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1、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 此外还可作无触点开关等 晶闸管 Thyri
2、stor 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 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
3、 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 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
4、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 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 UD
5、RM 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14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
6、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 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
7、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 可控硅控制 角 15 180 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
8、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
9、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 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
10、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 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2 15千欧 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
11、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 uo 0 17 5 单结管触发的可控整流电路 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
12、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
13、 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
14、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 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
15、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 11 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 T1 T2 T3 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
16、 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 S D1 D2 R 此密码锁的开锁密码是 7 10 2 结论 改换密码号的办法 变更拨盘和晶闸管控制极 的连线 防止长期按下按钮以拨动拨盘而自动开锁的办 法 将拨盘中的某几个点接地 使拨盘转到该 点时 按钮按下后通过电阻 R 支路产生较 大分流 使晶闸管中的电流降低到最小维持电 流以下 迫使其关断 从而防止琐被打开 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 UCC J T3 T2 T1 S D1 D2 R 17 7 晶闸管的保护及其它类型 1 晶闸管的保护 晶闸管承受过电压的能力极差 电压超过其反向 击穿电压时 即使时间极短 也容易损坏 正向电压超过转折电压时 会产生误导通 导通后的电流较大 使器件受损 晶闸管的主要缺点 过流 过压能力很差 晶闸管的热容量很小 一旦过流 温度急剧上 升 器件被烧坏 例如 一只100A的晶闸管过电流为400A时 仅允许持续0 02秒 否则将
