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1、数电06晶闸管及其应用Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望 晶闸管是一种大功率的半导体器件，主要晶闸管是一种大功率的半导体器件，主要用于整流（将交流电转换为直流电）、逆变用于整流（将交流电转换为直流电）、逆变（将直流电转换为交流电）、调压、开关等四（将直流电转换为交流电）、调压、开关等四个方面。个方面。 晶闸管的出现不仅使半导体器件从弱电领晶闸管的出现不仅使半导体器件从弱电领域进入了强电领域，而且用晶闸管构成的电能域进入了强电领域，而且用晶闸管构成的电能转换或控制设备，具
2、有体积小、重量轻、效率转换或控制设备，具有体积小、重量轻、效率高、无噪声、使用寿命长等许多优点。高、无噪声、使用寿命长等许多优点。1 晶闸管晶闸管1 基本结构基本结构P1N1P2N2J1J3J2阳极阳极A阴极阴极K控制极控制极GAKGJ1、J2、J3为三个为三个 PN结结表示符号表示符号2 工作原理工作原理P1N1P2N2J1J3J2AKGAKGP1N1P2N2P2N1AKGT1T2P1N1P2N2J1J3J2AKG 当当G端未加电压时，端未加电压时，A、K之之间无论加正向电压或反向电压，间无论加正向电压或反向电压，其中三个其中三个PN结至少有一个处于反结至少有一个处于反向偏置，所以晶闸管不会
3、导通，向偏置，所以晶闸管不会导通，相当于一个开关的断开状态，称相当于一个开关的断开状态，称为阻断。为阻断。 晶闸管区别于二极管就是其晶闸管区别于二极管就是其具有正、反向阻断能力，而二极具有正、反向阻断能力，而二极管只具有反向阻断能力。管只具有反向阻断能力。 若若G、K之间和之间和A、K之间都加正向之间都加正向电压，晶闸管就由电压，晶闸管就由阻断变为导通，相阻断变为导通，相当于一个开关的闭当于一个开关的闭合状态。合状态。IG放大放大 2IG 1 2IG放大放大再放大再放大 由于正反馈，由于正反馈，T1、T2迅速进入饱和迅速进入饱和导通状态，晶闸管导通状态，晶闸管导通。导通。AKGT1T2IG 2
4、IG 1 2IGEARAEGIAIK 晶闸管导通之后，晶闸管导通之后，流入流入T2管的基极电流管的基极电流远比最初的控制极电远比最初的控制极电流流IG大得多。这时即大得多。这时即使断开使断开 G、K之间电之间电压，也不会影响晶闸压，也不会影响晶闸管的导通状态。所以管的导通状态。所以晶闸管一旦导通，其晶闸管一旦导通，其控制极便失去控制作控制极便失去控制作用。用。AKGT1T2IG 2IG 1 2IGEARAEGIAIK晶闸管导通之后晶闸管导通之后 要使晶闸管由要使晶闸管由导通变为阻断，只导通变为阻断，只要断开要断开G、K之间电之间电压，同时降低压，同时降低A、K之间正向电压或使之间正向电压或使正
5、向电压变为反向正向电压变为反向电压。电压。AKGT1T2IG 2IG 1 2IGEARAEGIAIKP1N1P2N2J1J3J2AKG 注意：注意： 如果如果A、K之间正向电之间正向电压过高，即使压过高，即使G、K之间无之间无加正向电压，晶闸管也可加正向电压，晶闸管也可能导通，造成误动作。能导通，造成误动作。 如果如果A、K之间反向电之间反向电压过高，超过一定数值，压过高，超过一定数值，会使管子反向击穿，造成会使管子反向击穿，造成永久性破坏。永久性破坏。3 伏安特性伏安特性AKGT1T2IAIG正向正向转折转折电压电压IFIHACIG1IG2UBOUFRMOURRMUBR U+-+BIAUAK
