第九章 功率电子电路

1. 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 第九章 功率电子电路

2. 9.1晶闸管 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。 返回

3. 螺旋式结构 平板式结构

4. A（阳极） 三 个 P1 A PN N1 结 P2 G（控制极） G N2 K K（阴极） 9.1.1 基本构造 符号 四 层 半 导 体

5. 9.1.2 工作原理 1. 晶闸管工作原理的实验 阳极、阴极间加正向电压， 控制极(门极)不加电压。

6. 阳极、阴极间加正向电压， 门极加正向电压。

7. 阳极、阴极间加反向电压， 控制极(门极)加电压。

8. A A P1 VT1 N1 N1 G G VT2 P2 P2 N2 K K 2. 晶闸管工作原理的解释 • 阳极A和阴极K加正向电压 • 阳极A和阴极K加反向电压 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。 • 控制极G和阴极K之间不加正向电压 晶闸管不导通 反偏 正偏 • 控制极G和阴极K之间加正向电压 反偏 正偏 反偏 正向电压足够大时，三个PN结都正偏，晶闸管导通。

9. A β1 β2IG VT1 β2IG UA G VT2 IG UG K 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。 RL 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 控制极电压UG的作用仅仅是触发晶闸管的导通

10. 3. 晶闸管工作原理的小结 (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。 (2)晶闸管的阻断(截止)条件： 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。 (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。

11. 导通 IN IG增加 IG=0 IG1 IG2 URO IH △U UBO 9.1.3 伏安特性 IA 反向击穿电压 UAK O 导通电压1V左右 正向折转电压

12. 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。

13. 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%。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。

14. 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

15. b2 b2 e （第二基极） N P b1 b1 （第一基极） PN结 1. 单结晶体管的结构和特性 结 构 符 号 e (发射极)

16. ue UP b2 e ue Ubb ie b1 UV O IV IP ie 单结晶体管的伏安特性 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

17. UV、IV -- 谷点电压、电流 维持单结管导通的最小电压、电流。 uE<UV时单结管截止 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>UP 时单结管导通

18. uC UP R b2 UV t e E b1 C uR1 uR1 uC R1 t 2. 单结晶体管的弛张振荡电路 O O (1) 触发脉冲的产生 (2) 触发脉冲的移相

19. RW R uW u1 Rfx u2 uZ R2 R1 uC C 整流 削波 弛张振荡电路 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。 3. 同步振荡电路 触发脉冲

20. u2 uZ uR1 UZ 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。 t O uW uC t O 改变电容C的充放电速度,可以改变触发脉冲周期T。 t O

21. ~ 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 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。

22. C C R R 硒 C ~ R 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。 阻容吸收: 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。 硒整流堆:

23. 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 如：空气温度、湿度、周围环境等。 4、符合规定的冷却条件 通用系列为： 1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14种规格。

24. uG ＋ － G A iO ＋ K ＋ ＋ ＋ － uT u1 uO u2 RL － － － 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

25. ＋ － uG G A ＋ K ＋ u2 ＋ ＋ － uT RL u1 uO u2 － － t － uG t uO iO t uT t    ：控制角  ：导通角 (2) 工作波形(设u1为正弦波) 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。

26. p 1 ò = w d U u t O O p 2 a p 1 ò = w w 2 U sin td t 2 p 2 a uO U = O I  t  2  O R L (3) 输出电压及电流的平均值

27. G K A ＋ ＋ ＋ R – u2 u1 uO D L － + － － iO uO uO 电阻性 负载时 t t  3 （对照用） 电感性 负载时 (加续流二极管后） iO 电流流经 续流二极管 电流流经 晶闸管 工作原理： 2. 电感性负载 u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，电感产生反电动势。 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。

28. uo VT3 VT1 u RL VT2 VT4 9.2.2 电阻性负载桥式可控整流电路 • 1. 电路分析 • u正半周(０～π) • a(＋) b(－) • 负半周(π～２π) • a(－) b(＋) a － + － + b 触发脉冲uG引入控制极 VT1导通、VT4导通 VT3导通、VT2导通 电流方向 uo＝u uo＝－u

29. u ωt uG ωt   2. 工作波形 π 2π 3π O O uo ωt O uVT1 ωt O

30. 二极管和晶闸管承受的最高反相电压为 3. 参数计算 • 整流输出电压平均值 • 输出电流平均值

31. a c R R2 ＋ RP u2 d e DZ － ＋ uc C R1 ＋ uL b － u1 ＋ － ＋ T2 T1 uL RL u3 － － D1 D2 触发电路 主电路  电容充电速度变慢 RP 电压的调节:

32. 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 V1 V V2 C 6题图 典型题型介绍

33. 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、12V 4. 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 Q4 Q3 Q2 Q1 74LS90 CP CP1 CP0 S9A S9B R0A R0B 8题图 R V1 V V2 C 3题图

34. 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、100 6. 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。 9题图 20KΩ 2V uO 10KΩ ui － R ∞ + + VS 9.1KΩ 10题图 +12V 2KΩ 30KΩ 3V Β＝50

35. 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。 R1=3Ω I1 R2=3Ω R3 R1 I 2Ω 2Ω 10Ω ＋ － ＋ － ＋ － IS 3Ω US1 US2 US 6A 12Ω 4V 6Ω I3 R2 R3=6Ω 2Ω 24V ＋ － 12V 1A 12V I2

36. 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？ XC R1 b a R2 XL RF R1 － u o +UCC=12V ○ R2 ∞ 200K u i1 3K RC + RB R3 u i2 RL uO ui 1.5K L R C

37. 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。 J1 Q1 Q2 Q3 J2 J3 ○ ○ ○ K1 K2 K3 Q2 Q3 Q1 CP A & F ≥1 B & 1