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1、第第6章章 可控整流电路可控整流电路第第6章章 可控整流电路可控整流电路6.1 晶闸管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。阴极 K控制极 G阳极 AJ3J2J1P1N1P2N2AKGN2P2N1P1GKAJ3J2J1晶闸管具有导通和截止（阻断）两种工作方式。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，由于当晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，由于PN结结J1和和J3处于反向偏置，无论控制极是否加电处于反向偏置，无论控制极是否加电压，晶闸管均不
2、会导通，相当于开关处于断开状压，晶闸管均不会导通，相当于开关处于断开状态，称为态，称为。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极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，由于不加电压时，由于PN结结J2处于反向偏置，晶闸管处于反向偏置，晶闸管也不会导通，也相当于开关处于断开状态，称为也不会导通，也相当于开关处于断开状态，称为。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极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，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，只有且导通后管子的压降很小，只有1V左右，相当于左右，相当于开关处
3、于开关处于状态。状态。GAKP1N1P2N1P2N2GGAKP1N1P2N2KAV2V1可把晶闸管等效地看成由一个可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管型三极管V1和一个和一个PNP型型三极管三极管V2组合而成。阳极组合而成。阳极A是是V2的发射极，阴极的发射极，阴极K是是V1的发的发射极，射极，V1的基极与的基极与V2的集电极相连成为控制极的集电极相连成为控制极G，而而V2的基的基极与极与V1的集电极也连在一起。的集电极也连在一起。（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。GK
4、AS+UG+UARAIG1IGV2V112IG（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。若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V
5、2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
6、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。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
7、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。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，。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。
8、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。（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1.52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。（3）正向
9、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23倍，作为允许的过电压余量。6.2 单相可控整流电路单相可控整流电路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。+u2
10、+u1VT+uoRLiotu20234t0234t0ugt1t2tuVT0234uoiouoio输出电压的平均值：2cos145.0)cos1(22)d(sin221222oUUttUU输出电流的平均值：2cos145.0L2LooRURUI晶闸管承受的最高正向和反向电压：2RMFM2UUU+u2+u1VT+uoRLLiouo，iot0tuVT0uoiou2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。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
11、角将大于。负载电感愈大，导通角愈大，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+u1VT+uoRLLioiDVD+u1+uoRLioVT1VT2VD1VD2+u2abt0uo，iotuVT10
12、uotuVT20iou2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：aVT1RLVD2b这时VT2和VD1都因承受反向电压而截止。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：bVT2RLVD1a这时VT1和VD2截止。+u1+uoRLioVT1VT2VD1VD2+u2abt0uo，iotuVT10uotuVT20io输出电压的平均值：2cos19.02oUU输出电流的平均为：2cos19.0L2LooRURUI晶闸管和二极管承受的最高正向和反向电压：2DRMRMFM2UU
13、UU例例 6 6.1 1 有一纯电阻负载，需要电压1800oUV、电流60oIA 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，180oUV，6oIA。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120oUV时的输出电流 Io和晶闸管的导通角。解解 （1）交流电压 u2的有效值为：2009.01800.9o2UU（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160170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
14、右，即大约为 220 V。因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到 220 V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：31022041.122DRMRMFMUUUU（V）流过晶闸管和二极管电流的平均值为：362121oDTIII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：UFRM930620310)32()32(FMU（V）UFRM930620310)32()32(FMU（V）（3）负载电阻为：306180ooLIUR（）所以，当输出电压
15、120oUV时的输出电流 Io为：430120LooRUI（A）此时晶闸管的控制角为：75.7712209.01202arccos19.02arccos2oUU晶闸管的导通角为：25.10275.771801806.3 单结晶体管触发电路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410V。（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10s。（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
16、大于20s。（5）由触发脉冲所产生的控制角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。PN 结EB2B1N 型硅片P 区欧姆接触电阻B2B1EARB2RB1+UE+UA+UBBB2B1E在基极B1和B2之间的电阻（包括硅片本身的电阻和基极与硅片之间的接触电阻）为RBB，一般约在215k之间。设RB1和RB2分别为两个基极与PN结之间的电阻，则RBB=RB1+RB2。ARB2RB1+UE+UA+UBBB2B1E截止区负阻区饱和区0PVIVIEUEUVUPIPREIEBBBBB2B1B1AUURRRU峰点P与谷点V是单结晶体管工作状态的转折点，当UEUP（UP=UA+UD）时，单结晶体管导通，RB1急剧减小，UE也随之下降；当UEUV时，单结晶体管截止。R2R1+ugB2B1EUGRCuC tUPUV0ug t0+uC 接通电源后，电源UG通过R向C充电，电压UE按指数规律增大。UEUP时，单结晶体管截止。当UE UP时，单结管开始导通，RB1急剧减小，C向
