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1、第十章第十章 电力电子学电力电子学晶闸管及其基本电路晶闸管及其基本电路学学习要求要求:掌握晶掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含管的基本工作原理、特性和主要参数的含义；掌握几种掌握几种单相和三相基本可控整流相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点路的工作原理及特点；熟悉逆熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制器的基本工作原理、用途和控制；了解晶了解晶闸管工作管工作时对触触发电路的要求和触路的要求和触发电路的基本工作原理。路的基本工作原理。前前言言 电力电子学的任务：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。利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。电力半
2、导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电1晶晶闸闸管管（简简称称SCR）是是在在60年年代代发发展展起起来来的的一一种种新新型型电电力力半半导导体体器器件件，晶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。闸管的出现起到了弱电控制与强电输出之间的桥梁作用。优点优点：(1)用用很很小小的的功功率率(电电流流约约几几十十毫毫安安一一百百多多毫毫安安，电电压压约约24V)可可以以控控制制较较大大的的功功率率(电流自几十安几千安，电压自几百伏几千伏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；，功率放大倍数可以达到几十万倍；(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都
3、在微秒级；控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3)损损耗耗小小、效效率率高高，晶晶闸闸管管本本身身的的压压降降很很小小(仅仅1V左左右右)，总总效效率率可可达达97.5%，而而一一般机组效率仅为般机组效率仅为85%左右；左右；(4)体积小、重量轻。体积小、重量轻。2缺点：缺点：(1)过过载载能能力力弱弱，在在过过电电流流、过过电电压压情情况况下下很很容容易易损损杯杯，要要保保证证其其可可靠靠工工作作，在在控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；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
4、干扰较强时，容易产生误动作；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；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。控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。在在实实践践中中，应应该该充充分分发发挥挥晶晶闸闸管管有有利利的的一一面面，同同时时采采取取必必要要措措施施消消除除其其不不利利的的一一面面。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。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
5、越广泛的应用。10.1晶闸管晶闸管 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，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。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一、晶闸管的结构和符号 晶闸管的外形和结构图分别如图所示晶闸管的外形和结构图分别如图所示：3其中：其中：A阳极，阳极，K阴极，阴极，G控制极。控制极。结构示意图结构示意图表示符号表示符号4层半导体层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个个PN结结4二、晶闸管的工作原理二、晶闸管的工作原理实实验验电电路路如如图图（a）所所示示
6、，主主电电路路加加上上交交流流电电压压u2，控控制制极极电电路路接接入入Eg，在在t1 瞬瞬间间合上开关合上开关S，在，在t4 瞬间拉开开关瞬间拉开开关S，则，则u2、ug和电阻上和电阻上RL的电压的电压ud的波形关系如图（的波形关系如图（b）（1）在在0t1之之间间:开开关关S未未合合上上，ug=0，尽尽管管uAK0，但但ud=0，即即晶晶闸闸管未导通；管未导通；（2）在在 t1t2之之 间间:uAK0，由由于于开开关关S合合上上，使使ug0，即即晶晶闸管导通；闸管导通；（3）在）在t2t3 之间，之间，uAK0，但，但ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断；（4）在）在t3t4 之间，之间
7、，uAK0，这时，这时ug0,而而，所以，晶闸管又导通；，所以，晶闸管又导通；（5）当）当t=t4 时，时，ug=0，但，但uAK0，即晶闸管仍处于导通状态；，即晶闸管仍处于导通状态；（6）当）当t=t5 时，时，uAK=0，ug=0，而，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。155（1 1）当）当）当）当U Ug g=0=0时，正反向均不导通时，正反向均不导通时，正反向均不导通时，正反向均不导通（2 2）当）当）当）当U Ug g=Eg=Eg时，时，时，时，正向导通，反向不通正向导通，反向不通正向导通，反向不通正向导通，反向不通（3 3）当导通后：
