半导体变流技术课件.ppt
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第五章第五章 半导体变流技术半导体变流技术——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；；•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 半导体变流技术的任务：半导体变流技术的任务：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 电力半导体器件电力半导体器件弱电弱电强电强电半导体变流技术 晶晶闸闸管管（（Silicon Controlled Rectifier 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型电力半导体器件，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新型电力半导体器件，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 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2～～4V)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、重量轻半导体变流技术 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；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，获得越来越广泛的应用。
5.1 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 ：：半导体变流技术 其中：其中：A—阳极，阳极，K—阴极，阴极，G—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结结半导体变流技术 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，，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 瞬瞬间间合合上开关上开关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）所示 （（1））在在0~t1之之间间: 开开关关S未未合合上上，，ug=0，，尽尽管管uAK>0，，但但ud=0，，即即晶晶闸闸管未导通；管未导通； （（ 2）） 在在 t1~t2之之 间间 : uAK>0 ，，由由于于开开关关S合合上上，，使使ug>0，，而而 ，， 即即晶晶闸管导通；闸管导通； （（3）在）在 t2~t3 之间，之间， uAK<0，尽管，尽管ug>0，但，但 ud=0，即晶闸管关断；，即晶闸管关断； （（4）在）在 t3~t4 之间，之间， uAK>0，这时，这时ug>0 ,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uAK>0 ，， ，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 半导体变流技术 综上所述可得出以下结论：综上所述可得出以下结论： （（1））起起始始时时若若控控制制极极不不加加电电压压，，则则不不论论阳阳极极加加正正向向电电压压还还是是反反向向电电压压，，晶晶闸闸管管均均不不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力；导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断能力； （（2）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须）晶闸管的阳极和控制极同时正向电压时晶闸管才能导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件；同时具备的两个条件； （（3））在在晶晶闸闸管管导导通通之之后后，，其其控控制制极极就就失失去去控控制制作作用用，，欲欲使使晶晶闸闸管管恢恢复复阻阻断断状状态态，，必必须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向） 晶晶闸闸管管的的PN结结可可通通过过几几十十安安~几几千千安安的的电电流流，，因因此此，，它它是是一一种种大大功功率率的的半半导导体体器器件件，，由由于于晶晶闸闸管管导导通通时时，，相相当当于于两两只只三三极极管管饱饱和和导导通通，，因因此此，，阳阳极极与与阴阴极极间间的的管管压压降降为为1V左左右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上。
右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上半导体变流技术 三、晶闸管的伏安特性三、晶闸管的伏安特性 晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性 半导体变流技术 正向正向( uAK >0 ) 正向阻断状态正向阻断状态: 当当ug=0，， uAK 漏电流）流过，处于截止状态 反反向向击击穿穿：：当当 uAK =URSM ，，晶晶闸闸管管突突然然由由反反向向截截止止状状态态转转化化为为导导通通状状 态 URSM称为称为反向不重复峰值电压反向不重复峰值电压，或用，或用UBR表示称表示称反向击穿电压反向击穿电压半导体变流技术 四、晶闸管的主要参数四、晶闸管的主要参数 为为了了正正确确选选用用晶晶闸闸管管元元件件，，必必须须要要了了解解它它的的主主要要参参数数，，一一般般在在产产品品目目录录上上给给出出了了参参数数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据 1. 断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压 UDRM=UDSM -100 在在选选择择晶晶闸闸管管时时还还要要考考虑虑留留有有足足够够的的余余量量，，一一般般：：晶晶闸闸管管的的UDRM 应应等等于于所所承承受受的的正正向电压的（向电压的（2~3）倍。 倍 2. 反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压 URRM=URSM -100 3. 额定通态平均电流（额定电流）额定通态平均电流（额定电流）IT 在环境温度不大于在环境温度不大于40度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工度的标准散热及全导通的条件下，晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流频正弦半波电流（在一个周期内）平均值，称为额定通态平均电流，简称为额定电流 4. 