dq032電力電子變流實驗的仿真設(shè)計與開發(fā),dq032,電力,電子,實驗,仿真,設(shè)計,開發(fā) 浙江工業(yè)大學(xué)浙西分校信息與電子工程系畢業(yè)設(shè)計（論文） 前 言 隨著我國現(xiàn)代電力電子技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子設(shè)計的要求越來越高。本設(shè)計電力電子變流實驗，結(jié)合flash軟件技術(shù)的發(fā)展情況，編寫有關(guān)的電力電子仿真實驗。主要闡述三相全控整流及有源逆變電路，單相橋式全控整流電路和三相半波可控整流電路的特性仿真，以及各個電路的實驗仿真。 全設(shè)計共六章。第1章緒論，講述電力電子技術(shù)和仿真技術(shù)的發(fā)展及意義；第2章為有關(guān)的Flash制作軟件的介紹；第3章為相關(guān)的基礎(chǔ)知識；第4章為有關(guān)的實驗仿真的介紹；第5章為本次設(shè)計的體會。 本設(shè)計編寫得到了設(shè)計指導(dǎo)老師黃云龍和廖東進(jìn)老師的大力支持和幫助，以及組員郭建和吳春的團結(jié)合作。他們提供了大量資料和技術(shù)，一并表示感謝。 本設(shè)計編寫力求實用，真實，相當(dāng)?shù)姆抡嫦到y(tǒng)力求簡明和易操作。電力電子變流技術(shù)的不斷更新，加之編者水平有限，此設(shè)計不可能很完善，錯漏和不妥在所難免，敬希有關(guān)讀者批評指正。 編者 俞亮超 2005-6-13 第1章 緒 論 現(xiàn)代電源技術(shù)是應(yīng)用電力電子半導(dǎo)體器件,綜合自動控制、計算機(微處理器)技術(shù)和電磁技術(shù)的多學(xué)科邊緣交又技術(shù)。在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用,是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。 當(dāng)前,電力電子作為節(jié)能、自動化、智能化、機電一體化的基礎(chǔ),正朝著應(yīng)用技術(shù)高頻化、硬件結(jié)構(gòu)模塊化、產(chǎn)品性能綠色化的方向發(fā)展。在不遠(yuǎn)的將來,電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟、實用,實現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。 本課題涉及的是電力電子變流技術(shù)的仿真設(shè)計與開發(fā)的設(shè)計。目前，科學(xué)技術(shù)發(fā)展到20世紀(jì)末,系統(tǒng)仿真學(xué)科已經(jīng)形成較為完善的體系。仿真技術(shù)由于其有效性、可重復(fù)操作性、經(jīng)濟性和安全性的特點,日益顯出其重要性和廣泛應(yīng)用性。20世紀(jì)70年代以后,民用工業(yè)中連續(xù)過程仿真得到迅速發(fā)展,其中發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的首屬電力工業(yè),而電力電子技術(shù)已經(jīng)在電力系統(tǒng)中被廣泛地運用了。 系統(tǒng)仿真就是在模型上進(jìn)行試驗的過。按照真實系統(tǒng)的物理性質(zhì)、幾何尺寸等構(gòu)造出系統(tǒng)的物理模型,并在該物理模型上進(jìn)行試驗,稱為物理仿真。把數(shù)學(xué)模型、物理模型,甚至實物聯(lián)合在一起進(jìn)行試驗,稱為數(shù)學(xué)-物理仿真,又稱為半實物仿真。計算機仿真包括三個要素:系統(tǒng)、模型、計算機。聯(lián)系這三個要素的有三個基本活動:對象數(shù)學(xué)模型建立、仿真模型建立、仿真試驗。其特點是它屬于一種可控制的、無破壞性的、耗費小的、并允許多次重復(fù)的試驗手段。 它以其高效、優(yōu)質(zhì)、低廉體現(xiàn)其強大的生命力和潛在的能力。它是迄今為止最有效的經(jīng)濟的綜合集成方法，是推動技術(shù)進(jìn)步的戰(zhàn)略技術(shù)。 我們在下面的敘述中將逐一對我們這次畢業(yè)設(shè)計的課題——電力電子變流實驗的仿真設(shè)計與開發(fā)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 1.1電力電子技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展方向,是從以低頻技術(shù)處理問題為主的傳統(tǒng)電力電子學(xué),向以高頻技術(shù)處理問題為主的現(xiàn)代電力電子學(xué)方向轉(zhuǎn)變。電力電子技術(shù)起始于五十年代末六十年代初的硅整流器件,其發(fā)展先后經(jīng)歷了整流器時代、逆變器時代和變頻器時代,并促進(jìn)了電力電子技術(shù)在許多新領(lǐng)域的應(yīng)用。八十年代末期和九十年代初期發(fā)展起來的、以功率MOSFET和IGBT為代表的、集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導(dǎo)體復(fù)合器件,表明傳統(tǒng)電力電子技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入現(xiàn)代電力電子時代。 1.1.1 整流器時代 大功率的工業(yè)用電由工頻(50Hz)交流發(fā)電機提供,但是大約20%的電能是以直流形式消費的,其中最典型的是電解(有色金屬和化工原料需要直流電解)、牽引(電氣機車、電傳動的內(nèi)燃機車、地鐵機車、城市無軌電車等)和直流傳動(軋鋼、造紙等)三大領(lǐng)域。大功率硅整流器能夠高效率地把工頻交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?因此在六十年代和七十年代,大功率硅整流管和晶閘管的開發(fā)與應(yīng)用得以很大發(fā)展。當(dāng)時國內(nèi)曾經(jīng)掀起了-股各地大辦硅整流器廠的熱潮,目前全國大大小小的制造硅整流器的半導(dǎo)體廠家就是那時的產(chǎn)物。 1.1.2 逆變器時代 七十年代出現(xiàn)了世界范圍的能源危機,交流電機變頻惆速因節(jié)能效果顯著而迅速發(fā)展。變頻調(diào)速的關(guān)鍵技術(shù)是將直流電逆變?yōu)?~100Hz的交流電。在七十年代到八十年代,隨著變頻調(diào)速裝置的普及,大功率逆變用的晶閘管、巨型功率晶體管(GTR)和門極可關(guān)斷晶閘管(GT0)成為當(dāng)時電力電子器件的主角。類似的應(yīng)用還包括高壓直流輸出,靜止式無功功率動態(tài)補償?shù)取＿@時的電力電子技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)整流和逆變,但工作頻率較低,僅局限在中低頻范圍內(nèi)。 1.1.3 變頻器時代 進(jìn)入八十年代,大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅猛發(fā)展,為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。