電力電子學晶閘管及其基本電路2023/12/26電力電子學晶閘管及其基本電路

B.

晶閘管的優缺點

l

優點：

1)

功率放大倍數可達幾十萬倍；2)

控制靈敏，反應快；3)

損耗小，效率高；4)

體積小，重量輕；5)

改善了工作條件，維護方便。

l

缺點：1)

過載能力弱；2)

抗干擾能力差；3)

導致電網電壓波形畸變；4)

控制電路比較復雜。電力電子學晶閘管及其基本電路10.1電力半導體器件10.1.1晶閘管（SCR）

——新型大功率半導體器件，也稱可控硅。1.基本結構電力電子學晶閘管及其基本電路

1)

外形

前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散熱效果好）。

2)

內部結構——它是PNPN四層三端元件。3)

符號（如圖所示）電力電子學晶閘管及其基本電路2.工作原理

l

實驗情況說明：可用燈泡

代替電阻RL。1)晶閘管承受正向電壓，開關S（控制極）斷開，此時電燈不亮，晶閘管關斷。2)在控制極與陰極之間再加上正向電壓（S接通），電燈發亮，晶閘管導通。3)晶閘管承受反向電壓，不論S是否接通，電燈均不亮，晶閘管關斷（阻斷）。4)晶閘管導通后（情況2），斷開控制極電壓（控制極失去作用），電燈仍發亮，晶閘管仍導通。5)晶閘管導通后（情況2），如果控制極電壓加反向電壓，不論陽極電壓是正或負，電燈均不亮，晶閘管關斷（阻斷）。電力電子學晶閘管及其基本電路

l

結論1)晶閘管導通條件：陽極加正向電壓，控制極也加正向電壓。2)控制極只需加正觸發脈沖電壓。3)具有可控單向導電性（正、反向阻斷能力）。

l

導通原因電力電子學晶閘管及其基本電路1)

等效為PNP型和NPN型兩個晶體管的組合。2)

陽極和控制極均加正向電壓時，經放大，集電極電流為（基極電流），又經放大，集電極電流為（即基極電流），再次放大，循環往復，直至導通為止（“觸發導通過程”——微秒級）。3)

晶閘管導通后，基極電流比（控制電流）大得多，故去掉，晶閘管仍導通。4)

陽極加反向電壓，無放大作用，晶閘管不導通；控制電壓反向或未加入，不產生起始，晶閘管也不導通。電力電子學晶閘管及其基本電路3.伏安特性晶閘管的伏安特性——晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關系。電力電子學晶閘管及其基本電路

1)

截止狀態（正向阻斷狀態）——陽極加正向電壓，門極開路（＝0），電流很小，電阻很大，稱為正向漏電流。2)

導通狀態——正向陽極電壓上升到某一定值，，晶閘管突然變為導通狀態。這時陽極電壓稱為斷態不重復峰值電壓（）或正向轉折電壓（）。↑，↓，晶閘管容易導通。注：在晶閘管的陽極與陰極之間加上6V直流電壓，使元件導通的控制極最小電流（電壓）稱為觸發電流（電壓）。電力電子學晶閘管及其基本電路

3)

維持電流（保證晶閘管導通的最小陽極電流）——當電流小于時，從導通狀態轉化正向阻斷狀態。

4)

反向阻斷狀態——陽極加反向電壓時，反向漏電流很小。當反向陽極電壓增加到某一數值時，反向漏電流，這時對應的電壓值稱為(反向不重復峰值電壓)或(反向轉折電壓，反向擊穿電壓)。注：晶閘管的反向伏安特性與二極管反向特性類似。電力電子學晶閘管及其基本電路4.主要參數1)

（斷態重復峰值電壓）——在控制極斷路和晶閘管正向阻斷時，可以重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，它比小100V。“多少伏的晶閘管”2)

（反向重復峰值電壓）——在控制極斷路時，可以重復加在晶閘管兩端的反向峰值電壓，它比小100V。3)

（額定通態或正向平均電流，簡稱額定電流）——在環境溫度不大于40℃和標準散熱及全導通時，晶閘管可以連續通過的工頻正弦半波電流（在一個周期內）的平均值。“多少安的晶閘管”電力電子學晶閘管及其基本電路

正弦半波電流的平均值正弦半波電流的有效值波形系數即

一般按選晶閘管（——實際電流有效值）

4)

（維持電流）——在規定的環境溫度和控制極斷路時，維持元件繼續導通的最小電流。一般為幾十mA~一百多mA，其數值與溫度成反比，如：電力電子學晶閘管及其基本電路

5.型號及其含義（國產晶閘管）

例如：

3CT50/500（為50A，為500V）；

KP5-7（K—晶閘管，P—普通型，額定電流5A，額定電壓700V）。/可控整流元件

N型硅材料三個電極

電力電子學晶閘管及其基本電路6.判別管子的好壞用萬用表的歐姆檔來判別管子的好壞。

表10.1用萬用表測試晶閘管各管腳之間的電阻注意：當A—K間為高阻值，而K—G間逆向電阻大于順向電阻時，管子良好。測試點表內電池極性測量范圍測試結果A—K順向或逆向R×1000高電阻（表針不動）A—G同上同上同上K—G順向：G“+”,K“-”逆向：G-”,K“+”R×1R×110~10050~500電力電子學晶閘管及其基本電路10.1.2其它電力半導體器件雙向晶閘管可關斷晶閘管

功率晶體管

整流二極管電力電子學晶閘管及其基本電路1.雙向晶閘管（TRIAC）電力電子學晶閘管及其基本電路l

特點1)

