晶闸管.docx

1、晶闸管第九章 晶闸管技术在第二章第一节介绍了晶闸管结构组成和基本性能。利用晶闸管的可控功能可实现弱电对强电的控制，加之晶闸管具有体积小、重量轻、效率高、控制灵活等优点，晶闸管可用于下列过程： 可控整流：将交流电转换成可调的直流电； 逆变器：将直流电转换成交流电； 变频：将一种频率的交流电转换成另一种频率或频率可调的交流电； 交流调压：将固定的交流电压转换成有效值可调的交流电压； 斩波：将固定的直流电压转换成平均值可调的直流电压； 无触点通断：制作无触点开关，代替交流接触器实现通断控制。 晶闸管技术在电源装置、电力牵引、电力传动、家用电器等生产领域得到了广泛应用。大容量晶闸管的额定电压达数千伏，

2、额定电流达数千安。 晶闸管属于半导体器件，也有过载能力较差、控制电路复杂的特点。第一节 晶闸管的工作原理和特性晶闸管种类很多。按照功能，除单向晶闸管外，还有双向晶闸管、光控晶闸管、可关断晶闸管等有特殊功能的晶闸管。按照结构，晶闸管有螺栓型、平板型两种典型结构。螺栓型的额定电流较小，其螺栓的一端是阳极引线，另一端粗引线是阴极、细引线是门极。阳极螺栓还用以固定散热器。平板型的额定电流在100A以上，其中间金属环的引线是门极，两侧平面分别是阳极和阴极。几种常见晶闸管见图9-1。图9-1 晶闸管(a)8TA41 (b)KS20A (c)KK2000A (d)KK4500A一、晶闸管的工作原理如图9-2

3、(a)所示，晶闸管有四层半导体、三个PN结。如下图9-2(b)所示，可将一只晶闸管看作是连在一起的一只PNP三极管和一只NPN三极管。其等效电路见图9-2(c)。图9-2 晶闸管原理在阳极A与阴极K之间加上正向电压的条件下，如果在门极G与阴极之间加上触发电压，产生触发电流IG，T2导通并放大，产生IC2；IB1= IC2，T1导通并放大，产生IC1，在IG=0的情况下，IB2= IC1，晶闸管继续导通，并达到饱和状态。显然，只要IC1大于某一界限，即使触发电压已经消失，晶闸管将保持导通。这一界限称为晶闸管的维持电流。晶闸管只有导通和关断两种工作状态。晶闸管在关断状态，如阳极电位高于是阴极电位，

4、且门极、阴极之间有足够的正向电压，则从关断转为导通。晶闸管在导通状态，如阳极电位高于阴极电位，且阳极电流大于维持电流，即使除去门极、阴极之间电压，仍然维持导通；如阳极电位低于阴极电位或阳极电流小于维持电流，则从导通转为关断。二、晶闸管的特性和技术参数1晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是其阳极电流IA与阳、阴极电压UAK的关系曲线。晶闸管的伏安特性见图9-3。在门极断开，即门极电流IG=0时，在其阳极和阴极之间加正向电压UAK，随着UAK增加，阳极电流IA沿曲线的0A段变化。这时的阳极电流增加很慢，只有数毫安，称为正向漏电流。这时晶闸管的阳极和阴极之间处于正向关断状态。当阳极电压升高到UB0时，

5、晶闸管由关断转为导通，阳极电流急剧增大，伏安特性由0A跳变到BC段。晶闸管导通后，UAK降低为1V左右。UAK称为正向转折电压。这种不加控制电压，即IG=0，只是在很高的阳极电压作用下，使晶闸管导通的状态不是晶闸管的正常工作状态。晶闸管正常工作时，应保持阳、阴极之间外加电压UAKIG10，相应的转折电压UBO2UBO190时，UD0，输出电压的波形见图9-13(b)。这时，UD的实际方向与图标示的方向相反。如果A能提供电动势E，则当时，A将经全控桥向电网送电。电路工作在逆变状态；当时，由于晶闸管不能反向导通，电路中无电流，全控桥处在待逆变状态。图中，称为逆变角。发生逆变的条件是电路中有大电感存

