4 电力电子学 ——晶闸管及其基本电路 半导体器件发展 A. 电力电子学的任务

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1 4 电力电子学 ——晶闸管及其基本电路 半导体器件发展 A. 电力电子学的任务
利用电力半导体器件（如：晶闸管）和线路来实现电 功率的变换和控制。 晶闸管（Silicon Controlled Rectifier简称SCR，1957年）在弱电控制与强电输出之间起桥梁作用。

2 B. 晶闸管的优缺点 l 优点： 1) 功率放大倍数可达几十万倍； 2) 控制灵敏，反应快； 3) 损耗小，效率高； 4) 体积小，重量轻；
1) 功率放大倍数可达几十万倍； 2) 控制灵敏，反应快； 3) 损耗小，效率高； 4) 体积小，重量轻； 5) 改善了工作条件，维护方便。 l   缺点： 1) 过载能力弱； 2) 抗干扰能力差； 3) 导致电网电压波形畸变； 4) 控制电路比较复杂。

3 4.1 电力半导体器件 4.1.1 晶闸管（SCR） ——新型大功率半导体器件，也称可控硅。 1. 基本结构 4.1 4.2

4 1) 外形 前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散热效果好）。 2) 内部结构 ——它是PNPN四层三端元件。
1) 外形 前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散热效果好）。 2) 内部结构 ——它是PNPN四层三端元件。 3) 符号（如图所示）

5 l 实验情况 2. 工作原理 说明：可用灯泡 代替电阻RL。 1)晶闸管承受正向电压，开关S（控制极）断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。
4.3 1)晶闸管承受正向电压，开关S（控制极）断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。 2)在控制极与阴极之间再加上正向电压（S接通），电灯发亮，晶闸管导通。 3)晶闸管承受反向电压，不论S是否接通，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。 4)晶闸管导通后（情况2），断开控制极电压（控制极失去作用），电灯仍发亮，晶闸管仍导通。 5)晶闸管导通后（情况2），如果控制极电压加反向电压，不论阳极电压是正或负，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。 说明：可用灯泡 代替电阻RL。

6 1)晶闸管导通条件：阳极加正向电压，控制极也加正向电压。
l  结论 1)晶闸管导通条件：阳极加正向电压，控制极也加正向电压。 2)控制极只需加正触发脉冲电压。 3)具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。 l   导通原因 4.4

7 1)  等效为PNP型和NPN型两个晶体管的组合。
2) 阳极和控制极均加正向电压时， 经 放大，集电极电流为 （ 基极电流），又经 放大， 集电极电流为 （即 基极电流），再次放大，循环往复，直至导通为止（“触发导通过程”——微秒级）。 3) 晶闸管导通后， 基极电流比 （控制电流）大得多，故去掉 ，晶闸管仍导通。 4) 阳极加反向电压，无放大作用，晶闸管不导通；控制电压反向或未加入，不产生起始 ，晶闸管也不导通。

8 晶闸管的伏安特性——晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系。
3.伏安特性 晶闸管的伏安特性——晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系。 4.5

9 1) 截止状态（正向阻断状态）——阳极加正向电压，门极开路（ ＝0），电流很小，电阻很大，称为正向漏电流。
2) 导通状态——正向阳极电压上升到某一定值， ，晶闸管突然变为导通状态。这时阳极电压称为断态不重复峰值电压（ ）或正向转折电压（ ）。 ↑， ↓，晶闸管容易导通。 注：在晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，使元件导通的控制极最小电流（电压）称为触发电流（电压）。

10 3) 维持电流 （保证晶闸管导通的最小阳极电流）——当电流小于 时，从导通状态转化正向阻断状态。
4) 反向阻断状态——阳极加反向电压时，反向漏电流很小。当反向阳极电压增加到某一数值时，反向漏电流 ，这时对应的电压值称为 (反向不重复峰值电压)或 (反向转折电压，反向击穿电压)。 注：晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。

11 4. 主要参数 1)   （断态重复峰值电压）——在控制极断路和晶闸管正向阻断时，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，它比 小100V。 “多少伏的晶闸管” 2)       （反向重复峰值电压）——在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，它比 小100V。 3)    （额定通态或正向平均电流，简称额定电流）——在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通时，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值。 “多少安的晶闸管”