6、IG=0反向反向击穿击穿电压电压OA段：段： IG=0时，晶闸管正向阻断，只有很小的正向漏电流。当时，晶闸管正向阻断，只有很小的正向漏电流。当UAK=UBO时，晶闸管正向击穿，工作点迅速由时，晶闸管正向击穿，工作点迅速由A点到点到B点再到点再到C点。点。这时有可能造成永久性击穿，应避免发生。这时有可能造成永久性击穿，应避免发生。 IG 0时，时， IG越大，晶闸管由阻断转为导通的转折电压越小。越大，晶闸管由阻断转为导通的转折电压越小。AKGT1T2IAIGIFIHACIG1IG2UBOUFRMOURRMUBR U+-+BIAUAKIG=0 BC段：晶闸管正向导通后，工作于段：晶闸管正向导通后，
7、工作于BC段，和普通二极管的段，和普通二极管的正向特性相同。其管压降很小，只有正向特性相同。其管压降很小，只有1V 左右。左右。 晶闸管加反向电压时，若反向电压小于晶闸管加反向电压时，若反向电压小于UBR时，反向阻断，时，反向阻断，只有很小的反向漏电流；当反向电压大于只有很小的反向漏电流；当反向电压大于UBR时，则反向击穿。时，则反向击穿。AKGT1T2IAIGIFIHACIG1IG2UBOUFRMOURRMUBR U+-+BIAUAKIG=04 主要参数主要参数IF 正向平均电流正向平均电流 在环境温度不大在环境温度不大于于40C及标准散热条及标准散热条件下，晶闸管处于全件下，晶闸管处于全导
8、通时可以连续通过导通时可以连续通过的最大工频正弦半波的最大工频正弦半波电流的平均值。电流的平均值。IH 维持电流维持电流 控制极断开时，维持晶闸管继续导通的最小电流。当正向电控制极断开时，维持晶闸管继续导通的最小电流。当正向电流小于维持电流时，晶闸管自行关断。流小于维持电流时，晶闸管自行关断。IFIHACIG1IG2UBOUFRMOURRMUBR U+-+BIAUAKIG=0UFRM 正向重复正向重复 峰值电压峰值电压 控制极断开且正控制极断开且正向阻断的情况下，可向阻断的情况下，可以重复加在晶闸管上以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，为的正向峰值电压，为UBO的的80%。URRM 反向重复峰值
9、电压反向重复峰值电压 控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，为为UBR的的80%。IFIHACIG1IG2UBOUFRMOURRMUBR U+-+BIAUAKIG=02 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路可控整流电路都由可控整流电路都由主电路和触发电路主电路和触发电路两部分组成，两部分组成，其作用是将交流电其作用是将交流电变换为电压值可调变换为电压值可调的直流电。的直流电。触发触发电路电路+u-T1T2D1D2RLuoioabuG主电路主电路当当u为正半周时：为正半周时：a点电位高于点电位高于b点电位，点电位，T1、D2承受正
10、向电压。承受正向电压。如果对如果对T1加一加一正向触发脉冲正向触发脉冲使其导通，使其导通，电流的通路为电流的通路为触发触发电路电路+u-T1T2D1D2RLuoioabuG主电路主电路触发触发电路电路+u-T1T2D1D2RLuoioabuG主电路主电路当当u为负半周时：为负半周时：b点电位高于点电位高于a点电位，点电位，T2、D1承受正向电压。承受正向电压。如果对如果对T2加一加一正向触发脉冲正向触发脉冲使其导通，使其导通，电流的通路为电流的通路为触发触发电路电路+u-T1T2D1D2RLuoioabuG主电路主电路单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路的输入输出电压波形的输入输出电压波形
