电力电子第二讲晶闸管
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。
晶闸管工作原理
晶闸管工作原理晶闸管（Thyristor）是一种半导体器件，也被称为双向可控硅。
它具有单向导通和双向控制的特性，广泛应用于电力电子领域。
晶闸管工作原理是通过控制其门极电压来实现对电流的控制。
晶闸管由四个半导体层构成，分别是P型半导体层（阳极）、N型半导体层（阴极）、P型半导体层（门极）和N型半导体层（阴极）。
当晶闸管的阳极电压大于阴极电压时，晶闸管处于正向偏置状态，即晶闸管导通。
反之，当阳极电压小于阴极电压时，晶闸管处于反向偏置状态，即晶闸管截止。
晶闸管的控制是通过控制门极电压来实现的。
当门极施加正向电压时，晶闸管处于导通状态。
此时，即使去掉门极电压，晶闸管仍然保持导通，直到电流降至零点或者施加反向电压。
而当门极施加反向电压时，晶闸管处于截止状态，无法导通。
晶闸管的导通和截止状态是通过控制门极电压的施加和去除来实现的。
当门极电压施加时，晶闸管进入导通状态；当去掉门极电压时，晶闸管进入截止状态。
这种控制方式使得晶闸管具有了单向导通和双向控制的特性。
晶闸管的主要应用是在交流电路中，用于控制交流电的导通时间。
晶闸管在交流电路中的工作原理是通过施加一个触发脉冲来控制晶闸管的导通。
当晶闸管导通后，只有当交流电通过零点时，晶闸管才会自动截止。
这样就实现了对交流电的控制。
晶闸管还可以用于直流电路中的开关控制。
在直流电路中，晶闸管的工作原理是通过施加一个触发脉冲来控制晶闸管的导通，使其在需要的时间内导通，从而实现对直流电的控制。
总结一下，晶闸管的工作原理是通过控制门极电压来实现对电流的控制。
它具有单向导通和双向控制的特性，广泛应用于电力电子领域。
在交流电路中，晶闸管通过施加触发脉冲来控制导通时间；在直流电路中，晶闸管通过施加触发脉冲来控制导通时间，实现对直流电的控制。
晶闸管的工作原理为电力电子的应用提供了重要的基础。
晶闸管课件.
A2 ～
O
α
α
A1
＋
G
uo
－
2
t
α
可关断晶闸管及其直流调压管相同。
不同之处在于：普通晶闸管在导通后，控制极不再
起作用，只有在阳极电压为零时，晶闸管才会关断
（截止）。而可关断晶闸管
在uA＞0, uG＞0时，由截止变为导通
A
，而在uA＞0, uG＜0时，即加负脉冲
A
形成正反馈过程
T1
R
G EG
T2
EA
+ _
K EA > 0、EG > 0
在极短时间内使两个 三极管均饱和导通，此 过程称触发导通。
晶闸管导电实验
（1）晶闸管截止时，
若uA>0, uG≤0，晶闸管 仍然 截止；
（2）晶闸管截止时，
若uA>0, uG>0,晶闸管由 截止变为导通；
＋
EA
－
S
EG
－＋
（3）晶闸管导通时，若uA>0, uG≤0，晶闸管仍然 导通；
(2) 有源逆变。有源逆变是指把直流电变换成与 电网同频率的交流电，并将电能返送给交流电源。例 如, 目前采用的高压输电工程，将三相交流电先变换 成高压直流电，再进行远距离的输送，到目的地后， 再利用有源逆变技术把直流电变成与当地电网同频率 的交流电供给用户。
(3) 交流调压。 交流调压是指把不变的交流电压 变换成大小可调的交流电压。例如，用于灯光控制、 温度控制及交流电动机的调压调速。
–
D2 –
3.工作波形
t
uO为一个 2O
π+α
α
不完整的全
波脉动电压，
t
它相当于从 O
电力晶体管和晶闸管PPT课件
A
G KK
A A G
GG
P1 N1 P2 N2
J1 J2 J3
K
A
a)
Bb)
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
Cc)
14
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。
雪崩
➢ 随着门极电流幅值的增
击穿
大，正向转折电压降低。
IA 正向 导通
IH
IG2
IG1 IG=0
O
UDRM Ubo +UA
UDSM
-IA
图1-5 晶闸管的伏安特性 IG2>IG1>IG
31
四、晶闸管的阳极伏安特性
1) 正向特性
➢ 导通后的晶闸管特性和二极 管的正向特性相仿。
➢ 导通期间，如果门极电流为 零，将阳极电流降至接近于
IT ( AV )
(1.5~2) IT 1.57
式中IT是流过晶闸管中可能出现的最大电流有效值
39
举例：
➢
有一晶闸管的电流额定值IT（AV）=100A，用于电路中流过的电流波形如图所
示，允许流过的电流峰值IM=？
➢ 分析： I（TAV）=100A的晶闸管
➢ 对应的电流有效值为： IT=1.57× I（TAV） ＝157A ；
管的阳极紧栓在散热器上，平板式二极管 分为风冷和水冷，它的阳极和阴极分别由 两个彼此绝缘的散热器紧紧夹住。
3
电力二极管外形图
PN结与符号 4
螺栓型
实物图 5
《电力电子技术》教学教案02调光灯 认识晶闸管和单结晶体管
调光灯电路提出问题调光灯在日常生活中的应用非常广泛，其种类也很多。