將集成電路技術(shù)的精細(xì)加工技術(shù)和高壓大電流技術(shù)有機結(jié)合,出現(xiàn)了一批全新的全控型功率器件、首先是功率M0SFET的問世,導(dǎo)致了中小功率電源向高頻化發(fā)展,而后絕緣門極雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn),又為大中型功率電源向高頻發(fā)展帶來機遇。MOSFET和IGBT的相繼問世,是傳統(tǒng)的電力電子向現(xiàn)代電力電子轉(zhuǎn)化的標(biāo)志。據(jù)統(tǒng)計,到1995年底,功率M0SFET和GTR在功率半導(dǎo)體器件市場上已達(dá)到平分秋色的地步,而用IGBT代替GTR在電力電子領(lǐng)域巳成定論。新型器件的發(fā)展不僅為交流電機變頻調(diào)速提供了較高的頻率,使其性能更加完善可靠,而且使現(xiàn)代電子技術(shù)不斷向高頻化發(fā)展,為用電設(shè)備的高效節(jié)材節(jié)能,實現(xiàn)小型輕量化,機電一體化和智能化提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。 1.2 仿真模擬技術(shù)的發(fā)展 1.2.1 仿真技術(shù)的特點 仿真是對現(xiàn)象的仿效和模仿。近來由于信息的復(fù)雜化和多樣化，要求對各種真實再現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行解釋和分析就難以做到。而仿真技術(shù)是以控制論、相似原理、系統(tǒng)技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機和專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的一門綜合技術(shù)。采用仿真技術(shù)具有良好的可控性、無破壞性、安全、不受氣象條件和空域場地的限制，可多次重復(fù)，以及經(jīng)濟性等特點。因此，仿真技術(shù)和方法在許多領(lǐng)域里受到重視，其應(yīng)用方法和仿真語言的研究也迅速發(fā)展起來。 1.2.2 仿真技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展 仿真技術(shù)在科學(xué)研究，工程設(shè)計、建筑、自動控制領(lǐng)域，企業(yè)管理、人口動力學(xué)等方向有著極其重要的應(yīng)用。90年代，我國對新的先進(jìn)仿真技術(shù)開展了研究，這主要有聯(lián)網(wǎng)仿真、分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實仿真、基于仿真的設(shè)計、定量與定性相結(jié)合的仿真、建模與仿真的重用和互操作性等等。仿真的發(fā)展面臨一個長期的發(fā)展過程。50年代仿真是應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，采用的是模擬計算機和面向方程的建模方法。60年代仿真擴展到離散事件系統(tǒng)和社會經(jīng)濟等非工程領(lǐng)域。70年代仿真應(yīng)用于指揮人員、管理人員、駕駛員進(jìn)行模擬培訓(xùn)。80年代仿真算法及優(yōu)化，仿真軟件方面取得很大成就，開發(fā)出多種通用連續(xù)系統(tǒng)仿真語言，連續(xù)離散混合仿真語言，這些可在工作站及微機上進(jìn)行運算。我國還研制出數(shù)字仿真計算機，并向智能化新一代仿真計算機方面發(fā)展。仿真技術(shù)發(fā)展可用圖1加以概括。從模擬仿真到模擬-數(shù)字仿真，這期間屬于實時仿真，而從模擬-數(shù)字仿真到數(shù)字仿真屬于非實時仿真。由于當(dāng)今計算機技術(shù)高速發(fā)展及普及，仿真技術(shù)發(fā)展到?jīng)]有實物介入的非實時性的全數(shù)字仿真階段，這種仿真稱為計算機仿真或數(shù)字仿真。我們要對一個系統(tǒng)或?qū)ο筮M(jìn)行計算機仿真，首先必須把握對象的基本特征，抓住主要因素，引入必要能量，提出科學(xué)合理的抽象，選擇合理的數(shù)學(xué)工具，這樣的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型。仿真的步驟如圖2。 模擬仿真 模擬—數(shù)字仿真 數(shù)字仿真 對象 建模 計算（仿真） 計算機 模型 二次建模 圖1 仿真技術(shù)發(fā)展歷程 圖2 仿真步驟 1.3電力電子仿真模擬實驗的意義 近年來計算機仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了電力電子產(chǎn)品研究、開發(fā)水平的提高，改善了電力電子產(chǎn)品的性能，縮短了產(chǎn)品的創(chuàng)新周期。電路與系統(tǒng)的計算機仿真在電力電子技術(shù)的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)中占有重要的地位，它可以加深工程師對電路與系統(tǒng)工作原理的理解，加速電路的設(shè)計和理論的完善，它能幫助生產(chǎn)企業(yè)提高自身開發(fā)的水平，改善產(chǎn)品性能并能有效地縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期。 通過仿真實驗演示,大大改善了實驗的生動性、靈活性和感官性，可以使實驗手冊上靜止的原理圖形產(chǎn)生動畫效果,并產(chǎn)生相應(yīng)的仿真運行曲線,將大篇幅的過程描述與復(fù)雜的運行曲線用FLASH表現(xiàn)出來,達(dá)到直觀生動的實驗效果。 第2章 FLASN動畫 2.1 Flash動畫 Flash是一種先進(jìn)的交互式矢量多媒體開發(fā)技術(shù)，利用Flash技術(shù)制作的網(wǎng)頁、動畫等有著非常精彩的效果，它會打動每一位觀眾。而在我們這次畢業(yè)設(shè)計中，F(xiàn)lash也主要用于制作動畫效果圖。 2.1.1 Flash 動畫的優(yōu)勢 動畫是由一幀幀的靜態(tài)圖片所構(gòu)成的，這些圖片按照順序在短時間內(nèi)連續(xù)放映，就會產(chǎn)生運動、變化的視覺效果。構(gòu)成動畫的靜態(tài)圖片可以是抽象的圖案，也可以是寫實性的形象繪畫。因此，動畫是一種表現(xiàn)動態(tài)過程，闡明抽象原理的重要形式。 近年來，它被廣泛應(yīng)用于電視、電影等視覺媒體中。動畫可以闡明抽象的原理，可以展示各種利用攝像機不能或者很難拍攝到的鏡頭，可以體現(xiàn)出影片的趣味性，吸引人的注意力。 Flash是二維動畫制作軟件中的佼佼者。使用Flash軟件可以輕松從外部導(dǎo)入圖像，也可以利用Flash的繪圖工具面板，繪制所需的矢量圖形。利用Flash軟件還可以將所需的聲音導(dǎo)入到影片中，并對聲音的長短、強弱進(jìn)行修改。該軟件制作的動畫體積小、交互性強。在Flash中還可以將制作完成的動畫直接導(dǎo)出為AVI視頻文件。 Flash MX中的“庫”面板可以用來保存在影片中用到的所有圖片、聲音、視頻等素材。在Flash庫中可以顯示素材文件被使用的次數(shù)，這樣就可以方便地觀察到文件是否被使用。