晶闸管变流技术.ppt

第五章 晶闸管变流技术 晶闸管原名可控硅，是硅晶体闸流管的简称，它是一种功率半导体器件，由于具有体积小、重量轻、耐高压、容量大、效率高、控制特性好、寿命长，使用维护简单等一系列优点，自六十年代以来，获得迅猛发展，已形成独立的学科。晶闸管的出现，使电子进入强电领域，是强电与弱电的桥梁。从节能的观点出发，电力电子技术被誉为八十年代的新电气技术，它能在节能方面起着重要作用。 晶闸管应用技术主要是进行电力变换与控制，按其变换功能主要应用在可控整流、交流调压与调功，逆变与变频、斩波调压，无触点功率静态开关等方面。本章我们只介绍晶闸管在可控整流方面的应用 第一节 晶闸管 一、晶闸管的结构与工作原理 （一）、结构： 图a为螺旋式晶闸管的外形图，图b是晶闸管的代表符号，它有三个电极，螺旋那一端是阳极a的引出端，并利用它与散热器固定；另一较粗的引线为阴极k，较细的引线则为控制极g。容量更大的晶闸管一般采用平板式，可带风冷或水冷散热器，容量较小的晶闸管与大功率二极管外形相似，只是多了一个控制极。 晶闸管的内部结构如图所示，它由PNPN四层半导体构成，中间形成三个PN结：J1、J2、J3。从下面的P1层引出阳极，从上层引出阴极，由中间的P2层引出控制极。 （二）、可控单向导电性： 先给阳极接反向电压，即Ua=-Ea，此时无论控制极是否加电压（正负电压），灯泡都不亮。 给阳极接正向电压，即Ua=Ea，此时，控制极不加电压和加反向电压时，灯泡不亮，加正向电压时灯泡亮。 当晶闸管导通后，即灯泡亮后，控制极电压取消或加反向电压，灯泡仍然亮着。 晶闸管导通，取消控制极电压，然后逐渐减少Ea，灯泡不亮，即晶闸管关断。 晶闸管就如二极管一样，具有单向导电特性，电流只能从阳极流向阴极，当元件加以反向电压，只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极，晶闸管处于反向阻断状态。 晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特性。当元件加上正向电压时，元件还不能导通，呈正向阻断状态，这是二极管所不具有的。 要使晶闸管导通，除了阳极加正向电压外，还必须同时在控制极与阴极之间加以一定的正向电压Ug，有足够的控制极电流Ig流入。控制极对元件能否导通起控制作用，这就是晶闸管的可控单向导电性。 当晶闸管加上正向阳极电压后，控制极加上适当的正向电压，使之导通的过程叫触发。一但触发导通后，控制极就失去了对晶闸管的控制作用，因此，通常在控制极只要加一个正向脉冲电压即可，称为触发脉冲。控制极在一定条件下，可触发导通晶闸管，但无法使其关断。 要使已导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源电压Ea或增大负载电阻，使流过晶闸管的阳极电流Ia减小，当电流Ia减小到一定值时（约几十毫安），电流会突然降至零，之后再调高电压或减小负载电阻，电流不会再增大，故说明晶闸管已经恢复阻断。当控制极断开时，维持晶闸管导通所需的最小阳极电流叫维持电流IH。因此，只要晶闸管的阳极电流小于维持电流IH ，元件就关断。 （三）、晶闸管的工作原理 现在从晶闸管的内部结构来进行分析，说明其具有上述可控单向导通特性的原因。把晶闸管内部结构看成是由PNP（T1）和NPN（T2）两个三极管组合而成，用图所示的电路模型来表示。当阳―阴极间加正向电压VAK（EA），同时控制栅极―阴极间加正向电压VGK（EG）时，就产生控制极电流IG（即IB2），经T2放大后，形成集电极电流IC2=β2* IB2 ，这个电流又是T1的基极电流，即， IB1 = IC2同样经T1放大，产生集电极电流IC1 = β1 *β2* IB2 ，此电流又作为T2的基极电流再行放大，如此循环往复，形成正反馈过程，从而使晶闸管完全导通（电流的大小由外加电源电压和负载电阻决定）。 这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为触发导通过程。导通后即使去掉EG ，晶闸管依靠自身的正反馈作用仍然可以维持导通。并成为不可控。因此， EG只起触发导通的作用，一经触发后， EG不管存在与否，晶闸管仍将导通。 导通时，晶闸管的正向压降一般约为0.6～1.2V。值得注意的是，如果因外电路负载电阻增加或电源电压EA减小使阳极电流降低到小于某一数值IH时，则使T1和T2管脱离饱和状态，即T1和T2管的集电极―发射极压降增高，使阳极电流进一步减小，形成正反馈。最终使T1和T2管截止，即晶闸管呈阻断状态。因此称IH为最小维持电流。若已导通的晶闸管的外加电压降到零或切断电源，则阳极电流降到零，晶闸管即自行阻断。 二、晶闸管的伏安特性 晶闸管的基本特性常用伏安特性、即阳极―阴极间电压和阳极电流的关系曲线来表示。 1、正向特性 晶闸管阳―阴极间加上正向电压，控制极不加电压，J1、J3结处于正向偏置，J2结处于反向偏置，所以晶闸管只流过很小的正