电力半导体器件及其应用

一、基本要求

1. 了解晶闸管的基本构造、工作原理、特性曲线和主要参数； 2. 掌握单相可控整流电路的可控原理，能够计算在电阻性负载和电感性负载时的输出电压、输出电流以及各元件所通过的平均电流和承受的最大正、反向电压；

3. 了解单结晶体管及其触发电路的作用原理； 4. 了解晶闸管的保护措施；

二、阅读指导

1. 晶闸管

晶体闸流管是应用最为广泛的电力半导体器件。阳极加正向电压和控制极加正触发脉冲信号，这是晶闸管导通的必要条件，阳极电流应大于维持电流是晶闸管导通的充分条件。导通之后，控制极就失去控制作用。在晶闸管导通时，若减小阳极电压或阳极电流小于维持电流，晶闸管自动关断。读者在学习过程中必需了解晶闸管的导通和关断的条件。此外，还要了解正向转折电压UBO、反向击穿电压UBR（或称为反向转折电压）、正向重复峰值电压UFRM及反向重复峰值电压URRM的意义，并了解晶闸管的型号。

2. 可控整流电路

学习可控整流电路时，读者最好对照第4章中由二极管所组成的不可控整流电路来分析比较电路结构、电压和电流的波形、整流电压平均值和交流电压有效值之间的大小关系以及元件所承受最高反向电压等问题。特别应该注意，在可控整流电路中，晶闸管在交流电压的正半周并不一定全导通，因此晶闸管和二极管不一样，还有承受最高正向电压的问题。

难点是可控整流电路接电感性负载的情况，以及续流二极管的作用。为什么整流电压会出现负值？为什么接了续流二极管（注意其正、负极，不能接反）后，晶闸管在电源电压u2过零时能及时关断？读者应认真阅读教材并仔细思考。

单相桥式半控整流是一种较常用的电路，和二极管桥式整流电路类似，分析其工作原理时，也要分别找出在交流电压的正半周负半周时电流的通路，哪个管导通，哪个截止。

3. 单结晶体管触发电路

对单结晶体管，必须了解单结晶体管的发射极E与第一基极B1之间导通和恢复截止的条件。当发射极E和第一基极B1之间加的电压UE等于峰点电压UP时，单结晶体管导通。导通后，发射极电压UE降低，当UE低于谷点电压UV时，单结晶体管的E、B1间恢复截止。

教材图8-13是典型的晶闸管可控整流电路，其中采用单结晶体管触发电路，主电路是单相桥式半控整流电路。对这个电路，读者要了解三个作用，即稳压管的削波作用，变压器的同步作用和电位器RP的移相作用。要看懂教材图8-14所示的四个波形。

4. 晶闸管的保护

要了解晶闸管可控整流电路中，应用最为广泛快速熔断器的过电流保护和阻容吸收的过

电压保护的保护措施。

*5. 全控型电力半导体器件及变流电路简介 可关断晶闸管（GTO），电力晶体管（GTR）、电力MOS场效应晶体管（P-MOSSFET）、MOS控制晶闸管（MCT）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）等全控型电力半导体器件；无源逆变电路、交流调压电路、直流调压电路等变流电路， 为加深加宽内容。读者可通过自学，了解全控型电力电子器件的基本构造、工作原理及其特点，了解无源逆变电路、交流调压电路、直流调压电路（斩波器）的工作原理。

三、例题解析

例1 有一电阻性负载，它需要可调的直流电压UO = 0~60V，电流IO = 0~10A。现采用半控桥式整流电路，试计算变压器副边的电压，并选用整流元件。

解：（1）求变压器副边电压

设 θ=1800（即α=0）时，UO = 60V，IO = 10A

1cos0.9U2 2U6066.7V 故 U2O0.90.9由 UO0.9U2（2）选整流元件

晶闸管所承受的最高正向电压、最高反向电压和二极管所承受的最高反向电压都等于

UFMURMUDRM2U2266.794V

流过晶闸管和二极管的平均电流

ITID11IO105A 22根据下式选取晶闸管的UFRM和URRM

UFRM(2~3)UFM(2~3)94(188~282)VURRM(2~3)URM(2~3)94(188~282)V

根据上面计算，晶闸管可选10A、200V；二极管可选10A、100V的。因为二

极管的反向工作峰值电压一般是取反向击穿电压的一半，已有较大的余量，所以选100V已足够。

例2 在上题中，如果不用变压器，而将整流电路的输出端直接接在220V的交流电源上，试计算输入电流的有效值，并选用整流元件。

解：（1）求输入电流的有效值 先求控制角α UO0.9U21cos 21cos600.9220

2cos60210.394 0.9220113.20于是得出输入电流的有效值

I1U2RL(2U2sint)2d(t)RL1sin22

U21IOsin2U0222011.9710sin(2113.20)60218.5A（2）选整流元件

UFMURMUDRM2U22220310V

11ITIDIO105A

22故选用10A、600V的晶闸管，10A、300V的二极管。

四、习题选解

8-1 答：（1）晶闸管的控制极仅控制晶闸管的导通，导通之后，控制极就失去控制作用，

其阳极电流与控制极无关。而晶体管在放大区工作时，基极电流控制集电极电流，即IC =β IB。

（2）晶闸管导通的条件是在阳极和阴极之间加正向电压，同时控制极和阴极之间加适当的正向电压（正触发脉冲信号）。导通之后，其中电流的大小由交流电源电压U2、控制角α及负载电阻RL决定。晶闸管阻断时，承受的电压的大小取决于当时的交流电源电压。