上图为常见的调光台灯电路，分析调光灯电路原理。
晶闸管电路晶体管触发电路复习：1、电力（功率）二极管（Power Diode）。
允许电流较大电压较高的二极管。
2、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导通又可控制关断。
不可控器件(Power Diode)：不能用控制信号来控制其通断, 不需驱动电路。
新知识：认识晶闸管和单结晶体管一、普通晶闸管1、结构：晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅整流器（Silicon ControlledRectifier——SCR）′1 08′1 2AA GGK Kb)c)a)AGK KGAP 1N 1P 2N 2J 1J 2J 3一晶闸管来说，通常I L 约为I H 的2~4倍。
浪涌电流I TSM指由于电路异常情况引起并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。
选择晶闸管额定电流的原则：管子在额定电流时的电流有效值大于其所在电路中可能流过的最大电流的有效值，同时取倍的余量，即：表1-1 晶闸管标准电压等级表1-4 晶闸管通态平均电压分组组别 A B CDE 通态平均电压（V ） U T ≤0.40.4＜U T ≤0.50.5＜U T ≤0.6 0.6＜U T ≤0.70.7＜U T ≤0.8组别 F G HI通态平均电压（V ）0.8＜U T ≤0.90.9＜U T ≤1.01.0＜U T ≤1.1 1.1＜U T ≤1.2课后小结：晶闸管导通关断的条件是什么，怎么样选用晶闸管。
板书设计：§1.1 晶闸管的结构和工作特性一、可控硅结构与符号： 三、可控硅的主要参数（1）. 正向阻断峰值电压ＵDRM （2）. 反向阻断峰值电压ＵRRM10 难点 重点TmT T(AV)I I I )2~5.1(57.1≥=57.1)2~5.1(TmT(AV)I I ≥（3）. 额定电流I T（AV）（4）.控制极触发电流I GT 二、可控硅的工作原理（5）.维持电流I H导通条件：①承受正向阳极电压；②承受正向门极电压。
电力电子应用技术 CH2.3晶闸管dlj
晶闸管的保护 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的 主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦发生过电 流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件 内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流 为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损 坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其 反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若 正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通 后的电流较大，使器件受损。
晶闸管的过流保护 • 1. 快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时， 它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路， 以保证晶闸管的安全。 快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。
接在输出 端 接在输 入端
~
与晶闸 管串联
晶闸管的过流保护 2. 过流继电器保护 在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电 流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作， 使电路自动切断。 3. 过流截止保护 在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号 控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路 控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而 使晶闸管导通角减小或立即关断。
晶闸管的过压保护 2. 晶闸管的过压保护 • (1) 阻容保护 利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压 的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电 阻中消耗掉。 C C R R L
C
~
C
R 硒碓保护 (硒整流片)
