第11章 电力电子器件( 晶闸管及其应用)

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11.2 可控整流电路
11.2.1 单相半波可控整流 1. 电阻性负载
1) 电路
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T
+ + uT – RL u – + uo –

u < 0 时： u 若uG = 0，晶闸管不导通， o 0, uT u 。 控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导 通，
uo u , uT 0 。
重复峰值电压。一般取：
UDRM = URRM =（1 .5 ~ 2）U2M 其中1 .5 ~ 2为安全系数

根据UDRM 、URRM 选取晶闸管电压的额定值
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选晶闸管
ITAV 18.6(A)
IT 1.88 18.6 35(A)
ITAV
，
35 22.3( A) 1.57
电子技 术
晶闸管及其应用
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第11章
11.1
11.2
晶闸管及其应用
晶闸管
可控整流电路
11.3 11.4 11.5
单结晶体管触发电路 晶闸管的保护 应用举例
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第11章
本章要求
晶闸管及其应用
1、了解晶闸管的基本结构、工作原 理、特性和主要参数。 2、理解可控整流电路的工作原理、


udt
2U sin td t

改变控制角，可改变输出电压U0。
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计算举例
设 u 110 2 sin t
V
RL 2
60
o
o
1 cos 60 则 U 0 0.45 110 2 = 37.2V
37.2 IL 18.6( A) 2
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晶闸管型号 K
通态平均电压（UF）共九级 额定电压（UFRM或URRM ） 额定正向平均电流（IF） 晶闸管类型 P---普通晶闸管 K---快速晶闸管 S---双向晶闸管 晶闸管
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晶闸管元件电压、电流级别 额定正向平均电流IF通用系列为： 1、5、10、20、30、50、100、200、 300、400、500、600、800、1000A 等14种 规格。 额定电压UFRM通用系列为： 1000V以下的每100V为一级，1000V到3000 V的每200V 为一级。 通态平均电压（UF）等级一般用A ~ I字母 表示，由 0.4 ~ 1. 2V，每 0.1V 为一级。
i B 2 iG
1 2 iG iB 2
K EA > 0、EG > 0
晶闸管导通后，去 掉EG ， 依靠正反 馈，仍可维持导通 状态。
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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
正向电压。
2、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）。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正 反馈，可控硅仍可维持导通状态。

– 分压比 ( 0.3~ 0.9 ) UP – 峰点电压 UD – PN结正向
导通压降
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3. 单结晶体管的伏安特性
UE 峰点电压 UP
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负阻区：UE>UP后， 大量空穴注入基区， 致使IE增加、UE反 而下降，出现负阻。
谷点电压 UV
0
V
I IF
IV
E
UV、IV(谷点电压、电流): UP(峰点电压)：
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11.2.4 三相桥式半控整流电路
1. 电路
T
–
0
u2
+
i0
T1
a
T2 b
T3
+
RL
u0
u
c
-
u2a u2b u2c
0
D1
D2
D3
t2 t1

2
t
2. 工作原理
动画
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11.3
触发电路
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11.3.1 单结晶体管结构及工作原理 1. 结构 B2 B2 RB2 （发射极） N （第二基极） E E P
UBR URRM
IH
0 A
U UFRM UBO
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反向特性
正向特性
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2. 主要参数
UFRM：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况下,允 许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。 一般取 UFRM = 80% UB0 。 普通晶闸管 UFRM 为 100V ---3000V
F

1 有效值： IT (Im sin t ) 2 dt Im 2 2 0
有效值
平均值 = 1.57
不同 下有效值和平均值之比 0 0 30 60 90 120 150 180
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IT ITAV
1.57 1.66 1.88 2.22 2.78 3.99 0
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晶闸管电流选择步骤
u < 0 时, 晶闸管承受反向电压不导通, u0 = 0, uT = u ，故称可控整流。 返回
2）工作原理
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u2
uG
0 t1
2
t
u2 > 0 时 0t1 ,
t1 : 加触发信号，晶闸管承受正向电压导通
uo u , uT 0 。
u G 0，晶闸管不导通， uo 0, uT u 。
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应用领域：
整流 （交流 逆变 （直流 变频 （交流 斩波 （直流 直流） 交流） 交流） 直流）
此外还可作无触点开关等
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Baidu Nhomakorabea
11.1
晶闸管
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11.1.1 可控硅的结构及工作原理 A 阳极 1. 结构及符号 A 四 层 半 导 体 结构 P1
N1
P2 N2 K 阴极
三 个 PN 结
22.3 ×1.5 = 33.5 (A)
UDRM = URRM =1 .5 × 110 2 = 233(V)
可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管
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2. 电感性负载 1） 电路及工作原理
+ + uT –
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+
R

u
–
L
uo
–
设u为正弦波 u 2U sinωt u正半周时晶闸管导通，u 过零后，由于电 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。
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晶闸管关断的条件： 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
反馈效应不能维持。
当EA下降到 0 或电源断开时，可控硅自
行关断
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11.1.2 晶闸管的伏安特性和主要参数
1. 伏安特性
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I f (U ) I
IF
C B IG3 > IG2 > IG1 IG3 IG2 IG1=0A
计算给定下的 通态电流平均值 ITAV
查表（或计算）相应的电流有效值 IT
计算 IT对应的正弦半波电流平均值 ITAV’
( ITAV’=
IT
1.57 )
ITAV’ × K （K为保险系数） 选晶闸管的额定值
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晶闸管电压选择步骤

