1,第十三章 晶闸管及其应用,13. 1晶闸管 13. 2可控整流电路 13. 3晶闸管的保护 13. 4晶闸管的触发电路 13. 5晶闸管应用举例,2,13.1晶闸管,下一页,13. 1.1晶闸管的结构 晶闸管是具有四层结构(PNPN),三端引出线的半导体器件，外形有两种形式:螺栓形和平板形，如图13. 1所示在螺栓形晶闸管中，螺栓一端是阳极(或正极)A，使用时将该端用螺母固定在散热器上;另一端有两条引线:粗引线是阴极(或负)K，细引线是控制极GO平板形晶闸管的两血分别是阳极和阴极，中间引出线是控制极，其散热是用两个互相绝缘的散热器把器件夹在中间，由于散热效果较好，容量较大的晶闸管都采用平板形结构 晶闸管的图形符号也示在图13. 1中返回,3,图13.1 晶闸管的外形与图形符号,,返回,4,13.1晶闸管,下一页,13. 1. 2晶闸管的工作原理 晶闸管的管芯是由P型和N型半导体交替叠成的PNPN四层元件，中间形成了三个PN结J, J和J，如图13. 2 ( a)所示为了便于分析，将晶闸管等效地看成两个三极管，一个是PNP型管T，另一个是NPN型管T即中间两层半导体为两管共有，每只晶闸管的集电极都与另一只晶闸管的基极连在一起。
下面结合图13. 2，从四个方面来说明晶闸管的工作原理返回,上一页,5,13.1晶闸管,下一页,1.晶闸管的阻断状态 当晶闸管的阳极和阴极间加上正向电压时，即阳极接外加电压正端，阴极接外加电压负端，会使J, J两个PN结都处于正向偏置，而中间的PN结却处于反向偏置，故晶闸管不导通从图13. 2 ()可看出，这时虽然两管都因发射结正偏、集电结反偏而处于可能的放大状态，但由于无信号输入(开关S断开)，故晶闸管仍处于阻断状态晶闸管的这种状态称为正向阻断状态返回,上一页,6,图13. 2晶闸管工作原理示意图,,返回,7,13.1晶闸管,下一页,当晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，即阳极接外加电压负端，阴极接外加电压正端，此时中间的PN结处于正向偏置，而J和J两个PN结处于反向偏置，晶闸管也不导通从图13.2 ()也可看出，这时两管都不具备放大工作条件，所以无论控制极是否加电压都不能使晶闸管导通晶闸管的这种状态称为反向阻断状态 由此可见，晶闸管正、反向都具有阻断能力，这一点是普通二极管所没有的 2.晶闸管的导通状态 如图13.2 ()所示，由于晶闸管等效电路中一个三极管的集电极同时又是另一管的基极，这种结构形成了内部的正反馈联系。
返回,上一页,8,13.1晶闸管,下一页,在晶闸管加上正向电压时，如果控制极也加上足够的正向电压(开关S闭合)，则有电流I从控制极流入NPN管的基极NPN管导通后，其集电极电流流入PNP管的基极，并使其导通，于是该管的集电极电流，又注入NPN管的基极如此往复循环，形成强烈的正反馈过程，导致两个三极管均饱和导通，结果使晶闸管迅速地由阻断状态转为导通状态这一过程可表示为 （）,返回,,,,,上一页,9,13.1晶闸管,下一页,这就是晶闸管在正向阳极电压和正向控制极电压作用下导通的基本原理导通时饱和电流I由阳极电源电压U和负载电阻来决定，即 （.） 3晶闸管导通后，控制极失去控制作用 晶闸管一旦导通，由于强烈的正反馈，已经有了比控制极电流I大许多倍的电流I输入NPN管的基极，这时即使断开开关S(=0 )晶闸管仍能继续保持导通状态可见晶闸管是一种只能控制其导通，而不能控制其关断的半控型器件返回,上一页,10,13.1晶闸管,下一页,4.晶闸管的关断 下述两种情况，均可将导通的晶闸管关断 (1)将阳极电压变为反向，使两管都立即处于反向电压作用下而关断 (2)减小阳极电压或增大负载电阻L，根据式(13. 1 )，电流减小，当减小到某一数值以下时，晶闸管也能关断。