6、在、90以及。考虑到晶闸管换流的时间，逆变角不能太小，一般不小于30。四、变频电路变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器。交-交变频器是直接将电网的交流电转换为电压和频率都可调的交流电输出。其输出频率低、功率因数低、主回路元件多、控制复杂应用较少。交-直-交变频器是先将交流电转换成幅值可调的直流电，再经逆变器转换成频率可调的交流电。图9-14是三相串联电感式电压型逆变器的主电路，是比较典型的变频电路。该电路由三个单相半桥电压型逆变电路组成。图中，VT1VT6为主晶闸管；L1L6（L1=L4、L3=L6、L5=L2，且每组均为全耦合电感）和C1C6为换流元件；二极管VD1VTD6作为负载电感性

7、电流的续流通路，并与R1、R2、R3组成电感性电流的衰减回路；ZA、ZB、ZC是电机定子绕组阻抗。晶闸管的触发脉冲必须是宽脉冲。图9-14 三相串联电感式电压型逆变器主电路晶闸管导通的顺序是VT1-VT2-VT3 VT4-VT5-VT6-VT1，依次间隔60。每只晶闸管导通180。每一瞬间都有3只晶闸管导通。其波形见图9-15。由图可知，在060区间，VT1、VT5、VT6导通，uAB=UD、uBC=UD、uCA=0，在60120区间，VT1、VT2、VT6导通，uAB=UD、uBC=0、uCA=UD，依次下去，可画出三相线电压的波形。按照阻抗的串并联关系，还可画出三相相电压的波形。显然，各相

8、基波依次相差120。如改变触发频率，即可改变输出交流电的频率；如改变触发的顺序，即可改变输出交流电的相序。图9-15 三相串联电感式电压型逆变器波形下面以A相为例，结合图9-16分四个阶段说明变频电路的换流过程。(1)初始阶段 逆变器工作在=120180区间，VT1、VT2、VT6导通，iA流向负载，C4充电至UD。(2)C4放电阶段 =180时，VT4触发导通，C4开始经L4、VT4放电；开始放电的瞬间，L4和L1上都产生上正下负、大小等于UD的电动势；VT1的阴极对电源负极电压上升为2UD，承受反向电压而迅速关断；C4继续放电，C1开始充电；仍然有iA流向负载。(3)电感释放能量阶段 C4

9、放电完毕，C1充电至UD，为VT1导通做好准备；同时，L4上电流达到最大值，开始沿VT4、VD4、R1释放能量；至L4放电为零时，VT4关断；VD4导通后，负载电压反向，但由于负载是电感性的，iA继续流向负载；此时，负载向电源回馈能量。(4)iA反向阶段 负载能量释放完毕后，iA=0，VD4截止，负载提供振荡电压，VT4再次触发导通（宽触发脉冲）；iA完成反向。图9-16 三相串联电感式电压型逆变器工作过程第四节 斩波电路和交流调压电路一、晶闸管斩波电路 斩波电路是晶闸管直流调压电路。斩波器接在直流电源与负载之间，用以调整负载上的直流平均电压，也称为直流-直流变换器。1斩波器控制方式斩波器有三

10、种控制方式。(1)定频调宽法 如图9-17(a)所示，保持触发频率不变，改变晶闸管导通时间，以改变输出直流平均值。(2)定宽调宽法 如图9-17(b)所示，保持晶闸管导通时间不变，改变触发频率，以改变输出直流平均值。图9-17 晶闸管斩波电路的波形(3)调频调宽法 同时改变触发频率和晶闸管导通时间，以改变输出直流平均值。2逆阻型斩波器最简单的逆阻型斩波器的构成和工作过程见图9-18。图中，VT1是主晶闸管，R1是负载电阻，VT2是辅助晶闸管，VT2、R1和电容C组成VT1的关断电路。其工作过程是：图9-18 逆阻型斩波器的和工作过程 VT1触发导通后，电流流过负载电阻R1；电容C经R2充电至电

