《电工与电子技术》单元9晶闸管及其应用.ppt

1 主编 李文王庆良副主编 孙全江韦宇主审 于昆伦 电工与电子技术 下篇工业电子学单元9晶闸管及其应用 2 知识点 晶闸管的基本结构 工作原理 伏安特性和主要参数 单相半波整流电路和单相全波整流电路的电路组成 工作原理 分析计算方法 元件的选用 能力目标 具有对晶闸管应用电路进行分析计算和正确选择元器件的能力 单元9晶闸管及其应用 3 单元9晶闸管及其应用 目录 4 晶闸管的外形如图9 1所示 它有三个引出极 阳极A 阴极K和门极G 又称控制极 螺栓式晶闸管中 螺栓是阳极A的引出端 并利用它与散热器紧固 平板式晶闸管则由两个彼此绝缘的散热器把晶闸管夹紧在中间 由于两面都能散热 因而200A以上的晶闸管常采用平板式 小功率晶闸管采用塑封式 其上部的金属片用螺栓与散热片紧密接触 以利于散热 晶闸管的内部结构由PNPN四层半导体构成 所以有三个PN结J1 J2 J3 阳极A从P1层引出 阴极K由N2层引出 普通晶闸管的内部结构和符号如图9 2所示 普通晶闸管的型号是KP型 9 1晶闸管 9 1晶闸管 9 1 1晶闸管的结构 5 图9 1晶闸管的外形 a 螺旋式 b 平板式 c 压膜塑封式 9 1晶闸管 6 图9 2晶闸管的内部结构和符号 a 内部结构 b 符号 图9 3晶闸管导通关断实验 9 1晶闸管 7 晶闸管的工作原理可通过图9 3所示电路进行晶闸管的导通关断实验来说明 主电路的UAK通过双刀双掷开关S1与灯泡串联 接到晶闸管阳 阴极上 形成主电路 晶闸管阳 阴两极间的电压称阳极电压 流过晶闸管阳极的电流称为阳极电流 门极电源UGK经双刀双掷开关S2加到门极与阴极之间 形成触发电路 控制电路 门极与阴极间的电压称为门极电压 流过门极的电流称为门极电流 实验结果如下 晶闸管在反向阳极电压作用下 无论门极为何种电压 它都处于关断状态 晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下 才能导通 9 1 2晶闸管的工作原理 9 1晶闸管 8 已经导通的晶闸管在正向阳极电压作用下 门极将失去控制作用 晶闸管在导通状态下 当阳极电流减小接近于零时 晶闸管关断 以上结论说明 晶闸管像二极管一样 具有单向导电性 晶闸管电流只能从阳极流向阴极 若加反向阳极电压 晶闸管处于反向阻断状态 只有很小的反向电流 但晶闸管与二极管不同 它还具有正向导通的可控性 当仅加上正向阳极电压时 元件还不能导通 这时处于正向阻断状态 只有同时还加上正向门极电压并形成足够的门极电流时 晶闸管才能正向导通 而且一旦导通后 撤去门极电压 导通状态仍然维持 9 1晶闸管 9 晶闸管之所以具有上述特性 是由其内部结构决定的 晶闸管可以等效看成由NPN型和PNP型两只晶体管组成的 如图9 4所示 每只管子的基极都与另一只管子的集电极相连 图9 4晶闸管等效电路 9 1晶闸管 10 当晶闸管加上正向阳极电压时 一旦有门极电流注入 将形成强烈的正反馈 反馈过程如下 这样 两管迅速饱和导通 晶闸管导通后 UAK 0 6 1 2V 晶闸管导通后 即使控制极与外电路断开 因三极管T2的基极电流IB2 IC1 IA 所以晶闸管仍能维持导通 但是 若在导通过程中 将阳极电流IA减小到一定数值以下时 晶闸管的导通状态无法维持 管子将迅速截止 晶闸管维持导通所必须的最小电流称为维持电流IH 9 1晶闸管 11 要正确使用晶闸管 不仅需要了解晶闸管的工作原理及工作特性 更重要的是要了解晶闸管的主要参数含义 现就经常提到的阳极主要参数介绍如下 1 