电力电子技术教学课件作者韩晓冬5.ppt

第5章 交流变换电路,5. 1 双向晶闸管 5. 2 交流调压电路 5. 3 交流调压电路的应用,返回,5.1 双向晶闸管,5.1.1 基本结构 双向晶闸管和普通晶闸管一样,从外形上看也有塑料封装型、螺栓型和平板压接型等几种不同的结构塑料封装型元件的电流容量一般只有几安培目前台灯调光、家用风扇调速多用此种形式螺栓型元件可做到几十安培大功率双向晶闸管元件都是平板压接型结构 双向晶闸管元件的核心部分,是集成在一块硅单晶片上,相当于具有公共门极的一对反并联普通晶闸管,其结构如图5.1所示其中N4区和P1区的表面用金属膜连通,构成双向晶闸管的一个主电极此电极的引出线称主端子,用T2表示,N2区和P2区也用金属膜连通后引出接线端子,也称主端子,用T1表示N3区和P2区的一部分用金属膜连通后引出接线端子称为公共门极,用G表示下一页,返回,5.1 双向晶闸管,从外部看双向晶闸管有三个引出端,应注意的是门极和T1是从元件的同一侧引出的元件的另一侧只有一个引出端即T2,其表示符号如图5.2所示 根据标准,对双向晶闸管的型号做如下规定(图5.3) 例如,型号为KS100-8-2l表示双向晶闸管额定通态电流100A,断态重复峰值电压8级(800V),断态电压临界上升率(du/dt)2级(不小于200V/μs),换向电流临界下降率(di/dt)1级(不小于IT(RMS)=1A/μs)。

有关KS型双向晶闸管元件的系列和级的划分如表5-1、表5-2、表5-3及表5-4所示 双向晶闸管的主要参数列于表5-5中上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,5.1.2 伏安特性 双向晶闸管的伏安特性与普通晶闸管伏安特性的不同点在于,双向晶闸管具有正、反向对称的伏安曲线正向部分定义为第Ⅰ象限特性,反向部分定义为第Ⅲ象限特性,如图5.4所示 5.1.3 双向晶闸管的触发方式 双向晶闸管主端子在不同极性下都具有导通和阻断的能力门极电压相对于主端T1无论是正是负都有可能控制双向晶闸管导通,因而按门极极性和主端子的极性的组合可能有以下四种触发方式 Ⅰ+ 触发方式:主端子T2为正,T1为负门极电压G 为正,T1为负,特性曲线在第Ⅰ象限上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,Ⅰ- 触发方式:主端子电压T2为正,T1为负门极电压G 为负,T1为正,特性曲线在第Ⅰ象限 Ⅲ+ 触发方式:主端子电压T2为负,T1为正门极电压G 为正,T1为负,特性曲线在第Ⅲ象限 Ⅲ- 触发方式:主端子电压T2为负,T1为正门极电压G 为负,T1为正,特性曲线在第Ⅲ象限 下面举例分析双向晶闸管的触发方式上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,图5.5为一单相交流调压电路。

当开关Q 置于位置1,双向晶闸管得不到触发信号,不能导通,负载RL上得不到电压当将开关置于2位置时,电源正半周(图中上正下负),双向晶闸管T2端子正,T1负门极G通过RL-Q-VD-R 得到触发电压,相对于T1为正,双向晶闸管VT 导通在负半周(下正上负),由于二极管VD 反偏,VT 得不到触发电压,不能导通,RL上得到半波整流电压,这是Ⅰ+ 触发方式 当开关置于3位置时,电源正半周,门极得到相对于T1为正触发电压,VT导通,电压过零关断,正半周为Ⅰ+ 触发负半周门极得到相对于T1为负的触发电压,VT 导通因为负半周T1接电源正,T2接电源负,故在第Ⅲ象限,这是Ⅲ- 触发方式此时负载RL上得到近似单相交流电压上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,由于双向晶闸管内部结构的原因,四种触发方式的灵敏度各不相同,其中Ⅲ+ 触发方式所需门极功率相当大,即触发灵敏度很低在实际应用中,只能选Ⅰ+ 、Ⅰ- 、Ⅲ- 的两个组合,即Ⅰ+ 、Ⅲ- 或Ⅰ- 、Ⅲ- 下面对双向晶闸管的工作原理做一简述,能帮助我们了解触发灵敏度不同的原因,以便正确地选用触发方式和触发电路上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,5.1.4 双向晶闸管的工作原理 双向晶闸管的工作原理可以用图5.6所示的原理图来分析。

