第1章 晶闸管及整流
晶闸管介绍
晶闸管介绍：晶闸管是一种大功率开关型半导体器件，具有硅整流器件的特性。
1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。
晶闸管是PNPN 四层半导体结构，有三个极：阳极、阴极和控制极。
它能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。
晶闸管具有硅整流器件的特性，因此能够在高电压、大电流条件下工作。
在实际应用中，晶闸管的导通和截止状态可以通过控制极触发电流来实现控制。
在正向电压条件下，晶闸管内部两个等效三极管均处于截止状态，此时晶闸管是截止的。
当控制极上施加触发电流时，晶闸管内部等效三极管导通，晶闸管进入导通状态。
在导通状态下，控制极失去作用，即使控制极上施加反向电压，晶闸管仍然保持导通状态。
要使晶闸管截止，需要使其阳压为零或为负，或将阳压减小到一定程度，使流过晶闸管的电流小于维持电流，晶闸管才自行关断。
此外，晶闸管具有正向和反向特性。
在正向特性下，只有很小的正向漏电流；在反向特性下，需要施加反向电压才能使晶闸管导通。
因此，在实际应用中需要根据具体电路要求选择合适的晶闸管类型和规格。
第1章 电力电子器件概述(第一部分)(2)
1.1.2 应用电力电子器件的系统组成
1.1.3 电力电子器件的分类 1.1.4 本章内容和学习要点
华东理工大学
1-3
1.1.1 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
——可直接用于主电路中，实现电能的变换或控制的电 子器件。
主电路（Main Power Circuit）
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
V1 L R
V2
主电路
电气隔离 图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
华东理工大学
1-7
注重对器件的保护：通常采用吸收（缓冲） 保护电路（ Snubber ）来限制器件的 du/dt 和di/dt，减小由于大电流跃变在引线（寄 生）电感上形成的反电势尖峰，以防器件 过压击穿。 需要驱动与隔离：强、弱电系统之间电气 隔离，不共地，消除相互影响，减小干扰， 提高可靠性。
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。 器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
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1-6
1.1.2 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
控 制 控制电路 电 路 检测 电路 保护 电路 驱动 电路
额定电流 —— 在指定的管壳温度和散热条件下， 其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。 IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应 按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留 有一定的裕量。 在工频正弦半波的情况下：
平均值 IF(AV) 有效值 1.57 IF(AV)
电力电子(晶闸管整流)
一、概述二、课程设计方案本次课程设计的要紧内容是利用晶闸管整流来设计直流电机操纵系统，要紧设计内容有1、电路功能：〔1〕、用晶闸管缺角整流实现直流调压，操纵直流电动机的转速。
〔2〕、电路由主电路与操纵电路组成，主电路要紧环节：整流电路及保卫电路。
操纵电路要紧环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保卫电路。
〔3〕、主电路电力电子开关器件采纳晶闸管、IGBT或MOSFET。
〔4〕、系统具有完善的保卫2、系统总体方案确定3、主电路设计与分析〔1〕、确定主电路方案〔2〕、主电路元器件的计算及选型〔3〕、主电路保卫环节设计4、操纵电路设计与分析〔1〕、检测电路设计〔2〕、功能单元电路设计〔3〕、触发电路设计〔4〕、操纵电路参数确定设计要求有一下四点：1、设计思路清晰，给出整体设计框图；2、单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3、分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。
4、绘制总电路图5、写出设计报告；要紧的设计条件有：1、设计依据要紧参数〔1〕、输进输出电压：〔AC〕220〔1+15%〕、〔2〕、最大输出电压、电流依据电机功率予以选择〔3〕、要求电机能实现单向无级调速〔4〕、电机型号布置任务时给定2、可提供实验与仿真条件三、系统电路设计1、主电路的设计〔1〕、主电路设计方案主电路的要紧功能是实现整流，将三相交流电变为直流电。
要紧通过整流变压器和三相桥式全控整流来实现。
整流变压器是整流设备的电源变压器。
整流设备的特点是原方输进电流，而副方通过整流原件后输出直流。
变流是整流、逆流和变频三种工作方式的总称，整流是其中应用最广泛的一种。