维持电流维持电流 IH 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称维持电流一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称维持电流一般为几般为几mA～一百多～一百多mA 半导体变流技术 5.2 单相可控整流电路单相可控整流电路 整流－将交流电变为直流电的过程；整流－将交流电变为直流电的过程；整流电路－将交流电变为直流电的电路；整流电路－将交流电变为直流电的电路；整流整流单相单相 三相三相 5.2.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路 u2－输入电压－输入电压 ；ud－输出电压－输出电压 ；－控制角－控制角 ；晶闸管元件承晶闸管元件承受正向电压起始点到触发受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角脉冲的作用点之间的电角度。 度 －导通角－导通角 ；是晶闸管在一是晶闸管在一周期时间内导通的电角度周期时间内导通的电角度 对单相半波可控整流电路：对单相半波可控整流电路： 一、带电阻性负载的可控整流电路一、带电阻性负载的可控整流电路 半导体变流技术 输入电压输入电压：负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压：二、带电感性负载的可控整流电路二、带电感性负载的可控整流电路 单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路用用于于大大电电感感性性负负载载时时，，如如果果不不采采取取措措施施，，负负载载上上就就得得不到所需要的电压和电流不到所需要的电压和电流半导体变流技术 三、续流二极管的作用三、续流二极管的作用 为为了了提提高高大大电电感感负负载载时时的的单单相相半半波波可可控控整整流流电电路路整整流流输输出出平平均均电电压压，，可可采采取取负载两端并联一只二极管措施负载两端并联一只二极管措施5.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路 晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示晶闸管组成的半控桥式整流电路，如图所示 (a) 单相桥式整流电路 (b)电阻性负载时的电压电流波形1. 电阻性负载电阻性负载 负载电压负载电压：负载电流负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压晶闸管承受的最大正反向电压： 晶闸管电流平均值：晶闸管电流平均值： 续流二极管的电流平均值：续流二极管的电流平均值：半导体变流技术 2. 电感性负载电感性负载 如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。 如图所示半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施 有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象因电流为零而关断，不会出现失控现象 流过每只晶闸管平均电流：流过每只晶闸管平均电流： 流过续流二极管的平均电流：流过续流二极管的平均电流： 半导体变流技术 为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成为了节省晶闸管元件，还可采用如图所示的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压 3.反电势负载反电势负载 当整流电路输出接有电势负载时当整流电路输出接有电势负载时,只有当只有当电源电源的瞬时值大于反电势电源电源的瞬时值大于反电势，同，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。 时间内，负载上保留原有的反电势 半导体变流技术 a. 负载两端的电压平均值比电阻性负载时高负载两端的电压平均值比电阻性负载时高 b. 负载电流平均值比电阻性负载时低负载电流平均值比电阻性负载时低 因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比因为导通角小，导电时间短，回路电阻小，所以，电流的幅值与平均值之比值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用另外，对于值相当大，晶闸管元件工作条件差，晶闸管必须降低电流定额使用另外，对于直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，直流电动机来说整流子换向电流大，易产生火花，对于电源则因电流有效值大，要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用要求的容量也大，因此，对于大容量电动机或蓄电池负载，常常串联电抗器，用以平滑电流的脉动，如图所示以平滑电流的脉动，如图所示 半导体变流技术 半导体变流技术 5.2.3 单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路 单相全控桥式整流电路如图所示把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代单相全控桥式整流电路如图所示。 把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥替即构成全控桥 半导体变流技术 例例5.1 欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压欲装一台白炽灯泡调光电路，需要可调的直流电源，调节范围：电压U0=0V~180V,电流电流I0=0~10A现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流现采用单相半控桥式整流电路，试求最大输入交流电压和电流有效值，并选择整流元件电压和电流有效值，并选择整流元件 解解: 设设在在晶晶闸闸管管导导通通角角θ为为π(控控制制角角为为0 )时时输输出出电电压压值值为为最最大大（（180V）），， 则则对对应的应的输入交流电压有效值输入交流电压有效值为最大 实实际际上上还还要要考考虑虑电电网网电电压压波波动动、、管管压压降降以以及及导导通通角角常常常常到到不不了了1800 ，，交交流流电电压压要要比比上上述述计计算算而而得得到到的的值值适适当当加加大大10%左左右右，，即即大大约约为为220V因因此此，，在在本本例例中中可可以不用整流变压器，直接接到以不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上的交流电源上 交流电流有效值交流电流有效值 ：： 晶晶闸闸管管所所承承受受的的最最大大正正向向电电压压、、最最大大反反向向电电压压和和二二极极管管所所承承受受的的最最大大反反向向电电压压相等，即：相等，即：流过晶闸管和二极管的平均电流流过晶闸管和二极管的平均电流 ：：半导体变流技术 5.3 三相可控整流电路三相可控整流电路 5.3.1 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路图如图所示。 