對于那些沒有在影片中用到的素材，就可以利用庫面板刪除掉。例如，你可能導(dǎo)入了幾段聲音，但決定只使用其中的一段。我們就可以通過庫面板將其余的聲音刪掉。 Flash MX還添加了“共享庫”面板。我們在共享庫中可以找到Flash MX自帶的聲音、按鈕、影片剪輯等。如果我們經(jīng)常在影片中使用到一系列圖形，就可以把它們放到自定義的、永久性的庫中。自定義的永久庫會添加到共享庫列表中，使用的方法與系統(tǒng)自帶的庫的方式是一樣的。 創(chuàng)建自定義共享庫的方法為：①　創(chuàng)建一個Flash影片，在其中包含想放入共享庫中的所有符號。②　將Flash文件復(fù)制到Flash應(yīng)用程序文件夾下First Run子文件夾下的Libraries文件夾內(nèi)。這樣，當(dāng)我們打開Flash軟件，選擇主菜單下的窗口/共享庫命令時，就可以看到被創(chuàng)建的自定義共享庫了。 Flash MX添加了“影片探測器”面板。利用該面板提供的層次結(jié)構(gòu)樹，我們可以很快掌握Flash影片的全貌。它顯示了每個場景、每個圖層以及每個幀的內(nèi)容。利用該功能，我們可以很容易地搞清楚Flash源程序的結(jié)構(gòu)，尤其是對于那些含有大量嵌套符號和動作符號的文件。我們會從網(wǎng)絡(luò)中下載大量的Flash源文件，通過“影片探測器”面板，我們可以利用很短的時間，掌握文件的結(jié)構(gòu)，通過分析文件的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)到Flash動畫的制作技術(shù)。 2.1.2 Flash動畫的構(gòu)成要素及制作技術(shù) 2.1.2.1 Flash元件 在Flash中構(gòu)成動畫的對象被稱為元件。元件是Flash中極其重要并且經(jīng)常要用到的概念，在利用Flash開發(fā)動畫的時候通過引用符號可以有效地減少所生成影片的大小。元件的類型包括：圖形、影片剪輯、按鈕。在Flash中不管是矢量圖形，還是位圖圖像，都可以轉(zhuǎn)換為圖形類型的元件。影片剪輯類型的元件用來放置聲音或者是有多幀構(gòu)成的簡單動畫。利用影片剪輯便于對動畫進(jìn)行管理，并且可以在影片中的任意場景或圖層調(diào)用。例如，我們制作一個樹葉下落的影片剪輯。在影片的制作過程中，我們不僅可以在一個圖層里放置多個該影片剪輯，從而造成一種樹葉紛紛墜落的過程；我們還可以在另外的場景中，放置該影片剪輯，從而達(dá)到盡量減少文件大小的效果。 按鈕類型的元件用來制作Flash動畫中的按鈕，按鈕的應(yīng)用可以實現(xiàn)動畫的交互。我們可以通過為按鈕設(shè)置動作，使動畫產(chǎn)生停止、播放、跳轉(zhuǎn)到任意幀、載入其他影片、鏈接到外部網(wǎng)站等的作用。我們可以通過 Insert/Convert to Symbol（或按快捷鍵F8）將所選中的圖形元素轉(zhuǎn)換為符號。通過Library（庫）面板，我們可以對影片中的符號進(jìn)行預(yù)覽和操作。當(dāng)需要使用符號時，只需將合適的符號從Library面板中拖拽至需要的位置即可。 2.1.2.2 圖層 Flash中的圖層是用來放置影片中的元件的。在動畫文件中，創(chuàng)建圖層的數(shù)量取決于電腦的內(nèi)存容量，但是不影響制作出來的動畫文件的容量。在影片中，如果圖層創(chuàng)建的數(shù)量太多，管理起來就會非常麻煩。所以，我們在制作動畫時，應(yīng)合理安排元件放置的位置。例如，將作為背景的所有元件放置在同一層內(nèi)，并將其命名為“背景”。這樣，我們在修改的時候，就會清晰明了。 2.1.2.3 幀 在Flash中，幀分為普通幀和關(guān)鍵幀兩種。在創(chuàng)作動畫時，一些關(guān)鍵的畫面，我們就會把它們設(shè)置為關(guān)鍵幀，用來放置我們自定義的靜態(tài)畫面；而在這些關(guān)鍵畫面之間由電腦自動繪出的過渡畫面就稱為普通幀。關(guān)鍵幀以黑色小圓點顯示，普通幀以方形顯示。 2.1.2.4 動畫類型 Flash MX的制作動畫有兩種形式：序列動畫和內(nèi)插動畫，而內(nèi)插動畫包括Motion動畫和Shape動畫。當(dāng)我們制作動畫的時候，要根據(jù)實際需要來考慮到使用的動畫的制作類型。序列動畫就是動畫中每幀都制作一幅靜態(tài)的圖片，如動畫有24幀，我們就要制作24幀的圖片。這樣制作的動畫體積比較大，制作的過程比較復(fù)雜，因此用到的較少。在Flash中，我們一般用內(nèi)插動畫來進(jìn)行制作。內(nèi)插動畫是指在創(chuàng)建動畫時，只制作動畫中的關(guān)鍵幀 ， 關(guān)鍵幀之間就由電腦自動繪制出過渡幀，生成一個動畫。例如，我們制作一個由正方形漸變成圓形的動畫，只需將這兩個圖形（分別是起始狀態(tài)和最終狀態(tài)）分別插入到兩個關(guān)鍵幀中（兩幀不相連），然后為起始幀設(shè)定Shape變形即可，中間的變形部分由電腦自動生成。但是，內(nèi)插動畫不適合表現(xiàn)較復(fù)雜的變形（比如走路）。Flash　MX的內(nèi)插動畫類型有兩種：Motion變化，Motion變化在Flash　MX中可以做出物體的移動、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、顏色漸變、透明度漸變等效果；Shape變形，利用Shape進(jìn)行一般的變形，F(xiàn)lash　MX會根據(jù)首尾兩個關(guān)鍵幀上的形狀的大小和位置，模擬一個從首幀上的形狀變化到尾幀上形狀的動畫。 2.1.2.5 Flash動畫輸出 Flash制作的動畫文件可以輸出為SWF流式播放文件、HTML網(wǎng)頁文件、EXE直接可執(zhí)行文件、GIF動態(tài)圖像、AVI文件等。SWF格式的文件體積較小，適合在網(wǎng)絡(luò)上傳播，可嵌入網(wǎng)頁中播放，需要使用Flash播放器進(jìn)行播放。EXE直接可執(zhí)行文件可直接在Windows環(huán)境下執(zhí)行播放，不需要獨立的播放器。GIF 動態(tài)圖像可以用來制作網(wǎng)站中所使用BANNER，用來對網(wǎng)站進(jìn)行宣傳。AVI文件是標(biāo)準(zhǔn)的影視制作輸出格式，在利用Flash制作影視動畫的首選輸出格式。這種文件格式的缺點是，動畫將不會再具有交互性，且輸出的文件體積較大。在輸出為AVI文件之后，可以被影片制作軟件讀取，并做進(jìn)一步的修改。因此，如果制作的Flash動畫應(yīng)用于科教片中的話，可以選擇在制作完成后輸出為AVI文件格式。 2.2 FLASH軟件對于本設(shè)計的作用 在此之前,我們在學(xué)習(xí)過程中,已經(jīng)使用了一些多媒體學(xué)習(xí)軟件,實現(xiàn)方式多為Powerpoint、Direct、Authorware等。以上軟件是目前主流的多媒體制作軟件,但是這些軟件往往存在著實現(xiàn)動畫較為困難且效果單調(diào),內(nèi)部函數(shù)編輯功能弱或?qū)I(yè)技術(shù)要求較高,通常需要借助其他動畫軟件才能達(dá)到動畫效果,特別是在制作一些需要大量動畫進(jìn)行模擬演示的多媒體軟件時,更感到力不從心。在這種情況下,利用Flash來制作動畫較多的多媒體軟件不僅僅是一種嘗試,而更多的是一種必然選擇?！　