额定电压UTn当门极断开 元件处在额定结温时 所测定的正向不重复峰值电压UDSM 反向不重复峰值电压URSM各乘0 9所得的数值 分别称为元件的正向阻断重复峰值电压UDRM和反向阻断重复峰值电压URRM 至于正反向不重复峰值电压和相应的转折电压UBO 击穿电压URO的差值 一般由晶闸管生产厂家自定 9 1 3晶闸管的主要参数 9 1晶闸管 12 所谓元件的额定电压UTn 是指UDRM和URRM中的较小值 再取相应于标准电压等级中偏小的电压值 例如 晶闸管实测UDRM 736V URRM 820V 取两者其中小的数值736V 按标准电压等级只能取700V 作为晶闸管的额定电压700V即7级 由于晶闸管的额定电压的瞬时值 若超过反向击穿电压 就会造成元件永久性损坏 若超过正向转折电压 元件就会误导通 同时元件的耐压还会随着结温升高或散热条件恶化而下降 因此 在选择晶闸管的额定电压时应为元件在工作电路中可能承受到的最大瞬时值电压的2 3倍较安全 即 9 1晶闸管 13 2 额定电流IT AV 在室温为40 和规定的冷却条件下 元件在电阻性负载的单相工频正弦半波 导通角不小于170 的电路中 当结温不超过额定结温且稳定时 所允许的最大通态平均电流 称为额定通态平均电流IT AV 将此电流按晶闸管标准系列取相应的电流等级 称为元件的额定电流 由于晶闸管的额定电流以工作波形的平均值定义 而选管时根据有效值相等的原则 这样在选择晶闸管的额定电流时 需要做电流波形的平均值与有效值的换算 对于定义中的正弦半波电流波形 设电流最大值为Im 则电流平均值IT AV 电流有效值IT分别为 9 1 9 1晶闸管 14 由式 9 1 9 2 可得 例如 对于一只额定电流IT AV 100A的晶闸管 按式 9 3 可知其允许的电流有效值应为157A 因此按照实际电流波形计算其有效值后 再除以1 57作为选择晶闸管的额定电流的依据 并且考虑到实际装置的散热条件和可能的过载现象 留有1 5 2倍的裕度 9 3 9 2 9 1晶闸管 15 3 通态平均电压 管压降 UT AV 当元件流过正弦半波的额定电流平均值和稳定的额定结温时 元件阳极与阴极之间电压降的一周平均值称为管压降UT AV 管压降越小 表明元件耗散功率越小 管子质量越好 以上三个阳极主要参数是选购晶闸管的主要技术数据 按标准 普通晶闸管型号命名含义如下 9 1晶闸管 16 例如 KP200 5E 表示该元件额定电流为200A 额定电压为500V 管压降为0 7 0 8V的普通晶闸管 9 1晶闸管 17 4 其他参数维持电流 在室温与门极断开时 元件从较大的通态电流降至刚好能保持元件导通所必须的最小通态电流称维持电流 擎住电流 晶闸管加上触发电压就导通 去除触发电压 要使管子仍然维持导通 所需要的最小阳极电流称为擎住电流 对同一个管子来说 通常擎住电流比维持电流大数倍 9 1晶闸管 18 9 2 1 1电阻性负载电炉 电焊及白炽灯等均属于电阻性负载 电阻性负载的特点是 负载两端电压波形和流过的电流波形相似 其电流 电压均允许突变 9 2整流电路 9 2 1单相半波可控整流电路 图9 5单相半波电阻性负载电路及波形 a 电路 9 2整流电路 19 图9 5 a 为单相半波电阻性负载可控整流电路 由晶闸管VT 负载电阻Rd及单相整流变压器Tr组成 后者用来变换电压 使不合适的一次电网电压U1 变成合适的二次电压U2 分别为整流变压器一次绕组和二次绕组正弦电压瞬时值 分别为整流输出电压瞬时值和负载电流瞬时值 分别为晶闸管两端电压瞬时值和电流的瞬时值 分别为流过整流变压器一次绕组和二次绕组电流的瞬时值 