电子技术6--可控整流电路(PPT 33)

电子技术主编李中发制作李中发2005年1月中国最大的资料库下载第6章可控整流电路了解晶闸管的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形了解单结晶体管及触发电路的工作原理学习要点中国最大的资料库下载6.1晶闸管6.2单相可控整流电路6.3单结晶体管触发电路6.4晶闸管的保护第6章可控整流电路中国最大的资料库下载6.1晶闸管由四层半导体P1、N1和P2、N2重叠构成，中间形成3个PN结J1、J2和J3。最外层的P1和N2分别引出阳极A和阴极K，中间的P2层引出控制极G。6.1.1晶闸管的结构阴极K控制极G阳极AJ3J2J1P1N1P2（a）N2AKG（b）N2P2N1P1GKA（c）J3J2J1中国最大的资料库下载晶闸管具有导通和截止（阻断）两种工作方式。当晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，由于PN结J1和J3处于反向偏置，无论控制极是否加电压，晶闸管均不会导通，相当于开关处于断开状态，称为反向阻断。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极不加电压时，由于PN结J2处于反向偏置，晶闸管也不会导通，也相当于开关处于断开状态，称为正向阻断。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极与阴极之间也加正向电压时，晶闸管可以导通，且导通后管子的压降很小，只有1V左右，相当于开关处于闭合状态。6.1.2晶闸管的工作原理中国最大的资料库下载GAKP1N1P2N1P2N2GGAKP1N1P2N2KAV2V1可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的集电极也连在一起。中国最大的资料库下载（1）控制极不加电压时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。GKAS+UG－+UA－RAIGβ1IGV2V1β1β2IG（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1，而IC1又是V2的基极电流IB2，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2。IC2又流入V1基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，所以晶闸管导通后的电流大小取决于外电路参数。中国最大的资料库下载若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加一反向电压。可见晶闸管相当于一个可控的单向导通开关，其导通必须同时具备两个条件：（1）在阳极和阴极之间加适当的正向电压UAK；（2）在控制极和阴极之间加适当的正向触发电压UGK，在实际工作中，UGK常采用正向触发脉冲信号。中国最大的资料库下载6.1.3晶闸管的伏安特性IA/mA0正向特性反向特性UAK/VUBOIG=0IG增大ABIHUBRUBRMCUFRM（1）正向特性。UAK0，IG=0时，晶闸管正向阻断，对应特性曲线的0A段。此时晶闸管阳极和阴极之间呈现很大的正向电阻，只有很小的正向漏电流。当UAK增加到正向转折电压UBO时，PN结J2被击穿，漏电流突然增大，从A点迅速经B点跳到C点，晶闸管转入导通状态。晶闸管正向导通以后工作在BC段，电流很大而管压降只有1V左右，此时的伏安特性和普通二极管的正向特性相似。晶闸管导通以后，如果减小阳极电流IA，则当IA小于维持电流IH时，突然由导通状态变为阻断，特性曲线由B点跳到A点。中国最大的资料库下载应该指出，晶闸管的这种导通是正向击穿现象，很容易造成晶闸管永久性损坏，实际工作中应避免这种现象发生。另外，外加电压超过正向转折电压时，不论控制极是否加正向电压，晶闸管均会导通，控制极失去控制作用，这种现象也是不希望出现的，这是因为在可控整流电路中，应该由控制极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关，所以，晶闸管的正常导通应在控制极施加正向触发电压。从图中可以发现，晶闸管的触发电流IG越大，就越容易导通，正向转折电压就越低。不同规格的晶闸管所需的触发电流是不同的，一般情况下，晶闸管的正向平均电流越大，所需的触发电流也越大。（2）反向特性。晶闸管承受反向电压，即时，晶闸管只有很小的反向漏电流，此段特性与二极管反向特性很相似，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流剧增，晶闸管反向击穿。中国最大的资料库下载6.1.4晶闸管的主要参数（1）额定正向平均电流IF。IF是指在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，在电阻性负载的电路中，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值。它也叫通态平均电流，简称正向电流。在选择晶闸管时，其通态平均电流IF应为安装处实际通过的最大平均电流的1.5～2倍。（2）维持电流IH。在规定环境温度下，控制极断开后，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH，当正向电流小于IH时，晶闸管自行关断。中国最大的资料库下载（3）正向重复峰值电压UFRM。在晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，用UFRM表示。通常规定UFRM为正向转折电压UBO的80％。（4）反向重复峰值电压URRM。在控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，用URRM表示。