第十章电力电子学晶闸管及其基本电路 学习要求: 掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义; 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点; 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制; 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。 前言 半导体器件集成电路→微(蜗)电子学 电力半导体器件→电力(强)电子学 电力电子学的任务: 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制 弱电 电力半导体器件 强电
第十章 电力电子学——晶闸管及其基本电路 学习要求: • 掌握晶闸管的基本工作原理、特性和主要参数的含义； • 掌握几种单相和三相基本可控整流电路的工作原理及特点； • 熟悉逆变器的基本工作原理、用途和控制； • 了解晶闸管工作时对触发电路的要求和触发电路的基本工作原理。 前 言 电力半导体器件 电力（强）电子学 集成电路 微（弱）电子学 半导体器件 电力电子学的任务： 利用电力半导体器件和线路来实现电功率的变换和控制。 电力半导体器件 弱电 强电
单相晶闸管 双相晶闸管 电力半导体器件可关断晶闸管 功率晶体管 大功率二极管 晶闸管( Silicon controlled rectifier简称SCR)是在60年代发展起来的一种 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。 优点: (1)用很小的功率(电流约几十毫安~一百多毫安,电压约2~4V)可以控制较大的功率 (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; (2)控制灵敏、反应快,晶闸管的导通和截止时间都在微秒级; (3)损耗小、效率高,晶闸管本身的压降很小(仅1V左右),总效率可达975%,而一 般机组效率仅为85%左右 (4)体积小、重量轻
大功率二极管 功率晶体管 可关断晶闸管 双相晶闸管 单相晶闸管 电力半导体器件 晶闸管（Silicon Controlled Rectifier 简称SCR）是在60年代发展起来的一种 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。 优点 ： (1) 用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)可以控制较大的功率 (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； (2) 控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级； (3) 损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一 般机组效率仅为85%左右； (4) 体积小、重量轻
缺点: (1)过载能力弱,在过电流、过电压情况下很容易损杯,要保证其可靠工作,在控制 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 (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 (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; (4)控制电路比较复杂,对维修人员的技术水平要求高。 在实践中,应该充分发挥晶闸管有利的一面,同时采取必要措施消除其不利的一面。 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。 10.1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 种可控制的硅整流元件,亦称可控硅 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:
缺点： (1) 过载能力弱，在过电流、过电压情况下很容易损杯，要保证其可靠工作，在控制 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； (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； (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； (4) 控制电路比较复杂，对维修人员的技术水平要求高。 在实践中，应该充分发挥晶闸管有利的一面，同时采取必要措施消除其不利的一面。 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。 10.1 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 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 晶闸管的外形和结构图分别如图所示 ：
1-铜底座 2-铝片 3-铝片 K K 4金锑合金片 5金钯片 A 6-硅片 螺栓形 平板形 K K 4层半导体(P1、N1、P2、N2),3个PN结 G其中:A—阳极,K—阴极,G控制极。 VS 结构示意图 表示符号
其中：A—阳极，K—阴极，G—控制极。 结构示意图 表示符号 4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结
晶闸管的工作原理 实验电路如图(a)所示,主电路加上交流电压2,控制极电路接入E,在t瞬间合 上开关S,在t瞬间拉开开关S,则2、u和电阻上R的电压u的波形关系如图(b)所示。 (1)在0~t1之间:开 关S未合上,2=0,尽管 Ax>0,但u=0,即晶闸 管未导通; 【 (2)在t1~t2之间: Es u4x>0,由于开关S合上, 使u2>0,而L4≈L2,即 R 晶闸管导通 (a)实验电路 (b)波形图 (3)在t之间,nA0,尽管u>0,但u=0,即晶闸管关断; (4)在tt之间,nAK>0,这时a>0,而u4≈u2,所以,晶闸管又导通 (5)当仁t时,u2=0,但nA>0,l4≈2,即晶闸管仍处于导通状态; (6)当t5时,u4k=0,ug=0,而u≠=0,即晶闸管关断,晶闸管处于阻断状态
二、晶闸管的工作原理 实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1 瞬间合 上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。 （1）在0~t1之间: 开 关S未合上，ug=0，尽管 uAK>0，但ud=0，即晶闸 管未导通； （ 2 ） 在 t 1 ~ t 2 之 间 : uAK>0 ，由于开关S合上， 使ug>0，而 ， 即 晶闸管导通； （3）在 t2~t3之间， uAK0，但 ud=0，即晶闸管关断； （4）在 t3~t4之间， uAK>0，这时ug>0 ,而 ud u2，所以，晶闸管又导通； （5）当 t=t4时， ug=0 ，但uAK>0 ， ，即晶闸管仍处于导通状态； ud u2 ud u2 （6）当 t=t5 时， uAK=0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态
综上所述可得出以下结论: (1)起始时若控制极不加电压,则不论阳极加正向电压还是反向电压,晶闸管均不 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 同时具备的两个条件; (3)在晶闸管导通之后,其控制极就失去控制作用,欲使晶闸管恢复阻断状态,必 须把阳极正向电压降低到一定值(或断开,或反向) 晶闸管的PN结可通过几十安~几千安的电流,因此,它是一种大功率的半导体器件, 由于晶闸管导通时,相当于两只三极管饱和导通,因此,阳极与阴极间的管压降为1V左 右,而电源电压几乎全部分配在负载电阻上
综上所述可得出以下结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压，晶闸管均不 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 同时具备的两个条件； （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必 须把阳极正向电压降低到一定值（或断开，或反向）。 晶闸管的PN结可通过几十安~几千安的电流，因此，它是一种大功率的半导体器件， 由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左 右，而电源电压几乎全部分配在负载电阻上
、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。 导通状态 1a1>la>1>0 关断状态 3sM U UBI UDsM r AU
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
正向阻断状态:当u2=0,uA0) 通状态。U)为断入算晶闸管突然由阻断状态转化为导 正向击穿:当un=0, 峰值电压,或用UB表示称正向转折电压。 正向导通状态:u2>0,nAK>0,晶闸管导通,其电流的大小由负载 决定,阳极和阴极间的管压降很小。 反向截止状态:当uAk<UEsW,元件中有很小的反向电流(反向 漏电流)流过,处于截止状态 反向(uAx<0) 反向击穿:当uAK=UksW,晶闸管突然由反向截止状态转化为导通 状态。UgM称为反向不重复峰值电压,或用UB表示称反向击穿电压
正向( uAK >0 ) 正向阻断状态: 当ug=0， uAK 0， uAK >0，晶闸管导通，其电流的大小由负载 决定，阳极和阴极间的管压降很小。 反向( uAK <0 ) 反向截止状态: 当 uAK <URSM，元件中有很小的反向电流（反向 漏电流）流过，处于截止状态。 反向击穿：当 uAK =URSM ，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通 状 态。 URSM称为反向不重复峰值电压，或用UBR表示称反向击穿电压
四、晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件,必须要了解它的主要参数,一般在产品目录上给出了参数 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UDEM 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。 UDRMUDSM-100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量,一般:晶闸管的UD应等于所承受的正 向电压的(2~3)倍。 2.反向重复峰值电压URM 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。 RRMURSM-100 3.额定通态平均电流(额定电流)I 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 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I 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mA~一百多mA
四、晶闸管的主要参数 为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品目录上给出了参数 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 。 UDRM=UDSM -100 在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般： 晶闸管的UDRM 应等于所承受的正 向电压的（2~3）倍。 2. 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 。 URRM=URSM -100 3. 额定通态平均电流（额定电流）IT 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 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 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 般为几mA～一百多mA