12 正弦半波电流的平均值 正弦半波电流的有效值 波形系数 即 一般按 选晶闸管（ ——实际电流有效值） 4)     （维持电流）——在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流。 一般为几十mA ~ 一百多mA，其数值与温度成反比，如：

13 5. 型号及其含义（国产晶闸管） / 例如： 3CT50/500（ 为50A， 为500V）；
KP5-7（K—晶闸管，P—普通型，额定电流5A，额定电压700V）。 / 可控整流元件 N型硅材料 三个电极

14 注意：当A—K间为高阻值，而K—G间逆向电阻大于顺向电阻时，管子良好。
6. 判别管子的好坏 用万用表的欧姆档来判别管子的好坏。 表10.1 用万用表测试晶闸管各管脚之间的电阻 测试点 表内电池极性 测量范围 测试结果 A—K 顺向或逆向 R×1000 高电阻 （表针不动） A—G 同上 K—G 顺向：G “+”,K “-” 逆向：G -”,K “+” R×1 10 ~ 100 50 ~ 500 注意：当A—K间为高阻值，而K—G间逆向电阻大于顺向电阻时，管子良好。

15 4.1.2 其它电力半导体器件 双向晶闸管 可关断晶闸管 功率晶体管 整流二极管

16 1. 双向晶闸管（TRIAC） 4.6 4.7

17 l 特点 1) 三端子NPNPN元件； 2) 采用交流电源； 3) 相当于两只普通晶闸管反并联； 4) 双向控制，简化触发电路； 5) 成本低，可靠性好； 6) 主要应用于家用电器控制，调节交流电压。 l 符号(如图所示) l 工作原理 1) 门极无信号时， 、 不导电。 2) 导通条件：① "+" ， "-"，G "+" ② "-"， "+"，G "-" l 电压波形图(如图所示)

18 2. 可关断晶闸管（GTO） l 特点 1) 控制极控制元件的导通和关断，所需控制电流较大。 20 m A / 30μA
1) 控制极控制元件的导通和关断，所需控制电流较大。 20 m A / 30μA 2) 动态特性较好，关断时间较短。 1μs / (5 ~ 30) μs 3)  主要用于直流调压和直流开关电路。 4) 电路简单，工作频率高。 l  符号 与晶闸管相似。 4.8

19 正向导通压降（0.3 ~ 0.8）V，功率损耗较晶闸管（≈1V）小；
3. 功率晶体管（GTR） （300A，100V或100A，300V） l  特点 可在高电压和强电流定额下使用； 正向导通压降（0.3 ~ 0.8）V，功率损耗较晶闸管（≈1V）小； 基极电流消失或反偏时，晶体管立即截止（不存在关断问题）； 允许的电流变化率低； 处于导通状态，基极电路功率损耗大； 体积更小，价格更低（比晶闸管）。 4.9 达林顿晶体管（200A，500V） 注：复合管，正向导通压降↑，功率损耗↑。

20 4. 大功率二极管（整流二极管） l    特点 可在高温下工作；（室温）      加正向导通压降（0.8 ~ 1）V； 反向电压就截止，加正向电压就导通； 额定值可达200A和400V，或更高。 注：它相当于一只开关。

21 作业： P: ，10.3～7

22 4.2 单相可控整流电路 由晶闸管组成的可控整流电路类似于二极管整流电路。它可分为单相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。 4.2.1 单相半波可控整流电路 特点： ① 应用较少，电路简单，调整容易。 ② 直流输出电压低，脉动大。

23 电阻性负载 分析： 1) —控制角（晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲作用点之间的电角度），
1)   —控制角（晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲作用点之间的电角度）， —导通角（晶闸管在一周期时间内导通的电角度）， ， ， 。 2) 最大正向、反向电压为 （电源变压器副边电压 的最大值）。 3) 负载（输出直流）电压平均值、负载电流平均值分别为： 4) ，达到可控整流的目的。 4.10

24 2. 电感性负载 如：各种电机的励磁线圈等。 4.11 4.12

25 分析： 电感阻碍电流变化（ —自感电势或反电动势）。   大于电源负电压，晶闸管继续导通，也就是说，导通角 。 负载电感 ，负载负（反向）电压 ，满足不了负载的要求。

