电力电子技术 晶闸管 单节晶体管

1、 晶闸管晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管包括：普通晶闸管(SCR)、快速晶、快速晶闸管闸管(FST)、双向晶闸管、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管、逆导晶闸管(RCT) 、可、可关断晶闸管关断晶闸管(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 Rectifier), 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(目目前生产水平：前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流、已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压、

2、直流变换等领域逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频成为特大功率低频(200Hz以下以下)装置中的主要器件。装置中的主要器件。 晶闸管是一种大功率PNPN四层半导体元件，具有三个PN结，引出三个极，阳极A，阴极K，门极（控制极）G，其外形符号如下图：部分晶闸管外形内部结构电气图形符号及文字符号一、晶闸管的工作原理一、晶闸管的工作原理1.晶闸管的结构晶闸管的结构 晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。晶闸管的工作条件：晶闸管的工作条件：(1)晶闸管承受正向阳极电压，仅在门极承受正

3、向的情况下晶闸管才导通。这时晶闸管处于正向导通状态，这就是晶闸管的闸流特性，即可控性。(2)晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。门极只起触发作用。(3) 晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近与零时，晶闸管关断。(4)晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态。2.晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 晶闸管工作原理等效电路晶闸管工作原理等效电路二、二、 晶闸管的特性与主要参数晶闸管的特性与主要参数定义：定义：晶闸管阳极与阴极之晶闸管阳极与阴极之间的电压间的电压Ua与阳极电流与阳极

4、电流Ia的关系曲线称为晶闸管的的关系曲线称为晶闸管的伏安特性。伏安特性。 第一象限是第一象限是正向特性正向特性、第、第三象限是三象限是反向特性反向特性。 晶闸管阳极伏安特性晶闸管阳极伏安特性 . 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 ：2. 晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数 1 1）断态重复峰值电压）断态重复峰值电压UDRM：当门极断开，晶闸管处于额当门极断开，晶闸管处于额定结温时，允许重复加在管子上的正向峰值电压为晶闸定结温时，允许重复加在管子上的正向峰值电压为晶闸管的管的断态重复峰值电压。断态重复峰值电压。2 2）反向重复峰值电压）反向重复峰值电压URRM：当门极断开，晶闸管处在：当门极断开，

5、晶闸管处在额定结温时，额定结温时，允许重复加在管子上的反向峰值电压为晶允许重复加在管子上的反向峰值电压为晶闸管的闸管的反向重复峰值电压。反向重复峰值电压。3 3）额定电压）额定电压 UTn ：取正、反向重复峰值电压中的最小：取正、反向重复峰值电压中的最小值百位取整。值百位取整。 在使用过程中，应当使晶闸管的额定电压是实际工在使用过程中，应当使晶闸管的额定电压是实际工作时可能承受的最大电压的作时可能承受的最大电压的2 23倍，即倍，即 UTn （2 23)3)UTm（1 1）晶闸管的电压额定）晶闸管的电压额定（2 2）晶闸管的电流额定晶闸管的电流额定1）额定电流额定电流:2 2）维持电流：在室温

6、下门极断开时，元件从较大的通态电流维持电流：在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降到刚刚好能保持导通的最小阳极电流。降到刚刚好能保持导通的最小阳极电流。3 3）擎住电流：在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态）擎住电流：在晶闸管加上触发电压，当元件从阻断状态刚转为导通状态就去出触发电压，此时要保持元件持续导通刚转为导通状态就去出触发电压，此时要保持元件持续导通所需要的最小阳极电流。所需要的最小阳极电流。57. 1)25 . 1 ()(TmAVTII三、单相半波可控制整流电路三、单相半波可控制整流电路1 1.带电阻性负载的可控整流电路带电阻性负载的可控整流电路 时输出电压和晶闸管两端的理论波

7、形时输出电压和晶闸管两端的理论波形控制角控制角：控制角也称为触发角或触发延迟角，是指晶闸管从承受正向电压开始到触发脉冲出现之间的角度。导通角导通角：是指晶闸管在一周期内处于导通的电度角。且=-。移相：移相：移相是指该变触发脉冲的时刻，即改变控制角的大小。移相范围：移相范围：移相范围是指一个周期内触发脉冲的移动范围，它决定了输出电压的变化范围。（理论上移相范围0180）（1）工作原理（2）基本物理量的计算1）输出电压平均值与平均电流的计算 2）负载上电压有效值与电流有效值的计算 3）晶闸管电流有效值与管子两端可能承受的最大电压 在单相半波可控制电路中，晶闸管与负载串联，所以负载电流的有效值也就是