8、）当导通后：）当导通后：）当导通后：UgUg变为变为变为变为0 0时，时，时，时，VSVS继续导通，直到继续导通，直到继续导通，直到继续导通，直到I Id d 00（正向电压加在阳极阴极之间）（正向电压加在阳极阴极之间）（正向电压加在阳极阴极之间）（正向电压加在阳极阴极之间）（2 2）U UGKGK 触发电压（触发电压（触发电压（触发电压（I IGG触发电流）有触发信号触发电流）有触发信号触发电流）有触发信号触发电流）有触发信号（3 3）导通后）导通后）导通后）导通后I IGG（U UGG）可消失）可消失）可消失）可消失 晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：
9、晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：当当当当I Id d 0)正向阻断状态正向阻断状态:当当ug=0，uAK 0，uAK 0，晶晶闸闸管管导导通通，其其电电流流的的大大小小由由负负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。载决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向反向(uAK 0)反向截止状态反向截止状态:当当uAK 30 的情况：的情况：三相半波可控整流电路，电阻负载，三相半波可控整流电路，电阻负载，a a=60=60 时的波形时的波形负负载载电电流流断断续续，晶晶闸闸管管导导通通角角小小于于120。38整流电压平均值的计算：整流电压平均值的计算：（1）a 30 时，
10、负载电流连续时，负载电流连续 当a=0时，Ud最大，为 Ud=Ud0=U2 39（2）a 30 时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：40 负载电流平均值为负载电流平均值为晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即41图10.24 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及a=60时的波形特点：特点：阻感负载，阻感负载，L值很大，值很大，id波形基本平直。波形基本
11、平直。la a 30 时时整流电压波形与电阻负载时相同整流电压波形与电阻负载时相同la a 30 时时u2过零时，过零时，VS1不关断，直到不关断，直到VS2 的脉冲到来，才换流，由的脉冲到来，才换流，由VS2导通向负载供电，同时向导通向负载供电，同时向VS1施加反压使其关断施加反压使其关断ud波形中波形中出现负的部分。出现负的部分。l id波形有一定的脉动，但为简波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将化分析及定量计算，可将id近似近似为一条水平线。为一条水平线。2.2.阻感负载阻感负载阻感负载时的移相范围为阻感负载时的移相范围为90 4243三相半波可控整流电路带电感性负载时，三相半
12、波可控整流电路带电感性负载时，也可加接续流二极管，其电路如图也可加接续流二极管，其电路如图有了续流二极管，整流输出电压波形、有了续流二极管，整流输出电压波形、电压平均值与控制角的关系和纯电阻负电压平均值与控制角的关系和纯电阻负载时一样，负载电流波形则与电感性负载时一样，负载电流波形则与电感性负载时一样，当电感很大时电流波形将接载时一样，当电感很大时电流波形将接近于一条平等于横轴的直线。近于一条平等于横轴的直线。44 10.3 三相可控整流电路10.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路三相桥式全控负载三相桥式全控负载平均电压平均电压U Ud d=U=Ud d阴阴+U+U
13、d d阳阳4510.3.2 10.3.2 三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路共阴共阴Vs1,Vs3,Vs5,共阳共阳Vs2,Vs4,Vs6464710.4逆变器逆变器 利利用用晶晶闸闸管管电电路路把把直直流流电电变变成成交交流流电电，这这种种对对应应于于整整流流的的逆逆向向过过程程，称称之之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器逆变器。变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载。率或可变频率的交流电供给负载。有源逆变有源逆变有源逆变有源逆变逆变逆变无源逆变无源逆变变流器的交流
14、侧接到交流电源上，把直流电逆变为变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去同频率的交流电反馈到电网去48有源逆变电路有源逆变电路1.1.整流状态整流状态(0/2)(0/2)49有源逆变器有源逆变器2.2.逆变状态逆变状态(/2)(/2)1550一、无源逆变电路的工作原理一、无源逆变电路的工作原理无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。1.无源逆变器的简单工作原理无源逆变器的简单工作原理512.单相晶闸管桥式逆变器单相晶闸管桥式逆变器二、单相无源逆变器的电压控制二、单相无源逆变器的电压控制 1.控制逆
15、变器的输入直流电压控制逆变器的输入直流电压 2.在逆变器内部的电压控制在逆变器内部的电压控制（1）脉宽控制）脉宽控制不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称脉脉宽控制。宽控制。52若使延迟角从若使延迟角从0变到变到1800，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。，将可以使逆变器的输出电压从最大值变到零。脉宽控制脉宽控制53（2）脉冲宽度调制（）脉冲宽度调制（PWM）如如果果使
