可控硅工作原理与应用

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1、(10-1),电子技术,第十章 晶闸管及其应用,模拟电路部分,(10-2),第十章 晶闸管及其应用,10.1 工作原理 10.2 特性与参数 10.3 可控整流电路 10.4 触发电路 10.5 单结管触发的可控整流电路 10.6 晶闸管的其它应用 10.7 晶闸管的保护及其它类型,(10-3),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

2、 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（Thyristor）,(10-4),10.1 工作原理,10.1.1 结构,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,(10-5),符号,A,K,G,10.1.2 工作原理,示意图,(10-6),ig,ig,等效为由二个三极管组成,(10-7),1. UAK 0 、UGK0时,T1导通,ig = ib1,ic1 = ig = ib2,ic2 =ib2 = ig = ib1,T2 导通,形成正反馈,晶闸管迅速导通,T1 进一步导通,2. 晶闸管导通后，去掉UGK,依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状

3、态。,(10-8),(1) 晶闸管开始工作时 ，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK = 0 ）。,3. 晶闸管截止的条件：,(2) 晶闸管正向导通后，令其截止的方法：,减小UAK，使晶闸管中电流小于某一值IH。,加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值IH时，正反馈效应不能维持。,IH：最小维持电流,(10-9),（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，控制极失去作用。,(10-10),10.2 特性与参数,10.2.1

4、特性,IG1=0A,IG2,IG3,正向,反向,导通后管压降约1V,额定正向平均电流,维持电流,(10-11),正向特性： 在阳极和阴极间加正向电压。,UDSM：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。,随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U = UDSM时，PN结N1P2反向极击穿，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应小于 UDSM 。,若在G和K间加正向电压：UGK越大，则UDSM越小。,控制极开路时： PN结P1N1、P2N2正向偏置，N1P2反向偏置，晶闸管截止。,UGK足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。,(10-12),随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U = URS

5、M 时，反向极击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。,反向特性： 在阳极和阴极间加反向电压。,这时PN结P1N1、P2N2反向偏置，N1P2正向偏置，晶闸管截止。,URSM ：反向不重复峰值电压。,(10-13),1. UDRM：断态重复峰值电压,晶闸管耐压值。一般取 UDRM = 80% UDSM 。 普通晶闸管UDRM 为 100V-3000V,10.2.2 主要参数,(10-14),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。普通晶闸管URRM为100V-3000V）,2. URRM：反向重复峰值电压,(10-15),ITAV含义,3.

6、 ITAV：通态平均电流,环境温度为40。C时,在 电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电角不小于170o的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管 ITAV 为1A-1000A。）,(10-16),额定通态平均电流即正向平均电流。,通用系列为：,1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14种规格。,(10-17),4. UTAV ：通态平均电压,6. UG、IG：控制极触发电压和电流,管压降。在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、 阴两极间的电压平均值。一般为1V左右。,5. IH：最小维持电流,在室温下，控制

7、极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。,在室温下， 阳极电压为直流 6V 时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。一般UG为 15V，IG 为几十到几百毫安。,(10-18),晶闸管型号,通态平均电压（UTAV）,额定电压级别（UDRM）,额定通态平均电流 （ITAV）,晶闸管类型 P-普通晶闸管 K-快速晶闸管 S -双向晶闸管,晶闸管,(10-19),晶闸管电压、电流级别：,额定通态电流（ITAV）通用系列为,1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14种规格。,额定

8、电压（UDRM）通用系列为：,1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的 每200V 为一级。,通态平均电压（UTAV）等级一般用 A I字母表示：,由 0.4 1. 2V每 0.1V 为一级。,(10-20),10.3 可控整流电路,10.3.1 单相半波可控整流电路,一、电阻性负载,1. 电路及工作原理,(10-21),2. 工作波形(设u1为正弦波), ：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。,(10-22),晶闸管承受的最高反向电压:,(