这是因为，晶闸管与普通三极管不同，它的四层半导体都较厚，电子空穴的复合作用强，即、都比较小;而且值还随电流的减小而降低，所以当减小到使乘积小于1时，就破坏了正反馈的幅值条件，导致晶闸管关断返回,上一页,11,13.1晶闸管,下一页,综上所述可知: (l)欲使晶闸管导通需具备两个条件:一是应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压;二是应在晶闸管的控制极与阴极之间也加上正向电压和电流 (2)晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件 (3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到维持电流以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实现返回,上一页,12,13.1晶闸管,下一页,13. 1. 3晶闸管的伏安特性 晶闸管的伏安特性是指它的阳极电压U与阳极电流之间的关系曲线在=0的情况下，晶闸管的伏安特性曲线如图13. 3所示 当晶闸管的阳极加正向电压、控制极不加电压时，晶闸管只有很小的漏电流流过只要外加电压小于正向转折电压 ，虽然随着阳极正向电压的增加，正向漏电流也逐渐增加，但仍保持阻断状态，如图13. 3中正向曲线的下部返回,上一页,13,13.1晶闸管,下一页,当外加阳极电压增至时，PN结J击穿，阳极电流I、突然急剧增大，说明晶闸管已从阻断状态突变为导通状态。
如图13. 3所示，晶闸管导通后的正向特性与二极管的正向特性相似，即管压降很小(约1 V)，特性曲线靠近纵轴，而且很陡 正常工作时，晶闸管不是在0的情况下导通，因为这样容易损坏晶闸管如果在控制极上加触发电流就会使晶闸管在较低的阳极电压下触发导通控制极电流越大，相应的转折电压越低，如图13. 3中和的相应曲线当控制极电流足够大时，只要有很小的阳极正向电压，就能使晶闸管由阻断转为导通返回,上一页,14,图13.3晶闸管的伏安特性,,返回,15,13.1晶闸管,下一页,当晶闸管外加反向的阳极电压时，控制极不起作用，其反向伏安特性与二极管的反向特性相似，晶闸管始终处于反向阻断状态，只流过很小的反向漏电流当反向电压增大至反向 转折电压时，反向漏电流突然急剧增大，即晶闸管被反向击穿晶闸管反向击穿后便永久性损坏了返回,上一页,16,13.1晶闸管,下一页,13. 1. 4晶闸管的主要参数 1.额定正向平均电流IF 在环境温度小于40 0C，标准散热和全导通条件下，晶闸管阳极与阴极间能连续通过的工频正弦半波电流的平均值，称为额定正向平均电流，简称正电流通常所说的“多少安 的晶闸管”，就是指这个电流 2.正向阻断峰值电压UDRM 控制极开路，晶闸管正向阻断的条件下，晶闸管两端能够重复承受的正向峰值电压，称为正向阻断峰值电压，用符号DM表示。
平常所言“多少伏的晶闸管”，就是指它的RM值返回,上一页,17,13.1晶闸管,3.反向阻断峰值电压URRM 控制极开路时，晶闸管能够重复承受的反向峰值电压，称为反向阻断峰值电压，用符号表示通常- 4.维持电流IH 室温下，控制极开路，维持元件导通所需的最小电流，称为维持电流，用符号IH表示IH一般为几十至一百多毫安 此外，晶闸管还有控制极触发电压和触发电流，控制极反向峰值电压等参数返回,上一页,18,13. 2可控整流电路,下一页,13. 2.1单相半波可控整流电路 将第12章中学过的单相半波可控整流电路中的二极管D用晶闸管代替，就成为单相半波可控整流电路，如图13. 4(a)所示 晶闸管未导通时，回路不通，若忽略漏电流，负载L上的电流、电压均为零此时晶闸管承受的正、反向电压分别等于交流电源的正、负半波的幅值U2 (设变压器副边电压sint这是选管时应考虑的耐压值，同时还应留有余量，常选为该值的1 .5一2倍返回,,19,13. 2可控整流电路,下一页,在晶闸管承受正向电压的某一时刻，例如时，控制极加上短时间的电流，则晶闸管导通，负载上得到电压和电流，L和L的波形如图13. 4 ()所示。