16、使VS1与与VS4，VS2与与VS3通通过过高高频频调调制制控控制制，能能在在半半个个周周期期内内重重复复导导通通和和关关断断N次次，则则其其输输出出电电压压波波形形为为一一系系列列被被调调制制的的矩矩形形脉脉冲冲（称称载载波波），如如图图所示（这时所示（这时N=5）。）。54三、无源逆变器的换相（换流三、无源逆变器的换相（换流）两组晶闸管交替地两组晶闸管交替地导通和关断的过程导通和关断的过程，就是电流转换的过程，简称，就是电流转换的过程，简称换流换流。但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如不采取措施，
17、则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。55负载是由电感负载是由电感L和补偿电容和补偿电容C组成的并联谐振回路，组成的并联谐振回路，Ld为限流电抗器。为限流电抗器。换流过程如下：换流过程如下：56换流过程换流过程5710.5晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路触发电路。（1）单结晶体管触发电路）单结晶体管触发电路（2）小容量晶闸管触发电路）小容量晶闸管触发电路（3）晶体管触发电路）晶体管触发电路10.5.1晶闸管对触发电路的要求晶闸管对触发电路的要求 实质：晶闸管的可靠触发实质：晶闸管的可
18、靠触发（1）触触发发电电路路应应能能供供给给足足够够大大的的触触发发电电压压和和触触发发电电流流，一一般般要要求求触触发发电电压压应应该在该在4V以上，以上，10V以下，如图所示；以下，如图所示；（2）触发脉冲的宽度触发脉冲的宽度必须在必须在10微秒以上，如微秒以上，如果负载是大电感，电流果负载是大电感，电流上升比较慢，那么，触发上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。脉冲的宽度还应该增大。（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小）不触发时，触发电路的输出电压应该小于，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要于，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个时可在控制极上加上一个1
19、V2V的负偏压；的负偏压；（4）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。58（5）在在晶晶闸闸管管整整流流等等移移相相控控制制的的触触发发电电路路中中，触触发发脉脉冲冲应应该该和和主主电电路路同同步步，脉脉冲冲发发出出的的时时间间应应该该能能够够平平稳稳地地前前后后移移动动（移移相相），移移相相的的范范围围要要足够宽。足够宽。10.5.2单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路一、单结晶体管一、单结晶体管单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，
20、故又叫双基极二极管。基极，故又叫双基极二极管。59如果两个基极间加入一定电压如果两个基极间加入一定电压Ubb（b1接负、接负、b2接正），则接正），则A点电压为点电压为1.工作特性工作特性2.工作特点工作特点发射极电压大于发射极电压大于UP时，单结晶体时，单结晶体管导通；管导通；导通后，发射极电压必须小于谷导通后，发射极电压必须小于谷点电压点电压 UV时，单结晶体管才截止。时，单结晶体管才截止。UP峰值电压峰值电压UV谷点电压谷点电压负阻区负阻区60二、单结晶体管的自振荡电路二、单结晶体管的自振荡电路 利用单结晶体管的负阻特性和利用单结晶体管的负阻特性和RC充放电特性，可组成自振荡电路。充放电
21、特性，可组成自振荡电路。要使单结晶体管振荡电路产生振荡，充电电阻要使单结晶体管振荡电路产生振荡，充电电阻R R 必须满足以下两点：必须满足以下两点：(1)当发射极电压等于峰点电压时，为确保单结晶体管由截止转为导通，当发射极电压等于峰点电压时，为确保单结晶体管由截止转为导通，实际通过充电电阻实际通过充电电阻R流入单结晶体管的电流必须大于峰点电流，即流入单结晶体管的电流必须大于峰点电流，即61(2)当发射极电压等于谷点电压时，为确保单结晶体管导通后能恢复截止，当发射极电压等于谷点电压时，为确保单结晶体管导通后能恢复截止，实际通过实际通过R流入单结晶体管的电流流入单结晶体管的电流必须小于谷点电流必须
22、小于谷点电流，即，即充电电阻充电电阻R的阻值既不能太大，也不能太小，否则都会停止振荡。由上两的阻值既不能太大，也不能太小，否则都会停止振荡。由上两式可得出式可得出R的范围为的范围为电阻两端输出尖峰脉冲电压的振荡周期电阻两端输出尖峰脉冲电压的振荡周期T，主要由电容，主要由电容C的充电时间常数的充电时间常数(RC)所决定，近似等于电容器两端的电压由零充电到峰点电压所需的时间所决定，近似等于电容器两端的电压由零充电到峰点电压所需的时间62三、单结晶体管触发电路三、单结晶体管触发电路 E的大小对触发脉冲的影响：相位的大小对触发脉冲的影响：相位周期周期 R、C的大小对触发脉冲的影响：宽度的大小对触发脉冲
23、的影响：宽度63晶闸管的触发电路是晶闸管装置中的一个重要单元，以往的触晶闸管的触发电路是晶闸管装置中的一个重要单元，以往的触发电路都是由分立元件组装而成，电路的形式各种各样。随着发电路都是由分立元件组装而成，电路的形式各种各样。随着晶闸管的广泛应用和晶闸管控制技术的发展，触发电路已获得晶闸管的广泛应用和晶闸管控制技术的发展，触发电路已获得了重大的改进，我国已经生产出了重大的改进，我国已经生产出KC等系列单片集成晶闸管触等系列单片集成晶闸管触发电路。发电路。KC系列单片集成晶闸管触发电路，适用于晶闸管系列单片集成晶闸管触发电路，适用于晶闸管-电动机的控电动机的控制整流供电装置、交流无触点开关以及交流调压、调速等领域。制整流供电装置、交流无触点开关以及交流调压、调速等领域。可满足各种晶闸管在不同应用领域中对触发电路的要求。可满足各种晶闸管在不同应用领域中对触发电路的要求。晶闸管的集成触发电路晶闸管的集成触发电路1664