9、10-23),3. 输出电压及电流的平均值,(10-24),4. 晶闸管的选择,器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，晶闸管电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值（ITAV）。,电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：,(1) 电流的选择,(10-25),平均值：,有效值：,不同 下有效值和平均值之比：,(10-26),晶闸管电流选择步骤：,1. 计算给定 下的 通态电流平均值 ITAV,2. 查表（或计算）相应的电流有效值 IT,3. 计算 IT对应的正弦半波电流平均值 ITAV,5. 选晶闸管的电流额定值,(10-27),

10、(2) 晶闸管电压选择步骤,根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：,UDRM = URRM =（1 .5 2）U2M,其中1.5 2为安全系数,根据UDRM 、URRM 选取晶闸管电压的额定值。,(10-28),5. 晶闸管的功率因数,在半波可控整流电路中，由于输出信号为非正弦，即使是电阻性负载，功率因数也不等于1。其值为：,式中：IL=IT,例：设 =60，则：,代入上式得：,(10-29),计算举例,则,设,= 37.2V,(10-30),选晶闸管,22.3 1.5 = 33.5 (A),= 233(V),可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管,(10-31

11、),二、电感性负载,1. 电路及工作原理,设u1为 正弦波,u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，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，失去单向导电作用。,解决办法：加续流二极管D，用于消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断。,(10-32),2. 工作波形,(1) 不加续流二极管,(10-33),(2) 加续流二极管,(10-34),3. 电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况）,(1) 负载中的电压及电流,当L R 时， ILAV 在整个周期中可近似看做直流。,(2) 晶闸管的中电流,平均值:,有效值:,(10-35),4. 晶闸管的选择,晶闸管电压 （1.5 2）U

12、2M,晶闸管电流, （1.5）,(10-36),10.3.2 单相全波可控整流电路,一、电阻性负载桥式可控整流电路,1. 电路及工作原理,T1、T2 -晶闸管,D1、D2 -晶体管,(10-37),2. 工作波形,(10-38),3. 输出电压及电流的平均值,(10-39),例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求输出电压平均值UL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。,=191/3=64A,承受的最高反向电压:,(10-40),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

13、电阻性负载类似，请自行分析。,(10-41),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。,(10-42),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：,(10-43),带反电动势负载的可控整流电路,1. 该电路的工作过程。,2. 画出uL、iL的工作波形。,(10-44),10.4 触发电路,10.4.1 单结晶体管工作原理,(10-45),工作原理：,当uE U

14、A+UF = UP 时,PN结反偏，iE很小；,当 uE UP 时,PN结正向导通, iE迅速增加。,(10-46),10.4.2 单结晶体管的特性和参数,负阻区,uEUV 时单结管截止,uEUP 时单结管导通,(10-47),UEUP 后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻RB1 0，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。,负阻区存在的原因：,(10-48),1. UEUV 时单结管截止；,2. UEUP 时单结管导通。,(10-49),10.4.3 单结晶体管振荡电路,一、振荡过程分析,(10-50),1. uE = uC UP 时，单结管不导通，uo 0。,R1、R2是外加的，不同于内 部

15、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：,(10-51),2. 随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC UP 时，单结管导通， RB1 0 。然后电容通过R1放电，当放电至 uc UV 时，单结管重新关断，使 uo0。R1上便得到一个脉冲电压。,R2起温度补偿作用,UP、UV- 峰点、谷点电压,UF -PN结正向导通压降,(10-52),振荡波形：,(10-53),*二、振荡周期与脉冲宽度的计算,T振荡周期；tw 脉冲宽度。,设T1=T-tw,uC上升阶段：,t=T1时，uC=UP,(10-54),因为UV E，且,(10

16、-55),uC下降阶段：,t=tw时，uC=UV,脉冲宽度,(10-56),周期,注意：R 值不能选的太小，否则单结管不能 关断，电路亦不能振荡。,R太小，uC下降阶段：,(10-57),10.5 单结管触发的可控整流电路,可控整流电路中，触发电路必须与主电路同步。,若不同步：,可控硅的导通角不定。,(10-58),一、电路,主电路,触发电路,(10-59),二、波形关系,整流稳压电路部分,(10-60),单结晶体管电路部分,(10-61),可控硅桥式整流电路部分,(10-62),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,(10-63),2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？,(10-