三端子NPNPN元件；2)

采用交流電源；3)

相當于兩只普通晶閘管反并聯；4)

雙向控制，簡化觸發電路；5)

成本低，可靠性好；6)

主要應用于家用電器控制，調節交流電壓。l

符號(如圖所示)l

工作原理1)

門極無信號時，、不導電。2)

導通條件：①"+"，"-"，G"+"②"-"，"+"，G"-"l

電壓波形圖(如圖所示)電力電子學晶閘管及其基本電路2.可關斷晶閘管（GTO）l

特點1)

控制極控制元件的導通和關斷，所需控制電流較大。

20mA/30μA2)動態特性較好，關斷時間較短。

1μs/(5~30)μs3)

主要用于直流調壓和直流開關電路。4)電路簡單，工作頻率高。l

符號與晶閘管相似。電力電子學晶閘管及其基本電路3.功率晶體管（GTR）

（300A，100V或100A，300V）達林頓晶體管（200A，500V）注：復合管，正向導通壓降↑，功率損耗↑。l

特點可在高電壓和強電流定額下使用；正向導通壓降（0.3~0.8）V，功率損耗較晶閘管（≈1V）小；基極電流消失或反偏時，晶體管立即截止（不存在關斷問題）；允許的電流變化率低；處于導通狀態，基極電路功率損耗大；體積更小，價格更低（比晶閘管）。電力電子學晶閘管及其基本電路4.大功率二極管（整流二極管）l

特點可在高溫下工作；（室溫）

加正向導通壓降（0.8~1）V；反向電壓就截止，加正向電壓就導通；額定值可達200A和400V，或更高。注：它相當于一只開關。電力電子學晶閘管及其基本電路作業：P:27610.1，10.3～7電力電子學晶閘管及其基本電路10.2單相可控整流電路由晶閘管組成的可控整流電路類似于二極管整流電路。它可分為單相半波、單相橋式、三相零式（半波）、三相橋式。

10.2.1單相半波可控整流電路特點：①應用較少，電路簡單，調整容易。②直流輸出電壓低，脈動大。電力電子學晶閘管及其基本電路電阻性負載分析：1)

—控制角（晶閘管元件承受正向電壓起始點到觸發脈沖作用點之間的電角度），—導通角（晶閘管在一周期時間內導通的電角度），，，。2)最大正向、反向電壓為（電源變壓器副邊電壓的最大值）。3)負載（輸出直流）電壓平均值、負載電流平均值分別為：4)，達到可控整流的目的。

電力電子學晶閘管及其基本電路

2.

電感性負載如：各種電機的勵磁線圈等。電力電子學晶閘管及其基本電路分析：電感阻礙電流變化（—自感電勢或反電動勢）。

大于電源負電壓，晶閘管繼續導通，也就是說，導通角。負載電感，負載負（反向）電壓，滿足不了負載的要求。電力電子學晶閘管及其基本電路3.

續流二極管的作用（大電感性負載）分析：1)

負載兩端并聯一只二極管。2)

電流電壓過零變負時，續流二極管導通，晶閘管自行關斷（無電流流回電源）。3)

負載兩端電壓為二極管管壓降，接近于零（電感放出能量消耗在電阻上）。4)

波形與電阻性負載一樣，波形與之很不相同。當時，電流脈動小，波形近似于一條平行于橫軸的直線。電力電子學晶閘管及其基本電路10.2.2單相橋式可控整流電路

（應用很廣）它與不可控橋式整流電路的區別：二只晶閘管代替二只二極管。

1.

單相半控橋式整流電路

工作原理：l

輸入電壓正半周，觸發VS1，VS2和V1反向截止，電流通路為：l

輸入電壓負半周，觸發VS2，VS1和V2反向截止，電流通路為：電力電子學晶閘管及其基本電路

1)

電阻性負載與半波整流相比較，和增加了一倍，分別為：

2)

電感性負載l加續流二極管——不出現“失控”現象。

l不加續流二極管——不失控，VS2與V1交換位置。注意：電源電壓為零（或θ=0或觸發回路切斷）時，V1

和V2形成續流（電流增大），VS1或VS2可靠關斷。電力電子學晶閘管及其基本電路電力電子學晶閘管及其基本電路3)

只用一個晶閘管進行控制的整流電路四個整流二極管組成單相橋式全波電路——節省晶閘管元件。（a）電阻性負載——與半控橋一樣（b）電感性負載——必須加續流二極管（c）優缺點：①控制線路簡單，成本較低；②承受整流過的脈動電壓，不承受反向電壓；③整流元件較多，體積較大；④壓降、損耗較大；⑤選用維持電流較大的晶閘管，以免失控。電力電子學晶閘管及其基本電路

4)

反電勢負載電力電子學晶閘管及其基本電路分析：（a）導通條件：l

電源電壓大于反電勢；l

有觸發脈沖。（b）比電阻性負載大，。（c）電流的幅值與平均值之比相當大，必須降低電流定額使用。（d）對大容量電動機或蓄電池負載，常串聯電抗器L（用以平滑電流的脈動）。電力電子學晶閘管及其基本電路

2.

單相全控橋式整流電路電力電子學晶閘管及其基本電路1)

它與半控橋的區別：l

四只全是晶閘管。l

每半周期要求觸發兩只晶閘管。l

電感性負載（無續流二極管）時，輸出電壓的瞬時值出現負值。

l

電阻性負載時，不比半控橋整流優越，一般采用半控橋線路。l

主要用于正反向逆變電路中。注意：在全控橋中元件承受的最大正、反