數(shù)電06晶閘管及其應(yīng)用

1、晶閘管是一種大功率的半導(dǎo)體器件，主要用于整流（將交流電轉(zhuǎn)換為直流電）、逆變（將直流電轉(zhuǎn)換為交流電）、調(diào)壓、開關(guān)等四個(gè)方面。 晶閘管的出現(xiàn)不僅使半導(dǎo)體器件從弱電領(lǐng)域進(jìn)入了強(qiáng)電領(lǐng)域，而且用晶閘管構(gòu)成的電能轉(zhuǎn)換或控制設(shè)備，具有體積小、重量輕、效率高、無噪聲、使用壽命長等許多優(yōu)點(diǎn)。,§1 晶閘管,1 基本結(jié)構(gòu),J1、J2、J3為三個(gè) PN結(jié),表示符號(hào),2 工作原理,,,當(dāng)G端未加電壓時(shí)，A、K之間無論加正向電壓

2、或反向電壓，其中三個(gè)PN結(jié)至少有一個(gè)處于反向偏置，所以晶閘管不會(huì)導(dǎo)通，相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)的斷開狀態(tài)，稱為阻斷。 晶閘管區(qū)別于二極管就是其具有正、反向阻斷能力，而二極管只具有反向阻斷能力。,若G、K之間和A、K之間都加正向電壓，晶閘管就由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通，相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)的閉合狀態(tài)。,IG,?2IG,?1?2IG,再放大,由于正反饋，T1、T2迅速進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管導(dǎo)通。,晶閘管導(dǎo)通之后，流入T2管的基極電流遠(yuǎn)比最初的控制極電

3、流IG大得多。這時(shí)即使斷開 G、K之間電壓，也不會(huì)影響晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)。所以晶閘管一旦導(dǎo)通，其控制極便失去控制作用。,晶閘管導(dǎo)通之后,要使晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)樽钄啵灰獢嚅_G、K之間電壓，同時(shí)降低A、K之間正向電壓或使正向電壓變?yōu)榉聪螂妷骸?注意： 如果A、K之間正向電壓過高，即使G、K之間無加正向電壓，晶閘管也可能導(dǎo)通，造成誤動(dòng)作。 如果A、K之間反向電壓過高，超過一定數(shù)值，會(huì)使管子反向擊穿，造成永久性破壞

4、。,3 伏安特性,,正向轉(zhuǎn)折電壓,反向擊穿電壓,OA段： IG=0時(shí)，晶閘管正向阻斷，只有很小的正向漏電流。當(dāng)UAK=UBO時(shí)，晶閘管正向擊穿，工作點(diǎn)迅速由A點(diǎn)到B點(diǎn)再到C點(diǎn)。這時(shí)有可能造成永久性擊穿，應(yīng)避免發(fā)生。 IG?0時(shí)， IG越大，晶閘管由阻斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折電壓越小。,BC段：晶閘管正向?qū)ê?，工作于BC段，和普通二極管的正向特性相同。其管壓降很小，只有1V 左右。 晶閘

5、管加反向電壓時(shí)，若反向電壓小于UBR時(shí)，反向阻斷，只有很小的反向漏電流；當(dāng)反向電壓大于UBR時(shí)，則反向擊穿。,4 主要參數(shù),IF —正向平均電流 在環(huán)境溫度不大于40°C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過的最大工頻正弦半波電流的平均值。,IH —維持電流 控制極斷開時(shí)，維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流。當(dāng)正向電流小于維持電流時(shí)，晶閘管自行關(guān)斷。,UFRM —正向重復(fù)

6、 峰值電壓 控制極斷開且正向阻斷的情況下，可以重復(fù)加在晶閘管上的正向峰值電壓，為UBO的80%。,URRM —反向重復(fù)峰值電壓 控制極開路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓，為UBR的80%。,§2 單相半控橋式整流電路,可控整流電路都由主電路和觸發(fā)電路兩部分組成，其作用是將交流電變換為電壓值可調(diào)的直流電。,當(dāng)u為正半周時(shí)：a點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位，T1、D2承受正向電壓。如果對(duì)

7、T1加一正向觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，電流的通路為,當(dāng)u為負(fù)半周時(shí)：b點(diǎn)電位高于a點(diǎn)電位，T2、D1承受正向電壓。如果對(duì)T2加一正向觸發(fā)脈沖使其導(dǎo)通，電流的通路為,?——控制角?——導(dǎo)通角,uo的平均值,io的平均值,改變?的大小，即可改變Uo、Io的大小,流經(jīng)晶閘管和二極管的電流平均值,晶閘管和二極管承受的最高反向電壓為,,,§3 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,要使晶閘管導(dǎo)通，除了在陽極與陰極之間加正向電壓，還要在控

8、制極與陰極之間加觸發(fā)脈沖，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的電路稱為觸發(fā)電路。最常用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。,1 單結(jié)晶體管,單結(jié)晶體管又稱雙基極二極管，有一個(gè)發(fā)射極和兩個(gè)基極。外形和普通三極晶體管相似。兩個(gè)基極之間的接觸電阻約為2~15k?,實(shí)驗(yàn)電路,稱為分壓比,?=0.5 ~ 0.9,（1）調(diào)節(jié)RP ，使UE從0開始逐漸增大。當(dāng)UE<UA=?UB時(shí)，二極管處于反向偏置，E與B1之間不能導(dǎo)通，呈現(xiàn)很大電阻。在這個(gè)過程，開始是一個(gè)反向漏電流，隨著U