图9 5单相半波电阻性负载电路及波形 b 波形 9 2整流电路 20 图9 5 b 9 2整流电路 21 图9 5 b 9 2整流电路 22 9 2整流电路 23 9 2整流电路 24 工程上为了计算简便 有时不用式 9 4 进行计算 而是按式 9 4 先作出表格和曲线 供查阅计算 如图9 6所示 流过负载电流的平均值为 图9 6单相半波可控整流电压 电流及功率因数与控制角的关系 9 2整流电路 25 负载上电压有效值U与电流有效值I在计算选择变压器容量 晶闸管额定电流 熔断器以及负载电阻的有功功率等时 均须按有效值计算 根据有效值的定义 U就是波形的均方根值 即 而有效值电流为 9 7 9 8 9 2整流电路 26 晶闸管电流有效值与管子两端可能承受的最大正反向电压在单面半波可控整流电路中 晶闸管与负载串联 所以负载电流的有效值也就是通过晶闸管电流的有效值 其关系为 由图9 5 b 中波形可知 晶闸管可能承受的正反向峰值电压为由式 9 3 与式 9 6 可得 9 2整流电路 27 图9 6 9 2整流电路 28 例9 1单相半波可控整流电路 阻性负载 要求输出的直流平均电压为50 92V之间连续可调 最大输出直流平均电流为30A 直接由交流电网220V供电 试求 1 控制角应有的可调范围 2 负载电阻的最大有功功率及最大功率因数 3 选择晶闸管型号规格 安全余量取2倍 9 2整流电路 29 9 2 1 2电感性负载属于此类负载的 工业上如电动机的励磁线圈 滑差电动机电磁离合器的励磁线圈以及输出串接平波电抗器 FilterReacter 的负载等 电感性负载不同于电阻性负载 为了便于分析 通常电阻与电感分开 单相半波可控整流电感性负载如图9 7 a 所示 在0 t t1区间 u2虽然为正 但晶闸管无触发脉冲不导通 负载上的电压ud 电流均为零 晶闸管承受着电源电压u2 其波形如图9 7 b 所示 当 t t1 时 晶闸管被触发导通 电源电压u2突加在负载上 由于电感性负载电流不能突变 电路需经一段过渡过程 此时电路电压瞬时值方程如下 9 2整流电路 30 图9 7单相半波可控整流电感性负载 a 电路 b 波形 9 2整流电路 31 在 t1 t t2区间 晶闸管被触发导通后 由于Ld作用 电流只能从零逐渐增大 到 t2时 已上升到最大值 did dt 0 所以 这期间电源不仅要向负载Rd供给有功功率 而且还要向电感线圈Ld供给磁场能量的无功功率 在 t2 t t3区间 由于继续在减小 也逐渐减小 在电感线圈Ld作用下 id的减小总是要滞后于u2的减小 这期间Ld两端感生的电动势方向是阻碍的减小 如图9 7 b 所示 负载Rd所消耗的能量 除电源电压供给外 还有部分是由电感线圈Ld所释放的能量供给 这区间的电路电压瞬时值方程如下 9 2整流电路 32 9 2整流电路 33 图9 7 b 图9 8 9 2整流电路 34 图9 8大电感时 不同 负载电压和电流的波形 9 2整流电路 35 为了使过零变负时能及时地关断晶闸管 使波形不出现负值 又能给电感线圈提供续流的旁路 可以在整流输出端并联二极管如图9 9所示 由于该二极管是为电感负载在晶闸管关断时提供续流回路 故将此二极管简称续流管 用VD表示 图9 9有续流管的单相半波可控整流电路及波形 9 2整流电路 36 图9 9 图9 9 9 2整流电路 37 9 16 9 14 9 15 9 13 9 2整流电路 38 晶闸管和续流管可能承受的最大正反向电压为 移相范围与阻性负载相同为0 由于电感性负载电流不能突变 当晶闸管触发导通后 