大机电第十章

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综上所述可得出以下结论：
（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均
不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；
（2）晶闸管的阳极和控制极同时加正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通 必须同时具备的两个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态， 必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。
结构示意图
表示符号
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二、晶闸管的工作原理
实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1 瞬间 合上开关S，在t4 瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b） （ 1 ）在 0~t1 之间 : 开 关 S 未合上， ug=0 ，尽管 uAK>0 ，但 ud=0 ，即晶闸 管未导通；
导致失控的现象。同时，续流期间导电回路中只有一个管压降，有利于降低损耗。
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如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。
这是因为在电源电压过零时，电 感中的电流通过 V1 和 V2 形成续流， 确保 VS1 或 VS2 可靠关断，这样也就 不会出现失控现象。 流过每只晶闸管平均电流：
I dV Id 2
1 IV 2

2
I d (t ) Id 2
2 d
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移相范围: 180
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单相半波可控整流电路的特点： • 简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直 流分量，造成变压器铁芯直流磁化。 • 分析该电路的主要目的在于利用其简单易学的特 点，建立起整流电路的基本概念。
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正向阻断状态: 当ug=0， uAK <UDSM ，元件中有很小的电流（正向 漏电流）流过，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。 正向( uAK >0 ) 正向击穿：当ug=0， uAK =UDSM ，晶闸管突然由阻断状态转化为导 通状 态。 UDSM称为断态不重复峰值电压，或用UBO表示称正向转折电 压。 正向导通状态： ug>0， uAK >0，晶闸管导通，其电流的大小由负 载决定，阳极和阴极间的管压降很小。 反向截止状态: 当 uAK <URSM ，元件中有很小的反向电流（反向 漏电流）流过，处于截止状态。 反向( uAK <0 ) 反向击穿：当 uAK =URSM ，晶闸管突然由反向截止状态转化为导 通状 态。 URSM称为反向不重复峰值电压，或用UBR表示称反向击穿电 压。
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2.双向晶闸管
• • • • 是一对反并联结的普通晶闸管的集成。 有两个主电极MT1和MT2，一个门极G。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通。 不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。
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3.逆导晶闸管
是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。
I K G 0 A I =0
G
不具有承受反向电压的能力，一旦 承受反向电压即开通。
U
与普通晶闸管相比
正向压降小 关断时间短 高温特性好
a)
b)
额定电流
晶闸管电流 反并联的二极管的电流
图 1-11 双向晶闸管 a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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4.门极可关断晶闸管
1. G极可控制元件导通与关断 （不同极性脉冲信号） 2.触发电流(20mA)比普通晶闸 管大(30uA）
电力电子学的任务： 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 弱电 电力半导体器件 强电
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普通晶闸管 双向晶闸管 电力半导体器件 可关断晶闸管 功率晶体管 大功率二极管
晶闸管（简称SCR）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件，晶
闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。
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3. 额定通态平均电流（额定电流）IT
在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连 续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流， 简称为额定电流。
1 IT 2
1 I 2


0

0
I m sin tdt
2
Im

Im 2

(Im sin t ) dt
优点 ：
(1) 用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)可以控制较大的功 (2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级； (3) 损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一 般机组效率仅为85%左右； (4) 体积小、重量轻。
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率(电流自几十安～几千安，电压自几百伏～几千伏 )，功率放大倍数可以达到几十万倍；
流过每只晶闸管平均电流：
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续流二极管的作用
若无续流二极管，则当
突然增大至180或触发脉冲丢失时，会发生一个晶闸管持续导通 而两个二极管轮流导通的情况，这使ud成为正弦半波，即半周期ud为正弦，另外半周期ud为零， 其平均值保持恒定，称为失控。
有续流二极管V3时，续流过程由V3完成，晶闸管关断，避免了某一个晶闸管持续导通从而
Id 2
2 Id 2
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I dv 流过续流二极管的平均电流 ：
为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组 成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制， 改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。
单相桥式半控电路： 负载电压：
U d 0.9U 2 1 cos 2
3.动态特性好（关断1us）而 晶闸管需（5-30us）
4.应用直流调压和开关电路。
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5.功率晶体管
耐高电压、大电流的晶体管 • 与普通的晶体管基本原理 是一样的。 • 主要特性是耐压高、电流 大、开关特性好。 • 通常采用至少由两个晶体 管按达林顿接法组成的单 元结构。 • 采用集成电路工艺将许多 这种单元并联而成 。
移相范围：
0 ~180 0 ~
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晶闸管承受的最大正反向电压： 2U 2
2. 电感性负载
如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。
有了续流二极管，当电源电压降到零 时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因 电流为零而关断，不会出现失控现象。
Id 2 Id 流过续流二极管的平均电流：
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10.2.2 单相半控桥式整流电路
晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示。
1. 电阻性负载
负载电压：
Ud 1