将一只双向晶闸管等效看成由P1-N1-P2-N2和P2-N1-P1-N4构成一对反并联的晶闸管图中用Ⅰ、Ⅱ表示主晶闸管Ⅰ和主晶闸管ⅡP1-N1-P2-N3和N1-P2-N3构成门极晶闸管和门极晶体管下面利用这样一种等效结构,研究以下四种触发方式的工作情况上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,1.Ⅰ+ 触发方式 这种触发方式,主端子T2相对于T1为正偏,即T2 (+)、T1 (-),门极G 相对于T1为正偏,即G (+),T1 (-)在上述这种偏置的情况下,主晶闸管Ⅱ反偏,无论门极如何偏置均不会导通由于门极电压相对于J3结为正偏,将产生门极电流,对于主晶闸管Ⅰ来说这和前面研究的普通晶闸管的触发原理是一样的,它是一种常规触发,因而灵敏度较高 2.Ⅰ- 触发方式 这种触发方式,主端子T2相对于T1仍为正偏,即T2 (+)、T1 (-),门极G 相对于T1为反偏,即G (-),T1 (+)此时主晶闸管Ⅱ仍然相当于一个承受反偏压的普通晶闸管,是不能导通的由于T1端的电位高于G端,所以T1端下的P2区成为门极晶闸管P1-N1-P2-N3的门极,如图5.7所示上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,由T1流向G 的电流(Ig2)是门极晶闸管的触发电流,故当此电流足够大时,门极晶闸管便导通。

3.Ⅲ- 触发方式 这种触发方式,主端子T2相对于T1为反偏,即T2 (-),T1 (+),门极G 相对于T1为反偏,即G (-),T1 (+)此时主晶闸管I相当于一个承受反偏压的普通晶闸管,不能被触发导通主晶闸管Ⅱ的被触发导通的等效原理图如图5.8所示 由于门极反偏,在P2区产生横向电流Ib,因而由晶体管N3-P2-N1注入的载流子集中在N1区,导致N1-P1击穿,使主晶闸管P2-N1-P1-N4触发导通上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,4.Ⅲ+ 触发方式 这种触发方式,晶闸管T2端相对于T1端为反偏,门极G 相对于T1端为正偏主晶闸管Ⅰ(见图5.6)承受反偏压,因而不会触发导通此时如果主晶闸管Ⅱ的T2端的N4区设计得足够宽,则可形成一个以G 和T2为主端子的晶闸管P2-N1-P1-N4,而且G端的电位高于T1端N3-P2的J4结处于反偏不起作用,J3结处于正偏,门极电流将成为N2-P2-N1的基极电流N2-P2-N1晶体管取代了在Ⅲ- 触发方式中的N3-P2-N1的作用整个触发过程和采用Ⅲ- 方式相似,如图5.9所示上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,由上述分析可见,Ⅲ+ 触发方式是由晶体管N2-P2-N1触发门极晶闸管P2-Nl-P1-N4导通,再触发主晶闸管Ⅱ导通。

所需触发功率较前面几种方式大,因而触发灵敏度低 对双向晶闸管的工作原理,四种触发方式及有关特性如表5-6所示 5.1.5 双向晶闸管的触发电路 双向晶闸管的控制方式常用的有两种,第一种是移相触发,它和普通晶闸管一样,是通过控制触发脉冲的相位来达到调压的目的第二种是过零触发,适用于调功电路及无触点开关电路上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,对触发电路的基本要求是触发脉冲与主回路电压同步,能在设定时刻提供幅度、宽度和前沿陡度适当的脉冲原则上用于普通晶闸管电路的各种触发电路均可用于双向晶闸管电路 为了简化和改善触发电路的工作性能,双向晶闸管往往使用某些特殊的触发器件下面对比较常用的双向晶闸管触发电路分别做简单介绍 1.本相电压强触发电路 这种触发方式主要用于双向晶闸管组成的交流开关电路简单、工作可靠电路如图5.10所示上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,2.双向触发二极管组成的触发电路 双向触发二极管是三层结构的元件,如图5.11 (a)所示这种元件的两个P-N 结是对称的,因而具有对称的击穿特性元件的击穿电压为20~40V,制造厂家在工艺上严格控制在30V 左右,或控制在某一要求值上。