作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。
工业用的整流直流电源大局部根基上由交流电网通过整流变压器与整流设备而得到的。
整流变压器是专供整流系统的变压器。
整流变压器的功能：1.是提供整流系统适当的电压，2.是减小因整流系统造成的波形畸变对电网的污染。
电力电子技术课后习题答案
第一章电力电子器件1.1 使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正相阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
或者U AK >0且U GK>01.2 维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即维持电流。
1.3 图1－43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I1、I2、I3。
解：a) I d1=Im2717.0)122(2Im)(sinIm214≈+=⎰πωπππtI1=Im4767.021432Im)()sin(Im2142≈+=⎰πϖπππwtdtb) I d2=Im5434.0)122(2Im)(sinIm14=+=⎰wtd tππϖπI2=Im6741.021432Im2)()sin(Im142≈+=⎰πϖπππwtdtc) I d3=⎰=2Im41)(Im21πωπtdI3=Im21)(Im2122=⎰tdωππ1.4.上题中如果不考虑安全裕量,问100A的晶阐管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少?这时，相应的电流最大值I m1、I m2、I m3各为多少?解：额定电流I T(AV)=100A的晶闸管，允许的电流有效值I=157A,由上题计算结果知a) I m135.3294767.0≈≈I A, I d1≈0.2717I m1≈89.48A b) I m2,90.2326741.0A I ≈≈ I d2A I m 56.1265434.02≈≈ c) I m3=2I=314I d3=5.78413=m I1.5.GTO 和普通晶闸管同为PNPN 结构,为什么GTO 能够自关断,而普通晶闸管不能? 答：GTO 和普通晶阐管同为PNPN 结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益1α和2α，由普通晶阐管的分析可得，121=+αα是器件临界导通的条件。
(完整版)晶闸管可控整流技术直流电机调速系统设计
目录1 绪论 (1)1.1 课题背景 (1)1。
2 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介 (1)1。
3 课题设计要求 (1)1.4 课题主要内容 (2)2 主电路设计 (3)2.1 总体设计思路 (3)2.2 系统结构框图 (3)2。
3 系统工作原理 (4)2。
4 对触发脉冲的要求 (5)3 主电路元件选择 (6)3.1 晶闸管的选型 (6)4 整流变压器额定参数计算 (7)4。
1 二次相电压U2 (7)4.2 一次与二次额定电流及容量计算 (8)5 触发电路的设计 (10)6 保护电路的设计 (12)6.1 过电压的产生及过电压保护 (13)6。
2 过电流保护 (13)7 缓冲电路的设计 (14)8 总结 (17)1 绪论1.1 课题背景当今,自动化控制系统已在各行各业得到广泛的应用和发展，而自动调速控制系统的应用在现代化生产中起着尤为重要的作用，直流调速系统是自动控制系统的主要形式.由可控硅整流装置供给可调电压的直流调速系统（简称KZ—D系统）和旋转变流机组及其它静止变流装置相比，不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。
可控硅虽然有许多优点,但是它承受过电压和过电流的能力较差，很短时间的过电压和过电流就会把器件损坏。
为了使器件能够可靠地长期运行,必须针对过电压和过电流发生的原因采用恰当的保护措施.为此，在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流侧过电压保护;在直流负载侧并联电阻和电容构成直流侧过电压保护;在可控硅两端并联电阻和电容构成可控硅关断过电压保护；并把快速熔断器直接与可控硅串联，对可控硅起过流保护作用。
随着电力电子器件的大力发展，该方面的用途越来越广泛.由于电力电子装置的电能变换效率高，完成相同的工作任务可以比传统方法节约电能10%~40％，因此它是一项节能技术，整流技术就是其中很重要的一个环节.1.2 直流电动机调压调速可控整流电源设计简介该系统以可控硅三相桥式全控整流电路构成系统的主电路，采用同步信号为锯齿波的触发电路，本触发电路分成三个基本环节：同步电压形成、移相控制、脉冲形成和输出。
第1章--电力晶体管和晶闸管
一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高， 则IH越小
3) 擎住电流 IL：晶闸管刚从断态转入通态并移除触发 信号后， 能维持导通所需的最小电流。 对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。
IG2 > IG1 > IG =0