2U 2 sintd (t ) 1 cos 2
0.9U 2
负载电流：
Id
(a) 单相半控桥式整流 (b)电阻性负载时的电压电流波形 电路
Ud U 1 cos 0.9 2 R R 2
（ 2 ） 在 t1~t2 之 间 : uAK>0 ，由于开关 S 合上， 使ug>0， ud ， u2即晶 闸管导通；
（3）在 t2~t3 之间， uAK<0，尽管ug>0，但 ud=0，即晶闸管关断； （4）在 t3~t4 之间， uAK>0，这时ug>0 ,而 ud u2 ，所以，晶闸管又导通；
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四、晶闸管的主要参数
为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参 数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。 1. 断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压 。 UDRM=UDSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般： 晶闸管的UDRM 应等于所承受的 正向电压的（2~3）倍。 2. 反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压 。 URRM=URSM -100
Id 流过每只晶闸管平均电流： 2
流过续流二极管的平均电流 ：
v I dv Id 2
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3.反电势负载
当整流电路输出接反电势负载时,只有当电源电源的瞬时值大于反电势， 同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管 关断的时间内，负载上保留原有的反电势。
－控制角 ；晶闸管元件承 受正向电压起始点到触发 脉冲的作用点之间的电角 度。
－导通角 ；是晶闸管在一周
期时间内导通的电角度。 对单相半波可控整流电路： 0 ~ 的范围 ~0 的范围 17

输入电压：
u2 2U2 sin t
输出电压：
Ud
1 Ud 2

在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。
10.1 晶闸管
种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。 一、晶闸管的结构和符号
晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一
晶闸管的外形和结构图分别如图所示 ：
3
4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结 其中：A—阳极，K—阴极，G—控制极。
第十章 电力电子学——晶闸管及其基本电路 学习要求:
• 掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义； • 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； • 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制； • 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理 。
前
言
集成电路 微（弱）电子学 半导体器件 电力半导体器件 电力（强）电子学
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10.2 单相可控整流电路
整流－将交流电变为直流电的过程； 整流
可控 单相 不可控 可控 三相 不可控
整流电路－将交流电变为直流电的电路； 10.2.1 单相半波可控整流电路 u2－输入电压 ；ud－输出电压 ； 一、带电阻性负载的可控整流电路 自然换相点－－晶闸管元 件承受正向电压起始点
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三、续流二极管的作用
为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采 取负载两端并联一只二极管措施，如图所示。
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若近似认为id为一条水平线，恒为Id，则有
I dVS
IVS 1 2
Id 2


2 Id d (t )
Id 2
波形系数
I K 1.57 IT 2
4. 维持电流 IH
在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称维持电流。一 般为几mA～一百多mA
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10Байду номын сангаас1.2 其他电力半导体器件
1.快速晶闸管
常规快速 晶闸管 包括所有为快速应用而设计的晶闸管 高频 晶闸管
应用于400Hz和10kHz以上的斩波或逆变电路中 快速 晶闸管关断时间为数十微秒 与普通晶闸管相比 高频 晶闸管关断时间为10μs左右 电压和电流定额不易做高

2U 2 sin td (t ) 0.45U 2
1 cos 2
负载电流：
Ud U 2 1 cos Id 0.45 R R 2
移相范围：
0 ~ 180 0 ~
2U2
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晶闸管承受的最大正反向电压：
二、带电感性负载的可控整流电路
电感对电流变化有抗拒作用，使得流过电感的电流不能突变。
缺点：
(1) 过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控 制电路中要采取保护措施，在选用时，其电压、电流应适当留有余量； (2) 抗干扰能力差，易受冲击电压的影响，当外界干扰较强时，容易产生误动作； (3) 导致电网电压波形畸变，高次谐波分量增加，干扰周围的电气设备； (4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。 目前，采用晶闸管作为整流放大元件组成的晶闸管控制系统，获得越来越广泛的应用。
ud u2 ，即晶闸管仍处于导通状态； （5）当 t=t4 时， ug=0 ，但uAK>0 ，
（6）当 t=t5 时， uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。
5 15
（1）当Ug=0时，正反向均不导通 （2）当Ug=Eg时， 正向导通，反向不通 （3）当导通后：Ug变为0时，VS继续导通，直到Id<维持 电流IH时VS关断
晶闸管导通的条件：
（1）UAK>0（正向电压加在阳极阴极之间） （2）UGK>触发电压（IG >触发电流）有触发信号 （3）导通后IG（UG）可消失
晶闸管关断的条件：
当Id<维持电流IH后关断
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三、晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。
C
B
A
D
E