? Flash軟件除具有強大的動畫制作、圖片處理、聲音編輯功能之外,還有強大而且易用的內(nèi)部函數(shù)編輯器,它所制成的播放文件十分小巧,壓縮比例大,這些是Flash軟件在制作動畫多媒體方面的優(yōu)勢。Flash自帶的圖片處理工具可以與很多經(jīng)典的圖像處理軟件相媲美,例如Photoshop和Coreldraw等,另外配合Macromedia的Fireworks可以處理多種格式的圖片,更為重要的是Flash自帶的圖片處理工具能夠?qū)崿F(xiàn)圖片的全矢量化制作,這就保證了圖片在改變放大倍數(shù)的情況下播放,仍能處于最優(yōu)狀態(tài)。Flash集成了強大的聲音編輯功能。能導(dǎo)入多種聲音格式,并能在內(nèi)部進(jìn)行壓縮,壓縮比可達(dá)10:1。Flash能在內(nèi)部截取聲音文件,控制輸出聲道,音量大小,輸出格式等等,這就使得利用Flash可以隨心所欲地使用想要的音樂文件?！　? 在Flash中作為制作多媒體軟件不可缺少的內(nèi)部函數(shù)編輯功能也很出色,Flash的函數(shù)編輯器可以讓用戶輕松地編輯所需的幀函數(shù)或元件動作函數(shù),而這很大程度上可以通過按鈕或勾選實現(xiàn),使編程輕松自如。并能保證軟件的可靠性和穩(wěn)定性。 Flash軟件強大的功能，簡單的操作手段使其逐漸為人們所熟知。我們利用它既可以制作在教學(xué)中使用的多媒體教學(xué)軟件，也可以制作互聯(lián)網(wǎng)頁動畫，當(dāng)然也可以將其應(yīng)用于電視教材的動畫制作電視、電影中。這些對于我們制作電力電子仿真實驗有著極大的幫助，可以使我們的實驗通過Flash的動畫形式展現(xiàn)給廣大觀眾。 第3章 電力電子變流的基礎(chǔ)知識 3.1 實驗所需的電力電子原件 3.1.1 晶閘管 一、 工作原理及伏安特性 晶閘管是由四層PNPN半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，可以把它看成是一個PNP晶體管和一個NPN晶體管互連的器件，即BG1的集電極接至BG2的基極，而BG2的集電極接BG1的基極，如圖1-1所示。 圖1-1 晶閘管雙晶體管模型 當(dāng)控制極G開路時，給陽極和陰極加正向電壓，即A為正，K為負(fù)，這時，由于J2反偏，A，K不導(dǎo)通，只有微小的漏電流通過，當(dāng)A，K之間正向電壓足夠大時，管子擊穿，VBO為正向擊穿電壓，當(dāng)A，K之間加反向電壓，即K為正，A為負(fù)，由于J1和J3反偏，A，K仍然不導(dǎo)通，兩者之間仍然只有微小的漏電流通過當(dāng)A，K之間的反向電壓足夠大時，管子反向擊穿，VRO為反向擊穿電壓。 在陽極和陰極之間加正向電壓的同時，控制極相對陰極加正的觸發(fā)電壓。一旦有足夠的控制極電流IR流入，根據(jù)圖1-1，就會形成強烈的正反饋，這樣，就會使管子飽和導(dǎo)通，伏安特性曲線如圖1-2所示。 圖1-2 伏安特性曲線 使管子突然導(dǎo)通時的陽極電壓叫轉(zhuǎn)折電壓。在使用中，不允許把A，K之間的電壓加到VBO或VRO上。 晶閘管的陽極電流是不隨控制電流大小而變的，只能控制觸發(fā)導(dǎo)通的時刻，IR大，可以使管子提早導(dǎo)通，就是當(dāng)A，K之間只有較小電壓時就可導(dǎo)通，也就是說，IR越大，轉(zhuǎn)折電壓越小，這點可重復(fù)；伏安特性曲線上明顯看出 晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通，把控制極信號減小甚至完全去掉，管子仍然導(dǎo)通，只有當(dāng)陽極電流減小到維持電流以下，管子才會截止，這是晶閘管與一般晶體管根本不同之點。 二、主要特性參數(shù) 晶閘管的參數(shù)有20多項，這里將一些常用的參數(shù)加以簡單介紹。過去我國對晶閘管都使用機械工業(yè)部“KP型晶閘管整流元件”部標(biāo)準(zhǔn)，即JB1144-75和電子工業(yè)部“3GT型半導(dǎo)體晶閘管”部標(biāo)準(zhǔn)?？紤]到某些方面更合理、更先進(jìn)，以便與國際IEC標(biāo)準(zhǔn)一致，國家標(biāo)準(zhǔn)局于1985年頒布“普通晶閘管”的國家標(biāo)準(zhǔn)。即GB4940-85。本書使用的是這個新標(biāo)準(zhǔn)，請讀者與過去的老標(biāo)準(zhǔn)相區(qū)別。 1. 斷態(tài)及反向重復(fù)峰值電壓Vdrm和Vrrm 控制極斷器，在一定的溫度下，允許重復(fù)加在管子上的正向電壓為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，用Vdrm表示。這個數(shù)值是不重復(fù)峰值電壓Vdsm的90%，而不重復(fù)峰值電壓即為正向伏安特性曲線急劇彎曲點所決定的斷態(tài)峰值電壓。反向重復(fù)峰值電壓用Vrrm表示，它也是在控制極開路條件下，規(guī)定一定的溫度，允許重復(fù)加在管子上的反向電壓，同樣，Vrrm為反向不重復(fù)峰值電壓Vrsm的90%。 “重復(fù)”是指重復(fù)率為每秒50次，持續(xù)時間不大于10ms。 Vdrm和Vrrm隨溫度的升高而降低，在測試條件中，將對溫度作嚴(yán)格的規(guī)定。生產(chǎn)廠把Vdrm和Vrrm中較小的一個數(shù)值作為管子的額定電壓。 2． 斷態(tài)漏電流Idrm和反向漏電流Irrm 對應(yīng)Vdrm和Vrrm的漏電流為斷態(tài)漏電流和反向漏電流，分別用 Idrm和Irrm表示這個數(shù)值用峰值表示。 3. 額定通態(tài)電流Ir 在環(huán)境溫度為40oC和規(guī)定的冷卻條件下，在單向工頻（即50HZ）正弦半波電路中，導(dǎo)通角為不大于170o，負(fù)載為電阻性，當(dāng)結(jié)溫穩(wěn)定且不超過額定結(jié)溫時，管子所允許的最大通態(tài)電流為額定通態(tài)電流。這個值用平均值和有效值分別表示。 4. 通態(tài)電壓Vtm 在規(guī)定環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，管子在額定通態(tài)電流It時所對應(yīng)的陽極和陰極之間的電壓為通態(tài)電壓，即一般稱為管壓降。此值用峰值表示。 這是一個很重要的參數(shù)，晶閘管導(dǎo)通時的正向損耗主要由It與Vtm之積決定，希望Vtm越小越好。 5. 維持電流Ih 在室溫下，控制極開路，晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。也就是說，在室溫下，在控制極回路通以幅度和寬度都足夠大的脈沖電流，同時在陽極和陰極之間加上電壓，使管子完全開通。然后去掉控制極觸發(fā)信號，緩慢減小正向電流，管子突然關(guān)斷前瞬間的電流即為維持電流。 6. 控制極觸發(fā)電流Igt和觸發(fā)電壓Vgt 在室溫條件下，晶閘管陽極和陰極間施加6V和12V的直流電壓，使管子完全開通所必須的最小控制極直流電流為控制極觸發(fā)電流Igt。普通晶閘管的Igt一般為數(shù)毫安至幾百毫安；高靈敏晶閘管的Igt小至數(shù)微安。對應(yīng)控制極觸發(fā)電流的控制極電壓稱為控制觸發(fā)電壓Vgto 7. 浪涌電流 在規(guī)定條件下，晶閘管通以額定電壓，穩(wěn)定后，在工頻正弦波半周期間內(nèi)管子能承受的最大過載電流。