R
R
(2) 硒碓保护
晶闸管元件 的阻容保护
5、晶闸管的串并联
晶闸管串并联的目的： 利用晶闸管的串联主要是为了提高电路的电压等级； 利用晶闸管的并联主要是为了提高电路的电流等级；
晶闸管的工作条件的试验电路
晶闸管的开关特点
全控型电力电子器(第二讲)
饱和区
它承受 反向电压 能力很差， 反响阻断 电压只有 几十伏， 因此大大 限制了它 在高反压 场合的应 用。
截止区
击穿区
IGBT的转移特性曲线
UGE(TH)温度每升高1 ℃ 其值下降5mV 左右
在25 ℃ 时其值一 般为2-6V
IGBT的主要参数
集电极-射极击穿电压UCES：最高工作电压， 其大小与结温呈正温度系数关系0.63V/℃
在电力电子技术中，GTR主要工作在开关状态。 晶体管通常连接成共发射极电路，GTR通常工作 在正偏(Ib＞0)时大电流导通；反偏(Ib＜0)时处于 截止状态。因此，给GTR的基吸施加幅度足够大 的脉冲驱动信号，它将工作于导通和截止的开关 状态。
快速通过放大区,防止功耗太大损坏GTR 为了保证开关速度快，损耗小，要求GTR饱和压
和源极间加正向电压UGS，由于栅极是
绝缘的，不会有电流。但栅极的正电 压所形成的电场的感应作用却会将其 下面的P 型区中的少数载流子电子吸
引某到一栅电极压下值面UT时的，P型栅区极表下面面。的当Pu型GS区大于表
面的电子浓度将超过空穴浓度，使P型 反型成N型，沟通了漏极和源极。 此 时，若在漏源极之间加正向电压，则 电子将从源极横向穿过沟道，然后垂
2）漏极连续电流ID和漏极峰值电流IDM：即电力
MOSFET 的 额 定 电 流 ， 其 大 小 主 要 受 管 子 的 温 升 限 制。
3）栅源击穿电压UGS：栅极与源极之间的绝缘层
很薄，承受电压很低，一般不得超过20 V，否则 绝缘层可能被击穿而损坏，使用中应加以注意。
总之，为了安全可靠，在选用MOSFET时，对电 压、电流的额定等级都应留有较大裕量。
极控制关断，但导通时管压降增大； 多元集成结构使GTO元阴极面积很小，门、阴极间距大为缩短，使
晶闸管的结构与工作原理
晶闸管的结构与工作原理晶闸管（Thyristor），又称为双极型晶体管，是一种半导体器件，具有可控的开关特性。
它广泛应用于电力电子设备、变流器、电机驱动器等领域。
本文将详细介绍晶闸管的结构和工作原理。
一、晶闸管的结构晶闸管由四个半导体层组成，分别是P型半导体（阳极）、N型半导体、P型半导体（门极）和N型半导体。
整个结构组成了一个PNPN的结构，类似于一个双极型晶体管，但晶闸管比双极型晶体管多了一个所有电流都能通过的门极。
在晶闸管结构中，阳极和门极是两个主要的电极。
阳极承受电流，而门极用于控制晶闸管的导通和关断。
在正常工作状态下，阳极上的电压高于门极，晶闸管处于关断状态。
只有当门极施加一个合适的触发脉冲时，晶闸管才能实现导通，形成通路，电流开始流动。
晶闸管还具有反并联二极管，它被连接在晶闸管的两个半导体层之间。
它的作用是提供反向偏置，以避免晶闸管在关断状态下被击穿。
同时，反并联二极管还能够保护晶闸管免受反向电压的损害。
二、晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理可以分为三个阶段：关断状态、触发状态和导通状态。
1. 关断状态：在关断状态时，门极的控制电压低于晶闸管的临界触发电压。
此时，PNPN结构的两个PN结正向偏置，形成一个高反向电压，导致整个结构处于关断状态。
晶闸管的主要特点是具有很高的绝缘能力，能够承受很高的反向电压。
2. 触发状态：当门极施加一个合适的触发脉冲时，晶闸管就会从关断状态切换到触发状态。
触发脉冲使得PN结发生反向电流扩散，导致PN结正向偏置被打破。
一旦PN结正向偏置被打破，PNPN结构中的第一个PN结就会形成一个电流驱动器，使得整个结构逐渐变得导电。
3. 导通状态：在晶闸管进入导通状态后，发生一种被称为“自持现象”的反馈作用。
即使移除控制电压，晶闸管也会保持导通状态，直到通过它的电流下降到一个非常低的水平。
此时，晶闸管具有很低的压降和很高的电流承受能力，使其能够在高功率电子设备中广泛应用。
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2.3 半控型器件—晶闸管
全称晶体闸流管，又称可控硅整流器（SCR）。
1、晶闸管的结构与工作原理
晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图如图1所示，晶闸管的管芯是P1N1P2N2四层半导体，形成3个PN结J1、J2和J3。
可等效为PNP和NPN两个三极管。
图1 晶闸管结构图、双晶体管模型图、工作原理图和符号图
晶闸管的工作原理是：门极电流I G↑→I b2↑→I c2(I b1)↑→Ic1↑→I K↑，阳极A、阴极K饱和导通。
2、晶闸管工作特点是：
（1）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。