UBO UA
雪崩 击穿
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
16
IA
四、晶闸管的阳极伏安特性
正向 导通
1) 正向特性
URSM URRM -UA
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
IG=0时，器件两端施加正向电压，正向阻
断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向
J1 J2 J3
K
a)
b)
图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
K G
A c)
11
晶闸管的管耗和散热：
管耗＝流过器件的电流×器件两端的电压
管耗将产生热量，使管芯温度升高。如果超 过允许值，将损坏器件，所以必须进行散热 和冷却。
冷却方式：自然冷却（散热片）、风冷（风 扇）、水冷
雪崩 击穿
UDSM
电电压流超急过剧临增界大极，限器即件开正通向。转折电压Ubo，则漏
-IA
图1-5 晶闸管的伏安特性
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降
IG2>IG1>IG
低。
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相 仿。
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
运控系统3 第1章第2讲及作业
4
1.1 相控整流器－电动机系统(续)
P16
1.1.3 V-M调速系统的机械特性及数学模型
2.V-M调速系统的数学模型 P16 通常把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待，但晶闸管触 发电路和整流电路实际是非线性的，只能在一定的工作范围内近似地看作线 性环节，得到它的放大系数和传递函数。 一.晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks: 首先可用实验方法绘出输入输出特性曲线， 再取工作范围内的特性曲线的斜率计算出放 大系数。 U
12
1.2 直流PWM变换器－电动机系统(续) P19
1.不可逆PWM变换器(续)
P19～20
有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统分析 1.电动状态的工作情况：期间VT1和VT2交替被驱动，但实际只有VT1和VD2 交替流过电流，VT2尽管也被驱动，但VT2和VD1中无电流。电机承受的的 平均电压值Ud＞电枢电势E。可等效成如下电路：
16
1.2 直流PWM变换器－电动机系统(续) P20
双极式可逆PWM变换器的工作原理：(难点，请注意听讲！)
① 一个周期内电机电压有两个极性，转速方向由电枢电压平均值的正负确定。 PWM频率较高，电动状态的稳速运行期间电流不会反向(不会进入制动状 态)。 ② 正脉宽＞负脉宽: 正转。 正脉宽＜负脉宽: 反转。 正脉宽=负脉宽:停转(平均电压=0)。 ③若需制动或反向，加宽Ug2 ，一旦续流结束立即进入制动状态(反向电流通 道早已畅通)，也可平滑转入反向运行。
17
1.2 直流PWM变换器－电动机系统(续) P20
双极式可逆PWM变换器的输出平均电压为：
Ud t on T t on 2t Us U s ( on 1)U s 这里U s是直流母线电压 T T T
第1章 晶闸管的串并联和保护解读
采用门极强脉冲触发可 以显著 减小器 件开通时 间上的差异。
2018/11/26 电力电子技术 4
器件串联时，必须降低电压的额定值使用：
(0.8 ~ 0.9)nsUTN (2 ~ 3)U m
式中：ns 为串联器件数
UTN 为晶闸管额定电压 Um 作用于串联器件上的正反向峰值电压
2018/11/26 电力电子技术 10
二. 过电流保护的一般方法
过电流——过载和短路两种情况 常用措施： 快速熔断器、直流快速断路器和过电流继电器 同时采用几种过电流保护措施，提高可靠性和 合理性
2018/11/26
电力电子技术
11
电子电路作为第一保护措施，快熔仅作为短 路时的部分区段的保护，直流快速断路器整 定在电子电路动作之后实现保护，过电流继 电器整定在过载时动作
用门极强脉冲触发也有助于动态均流
当需要同时串联和并联晶闸管时，通常采用先串 后并的方法联接
2018/11/26 电力电子技术 6
电阻均流
均流变压器
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器件并联时，必须降低电流的额定值使用：
(0.8 ~ 0.9)np IT ( AV ) (1.5 ~ 2.0)I
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第二节 晶闸管的保护
一. 晶闸管的过电流及其保护
晶闸管在规定的冷却条件下， 通过两倍通态平均电流时，可经受的时间为0.5s； 通过三倍通态平均电流时，可经受的时间为60ms； 通过六倍通态平均电流时，可经受的时间为20ms； 通过二十倍通态平均电流时，可经受的时间为10ms。 浪涌电流ITSM
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15
