第九章功率电子电路

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第九章功率电子电路

•第一节晶闸管•第二节单相可控整流电路 •第三节晶闸管逆变电路•第四节直流斩波器的工作原理•第五节交流调压电路


晶闸管又称可控硅（ SCR) （ Silicon

Controlled Rectifier ）是一种大功率半导体器件，它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。

晶闸管具有体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）等特点。

9.1 晶闸管

返回


螺旋式结构

平板式结构


9.1.1 基本构造

P1

P2

N1

N2

四

层

半

导

体

K （阴极）

G （控制极）

A （阳极）三个

PN

结

符号A

K

G


1. 晶闸管工作原理的实验9.1.2 工作原理

阳极、阴极间加正向电压，控制极 ( 门极 ) 不加电压。


阳极、阴极间加正向电压，门极加正向电压。


阳极、阴极间加反向电压，控制极 ( 门极 ) 加电压。


晶闸管不导通

无论控制极 G 与阴极 K 之间是否加有电压，晶闸管均不能导通。

2. 晶闸管工作原理的解释

P1

P2

N1

N2

N1

P2

A

G

K

• 控制极 G 和阴极 K 之间不加正向电压

阳极 A 和阴极 K 加反向电压

反偏

反偏

阳极 A 和阴极 K 加正向电压

正偏

正偏

反偏• 控制极 G 和阴极 K 之间加正向电压正向电压足够大时，三个 PN 结都正偏，晶闸管导通。K

A

G

VT1

VT2


K

A

G

VT1

VT2

RL

UG

UA

IG

β2IG

β2IGβ1 正反馈

两个晶体管进入饱和导通状态。晶闸管导通后， UAK≈0.6 ～ 1.2V

C2 2 GI I

C1 1 2 B2

1 2 G

I I

I

此时即使去掉控制极与阴极之间的电压，由于本身的正反馈作用晶闸管仍能维持导通。

控制极电压 UG 的作用仅仅是触发晶闸管的导通


(1) 晶闸管的导通条件：①阳极和阴极间加正向电压。②控制极和阴极间加正向触发电压。③阳极电流不小于维持电流。

①阳极和阴极之间加反向电压，或电压为零。②减小 UAK 或加大主回路电阻，使晶闸管阳极电流

小于维持电流。

(2) 晶闸管的阻断 ( 截止 ) 条件：

3. 晶闸管工作原理的小结

(3) 属于半控型的具有单向导电性的电子器件。半控：控制极的触发信号只能控制其导通，不能控制其关断。


UAK

IA

IH

IN

IG=0

UBO

导通

URO

9.1.3 伏安特性

△U

IG1IG2

IG 增加

导通电压1V 左右正向折

转电压

反向击穿电压

O


9.1.4 主要参数通态平均电流 IF ：允许通过晶闸管阳极

的工频频率正弦波半波电流的平均值。

维持电流 IH ：在控制极开路的情况下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。正向电流小于 IH 时，管子自动阻断。

触发电压 UG 和触发电流 IG ：晶闸管从阻断到完全导通所需要的最小的控制极直流电压和电流。


正向断态重复峰值电压 UFRM ：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般情况下 UFRM ＝ UBQ×80% 。

反向重复峰值电压 URRM ：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般情况下 URRM ＝ UBQ×80% 。

额定电压 UD ：取 UFRM 和 URRM 中较小的一个数值标为器件的额定电压。


9.1.5 晶闸管触发电路晶闸管由阻断变为导通的条件：在阳极和阴极间加上正向电压在控制极和阴极间加上正向触发信号

触发信号的要求：触发脉冲要有足够的功率触发脉冲要有一定的宽度触发脉冲必须与主电路同步触发脉冲要有一定的相移范围


1. 单结晶体管的结构和特性

b2

（第二基极）

b1

（第一基极）

NP

PN 结

e ( 发射极 )

e

b2

b1

结构符号


ie

ue

UV

UP

IVIPO

单结晶体管的伏安特性

eb2

b1

ue Ubbie

b2 接正、 b1 接负 e 与 b1 间呈高阻态

当 ue>ηUbb 时 e 与 b1 间呈低阻态


UV 、 IV -- 谷点电压、电流

维持单结管导通的最小电压、电流。

UP 、 IP -- 峰点电压、电流

单结管由截止变导通所需发射极电压。

uE<UV 时单结管截止

uE>UP 时单结管导通


2. 单结晶体管的弛张振荡电路

t

uR1

UV

UP

R

R1

C

E

uCuR1

e

b1

b2

uC

tO

O

(1) 触发脉冲的产生(2) 触发脉冲的移相


u2 uZ

uC

R2

R Rfx

R1

RW

uW

C

u1

3. 同步振荡电路

整流削波弛张振荡电路

触发脉冲

变压器的同步作用：保证主电路和触发电路的电源电压同时过零（即两者同步），使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同（即角一样），以使输出平均电压不变。


u2

uZ

UZ

uW

uR1

T

O

O

O

t

t

t

uC

改变电容 C的充放电速度 , 可以改变触发脉冲周期 T 。

稳压管的作用：将整流后的电压变成梯

形波（即削波），使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。


1 、过流保护措施快速熔断器：电路中加快速熔断器。

过流继电器：在输出端装直流过电流继电器。过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的

导通角或停止触发，从而切断过流电路。

接在输出端接

在输入端和晶闸

管串联

~

9.1.6 晶闸管的使用注意事项


阻容吸收 :