（2）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。
（3）晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
（4）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。
3、闸管静态特性
晶闸管静态V-I特性曲线图如图2所示。
图2 晶闸管静态V-I特性曲线图
（1）正向特性：I G=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U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。
随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低。
晶闸管本身的压降很小，在1V左右。
（2）反向特性：反向特性类似二极管的反向特性。
反向阻断状态时，只有极小的反相漏电流流过。
4、动态特性
晶闸管的开通和关断过程波形如图3所示。
图3晶闸管的开通和关断过程波形
（1）开通过程：延迟时间t d：0.5~1.5?s。
上升时间t r：0.5~3?s。
开通时间t gt：以上两者之和，t gt=t d+ t r。
（2）关断过程：反向阻断恢复时间t rr，正向阻断恢复时间t gr，关断时间t q是以上两者之和t q=t rr+t gr。
普通晶闸管的关断时间约几百微秒。
5、晶闸管的主要参数
（1）电压定额
断态重复峰值电压U DRM：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U RRM：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U T：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
通态平均电流I T(A V)：在环境温度为40?C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。
标称其为额定电流参数。
使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
维持电流I H：使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
擎住电流I L：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I L约为I H的2~4倍。
浪涌电流I TSM：指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。
（3）动态参数
除开通时间t gt和关断时间t q外，还有以下几个参数：
断态电压临界上升率d u/d t：指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。
通态电流临界上升率d i/d t：指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
6、晶闸管的触发电路
（1）触发电路要求
晶闸管的触发电路作用：产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。
晶闸管触发电路应满足下列要求：
（a）脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度。
（b）不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内。
（c）有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。
理想的晶闸管触发脉冲电流波形如图4所示。
图4 理想的晶闸管触发脉冲电流波形
t1~t2 ?脉冲前沿上升时间（<1?s）。
t1~t3 ?强脉宽度。
I M ?强脉冲幅值（3I GT~5I GT）。
t1~t4 ?脉冲宽度。
I ?脉冲平顶幅值（1.5I GT~2I GT）。
（2）晶闸管触发电路
如图5所示。
VT构成脉冲放大环节。
脉冲变压器TM和附属电路构成脉冲输出环节。
?VT导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。
VD1回流
（或续流）二极管；VD2整流（或检波）二极管；VD3是保护二极管，当脉冲变压器反相输出时，使加到门极和阴极反相电压小于0.7V。
电路中电阻的作用是限流。
电容的作用是加大初始电流以加速晶闸管导通，也称加速电容。
图5 常见的晶闸管触发电路
7、晶闸管的派生器件
（1）双向晶闸管：集成了两个反向并联晶闸管，共用一个门极，符号及特性见教材32页。
（2）逆导晶闸管：集成了晶闸管和反向并联二极管，正向触发导通，反向不控导通，符号及特性见教材32页。