26 3. 续流二极管的作用（大电感性负载） 分析： 1)  负载两端并联一只二极管。 2) 电流电压过零变负时，续流二极管导通，晶闸管自行关断（无电流流回电源）。 3) 负载两端电压为二极管管压降，接近于零（电感放出能量消耗在电阻上）。 4)    波形与电阻性负载一样， 波形与之很不相同。当 时，电流脉动小， 波形近似于一条平行于横轴的直线。

27 4.2.2 单相桥式可控整流电路 （应用很广） 它与不可控桥式整流电路的区别：二只晶闸管代替二只二极管。 1. 单相半控桥式整流电路
4.13 4.2.2 单相桥式可控整流电路 （应用很广） 它与不可控桥式整流电路的区别：二只晶闸管代替二只二极管。 1. 单相半控桥式整流电路 工作原理： l  输入电压正半周，触发VS1，VS2和V1反向截止，电流通路为： l  输入电压负半周，触发VS2，VS1和V2反向截止，电流通路为：

28 2) 电感性负载 1) 电阻性负载 与半波整流相比较， 和 增加了一倍，分别为： l 加续流二极管——不出现“失控”现象。
1)  电阻性负载 与半波整流相比较， 和 增加了一倍，分别为： 2)  电感性负载 l 加续流二极管——不出现“失控”现象。 l 不加续流二极管——不失控，VS2与V1交换位置。 注意：电源电压为零（或θ= 0或触发回路切断）时，V1 和V2形成续流（电流增大），VS1或VS2可靠关断。

29 4.14 4.15

30 3) 只用一个晶闸管进行控制的整流电路 （a）电阻性负载——与半控桥一样 （b）电感性负载——必须加续流二极管 （c）优缺点：
3) 只用一个晶闸管进行控制的整流电路 四个整流二极管组成单相桥式全波电路 ——节省晶闸管元件。 （a）电阻性负载——与半控桥一样 （b）电感性负载——必须加续流二极管 （c）优缺点： ① 控制线路简单，成本较低； ② 承受整流过的脉动电压，不承受反向电压； ③ 整流元件较多，体积较大； ④ 压降、损耗较大； ⑤ 选用维持电流较大的晶闸管，以免失控。 4.16

31 4)  反电势负载 4.17

32 （c）电流的幅值与平均值之比相当大，必须降低电流定额使用。
分析： （a）导通条件： l  电源电压大于反电势； l  有触发脉冲。 （b） 比 电 阻 性 负 载大， 。 （c）电流的幅值与平均值之比相当大，必须降低电流定额使用。 （d）对大容量电动机或蓄电池负载，常串联电抗器L（用以平滑电流的脉动）。 4.18

33 2. 单相全控桥式整流电路 4.19

34 1) 它与半控桥的区别： l 四只全是晶闸管。 l 每半周期要求触发两只晶闸管。 l 电感性负载（无续流二极管）时，输出电压的瞬时值出现负值。 l 电阻性负载时，不比半控桥整流优越，一般采用半控桥线路。 l 主要用于正反向逆变电路中。 注意：在全控桥中元件承受的最大正、反向电压仍是 。

35 2)  电感性负载时工作状况： l       为正，瞬时 ，VS1、VS2 导通。当 ＝ 0 时，L上反电势作用，VS1、VS2继续导通，直至 为负。 l      为负，即 为正，对应瞬时 ，VS3 、VS4 导通，VS1、VS2关断。当 ＝ 0 时，VS3、VS4继续导通到触发VS1、VS2时关断。 注意：为了提高整流电压，可在负载两端并接续流二极管。

36 例4.1 一直流电源的调节范围： 采用单相半控桥整流电路，试求最大交流电压和电流的 有效值，并选择整流元件。 解 设 则交流电压有效值
例4.1 一直流电源的调节范围： 采用单相半控桥整流电路，试求最大交流电压和电流的 有效值，并选择整流元件。 解 设 则交流电压有效值 考虑到 达不到180º，200V应加大10%到220V。 因此，可不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。 而交流电流有效值

37 为保证晶闸管瞬时过电压时不损坏，则 故选用晶闸管3CT10/600和二极管2CZ10/300(考虑留有余量，采用10A定额)。

38 作业： P: ～13（在题10.10中划去“若不注意……后果？”）