11、源电压UD。见图5-18(a)。 经过预定的时间，VT2触发导通，VT1和VT2同时导通，电路进入短暂的换流阶段。见图5-18(b)。VT2导通后，C经VT2放电，使VT1承受反向电压而关断。 VT1关断后，电容C经R1充电至电源电压UD。见图5-18(c)。经过预定的时间，再次触发VT1，电路再次进入短暂的换流阶段。见图5-18(b)。随后是C经VT1放电，使VT2承受反向电压而关断，完成一个周期的变化。固定VT1的触发频率，改变VT2的出发脉冲与VT1的出发脉冲之间的间隔就是定频调宽方式；反之，就是定宽调频方式。图9-19所示为电车用调宽逆阻型斩波器基本电路。图中，M是直流电动机、L3是电

12、动机的串砾绕组、VD3是电动机回路的续流二极管。其工作过程是：接通电源后，电容C充电至UD；触发VT1后电动机运转，电容上电压保持；经过预定时间，VT2触发导通，C、LI构成的电路发生振荡，C上电压反向时VT2关断；VT2关断后，C经VD1、L2和负载放电；放电电流逐渐增大，但负载电流由于L3很大而基本上保持不变，流过VT1的电流逐渐减小，直至关断；VT1和VT2关断后，重新给C充电。图中，VD2的作用是为 才放电提供一条VT2关断后的通路；C经L2等放电时，在L2上产生左正右负的电动势经VD2和VD1给VT1、VT2加上反向电压，使其可靠关断。图9-19 电车用调宽逆阻型斩波器基本电路二、晶

13、闸管交流调压电路 晶闸管交流调压电路是接在交流直流电源与负载之间，将晶闸管作为可控的开关，用以调整负载上的交流电压有效值的电路。1控制方式(1)相位控制 这种控制方式类似晶闸管整流电路中改变触发脉冲的控制角。在电源每一周期的正半周和负半周，控制触发的相位，实现交流调压。相位控制方式的优点是电路简单、调整准确，缺点是高次谐波严重，用于精度要求较高的场合。(2)通断控制 这种控制方式在设定的区间内，晶闸管连续导通几个周波，再连续关断几个周波，来实现交流调压。通断控制一般采用过零触发，使输出电压完整的正弦波。通断控制的优点是克服了谐波干扰，缺点是输出电压不连续，用于时间常数较大的负载，如电热负载。通

14、断控制不适用于照明调光和电动机条速。2调压电路 (1)双向晶闸管 相当于一只P触发型晶闸管与一只N触发型晶闸管的反向并联。其符号见图9-20。A1称为主电极、A2称为主端子、G称为公共门极。当A1为正、A2为负时，不论触发脉冲是正脉冲还是负脉冲，晶闸管导通电流从A1到A2；当A1为负、A2为正时，不论触发脉冲是正脉冲还是负脉冲，晶闸管导通电流从A2到A1。 图9-20 双向晶闸管 (2)晶闸管调压电路 典型的相位控制的单相晶闸管调压电路和输出波形见图9-21。图中，VT是双向晶闸管，VD是双向触发二极管，R1、R2、R4、C1、C2是充电电路，R3、C3是晶闸管保护电路，RL是负载电阻。R1、

15、R4、C1的作用是增强触发的可靠性。图9-21 相位控制的单相晶闸管调压电路及输出波形三相晶闸管调压电路可能有图9-22所示的三种接法。图9-22(a)是有中性线的星形接法，其线路上三次谐波电流大。图9-22(b)是将晶闸管置于负载内的三角形接法，晶闸管的额定电流可以减小；三次谐波电流只在三角形内，不出现在线路上。图9-22(b)接法可用于大电流负载。图9-22(c)接法与负载接法无关；也不在线路上产生三次谐波电流。图9-22 三相晶闸管调压电路第五节 晶闸管触发电路一、对触发电路的要求 晶闸管触发电路由同步电源；脉冲形成、整形、放大环节；移相控制等环节组成。晶闸管电路的触发信号可以是脉冲信号

16、，也可以是交流信号、直流信号。为了提高触发的可靠性和减小减少触发功率，一般采用脉冲触发信号。对脉冲触发信号的要求是：脉冲信号有一定的功率。其触发电压和触发电流必须大于晶闸管门极要求的触发电压和触发电流。除法电压一般不低于410V。脉冲信号有一定的宽度。如脉冲太窄，在脉冲终止时，晶闸管主回路的电流尚未上升到最小维持电流，将导致晶闸管重新关断，即触发失败。对于普通晶闸管，脉冲宽度不应低于6s。电阻性负载的脉冲宽度为2050s、电感性负载的脉冲宽度约为1ms。对于三相全控桥式整流电路，要求脉冲信号是间隔60的双窄脉冲或宽度大于60小于120的宽脉冲。脉冲信号前沿有一定的陡度。前沿宽度不应超过10s。

