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1、第20讲 第17章 可控硅及其应用 17.1 晶闸管工作原理 17.2 晶闸管特性与参数 17.3 可控整流电路 17.4 触发电路 17.5 单结管触发的可控整流电路 17.6 晶闸管的其它应用 17.7 晶闸管的保护及其它类型 别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier ）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。 它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电 领域。 特点：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）。 应用领域： 整流（交流 直流） 逆变（直流 交流） 变频（交流 交流） 斩波（直流 直流） 此外还可
2、作无触点开关等。 晶闸管（Thyristor） 17.1 工作原理 1. 结构 P1 P2 N1 N2 四 层 半 导 体 K（阴极） G（控制极） A（阳极） PNPN四层半导体结构 三 个 PN 结 符号 A K G G K P1 P2 N1 N2 A P P N N N P A G K 2. 工作原理 阳极 阴极 控制极 A P P N N N P G K ig ig ig K A G T1 T2 等效为由二个三极 管组成 UGK UAK T1、T2都导通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然导通 RL (1)阳极A加反向电压，或不加 触发信号（即UGK= 0 ）。 可控硅导通的条件： （
3、1）阳极A加正电压 （2）控制极G加正的触发电压 可控硅截止的条件： (2)可控硅正向导通后，若令其关 断，必须减小UAK（或使UAK反 向），使可控硅中电流小于某 一最小电流IH （ IH称为维持电 流） A ig ig ig K G T1 T 2 UAK RL UGK A K G （1）晶闸管具有单向导电性。 若使其关断，必须降低 UAK 或加 大回路电阻，把阳极电流减小到 维持电流以下。 正向导通条件：A、K间加正向电 压，G、K间加正的触发信号。 晶闸管的工作原理小结 （2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。 17.2 特性与参数 1. 特性 U I IH IF IG=0时 有IG时
4、正向反向 U - 阳极、阴极间的电压 I - 阳极电流 UDSM 正向转折电压 截止 导通 导通后管压降约1V 额定正向 平均电流 维持电流 URSM 反向击穿电压 正向特性： 控制极开路时，随UAK的加大，阳极 电流逐渐增加。当U = UDSM（正向转折电压 ）时，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应 小于 UDSM 。 反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍 有增加，当 U = URSM （反向击穿电压）时 ，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小 于URSM。 (1) UDRM：正向阻断电压 晶闸管耐压值。一般取 UDRM = 80% UDSM （正向 转折电压）。 普通晶闸管UDRM
5、 为 100V-3000V 2. 主要参数 U I IH IF 额定 正向 平均 电流 UDSM 正向转折 电压 URSM 反向击穿电压 UDRM 控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向 重复电压。一般取URRM = 80% URSM（反向击穿 电压）。普通晶闸管URRM为100V-3000V） (2) URRM：反向峰值电压 U I IH IF 额定 正向 平均 电流 UDSM 正向转折 电压 URSM 反向击穿电压 UDRM URRM (3) IF：额定正向平均电流： 通用系列为： 1、5、10、20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等1
6、4种规格。 U I IH IF 额定 正向 平均 电流 UDSM 正向转折 电压 URSM 反向击穿电压 UDRM URRM 17.3 可控整流电路 1. 单相半波可控整流电路 (1) 电路及工作原理 u1 u2 uT uL A G K RL uG (2) 工作波形(设u1为正弦波) t u2 t uG t uL t uT ：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的导通路径： u2 (A) T1 RL D2 u2 (B) T1、T2 -晶闸管 D1、D2 -二极管 T1T2 D1 D2 RL uL u2
7、A B + - T1 、D2导通， T2 、D1截止 uG T2 RL D1u2 (A) u2 (B) u2 0的导通路径： T1、T2 -晶闸管 D1、D2 -晶体管 T1T2 D1 D2 RL uL u2 A B + - uG T2 、D1导通， T1 、D2截止 (2) 工作波形 t u2 t uG t uL t uT1 T1T2 D1D2 RL uL u2 A B + - (3) 输出电压及电流的平均值 = p p )( 1 L tduU L = p p )(sin2 1 2 ttdU L L L R U I= t uL 2 例：桥式可控整流电路中， U2=220V，RL=3,可控硅控
8、制 角=15180，求输出电压平 均值Uo的调节范围，以及可 控硅（包括二极管）的电流平 均值的最大值和承受的最大反 向电压。 T1T2 D1D2 RL uL u2 A B + - UL =191V， =15 =0V， =180 L L L R U I=191/3=64A UDRM= 2 2U 承受的最高反向电压: =311V 二、电感性负载桥式可控整流电路 该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的 电流、电压和电阻性负载类似。 u2 T1T2 D1 D2 D uL R L 两种常用可控整流电路的特点 电路 特点 1. 该电路只用一只晶闸管，且其 上无反向电压。 2. 晶闸管和负载上的电流