目前双向触发二极管已广泛应用于双向晶闸管的触发电路有的双向触发二极管和双向晶闸管联在一起,成为一个元件双向触发二极管的符号及伏安特性如图5.11 (b)、(c)所示 用双向触发二极管组成的触发电路如图5.12所示上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,3.单结晶体管(UJT)组成的触发电路 单结晶体管的原理在前面已经介绍,用单结晶体管可以组成双向晶闸管的触发电路,图5.13即为一单结晶体管组成的触发电路,不难看出这是I- 、Ⅲ- 触发方式 4.用程控单结晶体管组成的触发电路 程控单结晶体管(Programmable Unijunction Transistor,PUT)具有P-N-P-N的四层三端结构,如同普通晶闸管两者的不同点在于普通晶闸管的门极是从P2区引出,而程控单结晶体管的门极则是从N1区引出,如图5.14 (a)所示,其符号如图5.14 (b)所示PUT的三个引出端分别称为阳极(A),阴极(C)和门极(G)上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,图5.14 (c)是PUT的典型工作电路,若R1和R2的阻值已经确定,那么门极电位也就确定了PUT导通与否就决定于A 点电位若VAVD+VG,PUT就被触发导通。

PUT一旦导通,门极G 即失去控制,电容C 放电,在Rb上有uRb输出当放电电流小于PUT 的维持电流时,PUT 关断电容C 再通过E-RP-C-O 充电,到VAVD+VG再导通,形成振荡 PUT的振荡周期为,上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,式中,η表示分压比,其值为 由于电阻R1和R2是外接的,因而可以通过改变R1和R2的阻值来改变分压比,从而达到改变输出电压的振荡周期,改变输出脉冲幅值的目的 与单结晶体管UJT相比,PUT 的输出脉冲电压上升快,导通电阻小,所以能够输出频率和幅值都高的脉冲此脉冲可以直接用来触发大功率晶闸管或大功率双向晶闸管上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,图5.15为用PUT组成的电池充电电路 本充电电路有两个特点,其一是当电池接到1、2端上时,电路即工作,给电池充电;其二是不接电池时,充电器无输出电压,比较安全当电池接到1、2端子上时,利用电池的剩余电荷,PUT组成的振荡器工作,驱动晶体管V1触发双向晶闸管VTl,电路便给电池充电当电池接反时,电路不工作,也无其他危险 5.用集成触发器组成的触发电路 随着电子工业的发展,集成电路在各种电子应用场合都得到越来越多的应用。

双向晶闸管的触发电路也出现了用集成触发器组成的触发电路上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,(1)KC06触发器件组成的晶闸管移相触发电路该器件组成的触发电路主要适用于交流电直接供电的双向晶闸管电路的交流移相控制由交流电网直接供电,而不需要外加同步信号、输出脉冲变压器和外接直流工作电源,并且能直接与晶闸管门极耦合触发它是交流调光、调压的理想电路图5.16是其应用实例用RP1调节触发电路锯齿波的斜率,R5、C2调节脉冲的宽度,RP2是移相控制电位器 (2)KC08触发器件组成的过零触发电路KC08触发器件组成的触发电路能使双向晶闸管在电源电压为零或电流为零的瞬间进行触发,适用于温度控制,单相或三相交流电动机和电器的无触点开关,以及交流灯光闪烁器等场合器件内部有自生直流稳压电源,可以直接接交流电网电压使用上一页,下一页,返回,5.1 双向晶闸管,该电路具有零电压触发、零电流触发、输出电流大等功能特点,图5.17为零电压触发应用实例同步电压加到1和14端之间,KC08内部设过零检测电路4端接内部的基准电压,当来自传感器(接2端)的电压小于基准电压时,输出级在同步电源过零时由5端发出脉冲当2端的电压大于基准电压时,输出级截止,没有触发脉冲输出。

5.1.6 双向晶闸管简易测试 1.双向晶闸管电极的判定 一般可先从元器件外形识别引脚排列,如图。