电力半导体器件及其应用

第8章电力半导体器件及其应用

一、基本要求

1. 了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线和主要参数；

2. 掌握单相可控整流电路的可控原理，能够计算在电阻性负载和电感性负载时的输出电压、输出电流以及各元件所通过的平均电流和承受的最大正、反向电压；

3. 了解单结晶体管及其触发电路的作用原理；

4. 了解晶闸管的保护措施；

二、阅读指导

1.晶闸管

晶体闸流管是应用最为广泛的电力半导体器件。阳极加正向电压和控制极加正触发脉冲信号，这是晶闸管导通的必要条件，阳极电流应大于维持电流是晶闸管导通的充分条件。导通之后，控制极就失去控制作用。在晶闸管导通时，若减小阳极电压或阳极电流小于维持电流，晶闸管自动关断。读者在学习过程中必需了解晶闸管的导通和关断的条件。此外，还要了解正向转折电压U BO、反向击穿电压U BR（或称为反向转折电压）、正向重复峰值电压U FRM 及反向重复峰值电压U RRM的意义，并了解晶闸管的型号。

2. 可控整流电路

学习可控整流电路时，读者最好对照第4章中由二极管所组成的不可控整流电路来分析比较电路结构、电压和电流的波形、整流电压平均值和交流电压有效值之间的大小关系以及元件所承受最高反向电压等问题。特别应该注意，在可控整流电路中，晶闸管在交流电压的正半周并不一定全导通，因此晶闸管和二极管不一样，还有承受最高正向电压的问题。

难点是可控整流电路接电感性负载的情况，以及续流二极管的作用。为什么整流电压会出现负值？为什么接了续流二极管（注意其正、负极，不能接反）后，晶闸管在电源电压u2过零时能及时关断？读者应认真阅读教材并仔细思考。

单相桥式半控整流是一种较常用的电路，和二极管桥式整流电路类似，分析其工作原理时，也要分别找出在交流电压的正半周负半周时电流的通路，哪个管导通，哪个截止。

3. 单结晶体管触发电路

对单结晶体管，必须了解单结晶体管的发射极E与第一基极B1之间导通和恢复截止的条件。当发射极E和第一基极B1之间加的电压U E等于峰点电压U P时，单结晶体管导通。导通后，发射极电压U E降低，当U E低于谷点电压U V时，单结晶体管的E、B1间恢复截止。

教材图8-13是典型的晶闸管可控整流电路，其中采用单结晶体管触发电路，主电路是单相桥式半控整流电路。对这个电路，读者要了解三个作用，即稳压管的削波作用，变压器的同步作用和电位器R P的移相作用。要看懂教材图8-14所示的四个波形。

4. 晶闸管的保护

要了解晶闸管可控整流电路中，应用最为广泛快速熔断器的过电流保护和阻容吸收的过

电压保护的保护措施。

*5. 全控型电力半导体器件及变流电路简介

可关断晶闸管（GTO ），电力晶体管（GTR ）、电力MOS 场效应晶体管（P-MOSSFET ）、MOS 控制晶闸管（MCT ）和绝缘栅双极晶体管（IGBT ）等全控型电力半导体器件；无源逆变电路、交流调压电路、直流调压电路等变流电路， 为加深加宽内容。读者可通过自学，了解全控型电力电子器件的基本构造、工作原理及其特点，了解无源逆变电路、交流调压电路、直流调压电路（斩波器）的工作原理。

三、例题解析

例1 有一电阻性负载，它需要可调的直流电压U O = 0~60V ，电流I O = 0~10A 。现采用半控桥式整流电路，试计算变压器副边的电压，并选用整流元件。

解：（1）求变压器副边电压

设 θ=1800（即α=0）时，U O = 60V ，I O = 10A

由 22

9.02

cos 19.0U U U O =+=α 故 V 7.669.0609.02===O U U （2）选整流元件

晶闸管所承受的最高正向电压、最高反向电压和二极管所承受的最高反向电压都等于

V 947.66222DRM RM FM =⨯====U U U U

流过晶闸管和二极管的平均电流

A 5102

121=⨯===O D T I I I 根据下式选取晶闸管的U FRM 和U RRM

V )282~188(94)3~2()3~2(V

)282~188(94)3~2()3~2(RM RRM FM FRM =⨯=≥=⨯=≥U U U U

根据上面计算，晶闸管可选10A 、200V ；二极管可选10A 、100V 的。因为二

极管的反向工作峰值电压一般是取反向击穿电压的一半，已有较大的余量，所以选100V 已足够。

例2 在上题中，如果不用变压器，而将整流电路的输出端直接接在220V 的交流电源上，试计算输入电流的有效值，并选用整流元件。

解：（1）求输入电流的有效值

先求控制角α

2

cos 19.02α+=U U O 2

cos 12209.060α+⨯⨯=

2.113394.01220

9.0260cos =-=-⨯⨯=αα 于是得出输入电流的有效值 A

5.1897.1)2.1132sin(2110602202sin 212sin 21)()sin 2(1002222=-+⨯⨯=-+=

-+=

=

⎰π

πππαπαππαπαπωωππαO L L I U U R U t d t R U I （2）选整流元件

V 310220222DRM RM FM =⨯====U U U U

A 5102

121=⨯===O D T I I I 故选用10A 、600V 的晶闸管，10A 、300V 的二极管。

四、习题选解

8-1 答：（1）晶闸管的控制极仅控制晶闸管的导通，导通之后，控制极就失去控制作用，其阳极电流与控制极无关。而晶体管在放大区工作时，基极电流控制集电极电流，即I C =β I B 。

（2）晶闸管导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压，同时控制极和阴极之间加适当的正向电压（正触发脉冲信号）。导通之后，其中电流的大小由交流电源电压U 2、控制角α及负载电阻R L 决定。晶闸管阻断时，承受的电压的大小取决于当时的交流电源电压。

（3）晶闸管导通后，控制极就失去控制，这种特性可以用教材图8-3来解释。因为晶闸管具有三个PN 结，所以可以把晶闸管看成由一只NPN 三极管与一只PNP 三极管组成，在T 1管的基极G （即晶闸管的控制极）加上正向电压，使T 1与T 2之间产生强烈的正反馈，使两只三极管迅速饱和导通。此时，由于T 1基极上已经有正反馈电流，所以即使取掉T 1基极G 上的正向电压，T 1与T 2仍能继续保持饱和导通状态。当阳极上加反向电压或将阳极电流减小于维持电流I H 时，晶闸管才能从导通转为截止。

8-2 答：400V V 3.424300222RM FM >=⨯===U U U 不可以选用400V 的晶闸管。 8-3 答：在教材图8-6电感性负载可控整流电路中，晶闸管触发导通时, 电感元件中存贮了磁场能量, 当u 2过零变负时，电感中产生感应电势e L ，若e L > u 2使晶闸管在负半周继续导通，这样负载上就会出现负电压。而接入续流二极管后，当交流电压u 2过零值变负时，感应电动势e L 产生的电流可以通过续流二极管形成回路。这时续流二极管两端的电压近似为零，使载上就不会出现负电压了。