通常规定URRM为反向击穿电压UBR的80％。通常把UFRM和URRM中较小者作为晶闸管的额定电压。选用晶闸管时，额定电压应为正常工作时峰值电压的2～3倍，作为允许的过电压余量。中国最大的资料库下载6.2单相可控整流电路u2的正半周，触发脉冲ug到来时晶闸管导通，负载电压uo=u2。u2下降到接近于零时晶闸管关断。u2的负半周，晶闸管反向阻断。6.2.1单相可控半波整流电路+u2－+u1－VT+uo－RLio1、电阻性负载ωtu20π2π3π4πωt0π2π3π4πωt0ugωt1ωt2ωtuVT0π2π3π4παθuoiouoio中国最大的资料库下载输出电压的平均值：2cos145.0)cos1(22)d(sin221222oUUttUU输出电流的平均值：2cos145.0L2LooRURUI晶闸管承受的最高正向和反向电压：2RMFM2UUU中国最大的资料库下载2、电感性负载与续流二极管+u2－+u1－VT+uo－RLLiouo，ioαθωt0ωtuVT0uoiou2经过零值变负之后，只要eL大于u2，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通。只要电流大于维持电流，晶闸管就不会关断，负载上出现了负电压。当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能会关断。中国最大的资料库下载可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角θ将大于。负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，整流输出电压和电流的平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压u2过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。+u2－+u1－VT+uo－RLLioiDVD中国最大的资料库下载6.2.2单相半控桥式整流电路+u1－+uo－RLioVT1VT2VD1VD2+u2－abωt0uo，ioωtuVT10uoωtuVT20iou2的正半周VT1和VD2承受正向电压。这时如对晶闸管VT1引入触发信号，则VT1和VD2导通，电流通路为：a→VT1→RL→VD2→b这时VT2和VD1都因承受反向电压而截止。中国最大的资料库下载u2的负半周VT2和VD1承受正向电压。这时如对晶闸管VT2引入触发信号，则VT2和VD1导通，电流通路为：b→VT2→RL→VD1→a这时VT1和VD2截止。+u1－+uo－RLioVT1VT2VD1VD2+u2－abωt0uo，ioωtuVT10uoωtuVT20io中国最大的资料库下载输出电压的平均值：2cos19.02oUU输出电流的平均为：2cos19.0L2LooRURUI晶闸管和二极管承受的最高正向和反向电压：2DRMRMFM2UUUU中国最大的资料库下载例6.1有一纯电阻负载，需要电压180~0oUV、电流6~0oIA的可调直流电源。现采用如图6.10（a）所示的单相半控桥式整流电路，设晶闸管导通角180（控制角0）时，180oUV，6oIA。试求：（1）交流电压u2的有效值；（2）各整流元件承受的最大电压和流过各整流元件的电流平均值；（3）整流电路输出电压120oUV时的输出电流Io和晶闸管的导通角θ。解（1）交流电压u2的有效值为：2009.01800.9o2UU（V）实际上还要考虑电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了180°（一般只有160°～170°左右）等因素，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大10％左右，即大约为220V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。（2）晶闸管所承受的最高正向电压UFM、最高反向电压URM和二极管所承受的最高反向电压UDRM都等于：31022041.122DRMRMFMUUUU（V）流过晶闸管和二极管电流的平均值为：362121oDTIII中国最大的资料库下载为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管所承受的正向和反向重复峰值电压UFRM和URRM：UFRM≥930~620310)3~2()3~2(FMU（V）UFRM≥930~620310)3~2()3~2(FMU（V）（3）负载电阻为：306180ooLIUR（Ω）所以，当输出电压120oUV时的输出电流Io为：430120LooRUI（A）此时晶闸管的控制角为：75.7712209.01202arccos19.02arccos2oUU晶闸管的导通角为：25.10275.77180180中国最大的资料库下载6.3单结晶体管触发电路对触发电路的要求：（1）触发时能提供足够的触发脉冲电压和电流。一般要在触发电路接到晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为4～10V。（2）晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不超过0.25V，以免发生误导通。（3）触发脉冲的前沿要陡，以保证触发时间准确，一般要求前沿时间小于10μs。（4）触发脉冲要有足够的宽度。对于电阻性负载电路，一般要求脉冲宽度大于20μs。（5）由触发脉冲所产生的控制角α要能平稳移动并有足够宽的移动范围。对于单相可控整流电路，控制角的范围要求接近或大于150°。（6）触发电路必须与主电路同步，否则输出电压的波形为非周期性，造成输出电压平均值不稳定。中国最大的资料库下载6.3.1单结晶体管的结构和工作原理1、单结晶体管的结构PN结EB2B1N型硅片P区欧姆接触电阻