8、流过晶闸管的有效值。晶闸管可能承受的正反向峰值电压： 4）功率因素cos 2.带电感性负载的可控整流电路带电感性负载的可控整流电路（1）无续流二极管时 电感线圈是储能元件，能量的存放时不能突变的，电感线圈是储能元件，能量的存放时不能突变的，当流过电感线圈的电流增大时，当流过电感线圈的电流增大时，Ld两端就要产生感两端就要产生感应电动势，方向应阻止应电动势，方向应阻止id的增大，反之，的增大，反之，id要减小时，要减小时，Ld两端感应电动势的方向应阻碍两端感应电动势的方向应阻碍id的减小。的减小。从波形图可以看出从波形图可以看出：1）在0 期间：晶闸管阳极承受正向电压，此时期间：晶闸管阳极承受正

9、向电压，此时晶闸管没有触发信号，晶闸管是关断的，输出电压晶闸管没有触发信号，晶闸管是关断的，输出电压和电流都是零。和电流都是零。2）在）在时刻：门极加上了触发信号，此时晶闸管导时刻：门极加上了触发信号，此时晶闸管导通。通。3）在）在时刻：交流电压过零，由于电感的存在，流时刻：交流电压过零，由于电感的存在，流过晶闸管的电流仍大于零，晶闸管会继续导通，此过晶闸管的电流仍大于零，晶闸管会继续导通，此时电感存储的能量会释放，当电感的能量全部释放时电感存储的能量会释放，当电感的能量全部释放完后，晶闸管在电源电压的作用下承受反向电压而完后，晶闸管在电源电压的作用下承受反向电压而截止。直到下一个周期，截止。

10、直到下一个周期， 即即2+ 时刻，晶闸管再时刻，晶闸管再次被触发导通次被触发导通。结论：由于电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，论：由于电感的存在，使得晶闸管的导通角增大，在电源有正到负的过零点也不会关断，使负载电压在电源有正到负的过零点也不会关断，使负载电压波形出现部分负值其结果使电压的平均值减小。波形出现部分负值其结果使电压的平均值减小。（2）接续流二极管时图图a为电感性负载接续流二极管时的电路。为电感性负载接续流二极管时的电路。图图b为电感性负载接续流二极管时晶闸管的输出为电感性负载接续流二极管时晶闸管的输出电压及波形。电压及波形。从波形图上可以看出：从波形图上可以看出：在电源电压正半周

11、（在电源电压正半周（0区间），晶闸管区间），晶闸管承受正向电压，触发脉冲在承受正向电压，触发脉冲在时刻触发晶闸时刻触发晶闸管导通，负载上有输出电压和电流。在此期管导通，负载上有输出电压和电流。在此期间二极管间二极管VD是不导通的。是不导通的。在电源电压负半波（在电源电压负半波（ 2 区间），电区间），电感线圈的感应电动势使续流二极管承受正向感线圈的感应电动势使续流二极管承受正向电压导通续流，此时电源电压，通过续流二电压导通续流，此时电源电压，通过续流二极管使晶闸管承受反向电压而关断，负载两极管使晶闸管承受反向电压而关断，负载两端的输出电压仅为续流二极管两端的压降。端的输出电压仅为续流二极管两端

12、的压降。（此时忽略二极管两端的压降）（此时忽略二极管两端的压降） 结论：电阻负载加续流二极管后，输出电压结论：电阻负载加续流二极管后，输出电压波形与电阻性负载波形相同，可见续流二极波形与电阻性负载波形相同，可见续流二极管的作用是为了提高输出电压。管的作用是为了提高输出电压。 基本物理量的计算：v输出电压平均值与输出电流平均值v流过晶闸管电流的平均值和有效值v流过续流二极管电流的平均值和有效值v晶闸管和续流二极管承受的最大反向电压ddDII2dDII222UUUDMTM四、单节晶体管触发电路单结晶体管触发电路1.单结晶体管（1）单结晶体管 单结晶体管是一种特殊的半导体器件，有三个电极，只有一个P

13、N结，因此成为“单结晶体管”，又因为管子有两个基极，所以又称为“双极二极管”。 （a）结构 （b）等效电路 （c）图形符号 （d）外形管角排列(2)单结晶体管的伏安特性及主要参数 单结晶体管的伏安特性：当两基极b1和b2间加某一固定直流电压Ubb时，发射极Ie与发射极正向电压Ue之间的关系曲线称为单结晶体管的伏安特性Ie=f(Ue). 截止区ap段 当开关S闭合，电压U通过单结晶体管等效电路中的R1和R2分压，得点A的电压U可表示为 式中分压比，是单结晶体管的主要参数，一般为0.3-0.9 负阻区PV段V点称为谷点，谷点所对的电压和电流称为谷点电压和电流。这一区间称为特性曲线的负阻区。 饱和区VN段当硅片中载流子饱和后，欲使Ie继续增大，必须增大电压Ue，单结晶体管处于饱和导通状态。改变Ubb，器件由等效电路中的Ua和特性曲线中的Up也随之改变，从而获得一族单结晶体管的伏安特性曲线。 BBBBBBBAURRURU211 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 不一样。谷点电压大约在不一样。谷点电压大约在