同時，緊間浪涌后的半周期間應(yīng)能承受規(guī)定的反向電壓。浪涌電流用峰值表示，是不重復(fù)的額定值；在管子的壽命內(nèi)，浪涌次數(shù)有一定的限制。 8． 斷態(tài)電壓臨界上升率（dv/dt） 在額定結(jié)溫和控制極斷路條件下，使管子從截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)通的最低電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率，用dv/dt表示，希望這個數(shù)值愈大愈好。50～100A晶閘管的dv/dt25V/μs,200A以上管子的dv/dt50V/μs。 9. 通態(tài)電流臨界上升率（dv/dt） 在規(guī)定條件下，管子在控制極開通是能承受而不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流的最大上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率，用di/dt表示，管子在開通瞬間產(chǎn)生很大的功率損耗，而且這種損耗由于導(dǎo)通擴展速度有限，總是集中在控制極附近的陰極區(qū)域，如果管子的di/dt耐力不夠，就容易引起過熱點，導(dǎo)致控制極永久性破壞，對大電流的管子，這個問題更為突出。 10.控制極開通時間（） 當(dāng)控制極加上足夠的觸發(fā)信號后，晶閘管并不立即導(dǎo)通，而是要延遲一小段時間。這延遲的一小段時間稱為開通時間。具體規(guī)定是控制極觸發(fā)脈沖前沿的10%到陽極電壓下降至10%的時間為，如圖1-3所示。 圖1-3 開通時間Tgt的定義 11.電路換向關(guān)斷時間（tq） 從通態(tài)電流降至零這一瞬間起到管子開始承受規(guī)定的斷態(tài)電壓瞬間為止的時間間隔稱為電路換向關(guān)斷時間tq。 開通時間和關(guān)斷時間tq決定管子的工作頻率，工作頻率較高的電路要選用tq小的管子（tq小，會更小）。這一參數(shù)是普通晶閘管和快速晶閘管的主要區(qū)別。關(guān)斷時間tq的大小除了和管子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)以外，還與應(yīng)用條件有很大關(guān)系，關(guān)斷前晶閘管所通電流大小、溫度、關(guān)斷時所加反向電壓大小，重加dv/dt。反向?qū)﹃P(guān)斷時間tq影響的定性關(guān)系如圖1-4所示。 圖1-4 諸因素對關(guān)斷時間的影響 從圖1-4可見：溫度、重加、正向電流、重加電壓、反向dt/dt增加。則關(guān)斷時間增大；反向電壓增加，則關(guān)斷時間減小。 三、常用參數(shù)的測試 1. 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB4024-83測試 (1)斷態(tài)和反向峰值電流Idrm,Irrm 測試原理電路如圖1-5所示 圖1-5 測試漏電流的原理電路 圖中: DUT——被測晶閘管； D1，D2——產(chǎn)生正半周電壓的二極管，使只測量斷態(tài)特性（DUT極性交換則只測量反向特性）； B——門極電路； R1——保護(hù)電阻器； Rs——校準(zhǔn)電流的無感電阻器； Ap,Vp——峰值電流表、峰值電壓表或示波器。 測試條件: a.結(jié)溫：25℃和Tjm（額定最高結(jié)溫）； b.斷態(tài)電壓或反向電壓：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓（Vdrm）或反向重復(fù)峰值電壓（Vrrm）； c.門極偏置條件：應(yīng)規(guī)定門極電源電壓和電源電阻，或門極至陰極間的電阻，或門極電路斷路（門極電流為零）； d.交流電源頻率：50Hz 測量程序: 被測管分別在25℃和Tjm下，調(diào)節(jié)交流電源G，按VP顯示，使斷態(tài)電壓達(dá)到斷態(tài)重復(fù)電壓，由AP或示波器顯示的斷態(tài)電流即為所斷態(tài)重復(fù)峰值電流IDRM。 被測管主電極的極性交換，重復(fù)上述操作即可測得反向重復(fù)峰值電流IRRM。 (2) 通態(tài)峰值電壓VTM 測試原理電路如圖1-6所示。 圖1-6 測試通態(tài)峰值電壓VTM原理電路 圖中: DUT—被測晶閘管； R—保護(hù)電阻器（限制充電電流）； RS—校準(zhǔn)電流的無感電阻器； R1—當(dāng)規(guī)定時接入的偏置電阻器； L，C—產(chǎn)生通態(tài)脈沖電流的電感器和電容器； B—門極觸發(fā)電源。 測試條件: a.結(jié)溫：出廠測試為25oC，型式試驗為25oC和TJM； b.通態(tài)峰值電流：通態(tài)平均值的π倍（π可以近似取3）； c.電流脈沖可以是單次的，也可以是發(fā)熱效應(yīng)能忽略的低重復(fù)頻率脈沖； d.電流脈沖寬度應(yīng)足夠?qū)?，以使被測管完全開通。對于單次脈沖，視不同的被測管，脈寬在1～10ms 范圍選擇，對于大容量插件，還可以采用預(yù)開涌措施。應(yīng)注意脈寬不可過窄，以免造成電流上升率超過額定值； e.測量位置，按圖1-7規(guī)定： 圖1-7 測量VTM的測試點 測量程序: 電源電壓和門極觸發(fā)電壓先調(diào)至零。 被測管按規(guī)定壓力和接線接入電路中。結(jié)溫調(diào)至規(guī)定值，門極電路調(diào)至規(guī)定的偏置條件。 電源電壓由零增加，通過L，C震蕩，使流過被測管的脈沖電流整定到規(guī)定值（由AP或示波器指示），此時VP或示波器上顯示的數(shù)值即為所測的通態(tài)峰值電壓，其波形如圖1-8所示。 圖1-8 通態(tài)峰值電壓波形 (1) 門極觸發(fā)電流IGT和觸發(fā)電壓VGT測量原理電路如圖1-9所示。 圖1-9 測試Igt Vgt原理電路 圖中: E1—直流電源，也可用脈動直流電源； E2—可調(diào)直流電源； R—決定開通后通態(tài)電流大小的負(fù)載電阻器。R的阻值應(yīng)選擇保證被測管完全開通，并且開通后的電流不小于擎住電流； V1，V2—直流電壓表； A1，A2—直流電流表。 測試條件: a.結(jié)溫：25oC； b.斷態(tài)電壓：直流12V或6V； c.R，R1的阻值應(yīng)予規(guī)定。 測量程序: 被測管在25oC下，由零開始逐漸增加門極至陰極間電壓，當(dāng)V1電壓表指示的斷態(tài)電壓突然下降，A1電流表指示出通態(tài)電流的瞬間，此時，A2表和V2表的指示分別為所測門極觸發(fā)電流和門極觸發(fā)電壓。應(yīng)注意測量讀數(shù)是在被測管剛好完全開通下進(jìn)行。 業(yè)余測試 對于晶閘管使用者來說，有的也需對管子進(jìn)行測試，如有的單位在外購元器件進(jìn)倉前，需要進(jìn)行復(fù)測或抽驗；有的設(shè)計人員，根據(jù)具體情況，需要對某些參數(shù)進(jìn)行挑選；有的維修人員在維修設(shè)備中也要對晶閘管進(jìn)行簡單的測試，以便決定是否更換原來的元件。一般來說，這些測試不必用專用儀器，只需用通用儀器儀表作簡單的測試就行了。下面介紹使用萬用表，晶體管圖示儀對晶閘管幾項常用的參數(shù)進(jìn)行測試的方法。 (1) 使用萬用表判別晶閘管的“好” “壞” 從圖1—3可知，晶閘管的四層PNPN半導(dǎo)體材料構(gòu)成的器件，它包括了三個，PN結(jié)，根據(jù)PN結(jié)單向?qū)щ姷幕驹?，可以用萬能表很快判斷的“好”或“壞” 具體做法是：用萬用表“歐姆”檔，將開關(guān)置于或，測量晶閘管陽極A和陰極K之間的電阻，不管“紅綠表”置A還是置K，陽極和陰極的之間的電阻值都很大，一般為幾百千歐以上。再測量控制極G和陰極K之間的電阻。G和K之間是一個PN結(jié)，但它 不是一個理想的PN結(jié)，它的正向特性并不象普通二極管那樣具有較固定的壓降，反向特性也并不表現(xiàn)出很大的電阻，有時甚至正反向電阻值接近。在測量時，將萬用表置于或擋，測出的阻值為十幾歐至幾百歐。 如果測得某個晶閘管A，K之間的正向或反向電阻為零，或者G，K之間的電阻為零，那就說明晶閘管壞了。 (2) 用JT—1型圖示儀測量觸發(fā)特性和維持電流及管壓降 A.觸發(fā)電流的測試 接線 將被測管的A，G，K分別接圖示儀的C，B，E（即原來測晶體管時應(yīng)接的C，B，E） 各旋鈕，開關(guān)應(yīng)放的位置 a.將基極階級性和集電極掃描極性開關(guān)置于“+”，階梯作用置于重復(fù)，級/秒置于200； b.峰值電壓范圍開關(guān)置于0～20V，先將峰值電壓調(diào)至零； c.將Y軸集電極電流置于合適的檔級，即與晶閘管的陽極電流相適應(yīng)； d.功耗電阻要選擇恰當(dāng)，不能太小，應(yīng)滿足特性曲線幅值的要求； e.將X軸開關(guān)置于“基極電流或基極電壓源”檔 f.階梯選擇置于合適的電流檔級，即與晶閘管觸發(fā)電流IGT相適應(yīng)的檔級。 測量和讀數(shù) 將峰值電壓由零調(diào)至8V，若沒有觸發(fā)（即屏幕上只有X軸上的十個點子），這時，應(yīng)將階梯選擇開關(guān)置于大一檔的位置，如觸發(fā)了，出現(xiàn)如圖1-12所示的圖形，這樣，就可以讀出IGT的數(shù)值。例如：階梯選擇開關(guān)置于5mA/級，圖1-12所示的IGT應(yīng)為56=30mA。 B. 觸發(fā)電壓VGT的測試 與測試觸發(fā)電流相同，只需要階梯選擇開關(guān)置于合適的電壓檔級，如置于0。2V/級，測的如圖1-13所示的圖形，這時，觸發(fā)電壓VGT=0。27=1。4V。 C. 維持電流IH的測試 維持電流較小，中小晶閘管IH通常為幾毫安至幾十毫安。在控制觸發(fā)電流IGT的測試中，把Y軸電流改為1～2mA/度，功耗電阻適當(dāng)加大，（如500Ω），根據(jù)維持電流的定義，IH是管子由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變成阻斷時的陽極電流，在圖1-10中，IH約為5mA。 圖1-10 測試Igt Vgt波形 D．通態(tài)電壓的測試 以測5A的管子為例 被測管的A，G，K分別接圖示儀的C，B，E，但接線套盡量短一些、粗一些。 各旋鈕、開關(guān)應(yīng)放的位置 ①． Y軸集電極電流置于500 mA/度 ②． X軸集電極電壓置于0。2V/度 ③． 峰值電壓范圍置于0 ～20V，先將峰值電壓調(diào)到0V； ④． 功耗電阻置于2Ω； ⑤． 集電極極性開關(guān)置于“+”； ⑥． 基極階梯信號極性開關(guān)置于“+”； ⑦． 階梯作用置于重復(fù) ⑧．級/秒置于100mA/級 測量和讀數(shù) 將峰值電壓由零逐漸增加，配合功耗電阻調(diào)節(jié)，使Y軸集電極電流達(dá)到額定值5A（峰值35=15A）可得如下圖a所示圖形，從而讀取通態(tài)電壓VTM （3）用QT2型圖示儀測量斷態(tài)及反向重復(fù)峰值電壓和漏電流 斷態(tài)及反向電壓和峰值電流本來可用JT-1型圖示儀進(jìn)行測量，但由于它集電極峰值電壓最高只有200V，而晶閘管的耐壓多數(shù)大于200V，所以，用于JT-1相類似的QT2來測試。 在測試晶閘管額定電壓時，可在QT2圖示儀專用的高壓測試裝置中參照二極管測試方法進(jìn)行，即：將峰值電壓旋轉(zhuǎn)至零；把二極管測試盒與儀器二極管測試孔相連（或者用耐高壓導(dǎo)線與測試孔相連）。再將被測晶閘管按面板所示的二極管極性與插孔相連接（陽極A接二極管“+”極、陰極K接二極管“–”極），晶閘管的門極端開。其他旋轉(zhuǎn)、開關(guān)的位置為： 輸出電壓琴鍵置于3000V；] Y軸電流置于0.2mA/度 X軸電壓置于200V/度 按住“測試”按鈕，逐漸開高峰值電壓，直到出現(xiàn)特性曲線急劇轉(zhuǎn)折點，讀取此值的80%就是VDRM數(shù)值（圖b） 再將晶閘管反接（即A接“-”、“+”），即可測得VDRM，在測定VDRM，VRRM的同時，可以讀出正反向電流IDRM和IRRM的值。圖1-15中，VDRM=1000V，IDR=0.1mA。 圖a 測試Vtm波形 圖b 測耐壓及漏電流的波形 四、特性曲線 第三節(jié)給出的有關(guān)電流參數(shù)還不能全面反映晶閘管電流方面的性能，因此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB4940要求制造廠在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品說明書中對每種規(guī)格的器件要向用戶提供七種特性曲線。它們是： (1) 通態(tài)伏安特性曲引（）； (2) 瞬間熱阻抗與時間關(guān)系曲線（）； (3) 通態(tài)功耗與通態(tài)平均電流（導(dǎo)通角作參變量）的關(guān)系曲線； (4) 管殼溫度與通態(tài)平均電流的降額曲線（導(dǎo)通角作參變量）（）； (5) 浪涌電流與周波數(shù)關(guān)系曲線（） (6) 特性曲線（）; (7) 門極觸發(fā)范圍特性曲線。 上述（1），（2），（7）三種曲線是實驗曲線，是由制造廠對批量器件實測后給出的實用曲線。而其他曲線一般是根據(jù)實驗曲線（1），（2）以及有關(guān)理論計算出來的，但具有很好的實用效果。 各種曲線簡介如下： 1.通態(tài)伏安特性曲線 它是晶閘管在導(dǎo)通時流過的主電流和由此產(chǎn)生的主電壓的關(guān)系曲線，它是晶閘管最基本的特性曲線之一。由于曲線上任一點反映了電流為瞬時值ITM時電壓瞬時值為VTM，故該曲線又稱ITM-VTM曲線。 圖1-11、圖1-12 通態(tài)伏安特性 圖1-11晶閘管通態(tài)伏安特性示意圖。一般應(yīng)分別給出在25oC室溫條件下和最高工作結(jié)溫（一般是125oC）時兩條曲線。從圖1-11可看出，在電流較小時，高溫峰值電壓低；而電流較大時，高溫峰值電壓比相同通態(tài)電流的低溫峰值電壓大。兩曲線有一交點P。P點對應(yīng)的電流在器件的通態(tài)平均電流和 π之間變換。該電流越靠近π，則管子越好用。 如果只給出一條曲線，應(yīng)給出高溫時的曲線。 由于通態(tài)伏安特性曲線是一條非線性曲線，實際使用時計算很不方便。而曲線在工作范圍內(nèi)又很接近特性曲線。故在實際計算時，常采用直線近似的方法。 如圖1-12所示，在通態(tài)伏安特性曲線上去兩規(guī)定點A，B，該兩點對應(yīng)的ITM值應(yīng)根據(jù)具體條件事先規(guī)定，一般是1.5 和4.5 ，A，B連線則近似作為伏安特性曲線，其解析表示為 （1） 這里，稱為門檻電壓，稱為斜率電阻。