称为触发脉冲，a称为控制角，又称移相角 当输入电压减小到近似为零时，由于正向电流小于维持电流IH ,VS关断当输入电压为负半周时，晶闸管因承受反向电压而关断，L和L均为零在这种情况下，晶闸管的相角为=-，称为导通角负载上得到的电压仅为输入电压的一部分，如图13. 4 ()所示返回,上一页,20,图13. 4单相半波可控整流,,返回,21,13. 2可控整流电路,下一页,显然，负载上的电压和电流与控制角有关，控制角越小，导通角越大，负载电压、电流的平均值也越大因此，改变控制角a的大小，或者说，控制电压的移相，就能改变输出电压值，达到调压的日的 13. 2. 2单相半控桥式整流电路 单相半控桥式整流电路如图13. 5 ( a)所示，图中1和2两端钮表示变压器副边输出端显然，该电路与已学过的单相桥式整流电路相比较，区别只是用二只晶闸管代替了其中的两个二极管返回,上一页,22,13. 2可控整流电路,下一页,当输人电压为正半周时，正向阳极电压加在晶闸管VS，和二极管D上如果在t=时，触发VS使其导通，电流通路为1VSRLD221，如图13. 5 (a)中实线箭头所示这时VS和D均因承受反向电压而截止。
当输人电压i，为负半周时，VS和D承受正向电压，也在负半周的相应时刻()时，触发VS，使其导通，电流通路为2VSRD 12，如图13.5 ( a)中虚线箭头所示此时VS和D截止负载L上的电压和电流的波形及晶闸管VS、VS上的电压波形如图13.5 ()所示 从图13.5 ()中可见，和L的波形相似，这是负载为电阻的缘故返回,上一页,23,图13. 5单相半控桥式整流,,返回,24,13. 2可控整流电路,为保证电路安全可靠地运行，要考虑足够的安全系数，通常选取晶闸管的U与PRF分别等于和U的1. 5一2倍因此，晶闸管可选用3 CT15-6(15 A , 600 V)，二极管 选用10 A , 300 V，如2CZ10/300因为二极管的最高反向工作电压一般是取反向击穿电压的一半，故选300 V足够了返回,上一页,25,13. 3晶闸管的保护,下一页,13.3.1晶闸管发生过电流的原因及其保护 晶闸管发生过电流的主要原因有:负载端过载或短路、元器件被击穿短路、误导通等由于晶闸管结层的热容量很小，一旦发生过电流，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元器件损坏为避免过电流的袭击，需采用能迅速切断电路的快速动作的保护器，如快速熔断器、快速过电流继电器等。
快速熔断器是保护过电流的最简便的电器它接入电路有三种方式:接在交流输入端;接在直流输出端;与晶闸管串联，如图13. 6电路中的 FU 熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作电流的有效值，而不是按所保护的元器件的电流定额(平均值)选取返回,26,图13. 6快速熔断器在可控整流电路中的位省,,返回,27,13. 3晶闸管的保护,13.3.2晶闸管发生过电压的原因及其保护 引起晶闸管过电压的主要原因，一般是由于感性负载电路的通断、电源电压的波动、熔断器的烧断、雷击时的浪涌电压等这种过电压的作用时间极短所谓过电压保护，实质上就是设法消除这种短时间的过电压阻容保护是元件过电压保护的最基本方法，因电容元件两端的电压是不能突变的，利用它来吸收过电压，可将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉这种RC串联电路作为过电压保护，称为阻容吸收回路阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧(输入端)、直流侧(输出端)或元件侧，如图13. 7所示返回,上一页,28,图13.7阳客吸收电路整流电路中的价置,,返回,29,13. 4晶闸管的触发电路,下一页,13. 4.1单结晶体管 单结晶体管亦称双基极二极管，其外形与普通三极管相似。
图13. 8 (a)所示为单结晶体管的结构示意由图可见，它只有一个PN结，但有三个电极，分别称为发射极、第一基极B和第二基极B 单结晶体管的伏安特性曲线如图13. 8 ( c)所示由图可见，曲线上有两个突变点:峰点P和谷点V，对应的电压和电流分别称为峰点电压U、谷点电压U,峰点电流I和谷点电流I这两点将曲线分。