《电子电路》课件：3.晶闸管及其触发保护电路.pptx

1、自动控制系统安装与调试主讲人：朱培燕主讲人：朱培燕2第第3章章 电力电子供电电路电力电子供电电路 3 . 1 电力电子供电电路概述电力电子供电电路概述 3. 2 晶闸管及其触发、保护电路晶闸管及其触发、保护电路3 . 1 电力电子供电电路概述电力电子供电电路概述u电力电子技术是以电力（供电）为对象的电子技术，它是利电力电子技术是以电力（供电）为对象的电子技术，它是利用电力电子器件对电能的用电力电子器件对电能的电压、电流、频率、相位和波形电压、电流、频率、相位和波形等等方面进行控制和变换的技术，它是横跨电力、电子和控制三方面进行控制和变换的技术，它是横跨电力、电子和控制三大学科的交叉学科，是当前

2、发展极为迅速的学科之一。大学科的交叉学科，是当前发展极为迅速的学科之一。u当代许多高新技术，常与供电电路的电压、电流、频率和相当代许多高新技术，常与供电电路的电压、电流、频率和相位等基本参数的转换与控制有关，而现代电力电子技术能够位等基本参数的转换与控制有关，而现代电力电子技术能够实现对这些参数的精确控制与高效率的变换，因此电力电子实现对这些参数的精确控制与高效率的变换，因此电力电子技术己成为现代科学技术、现代生产和现代生活中一门十分技术己成为现代科学技术、现代生产和现代生活中一门十分重要的学科和技术重要的学科和技术3电力电子供电电路常用的类型l 可控整流电路：可控整流电路：把交流电压变换为可

3、调的（或固定的）直流把交流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用于电解、电镀、直流电动机的调压调速，以及电压。如应用于电解、电镀、直流电动机的调压调速，以及高压输电等方面。高压输电等方面。（交交直直）l 直流斩波电路：直流斩波电路：把固定的（或变化的）直流电压变换为可调把固定的（或变化的）直流电压变换为可调的（或固定的）直流电压。如应用于电气机车、城市电车牵的（或固定的）直流电压。如应用于电气机车、城市电车牵引和电瓶叉车等方面。引和电瓶叉车等方面。 （直（直直）直）l 交流调压电路：交流调压电路：把交流电压变换为大小可调的（或固定的）把交流电压变换为大小可调的（或固定的）交流电压。如应用

4、于灯光控制、温度控制等方面。交流电压。如应用于灯光控制、温度控制等方面。 （交（交交）交）l 交流变频电路：交流变频电路：把固定（或变化）频率的交流电变换为频率把固定（或变化）频率的交流电变换为频率可调的（或恒定的）交流电。如应用于变频电源（如中频加可调的（或恒定的）交流电。如应用于变频电源（如中频加热电源、高频加热电源）和变频调速等。热电源、高频加热电源）和变频调速等。 （交（交交）交）4l 逆变电路：逆变电路：把直流电压变换为频率固定（或可调）的交流把直流电压变换为频率固定（或可调）的交流电压。若将此交流电送往交流电网，这称为电压。若将此交流电送往交流电网，这称为“有源逆变有源逆变”，如高

5、压直流输电、牵引机（或提升机）的电能回馈制动等。如高压直流输电、牵引机（或提升机）的电能回馈制动等。若此交流电不送往电网，供给负载，则称为若此交流电不送往电网，供给负载，则称为“无源逆变无源逆变”，如不间断电源（如不间断电源（ UPS ）、高精度交流电源等。）、高精度交流电源等。 （直（直交）交）l 无触点功率静态开关：无触点功率静态开关：接通或切断交流（或直流）电流通接通或切断交流（或直流）电流通路，用于取代接触器、继电器（又称固态接触器、固态继路，用于取代接触器、继电器（又称固态接触器、固态继电器）。电器）。5电力电子供电电路采用的电力电子器件有：电力电子供电电路采用的电力电子器件有：l