國外許多大公司和國內(nèi)一些重點器件生產(chǎn)單位的產(chǎn)品樣本中，都給出了時和的值。Rt的單位一般以mΩ給出。門檻電壓反映了晶閘管的結(jié)壓降，反映了體內(nèi)電導(dǎo)調(diào)制狀況。有了這組值，就對器件的通態(tài)特性有全面概括的掌握。 當(dāng)電流超出一定范圍后,由(1)式算出的VTM與實驗值偏差就很大了。故,國外有的公司樣本往往給出兩組(, )值,分別對應(yīng)工作電流和大電流下的直線近似特性。 晶閘管并聯(lián)使用時,通態(tài)特性在選擇器件時就顯得特別重要。通常,選通態(tài)峰值電壓相等的管子并聯(lián)以保證良好的均流。其實,這個方法是不可靠的,因為它只保證了在峰值電流這一點均流。要得到大范圍的動態(tài)均流，應(yīng)選擇并聯(lián)晶閘管的門檻電壓、斜率電阻大致相等。即它們的通態(tài)伏安特性曲線相同。 2．瞬態(tài)熱阻抗與時間關(guān)系曲線 這是晶閘管另一條基本特性曲線。晶閘管通過電流發(fā)熱，其溫度最高處應(yīng)在PN結(jié)，熱量也不斷從結(jié)處向外散逸。穩(wěn)態(tài)時，其結(jié)溫、管溫度、傳輸?shù)墓β蔖t（AV）之間有關(guān)系： （2） 這里，稱為結(jié)-殼熱阻，表示了“熱路”對熱量傳遞的阻擋能力。在未達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，（2）式應(yīng)寫為 （t）= （t）P （3） 這里，（t）表示在時刻t時結(jié)-殼間溫度差，（t）表示此時的結(jié)-殼瞬態(tài)熱阻抗。由于管子：熱路“上存在熱容，故（t）比穩(wěn)態(tài)熱阻小。一般（t）的變化規(guī)律是由小隨時間指數(shù)的增加，最后達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱阻 的值。除（t）外，還有結(jié)散瞬態(tài)熱阻抗（t）和總瞬態(tài)熱阻（t）等，一般用（t）表示。為了節(jié)省篇幅，瞬態(tài)熱阻抗曲線采用單對數(shù)坐標(biāo)，t軸為對數(shù)坐標(biāo)，（t）為算術(shù)坐標(biāo)，故曲線呈“S”狀，如圖1-13所示。 圖1-13 在計算各種脈沖電流容量時，-t曲線是必不可少的。因為，短時間電流脈沖不可能使器件達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，它的各種熱計算都離不開瞬態(tài)熱阻抗曲線。設(shè)有一矩形脈沖，其幅值功率為Pm，寬度為，則器件通過該脈沖后結(jié)溫升高。若有一系列周期為T、寬度為、幅值功率為Pm的矩形脈沖通過晶閘管，則第n個脈沖后結(jié)溫升為 （4） 這是線路設(shè)計者經(jīng)常要使用的公式。 3．通態(tài)功耗與通態(tài)平均電流關(guān)系曲線 這是一個以電流波形（正弦波或矩形波）以及導(dǎo)通角為參量的計算曲線。計算中采用了對通態(tài)伏安特性曲線的直線近似，即以一組（ ，）表示伏安特性。這樣，通態(tài)平均損耗功率PT（AV）和通態(tài)平均電流的關(guān)系就可用下式描述： （5） 式中，F(xiàn)稱為波形因數(shù)，它的意義是通態(tài)方均根電流和通態(tài)平均電流之比，即 不同波形、不同導(dǎo)通角，則波形因數(shù)不同。常用的F值如表1-1所示。 導(dǎo)通角φ 30o 60o 90o 120o 180o 270o DC 正弦波F 4．00 2．78 2．22 1．88 1．57 矩形波F 3．46 2．45 2．00 1．73 1．41 1．16 1．00 通過（5）式計算出一組曲線，稱為功率損耗與平均電流關(guān)系曲線，即曲線。它直觀地表示了不同波形以各種導(dǎo)通角流過晶閘管時所產(chǎn)生的功率損耗。用戶可很方便地用它對不同波形線路進(jìn)行設(shè)計計算。 4．管殼溫度與通態(tài)平均電流降額曲線 國家標(biāo)準(zhǔn)中晶閘管電流容量是以最大通態(tài)平均電流額定的（國外有的公司用方均根電流額定）。一個額定電流為500A的晶閘管，并不是說總是能通過500A的平均電流，它是有嚴(yán)格條件的：對于導(dǎo)通角為180°，頻率為50HZ的正弦波電流，在保證了必要的散熱條件并使殼溫Tc保持某一規(guī)定值時，晶閘管才能通過500A的平均電流，這時，其結(jié)溫達(dá)到其最高工作結(jié)溫125℃。晶閘管穩(wěn)定工作時，其結(jié)溫是不允許超過125℃的，否則，會造成器件本身性能永久性的蛻變以至損壞。這是晶閘管工作對電流的最基本限制條件。如果散熱條件差，晶閘管殼溫只保持在某一比規(guī)定值高的溫度，則流過管子的電流必須降額，以維持結(jié)溫不超過額定值。若殼溫就等于額定結(jié)溫（125℃），則允許通過的電流就是零。 結(jié)溫的變化是由于電流產(chǎn)生功耗和熱阻的存在而發(fā)生的，若平均電流IT（AV）產(chǎn)生的功耗為PT（AV），則結(jié)溫、殼溫、結(jié)-殼熱阻間有如下關(guān)系： （6） 曲線就是根據(jù)（5）、（6）式計算出來的，該組曲線是以電壓波形和導(dǎo)通角為參數(shù)的。在這里需要說明的是：對于不同波形和導(dǎo)通角，是不同的，這主要是因為在電流波形的各個計算時刻，均未達(dá)到熱穩(wěn)定，故應(yīng)是用瞬態(tài)熱阻抗曲線經(jīng)過復(fù)雜計算得出來的，不等于穩(wěn)態(tài)熱阻值。一般可根據(jù)實際在穩(wěn)態(tài)熱阻加上某一修正值取得。 曲線清楚地表明了晶閘管的電流容量及其限制條件。樣本中給出的額定電流值只是曲線上的一個點，用該曲線可方便地去頂某一電流下的最高殼溫，成為選配散熱器的重要依據(jù)。同時，還可通過測量殼溫推算結(jié)溫，看器件是否正常工作。 5．浪涌電流和周波數(shù)的關(guān)系曲線與I2t特性曲線 樣本參數(shù)中給出一個周波浪涌電流額定值，實質(zhì)是給出了晶閘管最高瞬態(tài)結(jié)溫的限制。這個瞬態(tài)結(jié)溫可高達(dá)200℃以上。但是，持續(xù)時間必須很短，以浪涌過后晶閘管仍具有規(guī)定的阻斷能力為條件。如果浪涌電流不是一個周波，而是幾個周波，要使其瞬態(tài)結(jié)溫不超過額定值，使浪涌電流通過后管子仍具有規(guī)定的阻斷能力，電流必須降額。且n越大，降額越大。這就是曲線的意義。該曲線對過載使用的線路具有特殊的意義。 晶閘管的I2t表示了其承受短時間（小于10ms）能量沖擊的能用，該參數(shù)對選擇保持電路及快速熔斷器有重要作用。保護(hù)電路的動作時間應(yīng)保證流過晶閘管的故障電流沖擊小于其額定值；快速熔斷器的應(yīng)在保證變流器連續(xù)工作情況下小于晶閘管的，否則不能保護(hù)晶閘管。曲線用于用戶設(shè)計保護(hù)電路和選擇快速熔斷器。 這兩種曲線，一般只是通態(tài)平均電流等于或大于200A時才給。 6．門極觸發(fā)范圍特性曲線 晶閘管的門極和陰極間實質(zhì)也存在一個PN結(jié)，但在門極端PN結(jié)之間有一個基區(qū)電阻與之串聯(lián)，因而門極特性實質(zhì)上是一個電阻與二極管串聯(lián)的電路特性。