第九章 功率电子电路 第一节 晶闸管 第二节 单相可控整流电路 第三节 晶闸管逆变电路 第四节 直流斩波器的工作原理 第五节 交流调压电路

9.1 晶闸管 晶闸管又称可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一种大功率半导体器 件，它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到 强电领域。 晶闸管具有体积小、重量轻、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）等特点。 返回

螺旋式结构 平板式结构

9.1.1 基本构造 A（阳极） 符号 三 个 PN 结 P1 P2 N1 N2 A K G 四 层 半 导 体 G（控制极） K（阴极）

9.1.2 工作原理 1. 晶闸管工作原理的实验 阳极、阴极间加正向电压， 控制极(门极)不加电压。

阳极、阴极间加正向电压， 门极加正向电压。

阳极、阴极间加反向电压， 控制极(门极)加电压。

K 2. 晶闸管工作原理的解释 A G VT1 VT2 阳极A和阴极K加正向电压 阳极A和阴极K加反向电压 P1 P2 N1 N2 控制极G和阴极K之间不加正向电压 无论控制极G与阴极K之间是否加有电压，晶闸管均不能导通。 晶闸管不导通 反偏 正偏 控制极G和阴极K之间加正向电压 反偏 正偏 反偏 正向电压足够大时，三个PN结都正偏，晶闸管导通。

K A 此时即使去掉控制极与阴极之间的电压，由于本身的正反馈作用晶闸管仍能维持导通。 β1 β2IG 正反馈 VT1 β2IG G RL 正反馈 UA β2IG 两个晶体管进入饱和导通状态。 UG IG 晶闸管导通后， UAK≈0.6～1.2V 控制极电压UG的作用仅仅是触发晶闸管的导通

3. 晶闸管工作原理的小结 (1)晶闸管的导通条件： ①阳极和阴极间加正向电压。 ②控制极和阴极间加正向触发电压。 ③阳极电流不小于维持电流。 (2)晶闸管的阻断(截止)条件： ①阳极和阴极之间加反向电压，或电压为零。 ②减小UAK或加大主回路电阻，使晶闸管阳极电流小于维持电流。 (3)属于半控型的具有单向导电性的电子器件。 半控：控制极的触发信号只能控制其导通，不能控制其关断。

9.1.3 伏安特性 UBO IA IN IG增加 反向击穿电压 IG=0 IG2 IG1 IH URO UAK 导通电压1V左右 正向折转电压

9.1.4 主要参数 通态平均电流IF：允许通过晶闸管阳极的工频频率正弦波半波电流的平均值。 维持电流IH：在控制极开路的情况下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于IH时，管子自动阻断。 触发电压UG和触发电流IG：晶闸管从阻断到完全导通所需要的最小的控制极直流电压和电流。

正向断态重复峰值电压UFRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般情况下UFRM ＝UBQ×80%。 反向重复峰值电压URRM ：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般情况下URRM ＝UBQ×80%。 额定电压UD：取UFRM和URRM 中较小的一个数值标为器件的额定电压。

9.1.5 晶闸管触发电路 晶闸管由阻断变为导通的条件： 在阳极和阴极间加上正向电压 在控制极和阴极间加上正向触发信号 触发信号的要求： 9.1.5 晶闸管触发电路 晶闸管由阻断变为导通的条件： 在阳极和阴极间加上正向电压 在控制极和阴极间加上正向触发信号 触发信号的要求： 触发脉冲要有足够的功率 触发脉冲要有一定的宽度 触发脉冲必须与主电路同步 触发脉冲要有一定的相移范围

1. 单结晶体管的结构和特性 结 构 符 号 b2 （第二基极） N P e b2 b1 e (发射极) b1 （第一基极） PN结

单结晶体管的伏安特性 e与b1间呈高阻态 e与b1间呈低阻态 ie ue UV UP IV IP e b2 b1 ue Ubb ie O e b2 b1 ue Ubb ie b2接正、b1接负 e与b1间呈高阻态 当ue>ηUbb时 e与b1间呈低阻态

UV、IV -- 谷点电压、电流 维持单结管导通的最小电压、电流。 uE<UV 时单结管截止 UP 、IP -- 峰点电压、电流 单结管由截止变导通所需发射极电压。 uE>UP 时单结管导通

2. 单结晶体管的弛张振荡电路 (1) 触发脉冲的产生 (2) 触发脉冲的移相 uC R b2 t e E b1 C uR1 uR1 uC UV UP O t uR1 O (1) 触发脉冲的产生 (2) 触发脉冲的移相