硒整流堆 :

2 、过压保护利用电容吸收过压。即将过电压的能量

变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。

硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。

硒

堆~

RC

R

RCC


通用系列为：

1 、 5 、 10 、 20 、 30 、 50 、 100 、 200 、 300 、 400

500 、 600 、 800 、 1000A 等 14 种规格。

加散热片自然冷却

加散热片强迫风冷

加散热片强迫油冷

3 、严格遵守晶闸管规定的工作条件

4 、符合规定的冷却条件如：空气温度、湿度、周围环境等。


9.2 单相可控整流电路9.2.1. 单相半波可控整流电路

(1) 电路及工作原理 uG＋－

u1 u2

uT uO

A G

K

RL

＋

－

＋

－

＋

－

＋－

iO


(2) 工作波形 (设 u1 为正弦波 )

t

u2

t

uG

t

uO

tuT

：控制角：导通角

u2 > 0 时，加上触发电压 uG ，晶闸管导通。且 uL 的大小随 uG

加入的早晚而变化； u2 < 0 时，晶闸管不通，uL = 0 。故称可控整流。

uG＋－

u1 u2

uT uO

A G

KRL

＋

－

＋

－

＋

－

＋－

iO


(3) 输出电压及电流的平均值

tduU O O21

ttdU sin221

2

L

OO R

UI 2

cos145.0 2

U

t

uO

2


2. 电感性负载

D

+

–

G

A

uOu1

u2

R

K

L

＋

－

＋

－

＋

－

电流流经

晶闸管

电流流经

续流二极管

t

uO iO电阻性负载时

（对照用） 3

工作原理：

由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，使负载两端电压波形出现负值。

解决办法：加续流二极管 D后 , 消除了反电动势的影响，使晶闸管在 u2 过零时关断。

u2 正半周时晶闸管导通， u2 过零后，电感产生反电动势。

电感性负载时(加续流二极管后）

t

uO iO


9.2.2 电阻性负载桥式可控整流电路

VT1 VT3

VT2 VT4

RL

uo

u

1. 电路分析u 正半周 ( ０～π)

a(＋ ) b(－ )

电流方向 L1 4a bVT VTR

负半周 (π ～２ π)

a(－ ) b(＋ )

L3 2b aVT VTR

ab 触发脉冲 uG引入控制极

VT1 导通、 VT4 导通

uo ＝ u

VT3 导通、 VT2 导通

+ －

uo ＝－ u

+－


2. 工作波形

ωt

u

ωt

uG

ωt

uo

ωt uVT1

O

O

O

O

π 2π 3π


3. 参数计算

π

o α

1= 2 sin d( )

πU U t t

1 cos0.9

2U

整流输出电压平均值

输出电流平均值

oo

L L

1 cos 0.9

2

UUIR R

＝

2U二极管和晶闸管承受的最高反相电压为


＋

－

＋

－

T1 T2

D1 D2

uLRLu3

触发电路

主电路

u1

＋

－

R2

R1

a

RP

C uc

u2

R

b

c

d eDZ ＋

－

＋

－

RP 电容充电速度变慢

uL

电压的调节 :


一、填空题 1 、只有当确定之后，电路中某点才有确定的电位。2 、电路中电流的实际方向，由结合方向的代数量 I 的正负来表示。3 、三相对称负载是指三个负载的相同。4 、在 RC 电路的零输入响应中，电容的放电电压按下降。5 、在 RLC 串联电路中，当整个电路的总电压和总电流同相时，这种状态称为。6 、图示正弦交流电路中， V1 表读数为 3V ， V2 表读数为 4V 。则 V 表读数为伏。7 、晶体三极管是控制元件。处理模拟信号时，三极管工作在状态，处理数字信号时，三极

管工作在状态。8 、在放大电路中，测得某三极管的三个管脚对地的电位分别是－ 9V 、－ 6V 、－ 6.2V ，则该管的

类型是。9 、将逻辑函数 F （ ABC ）＝ AB ＋ BC 写为最小项之和的标准与或式为。10 、在时钟脉冲 CP 作用下，双稳态触发器能够连续（翻转）计数，对于 D 触发器应； J － K 触发器应。二、判断题 1 、电路中的负载增加是指流过负载中的电流增加。（）2 、在三相负载的三角形联接中，线电流是相电流的倍。（）3 、为保证用电安全，在三相四线制供电系统中，应在中线上安装保险丝。（）4 、若干元件串联的正弦交流电路的各端电压为 U1 、 U2¨¨UN ，则总电压 U ＝ U1 ＋ U2 ＋ ¨¨ ＋ UN 。（