6、晶闸管（晶闸管（ Th ）l 双极型晶体管（双极型晶体管（ BJT ）l 场效应晶体管（场效应晶体管（ MOSFET ）l 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（ IGBT ）l 场效应晶闸管（场效应晶闸管（ MCT ） 现代的电力电子器件日益向全控化、高频化、复合现代的电力电子器件日益向全控化、高频化、复合化、集成化和多功能化发展，新型的器件不断涌现，使化、集成化和多功能化发展，新型的器件不断涌现，使电力电子技术呈现日新月异，迅猛发展的状况。电力电子技术呈现日新月异，迅猛发展的状况。63 . 2 晶闸管及其触发、保护电路晶闸管及其触发、保护电路 3.2.1 晶闸管晶闸管 3.2.1 晶闸管的触

7、发电路晶闸管的触发电路 3.2.3 晶闸管电路的保护环节晶闸管电路的保护环节7PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN 结：结：P型半导体和型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层型半导体交界面的特殊薄层 外电场外电场IFPN+（反向偏置）（反向偏置）少子在外电场作用少子在外电场作用下定向移动，形成下定向移动，形成很小的反向电流。很小的反向电流。IR半导体二极管半导体二极管14.3.1 基本结构（一个基本结构（一个PN结）结）阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳

8、( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D3.2.1 晶闸管晶闸管l晶闸管晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅）：晶体闸流管，可控硅整流器（整流器（Silicon Controlled RectifierSCR）1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。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。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。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

9、时开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。代。20世纪世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。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。量的场合具有重要地位。121-13小电流塑封式小电流塑封式小电流螺旋式小电流螺旋式大大电流电流螺旋式螺旋式大电流平板式大电流平板式图形符号图形符号晶闸管的外形晶闸管的外形一一. 认识晶闸管认识晶闸管14KP螺旋式螺旋式螺栓型晶闸管螺栓型晶闸管平板型晶闸管平板型晶闸管外形及结构外形及结构晶闸管模块晶闸管模块常用常用晶闸管的结构晶闸管的结构15晶闸管的散热片

10、晶闸管的散热片自冷式自冷式风冷式风冷式水冷式水冷式16晶闸管的散热片晶闸管的散热片水冷式水冷式风冷式风冷式自冷式自冷式1晶闸管的结构晶闸管的结构J1J2J3GP1N1N2N2P2AKp 晶闸管是晶闸管是PNPN四层半导体结构。四层半导体结构。p 具有具有J1、J2、J3三个三个PN结。结。p 可用三个二极管或两个三极管等效。可用三个二极管或两个三极管等效。P1N1P2N2AGK阳极阳极二二. 晶闸管的内部结构原理晶闸管的内部结构原理18三、晶闸管导通关断实验三、晶闸管导通关断实验 l 当晶闸管的阳极与阴极间加上正向当晶闸管的阳极与阴极间加上正向或反向电压时，总有或反向电压时，总有PN结处于反结

11、处于反偏状态；因此，晶闸管也处于正向偏状态；因此，晶闸管也处于正向或反向阻断状态。那么晶闸管在什或反向阻断状态。那么晶闸管在什么条件下，才能从正向阻断状态转么条件下，才能从正向阻断状态转变为正向导通状态呢变为正向导通状态呢?在什么条件在什么条件下又从导通状态恢复为阻断状态呢下又从导通状态恢复为阻断状态呢?l 下面进行晶闸管的导通关断实验进下面进行晶闸管的导通关断实验进行分析行分析P1N1P2N2AGK阳阳极极191. Q1于中间，于中间，Q2置于左、中、右，灯均灭；置于左、中、右，灯均灭； 2. Q1置于左，置于左，Q2置于左、中、右，灯均灭；置于左、中、右，灯均灭；3. Q1置于右，置于右，

12、Q2置于左、中，灯均灭；置于左、中，灯均灭； Q2置于右，灯亮置于右，灯亮Q1、Q2双向开关双向开关20灯亮后做实验灯亮后做实验:扳动扳动Q2 ， Q2置于中、左时，灯仍亮。置于中、左时，灯仍亮。扳动扳动Q1 ， Q1置于中、左时，灯灭。置于中、左时，灯灭。 21四、实验现象与结论：四、实验现象与结论：u 阳极电压阳极电压Ua反向时，无论反向时，无论 Ug为何种电压，晶闸管为何种电压，晶闸管都处于关断状态，灯不亮。都处于关断状态，灯不亮。u 只有当阳极电压只有当阳极电压Ua和门极电压和门极电压Ug同为正向电压时，同为正向电压时，晶闸管才能导通，灯亮。晶闸管才能导通，灯亮。u 晶闸管导通后，无论

