晶闸管及其应用电工学

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1、第20章 晶闸管及其应用,20.1 晶闸管,20.2 可控整流电路,20.3 晶闸管的保护,20.4 单结晶体管触发电路,20.5 应用举例,本章要求,1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特 性和主要参数。 2. 理解可控整流电路的工作原理、掌握电 压平均值与控制角的关系。 3. 了解单结晶体管及其触发电路的工作原 理。,第20章 晶闸管及其应用,晶闸管 （Silicon Controlled Rectifier） 晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功 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。 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于

2、整流、逆变、 调压及开关等方面。,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,20.1 晶闸管,20.1.1 基本结构,G,晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。,(c) 结构,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,20.1.2 工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶闸管导通后，去掉EG ， 依靠正反馈，仍可维持导通状态。,20.2.2 工作原理,G,EA 0、EG 0,K

3、,晶闸管导通的条件：,1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反相电压。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向转折电压,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,20.1.3 伏安特性,20.1.4 主要参数,UFRM:,正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加

4、在晶闸管两端的正向峰值电压。 一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V,如果正弦半波电流的最大值为Im, 则,普通晶闸管IF为1A 1000A。,UF: 通态平均电压（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、阴极间的电压平均值。 一般为1V左右。,IH: 维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。 一般IH为几十 一百多毫安。,UG、IG：控制极触发电压和电流 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1到5V，IG为几十到几百毫安。,晶闸管

5、型号及其含义,导通时平均电压组别 共九级, 用字母AI表示0.41.2V,额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者,额定正向平均电流(IF),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。,20.2 可控整流电路,20.2.1 单相半波可控整流 1. 电阻性负载,(1) 电路,u 0 时： 若ug = 0，晶闸管不导通，,u 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通, uo = 0, uT = u ，故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导 通，,(2) 工作原理,t1,u 0 时: 可控硅承受反向电压不导通,即：晶闸管反向阻断,加触发信号，晶闸管承受正向电

6、压导通,u 0时:,O,接电阻负载时 单相半波可控整流电路电压、电流波形,动画,控制角,t1,O,t2,2,导通角,(3)工作波形,(4)整流输出电压及电流的平均值,由公式可知：,改变控制角，可改变输出电压Uo。,2. 电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。,在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。,O,t1,t2,2,2) 工作波形(未加续流二极管),u 0时： D反向截止，不影响整流电路工作。,3.电感性负载(加续

7、流二极管),+,(1) 电路,(3)工作波形(加续流二极管),iL,2,20.2.2 单相半控桥式整流电路,1. 电路,2. 工作原理,T1和D2承受正向 电压。 T1控制极加触发电压, 则T1和D2导 通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,T2和D1承受正向 电压。 T2控制极加触发电压, 则T2和D1导 通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,3. 工作波形,2,动画,4. 输出电压及电流的平均值,两种常用可控整流电路,电路 特点,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

8、上的电流相同。,(1),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),20.2.3 三相半波可控整流电路,动画,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。,20.2.4 三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1. 电路,动画,20.3 晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。 晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏； 晶闸管耐受过电压的能力极差，电压超过其反向击

9、穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,20.3.1 晶闸管的过流保护,1. 快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸 管串联,接在输入端,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,2. 过流继电器保护,3. 过流截止保护,在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。当电路发生过流故障时，检测电路控制触发脉冲迅速

10、后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,2. 硒堆保护,20.3.2 晶闸管的过压保护,1. 阻容保护,利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压 的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电 阻中消耗掉。,硒堆保护 (硒整流片),晶闸管元件 的阻容保护,20.4 单结晶体管触发电路,20.4.1 单结晶体管结构及工作原理 1.结构,PN结,N型硅片,(a) 示意图,单结晶体管结构示意图及其表示符号,2. 工作原理, UE UBB+UD = UP 时,PN结反偏，IE很小；,PN结正向导通, IE迅速增加。, 分压比(0.5 0.9),测量单结晶体管的实验电路,由图可求得,3

11、 .单结晶体管的伏安特性,Ip,IV,负阻区：UEUP后， 大量空穴注入基区， 致使IE增加、UE反 而下降，出现负阻。,1. UE UP时单结管截止；,UE UP时单结管导通， UE UV时恢复截止。,单结晶体管的特点,2.单结晶体管的峰点电压UP与 外加固定电压UBB及分压比 有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电 压UP不同。,3. 不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都 不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用 稍大一些， UV稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。,20.4.2 单结晶体管触发电路,1. 振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路,单结晶体管弛张 振荡电

12、路利用单结管 的负阻特性及RC电路 的充放电特性组成频 率可调的振荡电路。,2. 振荡过程分析,设通电前uC=0。,接通电源U, 电容C经电阻R充电。电容电压uC逐渐升高。,当uC UP时,单结管导通,电 容C放电,R1上得到一脉冲电压。,电容放电至 uC Uv时，单结管重新关断，使ug0。,(a),(b),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。,(c) 电压波形,20.4.3 单结管触发的半控桥式整流电路,1. 电路,2. 工作原理,(1)整流削波,削 波,整流,(2) 触发电路,t,(3) 输出电压uL,O,O,问 题 讨 论,1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路

13、和触发 电路为什么接在同一个变压器上？,目的：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。,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。,3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？ 如何改变控制角？,根据晶闸管的特性，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

14、状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。,改变充电时间常数即可改变控制角。 控制角变化的范围称为移相范围。,4. 电压的调节,单结晶体管触发电路,输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可 通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间 允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲 变压器副边串联二极管D1, 可将反向电压隔开，而 并联D2，可将反向电压短路。,使用脉冲变压器的触发电器,20.5 应用举例,1. 电瓶充电机电路,该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单， 具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。,工作原理,R2 、RP、 C 、T1 、 R3 、 R4 构成了单结晶体

15、管触发电路。,当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。,当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。,触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D和电阻R1来完成的。,交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电。,交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2 、 RP向C充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电 电流。,2. 双向晶闸管,特点：,相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。,符号：,通过控制电压的控制可实现双向导通。,UA1UA2时，控制极相对于A2加正脉冲， 晶闸管正向导通，电流从A1流向A2。,UA2UA1时，控制极相对于A2加负脉冲， 晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。,交流调压电路,双向二极管： 只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,双向二极管,