）5 、若电路中的电流 i ＝ Imsin(ωt ＋ 30°)A, 电压 u ＝ Umsin(ωt ＋ 60°)V, 则该电路呈感性。（）6 、三极管具有电流放大作用，因此，在基极输入一个小电流，集电极就会产生一个大电流。（）7 、译码器、编码器均具有记忆功能。（）

R

C

V1

VV2

6 题图

典型题型介绍

3


8 、图示电路为一个 12 进制计数器。（）9 、共集电极放大电路没有放大作用。（）10 、所有的门电路都只有“ 0” 、“ 1” 两个状态。（）三、名词解释1 、关联方向2 、相序3 、对称电源4 、静态工作点5 、零点漂移四、单项选择题1. 通常所说的电路负载小是指 A 、负载电阻小 B 、负载电阻大 C 、负载电流大 D 、负载功率大2. 基尔霍夫定律是 A 、关于电路结构约束的定律 B 、关于元件伏安关系的定律 C 、关于电路电磁关系的定律 D 、关于元件能量转换的定律3. 图示正弦交流电路中， V1 表读数为 3V ， V2 表读数为 4V 。则 V 表读数为 A 、 1V B 、 5V C 、 7V D 、 12V4. 对称三相电源线电压为 380 伏，接在三角形联结的对称负载上，每相阻抗。则线电流为 A 、 A B 、 A C 、 A D 、 A

74LS90Q4 Q3 Q2 Q1

CP1

CP0R0A R0B

CP

8 题图

S9A S9B

R

C

V1

VV2

3 题图

ABU 0 68 jZ

AI

0338 9.36338

9.66338 9.6338


5. 已知交流信号源电压为 16V ，内阻为 800Ω。通过一个变压器带一阻抗为 8Ω的负载，当负载获得最大功率时，变压器变比为

A 、 8 B 、 10 C 、 25 D 、 1006. 用欧姆表测量二极管的电阻时应当是 A 、正向电阻大，反向电阻大 B 、正向电阻小，反向电阻小 C 、正向电阻大，反向电阻小 D 、正向电阻小，反向电阻大7. 在由 NPN管组成的共射放大电路中，当输入信号为正常正弦波时，用示波器观察其输出波形 uO

时，却出现了负向平顶失真。其原因为 A 、三极管不放大 B 、输入信号过大 C 、静点设置偏低 D 、静点设置偏高8. 某多级放大电路，要求输入电阻低，输出电流稳定时，应选用的反馈类型为 A 、电流并联负反馈 B 、电流串联负反馈 C 、电压串联负反馈 D 、电压并联负反馈9. 图示电路中，三极管工作在状态。 A．放大 B．饱和 C．截止 D．不能确定10. 图示电路中，集成运算放大器的 UOM ＝ ±12V ，稳压管的 UZ ＝ 3V ， UD ＝ 0.7V ，运算放大器的电压传输特性为。

+12V

2KΩ30KΩ

3VΒ ＝ 50

9 题图

++

uiuO

10KΩ R∞

20KΩ

VS

2V

9.1KΩ

－

10 题图


五、电路的分析与计算 1. 用支路电流法求解 I3

2. 用叠加原理求 I2

3. 用戴维宁定理求图示中的电流 I 。

R2=3Ω

R3=6Ω＋

－

US1

12V24V I3

＋

－

US2

R1=3Ω

1A

10Ω

2Ω＋

－4V R2

2ΩIS

US

I2

I1 R1 R3

6Ω＋

－

6A

2Ω3Ω

12V

I

12Ω


4. 图示正弦交流电路中，已知 I1=I2=5A ， U=50V ，且端口UI 同相，通过画相量图求 I 、 R 、 XC 、 XL 。

5. 已知，， R1=R2=30Ω,XL=XC=30 Ω。求、、及。

6. 图示单管放大电路中，已知，。 1 ）求静态工作点。 2 ）计算电压放大倍数。 3 ）求输入、输出电阻。

7. 电路如图。已知 RF=50K ， R1=10K ， R2=20K ， R3=40K

1 ）指出电路中的反馈类型。 2 ）当，时，求为多少？

CR

U

I

1I

2I

L

a

XC

U

I

1I

2I

XL

R1

R2

b

120 0U V 3 1I 2I I abU

40○

ui

uO

3K+UCC=12V

1.5K

RB

RC

RL

200K

mVui 101 mVui 52 ou

∞－

+u i1

R1

u i2

R2

R3

RF

u o


8. 电路如图。 1 ）列逻辑表达式，并化简。 2 ）列真值表。 3 ）说明电路功能。

9. 电路如图。设各触发器初始状态为零。 1 ）列出电路的状态表。 2 ）画出在 CP 作用下的电路的波形图。 3 ）说明电路功能。

10. 试用两片 74LS90 连成 36 进制计数器。

A

B

&

≥1

&

1

F

○J3

K3

Q3

CP

○J2

K2

Q2

Q2 Q3

○

J1

K1

Q1

Q1

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