG Gu u tL Lu u tT Tu u 0 t12 动画动画前一页前一页 后一页后一页返回返回 tudU21012sin2UtdtLRUI00 21450 cos. U4 4输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值由公式可知：由公式可知：改变控制角改变控制角，可改变输出电压，可改变输出电压U0U0。前一页前一页 后一页后一页返回返回计算举例计算举例)(6 .1822 .37AIL那么那么26011104500oUcos. = 37.2Vo6

12、0 2RL设设Vtu sin2110 前一页前一页 后一页后一页返回返回5晶闸管的选择晶闸管的选择电流的选择电流的选择 器件的损坏，取决于电流的热效应，而热器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值而不能依据平均值IF）。）。 电流波形为正弦半波的情况下，有效值与电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：平均值的区别计算如下：前一页前一页 后一页后一页返回返回平均值：平均值：m0mIsinI21IFttd有效值

13、：有效值：2Itd) tsin(I21Im02mT平均值平均值 = 1.57有效值有效值 0TAVTII01.57301.66601.88902.221202.781503.991800不同不同 下有效值和平均值之比下有效值和平均值之比前一页前一页 后一页后一页返回返回晶闸管电流选择步骤晶闸管电流选择步骤计算给定计算给定下的下的 通态电流平均值通态电流平均值 ITAV查表或计算相应的电流有效值查表或计算相应的电流有效值 IT计算计算 IT对应的正弦半波电流平均值对应的正弦半波电流平均值 ITAV 57.1IT ( ITAV=)选晶闸管的额定值选晶闸管的额定值 ITAVK （K为保险系数）前一页

14、前一页 后一页后一页返回返回晶闸管电压选择步骤晶闸管电压选择步骤 根据电源电压的峰值根据电源电压的峰值U2M）,计算正、反计算正、反向重复峰值电压。一般取：向重复峰值电压。一般取：UDRM = URRM =（1 .5 2U2M其中其中1 .5 2为安全系数为安全系数 根据根据UDRM 、URRM 选取晶闸管电压的选取晶闸管电压的额定值额定值 前一页前一页 后一页后一页返回返回选晶闸管选晶闸管18.6(A)ITAV35(A)18.61.88IT)(3 .2257. 135ITAVA，22.3 1.5 = 33.5 (A)UDRM = URRM =1 .5 2110= 233(V)可选用额定值为：

15、可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管的晶闸管前一页前一页 后一页后一页返回返回2.2.电感性负载电感性负载1 1）电路及工作原理电路及工作原理 u正半周时晶闸管导通，正半周时晶闸管导通，u 过零后，由于电过零后，由于电 感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。设设u u为正弦波为正弦波+tsinUu2 前一页前一页 后一页后一页返回返回 2工作波形工作波形uGuLtu2tttuT 前一页前一页 后一页后一页返回返回电感性负载加续流二极管）电感性负载加续流二极管）1电路及工作原理电路及工作原理u

16、 0 时：时： D反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。u 0 时：时： D D正向导通正向导通, ,晶闸管承受反向电压关断晶闸管承受反向电压关断, ,L L释放能量形成的电流经释放能量形成的电流经D D构成回路续流），构成回路续流），负载电压负载电压uouo波形与电阻性负载相同。波形与电阻性负载相同。+D前一页前一页 后一页后一页返回返回2工作波形加续流二极管后）工作波形加续流二极管后） tu2 tuG tuTuL t0 t1 2 iL前一页前一页 后一页后一页返回返回20.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路1. 1. 电路电路2. 2. 工作原理工作原理

17、u2 (A)VT1RLu2 (B)VD2+T1、T2 -晶闸管晶闸管D1、D2 -晶体管晶体管T1T2D1D2RLuouAB+前一页前一页 后一页后一页返回返回u2 (B)u2 (A)动画动画VT2RLVD1前一页前一页 后一页后一页+返回返回2工作波形工作波形 tu2 tuG tuL t uT1前一页前一页 后一页后一页返回返回3 3输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值前一页前一页 后一页后一页 tudUo1 ttdUsin21LooRUI 2cos190 U.返回返回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，且其该电路只用一只晶闸管，且其上无反向

18、电压。上无反向电压。晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。前一页前一页 后一页后一页1）uTD2D1D4u0RLD3+-+-返回返回电路电路特点特点 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，VD1、VD2 便起续流二极管作用。便起续流二极管作用。由于由于VT1VT1的阳极和的阳极和VT2VT2的阴极相连，两的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。管控制极必须加独立的触发信号。2）前一页前一页 后一页后一页20.2.3 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路动画动画T1T2D1D2uu0RL+-+-返回返回11.2.4 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路前一页前一页 后一页后一页2. 2. 工作原工作原理理1. 1. 电路电路动画动画t 0u2a2 u2bu2cut1t2TT1RLu0D3T2T3D2D1i00cbau2+-+返回返回11.3.1 单结晶体管结构及工作原理单结晶体管结构及工作原理1. 构造构造管内基极管内基极 体电阻体电阻EB2B1RB2RB1等效电路等效电路E（发射极）（发射极）B2（第二基极）（第二基极）B1（第一基极）（第一基极）PNPN结结内部结构内部结构欧姆接触欧姆接触前一页前一页 后一页后一页返回返回2. 工作原理工作原理2B1B1BBBRRRUUABB