阳极电流上升较缓慢 故要求触发脉冲要宽些 约20 以免阳极电流尚未升到晶闸管擎住电流时 触发脉冲已消失 晶闸管无法导通 例9 2图9 10是中 小型发电机采用的单相半波自励稳压可控整流电路 当发电机满负载运行时 相电压为220V 要求的励磁电压为40V 已知 励磁线圈的电阻为2 电感量为0 1H 试求 晶闸管及续流管的电流平均值和有效值各是多少 晶闸管与续流管可能承受的最大电压各是多少 并选择晶闸管与续流管的型号 9 2整流电路 39 图9 10中小型发电机采用晶闸管自励稳压电路及解题波形 9 2整流电路 40 9 2 1 3反电动势负载蓄电池 直流电动机的电枢等均属此负载 这类负载特点是含有直流电动势E 它的极性对电路中晶闸管是反向电压故称反电动势负载 如图9 11 a 所示 图9 11单相半波反电势负载电路及波形 9 2整流电路 41 图9 11 b 图9 11 b 9 2整流电路 42 图9 11 b 图9 11 b 9 2整流电路 43 综上所述 反电动势负载特点是 电流呈脉冲波形 底部窄 脉动大 如要供出一定的平均电流 其波形幅值必然很大 有效值亦大 这就要增加可控整流装置和直流电动机的容量 另外 换向电流大 容易产生火花 电动机振动厉害 尤其是断续电流会使电动机机械特性变软 为了克服这些缺点 常在负载回路人为地串联一个所谓平波电抗器Ld 来减小电流的脉动和延长晶闸管导通的时间 9 2整流电路 44 反电动势负载 串接平波电抗器后 整流电路的工作情况与大电感性负载相似 电路与波形如图9 12 a b 所示 只要所串入的平波电抗器的电感量足够大 使整流输出电压中所包含的交流分量全部降落在电抗器上 则负载两端的电压基本平整 输出电流波形也就平直 这样就大大改善了整流装置和电动机的工作条件 电路的各电量与电感性负载相同 值应按下式求得 图9 12 c 为串接的平波电抗器的电感量不够大或电动机轻载时的波形 波形仍出现断续 断续期间 E 波形出现台阶 但电流脉动情况比不串时有很大改善 对小容量直流电动机 因对电源影响较小 且电动机电枢本身的电感量较大 故有时也可以不串平波电抗器 9 17 9 2整流电路 45 图9 12单相半波反电动势串接平波电抗器后的电路与波形 a 电路 b 连续时波形 c 断续时波形 9 2整流电路 46 单相半波可控整流电路 虽具有线路简单 投资小及调试方便等优点 但因整流输出具有直流电压脉动大 设备利用率不高等缺点 所以一般仅适用于对整流指标要求不高 小容量的可控整流装置 存在以上缺点的原因是 交流电源在一个周期中 最多只能半个周期向负载供电 为了使交流电源的另一半周期也能向负载输出同方向的直流电压 既减少输出电压波形的脉动 又能提高输出直流电压平均值 需采用本节要介绍的单相全波可控整流电路 9 2 2单相全波可控整流电路 9 2整流电路 47 9 2 2 1电阻性负载如图9 13 a 所示 从电路形式上看 它相当于由两个电源电压相位错开180 的两组单相半波可控整流电路并联而成 所以又称单相双半波可控整流电路 图9 13单相全波电阻负载可控整流 a 电路 9 2整流电路 48 电路中晶闸管VT1与VT2是轮流工作的 在电源电压正半周 时刻 触发电路虽然同时向两管的门极送出触发脉冲 但由于VT2承受反向电压不能导通 而VT1承受正向电压而导通 负载电流方向如图上实线所示 电源电压过零变负时 VT1关断 在电源电压负半周同样 时刻 VT2被触发导通 负载电流方向如图上虚线所示 这样 负载两端可控整流电压波形是单相半波可控整流电压波形相同的两块 如图9 13 b 所示 晶闸管承受的电压 