9、E的增大，變成一個(gè)正向漏電流。由于漏電流很小，所以這一段稱截止區(qū)。,（2）當(dāng)UE=UA=?UB+UD時(shí)，二極管正向?qū)ǎ?此后RB1急劇減小， UE隨之減小，IE顯著增大，單結(jié)晶體管呈負(fù)阻特性，負(fù)阻區(qū)對(duì)應(yīng)PV段。 P點(diǎn)為電壓最高點(diǎn)，稱為峰點(diǎn)；V點(diǎn)為電壓最低點(diǎn)，稱為谷點(diǎn)。,（3）過了谷點(diǎn)之后， IE繼續(xù)增大，UE略有上升，但變化不大。谷點(diǎn)之后稱為飽和區(qū)。,結(jié)論,2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,接通電源U后， U通過R向C充電，使uC按指數(shù)規(guī)律上

10、升，當(dāng)uC上升到單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP時(shí)，單結(jié)晶體管子導(dǎo)通，進(jìn)入其負(fù)阻區(qū)， uC通過R2迅速放電，在R2形成脈沖電壓uG 。當(dāng)uC下降至單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV時(shí)，單結(jié)晶體管截止， U又通過R向C充電。重復(fù)上述過程，即在R2上得到一系列前沿很陡的觸發(fā)脈沖。,單結(jié)晶體管的弛張振蕩電路,由單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相半控橋式整流單路,DZ的作用是將整流輸出電壓uo1變換成梯形波，使其幅值穩(wěn)定在一個(gè)電壓值UZ上，進(jìn)而使uC和uG在每半周的變化規(guī)

11、律都相同，不受交流電源電壓波動(dòng)的影響。,由單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相半控橋式整流單路,主電路與觸發(fā)電路通過變壓器接在同一電源上，所以主電路的交流電源電壓和單結(jié)晶體管上的電壓uZ 同時(shí)過0，二者同步。這里變壓器不僅是整流變壓器，還是同步變壓器。,由單結(jié)晶體管觸發(fā)的單相半控橋式整流單路,改變RP的大小，可以改變C充電的快慢。比如RP增大，C充電變慢，因此每半波出現(xiàn)第一個(gè)脈沖的時(shí)間后移，使晶閘管的控制角?增大，導(dǎo)通角?變小，輸出電壓的平均值也變

12、小。這里RP起移相作用，達(dá)到調(diào)壓目的。,§4 電感性負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電流,當(dāng)u為正半周，在觸發(fā)脈沖作用下，T一旦導(dǎo)通，io從0開始逐漸增大，達(dá)到最大，再從最大逐漸減小，直到為0。在此期間，當(dāng)io增大時(shí)，eL和io方向相 反，當(dāng)io減小時(shí)，eL和io方向相同。 由于負(fù)載為電感性，io 比u滯后，當(dāng)u為0時(shí)，io滯后一個(gè)角度才為0。只要io不為0，T就導(dǎo)通，就有uo=u。在io不為0期間，u從正變?yōu)樨?fù)，u

13、o隨之也從正變?yōu)樨?fù)。當(dāng)io一旦為0，T立刻關(guān)斷，并承受反向電壓。,這里?>180o- ?。負(fù)載電感越大， ?角越大，在一個(gè)周期中負(fù)電壓所占比重越大，整流輸出電壓和電流的平均值也就越小。為了使T在u為0時(shí)及時(shí)關(guān)斷，使負(fù)載上不出現(xiàn)負(fù)電壓，可在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。當(dāng)u為負(fù)時(shí)，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，于是負(fù)載上由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的電流經(jīng)過二極管形成回路。這時(shí)uo近似為0，而T因承受反向電壓而關(guān)斷。,§5 逆變電

14、路,將直流電變換成交流電的變換裝置稱為逆變器，它的應(yīng)用非常廣泛。其典型應(yīng)用有：交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，中高頻感應(yīng)加熱，功率超聲波電源，電火化加工，高頻逆變焊接，不間斷電源等。,單相矩形波輸出型逆變器,Ui—可由交流經(jīng)整流濾波獲得 也可由蓄電池獲得（如UPS）,T1、T3和T2、T4交替導(dǎo)通，就可在負(fù)載RL上得到矩形波交流電壓uo 。 uo的頻率由開關(guān)元件的切換頻率來決定，幅值等于輸入直流電壓Ui 。,矩形波輸出型逆變器的

15、輸出矩形波，其諧波成分較大，若作為電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速電源使用，會(huì)引起諧波損耗與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，使電動(dòng)機(jī)效率下降，功率因數(shù)降低，并影響電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，因此僅適用于短時(shí)供電的UPS電源。電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速電源常采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）型逆變器。,單相矩形波輸出型逆變器,單極性SPWM型逆變器,uR的頻率為uC頻率的整數(shù)倍，且固定不變。,uC與uR 在電壓比較器的輸入端進(jìn)行比較：,uo為一組幅值為Ud、寬度不等但按正弦規(guī)律變化的序列脈沖，這組

16、序列脈沖可以等效為與uC同頻率的正弦波電壓。改變uC的頻率，即可達(dá)到調(diào)頻的目的。,電壓比較器輸出為正，晶體管導(dǎo)通,電壓比較器輸出為負(fù)，晶體管截止,在uR 、 Ud不變時(shí)，增大uC的幅值，可增大每個(gè)矩形脈沖的寬度，從而可增大uo的等效幅值。,K—SPWM控制器的參數(shù),與矩形波逆變器相比，SPWM型逆變器具有諧波分量小，噪聲低，便于實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓等優(yōu)點(diǎn)。但SPWM逆變器開關(guān)管開關(guān)頻率較高，開關(guān)損耗加大，且控制復(fù)雜。,單極性SPWM型逆變器