13、晶闸管导通后，无论 Ug为何种电压，晶闸管仍然为何种电压，晶闸管仍然导通，门极就失去控制作用。导通，门极就失去控制作用。u 晶闸管在导通状态时，阳极电源晶闸管在导通状态时，阳极电源Ea减小到接近零减小到接近零时晶闸管关断，灯不亮。时晶闸管关断，灯不亮。 22实验结论实验结论 l晶闸管象二极管一样，具有晶闸管象二极管一样，具有单向导电特性单向导电特性。l晶闸管不同于二极管，还具有晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特正向导通的可控特性性。要使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向电。要使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向电压时，同时还在门极与阴极之间加上一定的正向压时，同时还在门极与阴极之间加上一定

14、的正向门极电压门极电压UgUg才能导通，这就是晶闸管导通的必要才能导通，这就是晶闸管导通的必要条件。条件。l当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作用，因此通常在门极只要加上一个正向脉冲电压用，因此通常在门极只要加上一个正向脉冲电压即可，称之为触发电压。门极无法控制晶闸管的即可，称之为触发电压。门极无法控制晶闸管的关断。关断。23实验结论实验结论 l当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的

15、最小阳极当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极电流叫维持电流电流叫维持电流 ( (I IH H) )。l要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源EaEa或或增大负载电阻，使阳极电流增大负载电阻，使阳极电流IaIa I IH H 或在阳极加上反或在阳极加上反向电压，晶闸管就自行关断了。向电压，晶闸管就自行关断了。25五、晶闸管的主要参数五、晶闸管的主要参数断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 在门极断路而结温为额定值时，允许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重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压反向重复峰值电压U

16、RRM 在门极断路而结温为额定值时，允许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。重复加在器件上的反向峰值电压。通态（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。平均电流时的瞬态峰值电压。通 常 取 晶 闸 管 的通 常 取 晶 闸 管 的UDRM和和URRM中较小中较小的标值作为该器件的标值作为该器件的额定电压。的额定电压。选用时，一般取额选用时，一般取额定电压为正常工作定电压为正常工作时晶闸管所承受峰时晶闸管所承受峰值电压值电压23倍。倍。使用注意：使用注意：1. 电压定额电压定额26通态平均

17、电流通态平均电流 IT(AV）在环境温度为在环境温度为40 C和规定的冷却状态下，稳定结温不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超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的最大工频正弦半波电流的平均值平均值。标称其额定电流的参数。标称其额定电流的参数。使用时应按使用时应按有效值相等的原则有效值相等的原则来选取晶闸管。来选取晶闸管。维持电流维持电流 IH 使晶闸管维持导通所必需的最小电流。使晶闸管维持导通所必需的最小电流。擎住电流擎住电流 IL 晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维能维持导通所需的最小电流。持导通所需的最小

18、电流。对同一晶闸管来说，通常对同一晶闸管来说，通常IL约为约为IH的的24倍倍。浪涌电流浪涌电流ITSM指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温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的不重复性最大正向过载电流 。2. 电流定额电流定额27 除开通时间除开通时间tgt和关断时间和关断时间tq外，还有：外，还有：断态电压临界上升率断态电压临界上升率du/dt 指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管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从断态到通 态转换的外加电压最大上升率。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

19、使晶闸管电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通误导通 。 通态电流临界上升率通态电流临界上升率di/dt 指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。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如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。坏。3、动态参数、动态参数额定电压额定电压, ,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流( (IF) 晶闸管晶闸管KP普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,