因為工藝參數(shù)的分散性，同一型號的晶閘管各管子間門極特性差異很大，分布在一個較大的區(qū)域范圍內(nèi)。 向峰值電流、門極正向峰值電壓、門極峰值功率、門極平均功率的限制，同時，溫度對觸發(fā)特性有明顯的影響。 雖然各個廠家給出的門極觸發(fā)范圍特性曲線的方式，圖形互有差異，但不管怎樣，它總要標(biāo)出一個區(qū)域，在該區(qū)域中任何一點（），在晶閘管所有工作溫度范圍內(nèi)，對同一型號的各個管子，均能可靠的、安全地觸發(fā)導(dǎo)通。特別是由于強觸發(fā)的廣泛應(yīng)用，該曲線使線路設(shè)計者有一明確的選擇范圍。 3.1.2 觸發(fā)電路 3.1.2.1集成塊過零觸發(fā)電路 晶閘管的觸發(fā)電路，以前往往由分立元件構(gòu)成，近年來，國內(nèi)已批量生產(chǎn)集成電路觸發(fā)器，既有移相觸發(fā)集成塊，又有過零觸發(fā)集成塊，我們在此介紹過零觸發(fā)集成電路觸發(fā)器。 器件是用于雙向晶閘管零電壓或零電流觸發(fā)的，可直接觸發(fā)50A的雙向晶閘管，外加功率擴展后可觸發(fā)200A或更大的雙向晶閘管。它與雙向晶閘管配合，可用于溫度控制，燈光閃爍，無觸點功率開關(guān)和交流電機控制等場合。 圖1-14是該器件的簡化原理圖。 圖1-14 一種集成塊過零觸發(fā)器內(nèi)部電路 ～與組成電源電壓過零檢測，～與組成負(fù)載電流過零檢測。W，用于自生直流電壓，它們與外接元件，，配合，在第14腳和第7腳間形成12～14V的直流電壓進(jìn)行比較。在零電壓工作狀態(tài)下，當(dāng)控制電壓較基準(zhǔn)電壓低時，截止，導(dǎo)通，在電源電壓過零點處，截止，差分放大器的發(fā)射極電流注入給的基極，使導(dǎo)通，第5腳輸出負(fù)脈沖。反之，當(dāng)控制電壓大于基準(zhǔn)電壓時，恒導(dǎo)通，的基極電流流入集電極，也恒導(dǎo)通，則無脈沖輸出。 作為一般使用時，第6腳與第7腳短接，由第5腳輸出，此時，它的負(fù)載能力是200mA。當(dāng)需要擴展輸出電流時，可在第5，6，7腳外接NPN晶體管（分別接基極，集電極，發(fā)射極）作電流放大。 第13腳是輸出脈沖控制端，當(dāng)它處于高電平時，恒導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖被旁路。當(dāng)用于零電流控制時，電壓過零部分不用（第一腳懸空），而將第10腳與第13腳相連，就能用負(fù)載電流信號控制輸出脈沖。 圖1-15零電壓開關(guān)具體應(yīng)用的一個例子。這是一個溫度控制電路。該電路在電源電壓過零點產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，稱為電壓過零觸發(fā)，只能用于電阻性負(fù)載。 該電路工作過程如下：電網(wǎng)電壓通過R2加到第一腳和第14腳之間，以檢測電源電壓過零點。第4，11，12腳相互短接，在第.4腳得到一個固定的電位。第2腳電位取決于熱敏電阻Rt與12kΩ電位器的分壓。Rt作為溫度反饋電阻，它的阻值隨溫度升高而降低，而第2腳的電位隨溫度的升高而升高。調(diào)節(jié)10k電位器即可改變溫度的設(shè)定值。當(dāng)被測溫度超過設(shè)定值時，第2腳電位高于第4腳電位，過零觸發(fā)脈沖消失；反之，被控溫度下降到設(shè)定值以下時，第2腳電位低于第4腳電位，雙向晶閘管重新得到觸發(fā)脈沖而導(dǎo)通。這樣，一個簡單的電路，就可完成無觸點兩位式溫度自動控制。 圖1-15 集成塊過零觸發(fā)器的具體應(yīng)用電路 3.1.2.2集成塊移相觸發(fā)電路 國內(nèi)晶閘管移相觸發(fā)集成塊有KJ004和KC-04系列，該器件適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作晶閘管的雙路脈沖移相觸發(fā)。KJ004器件輸出兩路相差180o的移相脈沖，可以方便得構(gòu)成全控橋式觸發(fā)電路。該電路具有輸出負(fù)載能力大，移相性能好，正負(fù)半周脈沖相位均衡性好，移相范圍寬，對同步電壓要求小，有脈沖列調(diào)制輸出等功能與特點。 該電路由同步檢測電路，鋸齒波形成電路，偏移電壓，移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電路原理圖1-16(a)，應(yīng)用實例見圖(b)，鋸齒波的斜率決定于外接電阻的R6、W1和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓Vy，只要改變權(quán)電阻R1，R2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏值電壓Vp，同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器W1，可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極型，即移相電壓增加，導(dǎo)通角越大。R7和C2的數(shù)值，可獲得不同的脈寬輸出，Kj004的同步電壓為任意值。同步串聯(lián)電阻R4的選擇按下式公式計算： 　　　　　　?。ǎ? 本電路采用16線封裝，16腳接正電源，8腳為同步電壓輸入端，7腳接地，9腳為比較放大輸入級，1腳為正脈沖輸出，15腳為負(fù)脈沖輸出，13，14腳可提供脈沖列調(diào)制和脈沖封鎖的控制端，各點波形見圖(c) 該電路電參數(shù)如下： 1．電源電壓：直流+15，-15V，允許波動％（時功能正常）。 2．電源電流：正電流15mA，負(fù)電流8mA。 3．同步電壓：任意值 4．同步輸入端允許最大同步電流：6mA（有效值）。 5．移相范圍：170o（同步電壓30V，同步輸入電阻15k）。 6．鋸齒波幅度：10V（幅度的鋸齒波出現(xiàn)平頂為準(zhǔn)）。 7．輸出脈沖：①400μs～2ms（通過改變脈寬阻容元件達(dá)到）。 　　　 ②幅度13V 　　　 ③最大輸出能力：100mA（流出脈沖電流） 　　　 ④輸出管反壓 圖1-16（a） KJ004原理圖 圖1-16（b） KJ004應(yīng)用實例 圖1-16（c） 各點波形 觸發(fā)器的抗干擾技術(shù) 晶閘管的觸發(fā)器一般用于大電流或高電壓的電力電子表設(shè)備中，所以工作現(xiàn)場的環(huán)境是惡劣的。常用的抗干擾措施如下： 1．對觸發(fā)跑器集成電路自身的工作電源與自身地之間，盡可能靠近觸發(fā)器集成電路并接去耦網(wǎng)絡(luò)。該去耦網(wǎng)絡(luò)一般為一個10uF左右的電解電容與一個0.1uF瓷片或滌綸電容并聯(lián)。 2．觸發(fā)器的電源進(jìn)線及輸出到脈沖功率放大電路的引線應(yīng)盡可能的短，并盡可能的是用雙絞線或同軸電纜屏蔽線。如采用帶有屏蔽層的絞線時，應(yīng)將屏蔽層接地。 3．觸發(fā)器輸出應(yīng)采用隔離措施，并且在輸出并聯(lián)200歐左右的電阻與一小電容以降低被觸發(fā)晶閘管門—陰極的電抗，防止誤觸發(fā)。 4．觸發(fā)器的門極電路與大電流的導(dǎo)線以及易產(chǎn)生干擾的引線之間保證足夠的距離。 5．每個晶閘管觸發(fā)器輸出與晶閘管門陰極只的引線，應(yīng)近可能單獨敷線、走線徑直，避免電感元件靠近門極電路。 6．