1.1.1
晶闸管的结构与工作原理
其他几种可能导通的情况：
阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应 阳极电压上升率du/dt过高 结温较高
光触发
光触发可以保证控制电路与主电路之间的良好绝缘 而应用于高压电力设备中，称为光控晶闸管（Light Triggered Thyristor——LTT）。
只有门极触发是最精确、迅速而可靠的控制手段。
ivt ivt
I m sin t
22
1.1.3
IT
晶闸管的主要参数
vt
通态平均电流 IT的计算
i
T
1 2
2
0
Im (cont ) 0 2
1 2 1 2
1 I m sin tdt 2 Im
0
I m sin tdt
IN Im
2
0
8
三
电力电子器件的分类
按照驱动电路信号的性质，分为两类： 电流驱动型
——通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者 关断的控制。
电压驱动型
——仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信 号就可实现导通或者闸管的结构与工作原理
1.1.2 晶闸管的基本特性
制
控制电路 电 路
V1 L R
保护 电路
驱动 电路
V2
主电路
电气隔离
图1-1 电力电子器件在实际应用中的系统组成
7
三
电力电子器件的分类
按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：
半控型器件（Thyristor） ——通过控制信号可以控制其导通而不能控制 其关断。 全控型器件（IGBT,MOSFET) ——通过控制信号既可控制其导通又可控制其关 断，又称自关断器件。 不可控器件(Power Diode) ——不能用控制信号来控制其通断, 因此也就不 需要驱动电路。
上升率。 ——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
29
1.1.4 晶闸管的派生器件
1）快速晶闸管（Fast Switching Thyristor—— FST)
有快速晶闸管和高频晶闸管。 开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。 普通晶闸管关断时间数百微秒，快速晶闸管数十微秒， 高频晶闸管10s左右。 高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。 由于工作频率较高，不能忽略其开关损耗的发热效应。
14
1.1.1
晶闸管的结构与工作原理
在低发射极电流下 是很小的，而当发射极电流建立
起来之后， 迅速增大。
阻断状态：IG=0，1+2很小。流过晶闸管的漏电流稍
大于两个晶体管漏电流之和。
开通状态：注入触发电流使晶体管的发射极电流增大
以致 1+2 趋近于1的话，流过晶闸管的电流IA ，将趋
近于无穷大，实现饱和导通。IA实际由外电路决定。
11
1.1.1
晶闸管的结构与工作原理
A P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K K
G
K
J1 J2 J3
G
A
图1-2 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型、平板型和模块型三种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
通态损耗是器件功率损耗的主要成因。
器件开关频率较高时，开关损耗可能成为器件功率损 耗的主要因素。
6
二 应用电力电子器件系统组成
电力电子系统：由控制电路、驱动电路、保护电路 和 以电力电子器件为核心的主电路组成。 在主电路
控 检测 电路
和控制电 路中附加 一些电路， 以保证电 力电子器 件和整个 系统正常 可靠运行
I A I c1 I c 2
式中1和2分别是晶体管V1和V2 的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2 分别是V1和V2的共基极漏电流。 由以上式可得 ： 2 I G I CBO1 I CBO2 图1-3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理 IA （1-5） 1 ( 1 2 ) a) 双晶体管模型 b) 工作原理
1.1.3 晶闸管的主要参数 1.1.4 晶闸管的派生器件
10
1.1
半控器件—晶闸管· 引言
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流 器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1957年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。 1958年商业化。 开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。 20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。 能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量 的场合具有重要地位。