根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向
D4
-
该电路只用一只晶闸管，且其 上无反向电压。 晶闸管和负载上的电流相同。
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2）
+
T1
D1
+
R
u
u0
电路 特点
T2
D2
L
-
该电路接入电感性负载时，VD1、VD2 便起续流二极管作用。 由于VT1的阳极和VT2的阴极相连，两 管控制极必须加独立的触发信号。
动画 返回
20.2.3 三相半波可控整流电路
t
u2 < 0 时：可控硅承受反向电压不导通
u0 0 , uT u 。即：晶闸管反向阻断
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3) 电压、电流波形
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u2
uG uL uT
控制角
0 t1

2
t
t
t
t

动画

导通角
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4）输出电压及电流的平均值
1 U0 2
1 2
1 cos 0.45U 2 U0 I0 RL 由公式可知：
2
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t u
G
t u
L
t
u
T1
t
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3）输出电压及电流的平均值 1 Uo udt

1



2Usintdt
1cos 0.9U 2
Uo Io RL
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两种常用可控整流电路
1）
+
T
+
D1
u
D2
RL
u0
电路 特点
D3
URRM：反向重复峰值电压
控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。 一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管 URRM为100V --- 3000V
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IF： 正向平均电流
环境温度为40 C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 半波电流的平均值。 普通可控硅IF为1A — 1000A。
O
IF含义说明
i
IF

2
t
Im
IF
1 2

I
0
m
sin td (t )

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UF:通态平均电压（管压降）。
在规定的条件下，通过正弦半波平均电流 时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。 一般为1V左右。 IH：维持电流 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。 一般为几十到一百多毫安。 UG、IG：控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。 一 般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。
维持单结管导通的最小 电压、电流。
单结管由截止变导通 所需发射极电压。 返回
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小结
单结管符号
B2
单结管特性
UE<UP时单结管截止；
E B1
UE>UP时单结管导通， UE<UV时恢复截止。
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11.3.2 单结晶体管触发电路
1. 振荡电路
R2 E
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R
U
C
B1 R1
利用单结管的 负阻特性及RC电 路的充放电特性 组成频率可调的 振荡电路
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2）工作波形（加续流二极管后）
u2
0 t1

2
t
uG t uL iL uT t
t

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20.2.2 单相半控桥式整流电路 1. 电路
2. 工作原理
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u> 0 ：
给T1控制极加触发 电压后电流的通路： u2 (A)
VT1 RL
A
+
u
T1 T2 RL D1 D2
+ uo –
–
B
u2 (B)
T1、T2 --晶闸管 VD2
D1、D2 --晶体管
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u < 0 时，给
T2控制极加触发电
A
u
T1
T2 RL
压后电流的通路： u2 (B)
VT2 RL
+ uo –
+
B
D1
D2
u2 (A)
VD1
动画
T1、T2 --晶闸管 D1、D2 --晶体管
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2）工作波形 u
G
控制极
G
K
符号
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A
P1 N1
A A P
N N P N
K 内部结构 VT1
G
P2 N2
G
P
G
VT2
K
K
内部等效电路
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2. 工作原理
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A
形成正反馈过程:
β1β2 iG
VT1
G
iG
EG
iB 2
β 2 iG
VT2 EA
iC 2 iG i B1 iC 1 β i B 1
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5）晶闸管的选择
电流的选择
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，
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（IF）。 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：
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平均值： I 1 Im sin tdt Im 2 0
欧姆接触
B1
PN结 （第一基极）
RB1
内部结构
管内基极 体电阻 等效电路
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B1
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2. 工作原理
B2 E
RB2
UE
< UA+UD = UP 时
PN结反偏，IE很小； A
RB1
uE UP时
UB B
PN结正向导通, IE迅速
UE
B1
增加。
RB1 UA UBB RB1 RB 2 UBB
i B 2 iG
1 2 iG iB 2
K EA > 0、EG > 0
在极短时间内使 两个三极管均饱和 导通，此过程称触 发导通。 返回
2. 工作原理
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A
正反馈过程:
β1β2 iG
VT1
G
iG
EG
iB 2
β 2 iG
VT2 EA
iC 2 iG i B1 iC 1 β i B 1
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2）工作波形
u2
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t uG t uL t uT


t
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电感性负载（加续流二极管）
1）电路及工作原理

+ + uT – D
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+ R
L
u
–
uo
–
u > 0 时： D反向截止，不影响整流电路工作。 >
u 0 时： D正向导通,晶闸管承受反向电压关断, L释放能量形成的电流经D构成回路（续流）， 负载电压uo波形与电阻性负载相同。
掌握电压平均值与控制角的关系。
3、了解单结晶体管及其触发电路的
工作原理。
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晶闸管 （Silicon Controlled Rectifier）
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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70年代。它的出 现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域 。
优点：
体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命 长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐 压达数千伏）。