20、 ,额定电压为额定电压为700V。3 . 2 . 2 晶闸管的触发电路一、触发电路的组成一、触发电路的组成 如前所述，晶闸管的导通需要有一个触发电路来提供如前所述，晶闸管的导通需要有一个触发电路来提供触发脉冲。触发电路大致可分成四个部分：触发脉冲。触发电路大致可分成四个部分：u脉冲形成脉冲形成u移相控制移相控制u同步电路同步电路u脉冲功率放大脉冲功率放大触发电路的组成参见图触发电路的组成参见图 。29 脉冲形成：脉冲形成：是触发电路的核心，它的功能是产生一是触发电路的核心，它的功能是产生一定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用的有单定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用的有单结晶体管自激振荡电

21、路、单稳态触发电路和集成触结晶体管自激振荡电路、单稳态触发电路和集成触发电路等。发电路等。 移相控制：移相控制：功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调节控制角节控制角 的大小）。常用锯齿波与给定信号电压的大小）。常用锯齿波与给定信号电压进行比较来进行移相控制进行比较来进行移相控制30 同步电路：同步电路：功能是使触发脉冲每次产生的时刻，都能功能是使触发脉冲每次产生的时刻，都能准确地对应着主电路电压波形上的准确地对应着主电路电压波形上的 时刻。通常采用时刻。通常采用的方法是把主电路的电压信号直接引入，或通过同步的方法是把主电路的电压信号直接引入，或通过同步变压器（或

22、经过阻容移相电路）从主电路引入，来作变压器（或经过阻容移相电路）从主电路引入，来作为触发同步信号为触发同步信号31 脉冲功率放大：脉冲功率放大：若触发驱动的晶闸管的容量较大，若触发驱动的晶闸管的容量较大，则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。通常采用由复合管组成的射极输出器或采用强功率通常采用由复合管组成的射极输出器或采用强功率触发脉冲电源触发脉冲电源32二、触发电路的工作原理二、触发电路的工作原理33如今触发电路常采用集成电路。如今触发电路常采用集成电

23、路。TS为同步变压器，为同步变压器，TI1和和TI2为脉冲变压器，为脉冲变压器，R8、R9、VT2和和R10、R11、VT1构成电压放大电路，构成电压放大电路，VD1和和VD2为续流二极管，触发脉冲宽度取决于为续流二极管，触发脉冲宽度取决于电阻电阻R7和电容和电容C2，电位器，电位器RP1用于调节锯齿波斜率，电压用于调节锯齿波斜率，电压Uc为移相控制为移相控制输入电压，电位器输入电压，电位器RP2用于调节锯齿波偏置电压。用于调节锯齿波偏置电压。343 . 2 . 3 晶闸管电路的保护环节35单结晶体管触发电路的测试单结晶体管触发电路的测试+给定电压调节6.8K47F+主电路VD9VD100.1

24、uF0V120V50V127VC50.047F10047FC10.1F100C7470F触发电路VT1V5100VT2Ud100C824KVD8VD215VTPV3VD3VD12K560给定电路VD5VD4VD7V4C2C32.4KV1VD6100FC4电压放大RP5V222K15V10VRP04.7K1K1K4.7KUsRP1RP2+47FC610VVD11亚龙教仪单相桥式半控整流电路及单结晶体管触发电路RP0RP2RP1RP5单结晶体管触发电路的测试单结晶体管触发电路的测试单结晶体管触发电路的测试单结晶体管触发电路的测试单结晶体管触发电路的测试单结晶体管触发电路的测试1、将实验电路的电源进

25、线端接到相应的电源上。（虚线部分在交流电源单元上）（下同）2、用双综示波器Y1测量50V的电压UT的数值与波形，用Y2测量15V稳压管上的电压Uv（同步电压）的波形，并进行比较（注意：以0点为两探头的公共端）；3、整定RP1与RP0，使RP2输出电压在0.5V2.5V之间变化。4、调节给定电位器RP2，使控制角为60左右。、测量单结晶体管V3（BT管）发射极电压（即电容C1上的电压UC1）的电压波形。（以同步电压为参考波形）；、测量V3输出电压波形U0；（即100输出电阻上的电压）、测量脉冲变压器TP两端输出的电压波形UG1或UG2；、调节RP2观察触发脉冲移动情况（即控制角调节范围；能否由0180？注：由于此电路的同步电压为近似梯形波，因此前、后均有死区，调节范围一般为10170左右，甚至更小一些。注：RP0整定最高速，RP1整定最低速，RP2调节速度。