在正半周VT1未导通前 为正向波形 当 90 时 晶闸管承受到最大正向电压为 在过零变负时 VT1被关断而VT2还未导通 这时VT1只承受反向电压 一旦VT2被触发导通时 VT1就承受到 9 2整流电路 49 图9 13单相全波电阻负载可控整流 b 波形 9 2整流电路 50 由于单相全波可控整流输出电压在一个周期内输出两个波头 所以输出电压平均值为单相半波的两倍 输出电压有效值是单相半波的倍 功率因数为原来的倍 其计算公式如下 9 20 9 19 9 18 9 2整流电路 51 晶闸管电流有效值及可能承受到最大正反向电压分别为 电路要求的移相范围为0 与单相半波相同 而触发脉冲间隔为 不同于单相半波 9 2整流电路 52 9 2 2 2电感性负载在单相半波可控整流带大电感负载 如果不并接续流二极管 无论如何调节移向角 输出整流电压波形的正负面积仍几乎相等 负载直流平均电压均接近于零 单相全波可控整流带大电感负载情况就截然不同 如图9 14 a 可看出 当0 90 时 虽然波形也会出现负面积 但正面积总是大于负面积 当 0时 波形不出现负面积 为单相不可控全波整流输出电压波形 其平均值为0 9U2 显然 在这区间输出电压平均值与控制角 的关系为 9 2整流电路 53 图9 14单相全波大电感负载电路与波形 a 不接续流管 b 接续流管 9 2整流电路 54 输出电流为脉动很小的直流 其算式为 晶闸管的电流平均值 有效值以及管子可能承受到的最大电压分别为 9 2整流电路 55 在 90 时 晶闸管被触通 一直要持续到下半周接近于90 时才被关断 负载两端波形正负面积接近相等 平均值为零 其输出电流波形是一条幅度很小的脉动直流 在 90 时 出现的波形和单相半波大电感负载相似 无论如何调节 波形正负面积都相等 且波形断续 此时输出平均电压均为零 综上所述 显然单相全波可控整流电路感性负载不接续流管时 有效移相范围只能是0 2 为了扩大移相范围 不让波形出现负值以及使输出电流更平稳 可在电路负载两端并接续流二极管 如图9 14 b 电路所示 9 2整流电路 56 接续流管后 的移相范围可扩大到0 在这区间内变化 只要电感量足够大 输出电流就可保持连续且平稳 在电源电压过零变负时 续流管承受正向电压而导通 此时晶闸管因承受反向电压被关断 这样波形与电阻性负载相同 如图9 14 b 波形所示 电流是由晶闸管VT1 VT2及续流管VD三者相继轮流导通而形成的 晶闸管两端电压波形与电阻性相同 所以 单相全波大电感负载接续流管的电路各电量计算式如下 9 2整流电路 57 单相全波可控整流电路 具有输出电压脉动小 平均电压大以及整流变压器没有直流磁化等优点 但该电路一定要配备有中心抽头的整流变压器 且变压器二次侧抽头的上下绕组利用率仍然很低 最多只能工作半个周期 变压器设置容量仍未充分利用 其次晶闸管承受电压高 可达 元件价格昂贵 为克服以上缺点 可采用单相全控桥式电路 9 2整流电路 58 本章小结晶闸管的内部结构由PNPN四层半导体构成 有三个PN结 三个引出极 阳极A 阴极K和门极G 又称控制极 晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下 才能导通 晶闸管元件过电压 过电流能力较差 在使用时 应在额定参数范围内使用 选择额定电流时应考虑1 5 2倍的安全裕量 选择额定电压时应考虑2 3倍的安全裕量 单相半波整流电路和单相全波整流电路对不同负载时的工作原理分析情况不同 单相半波整流电路带电阻性负载时 单相全波整流电路带电阻性负载时 小结