17、触发脉冲信号的频率与主电路的频率一致，即触发信号与电源保持同步。这样，就能在每一周波相同的相位上触发晶闸管，保持输出的稳定。在逆变电路中，触发信号与电源不同步可能造成短路事故。触发脉冲型号有一定的移相范围，以满足负载的需要。具有一定的抗干扰能力。为了避免误触发，未触发时触发电路的正向电压不得超过0.150.2V。必要时加上12V的负偏压。二、触发脉冲的输出方式触发脉冲有直接输出和脉冲变压器输出两种输出方式。1直接输出即将触发脉冲直接加到晶闸管门极上的输出方式。直接触发一只晶闸管和同时触发两只晶闸管的示意图见图5-23(a)和(b)。直接触发的优点是电路简单、效率高、对脉冲前沿陡度的影响小、成本

18、低；直接触发的主要缺点是主电路与触发电路有电气连接，不能用于主电路与触发电路有隔离要求的场合。2脉冲变压器输出即将触发脉冲经脉冲变压器加到晶闸管门极上的输出方式。其示意图见图9-23的(c)和(f)。这种触发方式的脉冲经脉冲变压器要消耗一定的功率，而且脉冲前沿的陡斗有一定的损失。图9-23(d)、(e)中串联在晶闸管门极上的二极管的作用是防止负脉冲击穿晶闸管门极PN结。图9-23(e)、(f)中并联的二极管是用来抑制负脉冲的。图9-23 触发脉冲的输出三、单结晶体管触发电路1单结晶体管 图9-24 (a)所示，单结晶体管只有一个PN结。由于有两个基极，又称为双基极二极管。其三个电极是发射极、第

19、一基极和第二基极。图9-24(b)是其等效电路，RB1、RB2是接触电阻。图9-24(c)是其符号。图9-24 单结晶体管 如图9-24(d)所示，在B2、B1间加正向电压的条件下，UEUA时，IE趋近于零，且为负值；UAUEUV，IE近似与UE成正比。UP称为峰点电压，UV称为谷点电压。2单结晶体管触发电路的应用图9-25 单结晶体管振荡电路及输出波形 图9-25是单结晶体管振荡电路及输出波形。如图所示，电源电压经RE给电容C充电，当电容上的电压达到UP时，单结晶体管发射极与第一基极之间导通，电容C通过电阻R1放电，输出一个尖脉冲。放电至UV后，再次给电容充电，继续下去，电路输出一系列的尖脉

20、冲，即形成振荡输出。改变电阻RE，即改变电容充电的时间常数，可改变控制角。图9-26 简单的单结晶体管触发的应用电路简单的单结晶体管触发单相桥式半控可控整流电路见图9-26。 该电路由同步电源、整流和削波环节、脉冲形成和移相环节、桥式半控整流环节等组成。为了提高控制能力，可以在脉冲形成环节前面加设放大环节。图9-26中标示的u2、uC、uG、uL的波形见图9-27。由图可知，每半个周期产生若干个触发脉冲。由于晶闸管具有自维持的功能，每半个周期只有第一个触发脉冲起触发作用。该电路的移相范围不超过180。图9-27 图5-26电路的波形单结晶体管触发电路的优点是脉冲前沿陡、输出电流大、温度稳定性好，触发可靠性高，且所用器件少、电路简单，调节方便。单结晶体管触发电路缺点是触发脉冲窄，对电感性负载的触发难度较大；其控制信号与移相角之间不是线性关系，对调节系统的要求较高。四、晶体管触发电路对于触发功率较大、线性要求较高的晶闸管装置，可采用晶体管触发电路。晶体管触发电路主要由锯齿波发生器、移相控制等环节组成。图9-28是简单的锯齿波晶体管触发电路。图9-28 锯齿波晶体管触发电