（3）晶闸管导通后，控制极就失去控制，这种特性可以用教材图8-3来解释。因为晶闸管具有三个PN结，所以可以把晶闸管看成由一只NPN三极管与一只PNP三极管组成，在T1管的基极G（即晶闸管的控制极）加上正向电压，使T1与T2之间产生强烈的正反馈，使两只三极管迅速饱和导通。此时，由于T1基极上已经有正反馈电流，所以即使取掉T1基极G上的正向电压，T1与T2仍能继续保持饱和导通状态。当阳极上加反向电压或将阳极电流减小于维持电流IH时，晶闸管才能从导通转为截止。

UFMURM8-2 答：2U22300424.3V400V不可以选用400V的晶闸管。

8-3 答：在教材图8-6电感性负载可控整流电路中，晶闸管触发导通时, 电感元件中存贮了

磁场能量, 当u2过零变负时，电感中产生感应电势eL，若eL> u2使晶闸管在负半周继续导通，这样负载上就会出现负电压。而接入续流二极管后，当交流电压u 2过零值变负时，感应电动势eL产生的电流可以通过续流二极管形成回路。这时续流二极管两端的电压近似为零，使载上就不会出现负电压了。

8-4 答：在题8-4电路中，当不接负载电阻RL时，由于电压表的内阻很大（几百千欧），电路中电流小于维持电流晶闸管不能导通。由晶闸管的漏电流在电压表上有很小的压降，所以电压表读数总是小的。而接上正常负载RL以后，电路中电流大于维持电流使晶闸管导通，所以电压表上读数增大了。

8-5 答：题8-5图选用的KP100—3型的晶闸管为300V、100A。以控制角α= 0计算图示电路：

图（a）UO45V、IO1000A100A，不合理；

图（b）UO99V、IO9.9A、UFMURM310V300V，不合理； 图（c）UO36V、IO45A100A、UFMURM113V300V，合理； 8-6 答：由教材图8-10（b）单结晶体管的伏安特性可知，单结晶体管的发射极电位UE

等于峰点电压UP时，单结晶体管导通。导通后，发射极电位UE降低，当UE低于谷点电压UV时，单结晶体管恢复截止。

8-7答：（1）设UBB = 20V，UD = 0.7V，单结晶体管的分压比η = 0.6，则

UEUPUBBUD0.6200.712.7V

就是说，电压UE升高到12.7V，管子就了导通。如果UBB = 15V，UE只要升高到9.7V，管子导通就可导通。

（2）触发电路要与主电路同步，也就是要求触发信号和晶闸管的阳极电压不仅频率相同，而且还应有固定的相位关系，使每一个周期都能在同样的相位上触发晶闸管，本书是利用同步变压器实现的。通过变压器将触发电路与主电路接在同一电源上，所以每当主电路的交流电压过零时，单结晶体管上的电压uZ也过零，故称二者同步。

（3）在单结晶体管的触发电路中，通过改变电位器RP实现触发脉冲的移相。 （4）稳压管的作用是将整流电压uO变成梯形波（削去顶上一块，所谓削波），其目的是稳定在一个电压值UZ，使单结晶体管输出的脉冲幅度和每半周期产生第一个脉冲的时间不受交流电源电压的波动的影响。

（5）在单结晶体管导通后，电流IE不能降到谷点电流之下，管子不能截止，一直导通，称单结晶体管“直通”。造成管子“直通”原因是，RP的值太小，电流IE大于谷点电流IV。

2. 计算和仿真题

8-8 某一电阻性负载，需要直流电压60V，电流30A。今采用单相半波可控整流电路，直接由220V电网供电。试计算晶闸管的导通角、电流的有效值，并选用晶闸管。

解：（1）求导通角：

1cos 21cos600.45220

2602得 cos10.212

0.4522077.760 0000导通角为 18018077.76102.2

由 UO0.45U2（2）求电流有效值

I12(2U2Usint)2d(t)2RLRL1sin242U2122011.36 IOsin230sin(277.760)U042604262A（3）选晶闸管

晶闸管承受的最高正向电压和最高反向电压为

UFMURM2U22220310V

根据下式选取晶闸管的UFRM和URRM

UFRM(2~3)UFM(2~3)310(620~930)VURRM(2~3)URM(2~3)220(620~930)VITIO30A

晶闸管可选用KP 50—6。

8-9 答：UO148.5V；IO14.5A；I19.3A；晶闸管可选30A、600V；二极管可选30A、300V。

8-10 答：0时，UO90V、IO5A;

300时，UO84V、IO4.67A;0120时，UO22.5V、IO1.25A。

8-11 答：图示的是两级触发电路。首先由单结晶体管触发电路去触发5A的小晶闸管，再由小晶闸管去触发100A的大晶闸管，。大晶闸管导通后，其正向压降很低，仅1V左右，使流过小晶闸管的电流小于维持电流，小晶闸管即自行关断。由单结晶体管触发电路的触发功率较小，而中间通过小晶闸管后，使大晶闸管获得较大的触发功率。

单结晶体管触发电路仍起移相、同步等作用。图中的二极管是防止小晶闸管的控制极与阴极之间反向击穿用的。

8-13 答：图（a）负载RL接在交流侧，电路为交流调压电路。改变晶闸管的控制角α，调节电压uO的波形。图（b）负载RL接在直流侧，电路为一种单相桥式半控整流电路，改变晶闸管的控制角α，调节电压uO的波形。负载RL两端的电压波形如题8-13图所示。

uo o α θ 图（a）波形 ωt uo o α θ 图（b）波形 ωt 题8-13图