三相半波可控整流电路图如图所示 自然换相点：自然换相点：触发相序：触发相序：ABC触发脉冲的相位差：触发脉冲的相位差：1200设输入电压为：设输入电压为：半导体变流技术 半导体变流技术 可能承受的最大反向电压为可能承受的最大反向电压为： 当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:半导体变流技术 5.3.25.3.2、、、、 三相桥式三相桥式三相桥式三相桥式全全全全控控整流电路整流电路整流电路整流电路2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理在每一瞬间在每一瞬间在每一瞬间在每一瞬间, ,共阴极组中阳极电位共阴极组中阳极电位最高的晶闸管导通最高的晶闸管导通;共阳极组中阴共阳极组中阴共阳极组中阴共阳极组中阴极电位最低的晶闸管导通极电位最低的晶闸管导通极电位最低的晶闸管导通极电位最低的晶闸管导通1. 1. 电路电路电路电路VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io Cba+–共阳极组共阳极组共阴极组共阴极组半导体变流技术 在在 t1 ~ t2 期间期间共阴极组中共阴极组中a点电位最高，点电位最高，VT1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中b点电位最低，点电位最低，VT4 导通。 导通负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压u uabab负载电压负载电压2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理ouaubuC2 ot1t2t3t4t5t6t7t8t9VT1RLVT6VT3VT5VT4VT2io Cba半导体变流技术 在在 t2 ~ t3 期间期间共阴极组中共阴极组中a点电位最高，点电位最高，VT 1 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中c点电位最低，点电位最低， VT6 导通负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压 u ua ac c= =u ua a-u-uc cRLuoio Cbau++–– o负载电压负载电压2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理变压器副边电压变压器副边电压ouaubuC2 t1t2t3t4t5t6t7t8t9oVT1VT3VT5VT2VT4VT6半导体变流技术 在在 t3 ~ t4 期间期间共阴极组中共阴极组中b点电位最高，点电位最高， VT 3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中c点电位最低，点电位最低， VT 6 导通。 导通负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压u ub bC C负载电压负载电压2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理变压器副边电压变压器副边电压ouaubuC2 t1t2t3t4t5t6t7t8t9oRLio Cbau++–– oVT1VT3VT5VT2VT4VT6半导体变流技术 在在 t4 ~ t5 期间期间共阴极组中共阴极组中b点电位最高，点电位最高，VT3 导通；导通； 共阳极组中共阳极组中a点电位最低，点电位最低，VT2 导通负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压u ubaba负载电压负载电压2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理变压器副边电压变压器副边电压ouaubuC2 t1t2t3t4t5t6t7t8t9oRLio Cbau++–– oVT1VT3VT5VT2VT4VT6半导体变流技术 t1t2t3t4t5t6t7t8t9o2. 2. 工作原理工作原理工作原理工作原理结论：结论：结论：结论： 在一个周期中，每个晶闸在一个周期中，每个晶闸管只有三分之一的时间导管只有三分之一的时间导通（导通角为通（导通角为120°）。 变压器副边电压变压器副边电压负载电压负载电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压负载两端的电压为线电压ouaubuC2 RLio Cbau++–– oVT1VT3VT5VT2VT4VT6uo半导体变流技术 时的波形图时的波形图VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io Cba+–半导体变流技术 输出电压的均值输出电压的均值 1、、2、、注：此处的注：此处的U为线电压有效值为线电压有效值半导体变流技术 5.4 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 5.4.1 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该在在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于0.15V～～0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误，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触发，必要时可在控制极上加上一个1V～～2V的负的负偏压；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 半导体变流技术 （（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 5.4.2 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，故又叫双基极二极管基极，故又叫双基极二极管 半导体变流技术 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 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，如充放电特性，可组成自振荡电路，如图所示 半导体变流技术 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的影响：宽度 半导体变流技术 。