3. 同步振荡电路 整流 削波 弛张振荡电路 触发脉冲 变压器的同步作用： 保证主电路和触发电路的电源电压同时过零（即两者同步），使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同（即 角一样），以使输出平均电压不变。 3. 同步振荡电路 u2 uZ uC R2 R Rfx R1 RW uW C u1 整流 削波 弛张振荡电路 触发脉冲

t t t u2 uZ uC uW UZ 改变电容C的充放电速度,可以改变触发脉冲周期T。 uR1 T 稳压管的作用： 将整流后的电压变成梯形波 （即削波），使单结管两端电 压稳定在稳压管的稳压值上， 从而保证单结管产生的脉冲幅 度和每半个周期产生第一脉冲 的时间，不受交流电源电压变 化的影响。 t O uZ uC uW UZ t O 改变电容C的充放电速度,可以改变触发脉冲周期T。 uR1 t O T

~ 9.1.6 晶闸管的使用注意事项 1、过流保护措施 快速熔断器：电路中加快速熔断器。 接在 输出端 接在 输入端 和晶闸 管串联 9.1.6 晶闸管的使用注意事项 1、过流保护措施 快速熔断器：电路中加快速熔断器。 接在 输出端 ~ 接在 输入端 和晶闸 管串联 过流继电器：在输出端装直流过电流继电器。 过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。

2、过压保护 利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。 阻容吸收: 硒整流堆: 硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。 ~ R C 硒 堆

3、严格遵守晶闸管规定的工作条件 4、符合规定的冷却条件 如：空气温度、湿度、周围环境等。 通用系列为： 加散热片自然冷却 加散热片强迫风冷 1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14种规格。 加散热片强迫油冷

9.2 单相可控整流电路 9.2.1. 单相半波可控整流电路 (1) 电路及工作原理 uG u1 u2 uT uO A G K RL iO ＋ － u1 u2 uT uO A G K RL iO

(2) 工作波形(设u1为正弦波) uG u1 u2 uT uO A G K RL  t u2  t uG  t uO iO  t ＋ － u1 u2 uT uO A G K RL (2) 工作波形(设u1为正弦波)  t u2 u2 > 0 时，加上触发电压 uG ，晶闸管导通 。且 uL 的大小随 uG 加入的早晚而变化； u2 < 0 时，晶闸管不通， uL = 0 。故称可控整流。  t uG  t uO iO  t uT    ：控制角  ：导通角

ò ò U = I R = w t td U sin 2 1 = w t d u U 2 1 (3) 输出电压及电流的平均值 uO  t (3) 输出电压及电流的平均值  t uO  2  p ò = a w t d u U O 2 1 ò = p a w t td U sin 2 1 L O R U I =

2. 电感性负载 uO iO t  3 uO iO t 工作原理： u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，电感产生反电动势。 D + – G A uO u1 u2 R K L ＋ － 由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，使负载两端电压波形出现负值。 解决办法：加续流二极管D后, 消除了反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断。 t uO iO 电阻性 负载时 （对照用）  3 电感性 负载时 (加续流二极管后） t uO iO 电流流经 晶闸管 续流二极管

9.2.2 电阻性负载桥式可控整流电路 1. 电路分析 u正半周(０～π) a(＋) b(－) 负半周(π～２π) a(－) b(＋) a 1. 电路分析 u正半周(０～π) a(＋) b(－) VT1 VT3 VT2 VT4 RL uo u 负半周(π～２π) a(－) b(＋) a － + + － b 触发脉冲uG引入控制极 VT1导通、VT4导通 VT3导通、VT2导通 电流方向 uo＝－u uo＝u

2. 工作波形 ωt u π 2π 3π O ωt uG O   uo ωt O uVT1 ωt O

3. 参数计算 整流输出电压平均值 输出电流平均值 二极管和晶闸管承受的最高反相电压为

R2 R1 a RP C uc u2 R b c d e DZ u1 T1 T2 D1 D2 u3 主电路 电压的调节: RP  uL ＋ － 触发电路 u1 ＋ － ＋ － T1 T2 D1 D2 uL RL u3 主电路 电压的调节: RP 电容充电速度变慢  uL

典型题型介绍 一、填空题 1、只有当 确定之后，电路中某点才有确定的电位。 2、电路中电流的实际方向，由结合 方向的代数量I的正负来表示。 1、只有当 确定之后，电路中某点才有确定的电位。 2、电路中电流的实际方向，由结合 方向的代数量I的正负来表示。 3、三相对称负载是指三个负载的 相同。 4、在RC电路的零输入响应中，电容的放电电压按 下降。 5、在RLC串联电路中，当整个电路的总电压和总电流同相时，这种状态称为 。 6、图示正弦交流电路中，V1表读数为3V，V2表读数为4V。则V表读数为 伏。 7、晶体三极管是 控制元件。处理模拟信号时，三极管工作在 状态，处理数字信号时，三极管工作在 状态。 8、在放大电路中，测得某三极管的三个管脚对地的电位分别是－9V、－6V、－6.2V，则该管的类型是 。 9、将逻辑函数F（ABC）＝AB＋BC写为最小项之和的标准与或式为 。 10、在时钟脉冲CP作用下，双稳态触发器能够连续（翻转）计数，对于D触发器应 ； J－K触发器应 。 二、判断题 1、电路中的负载增加是指流过负载中的电流增加。（ ） 2、在三相负载的三角形联接中，线电流是相电流的 倍。 （ ） 3、为保证用电安全，在三相四线制供电系统中，应在中线上安装保险丝。 （ ） 4、若干元件串联的正弦交流电路的各端电压为U1、U2¨¨UN，则总电压U＝U1＋U2＋¨¨＋UN 。（ ） 5、若电路中的电流i＝Imsin(ωt＋30°)A,电压u＝Umsin(ωt＋60°)V, 则该电路呈感性。 （ ） 6、三极管具有电流放大作用，因此，在基极输入一个小电流，集电极就会产生一个大电流。（ ） 7、译码器、编码器均具有记忆功能。 （ ） R C V1 V V2 6题图