16
1.1.2 晶闸管的基本特性
晶闸管正常工作时的特性总结如下：
承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸 管都不会导通。
承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶 闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于 零的某一数值以下并承受反压。
17
第1章
晶闸管及可控整流电路
1.1 半控型器件——晶闸管 1.2 单相桥式可控整流电路 1.3三相半波可控整流电路 1.4 三相桥式可控整流电路
1.5 反电势负载的特点
本章作业
1
第1章
引言
——— 电子器件：晶体管和集成电路
电子技术的基础 电力电子电路的基础
——— 电力电子器件
本章主要内容：
概述电力电子器件的概念、特点和分类等问题。
27
例题
例题：型号为KP100-3的晶闸管，维持电流IH=4mA， 使用下图电路中是否合理？说明理由。（不考虑电压、 电流裕量）
E 100V 50KΩ E 150V 1Ω 220V 10Ω
（a）
(b)
(c)
解： KP100-3 UN=300V;IT=100A;IN=157A； Il=(2~4)4mA=(8~16) mA (a)U=Um=100V＜300 V I=100/50000=2mA＜Ilmin 所以，该电路中晶闸管不能导通。
——在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的反向峰值电压。
通态（峰值）电压UT
——晶闸管通以某一规定倍数的额定通 态平均电流时的瞬态峰值电压。
2）电流定额
1.1.3
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV）
——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温 不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流 的平均值。标称其额定电流的参数。 ——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
I vt I N I vt 1.57 I T K f I d 1.57 I T
IVT kf Id
24
I N 1.57I T
例题
额定电流IT=200A的晶闸管,工作波形如下 图所示,计算所允许负载电流Id为多少?
K f I d 1.57I T I d max Kf 1.57I T 1.57 200 Kf Kf
介绍常用电力电子器件的工作原理、基本特性、主 要参数以及选择和使用中应注意问题。
2
引言-电力电子器件概述
一 电力电子器件的概念和特征
二 应用电力电子器件的系统组成
三 电力电子器件的分类
3
一 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件
1）概念:
电力电子器件（Power Electronic Device）
12
1.1.1
晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
13
1.1.1
晶闸管的结构与工作原理
（1-1）
按晶体管的工作原理 ，得：
I c1 1I A I CBO1
I c 2 2 I K I CBO2
（1-2）
（1-3） （1-4）
I K I A IG
能处理电功率的能力，一般远大于处理信息的电子 器件。 电力电子器件一般都工作在开关状态。 电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制。 电力电子器件自身的功率损耗远大于信息电子器件， 一般都要安装散热器。
5
一 电力电子器件的概念和特征
电力电子器件的损耗 通态损耗 主要损耗 断态损耗
开通损耗
开关损耗
关断损耗
UA
URSMURRM
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
雪崩 击穿
电压后，可能导致晶闸管
发热损坏。
-IA
图1-4 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
19
2） 动态特性
1) 开通过程
1.1.2 晶闸管的基本特性
延迟时间td (0.5~1.5s) 上升时间tr (0.5~3s) 开通时间tgt 以上两者之和， tgt=td+ tr （1-6）
20
1.1.3
晶闸管的主要参数
使用注意： 通常取晶闸管的 UDRM和URRM中较小 的标值作为该器件 的额定电压。 选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍。
21
1）电压定额
断态重复峰值电压UDRM
——在门极断路而结温为额定值时，允 许重复加在器件上的正向峰值电压。
反向重复峰值电压URRM
1.1.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性 （1）正向特性
IG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电 压Ubo，则漏电流急剧增大， 器件开通。