9、相同。 电路一： u2 T D2D1 D4 uL RL D3 T1 T2 D1 D2 u2 uL R L 电路 特点 1. 该电路接入电感性负载时，D1、D2 便 起续流二极管作用。 2. 由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。 电路二： 17.4 触发电路 1. 单结晶体管工作原理 结构等效电路 E （发射极） B2 （第二基极） B1 （第一基极） N P E B2 B1 RB2 RB1 管内基极 体电阻 PN结 工作原理： 当uE UP = UA+UF 时 PN结反偏，iE很小； 当 uE UP 时 PN结正向导通, iE迅 速增加。 - 分压比 (0.35
10、0.75) UP - 峰点电压 UF - PN结正向 导通压降 B2 E RB1 RB2 B1 A UBB iE uE 2. 单结晶体管的特性和参数 iE uE UV UP IV UV、IV -谷点电压、电流 （维持单结管导通的最小 电压、电流。） UP- 峰点电压 （单结管由截止变导通 所需发射极电压。） B2 E RB1 RB2 B1 A UBB iE uE uEUP 时单结管导通 E B2 B1 N P 单结晶体管符号 单结晶体管符号 3. 单结晶体管振荡电路 uC t t uo uv uP 振荡波形 R R2 R1 C U uC uO E B1 B2 (1) 电路组成 (a) uE =
11、 uC UP 时，单结管不导通，uo 0。 (2)振荡过程分析 IR1 R1、R2是外加的，不同于内 部的RB1、RB2。前者一般取 几十欧几百欧； RB1+RB2 一般为215千欧。 此时R1上的电流很小，其值为： R R2 R1 C U uC uO E B1 B2 (b) 随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC UP 时，单结 管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。 R2起温度补偿作用 UP UV UP、UV- 峰点、谷点电压 E R2 R1 R C U uC uO uC t uo t (c) 电容放电至 uc uv时， 单结管重新关断，使 uo0。 17.5 单结管触发的可控整
12、流电路 一、电路 u1 R2 R1 a RP C uc u2 R b c d e DZ T1T2 D1D2 uL RL u3 触 发 电 路 主电路 二、波形关系 u2 uab UZ ucb 削 波 整 流 UZ a u2 R b c DZ UZ 整流稳压电路部分 UZ 削 波 ucb udb UP UV ueb 电容充、放电 UP-UD 触 发 脉 冲 UZ R1 R2 RP C uc c d e DZ b 单结晶体管电路部分 u3 uL输出电压 ueb 触发脉冲 可控硅桥式整流电路部分 u3 T1T2 D1D2 uL RL b e ueb 1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路和触 发电
13、路为什么接在同一个变压器上？ 问题讨论 u1 R2 R1 a RP C uc u2 R b c d e DZ T1T2 D1D2 uL RL u3 2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管 ？ u1 R2 R1 a RP C uc u2 R b c d e DZ T1T2 D1D2 uL RL u3 3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起 作用？其移相范围（即控制角 的变化范 围）有多大？ ueb 触发脉冲 2 4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？ u1 R2 R1 a RP C uc u2 R b c d e DZ T1T2 D1D2 uL RL u3 1. 单结管触发的可控 整流电路
14、中，主电 路和触发电路为什 么接在同一个变压 器上？ 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 uab 整 流 ucb 削 波 UZ udb u3 ueb uL 2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？ 稳压管的作用是：将整流 后的电压变成梯形（ 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。 UZ R1 R2 RP C uc c d
15、 e DZ b udb UP UV ueb 3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用 ？其移相范围（即控制角 的变化范围）有多 大？ 根据单结管的特性，它一旦触发导通，在 阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发 信号，仍能维持导通状态。因此，每半个 周期中只有一个触发脉冲起作用。 触发脉冲移相范围的计算 f电源电压的频率 R2 R1 a RP C uc u2 R b c d e DZ ude t 4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？ RP 电容充电速度变慢 uL 电压的调节 电压的计算 UL 17.6 晶闸管的其他应用 拨盘式密码锁控制电路 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1
16、1 12 拨盘 开锁 继电器 按钮 UCC J T3 T2 T1 S D1 D2 R 工作原理 根据晶闸管的特性分析可知 ，开锁时三个晶闸管的工作 顺序应该是：T1T2T3。否 则T3或T2将因阳极和阴极间 加不上电压而不导通，继电 器线圈不通电，锁打不开。 1. 开锁时晶闸管工作情况 UCC T3 T2 T1 J D1 D2 T1导通时 的路径 T1导通时的路径如图中 虚线，此时发光管D2导 通，给出指示信号。 锁 打 开 2. 开锁过程 根据开锁 时三只晶闸管 导通顺序的要 求以及 图中 连线，可知开 锁过程如下： 拨盘拨至10T2导通按下S T3导通拨盘拨至2按下S 拨盘拨至7按下ST1导通 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 UCC J T3 T2 T1