10、所有的门电路都只有“0”、“1”两个状态。 （ ） 三、名词解释 1、关联方向 2、相序 3、对称电源 4、静态工作点 5、零点漂移 74LS90 Q4 Q3 Q2 Q1 CP1 CP0 R0A R0B CP 8题图 S9A S9B 8、图示电路为一个12进制计数器。 （ ） 9、共集电极放大电路没有放大作用。 （ ） 10、所有的门电路都只有“0”、“1”两个状态。 （ ） 三、名词解释 1、关联方向 2、相序 3、对称电源 4、静态工作点 5、零点漂移 四、单项选择题 1. 通常所说的电路负载小是指 A、负载电阻小 B、负载电阻大 C、负载电流大 D、负载功率大 2. 基尔霍夫定律是 A、关于电路结构约束的定律 B、关于元件伏安关系的定律 C、关于电路电磁关系的定律 D、关于元件能量转换的定律 3. 图示正弦交流电路中，V1表读数为3V，V2表读数为4V。则V表读数为 A、1V B、5V C、7V D、12V 4. 对称三相电源线电压 为380 伏，接在三角形联结的对称负载上，每相阻抗 。则线电流 为 A、 A B、 A C、 A D、 A R C V1 V V2 3题图

5. 已知交流信号源电压为16V，内阻为800Ω。通过一个变压器带一阻抗为8Ω的负载，当负载获得最大功率时，变压器变比为 A、8 B、10 C、25 D、100 6. 用欧姆表测量二极管的电阻时应当是 A、正向电阻大，反向电阻大 B、正向电阻小，反向电阻小 C、正向电阻大，反向电阻小 D、正向电阻小，反向电阻大 7. 在由NPN管组成的共射放大电路中，当输入信号为正常正弦波时，用示波器观察其输出波形uO时，却出现了负向平顶失真。其原因为 A、三极管不放大 B、输入信号过大 C、静点设置偏低 D、静点设置偏高 8. 某多级放大电路，要求输入电阻低，输出电流稳定时，应选用的反馈类型为 A、电流并联负反馈 B、电流串联负反馈 C、电压串联负反馈 D、电压并联负反馈 9. 图示电路中，三极管工作在 状态。 A． 放大 B． 饱和 C． 截止 D． 不能确定 10. 图示电路中，集成运算放大器的UOM＝±12V， 稳压管的UZ＝3V，UD＝0.7V，运算放大器的电压 传输特性为 。 +12V 2KΩ 30KΩ 3V Β＝50 9题图 + ui uO 10KΩ R ∞ 20KΩ VS 2V 9.1KΩ － 10题图

五、电路的分析与计算 1. 用支路电流法求解I3 2. 用叠加原理求I2 3. 用戴维宁定理求图示中的电流I。 R2=3Ω R3=6Ω ＋ － US1 12V 24V I3 US2 R1=3Ω 1A 10Ω 2Ω ＋ － 4V R2 IS US I2 I1 R1 R3 6Ω ＋ － 6A 2Ω 3Ω 12V I 12Ω

4. 图示正弦交流电路中，已知I1=I2=5A ，U=50V，且端口UI同相，通过画相量图求I、R、XC、XL。 5. 已知， ，R1=R2=30Ω,XL=XC=30 Ω。求 、 、 及 。 6. 图示单管放大电路中，已知， 。 1）求静态工作点。 2）计算电压放大倍数。 3）求输入、输出电阻。 7. 电路如图。已知RF=50K，R1=10K，R2=20K，R3=40K 1）指出电路中的反馈类型。 2）当 ， 时，求 为多少？ C R L a XC XL R1 R2 b ○ ui uO 3K +UCC=12V 1.5K RB RC RL 200K ∞ － + u i1 R1 u i2 R2 R3 RF u o

8. 电路如图。 1）列逻辑表达式，并化简。 2）列真值表。 3）说明电路功能。 9. 电路如图。设各触发器初始状态为零。 1）列出电路的状态表。 2）画出在CP作用下的电路的波形图。 10. 试用两片74LS90连成36进制计数器。 A B & ≥1 1 F ○ J3 K3 Q3 CP J2 K2 Q2 J1 K1 Q1