11、 控制角控制角 导通角导通角 t1 t2 t3 t4 tuuGuo t t t1 t2 t3 t4 tuuGuo t tuo的平均值的平均值io的平均值的平均值改变改变 的大小，即可改变的大小，即可改变Uo、Io的大小的大小触发触发电路电路+u-T1T2D1D2RLuoioabuG主电路主电路流经晶闸管和二极管流经晶闸管和二极管的电流平均值的电流平均值晶闸管和二极管晶闸管和二极管承受的最高反向电压为承受的最高反向电压为3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 要使晶闸管导通，除了在阳极与阴极之间加正向电压，还要在要使晶闸管导通，除了在阳极与阴极之间加正向电压，还要在控制极与阴极之间加触发脉冲，
12、产生触发脉冲的电路称为触发电路。控制极与阴极之间加触发脉冲，产生触发脉冲的电路称为触发电路。最常用的是单结晶体管触发电路。最常用的是单结晶体管触发电路。B2B1EB1B2EP区区N型硅片型硅片PN结结欧姆欧姆接触接触电阻电阻1 单结晶体管单结晶体管 单结晶体管又称双单结晶体管又称双基极二极管，有一个发基极二极管，有一个发射极和两个基极。外形射极和两个基极。外形和普通三极晶体管相似。和普通三极晶体管相似。两个基极之间的接触电两个基极之间的接触电阻约为阻约为215k 表示符号表示符号 +UE- +Us- UBRPIEUD+-RB1RB2AEB1B2+-截止区截止区负阻区负阻区饱和区饱和区UEIEI
13、VIPPVUPUVO单结晶体管的伏安特性单结晶体管的伏安特性实验电路实验电路称为分压比称为分压比 =0.5 0.9 +UE- +Us- UBRPIEUD+-RB1RB2AEB1B2+-截止区截止区负阻区负阻区饱和区饱和区UEIEIVIPPVUPUVO （1）调节）调节RP ，使，使UE从从0开始逐渐增大。当开始逐渐增大。当UE180o- 。负载电感越大，。负载电感越大， 角越大，在一个周期中负电压所占比重越大，整流角越大，在一个周期中负电压所占比重越大，整流输出电压和电流的平均值也就越小。为了使输出电压和电流的平均值也就越小。为了使T在在u为为0时及时关断，使负载上不出现负电压，时及时关断，使
14、负载上不出现负电压，可在电感性负载两端并联一个续流二极管。当可在电感性负载两端并联一个续流二极管。当u为负时，二极管因承受正向电压而导通，为负时，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势产生的电流经过二极管形成回路。这时于是负载上由感应电动势产生的电流经过二极管形成回路。这时uo近似为近似为0，而，而T因承受反因承受反向电压而关断。向电压而关断。 tuoio5 逆变电路逆变电路 将直流电变换成交流电的变换装置称为逆变器，它将直流电变换成交流电的变换装置称为逆变器，它的应用非常广泛。其典型应用有：交流电动机的变频调的应用非常广泛。其典型应用有：交流电动机的变频调速，中高频感应加热，功率
15、超声波电源，电火化加工，速，中高频感应加热，功率超声波电源，电火化加工，高频逆变焊接，不间断电源等。高频逆变焊接，不间断电源等。逆变器的分类逆变器的分类电压型电压型电流型电流型单相单相三相三相矩形波矩形波正弦波正弦波按输入电源形式分按输入电源形式分按输出电压相数分按输出电压相数分按输出波形分按输出波形分uoRLUiT1T2T4T3TT2OuoUitT1T3导通导通T2T4导通导通单相矩形波单相矩形波输出型逆变器输出型逆变器Ui可由交流经整流滤波获得可由交流经整流滤波获得 也可由蓄电池获得（如也可由蓄电池获得（如UPS） T1、T3和和T2、T4交替导通，就可在负载交替导通，就可在负载RL上得到
16、矩形波交流电压上得到矩形波交流电压uo 。 uo的频率由开的频率由开关元件的切换频率来决定，幅值等于输入直流电压关元件的切换频率来决定，幅值等于输入直流电压Ui 。 矩形波输出型逆变器的输出矩形波，其谐波成分较大，若作为矩形波输出型逆变器的输出矩形波，其谐波成分较大，若作为电动机变频调速电源使用，会引起谐波损耗与转矩脉动增大，使电电动机变频调速电源使用，会引起谐波损耗与转矩脉动增大，使电动机效率下降，功率因数降低，并影响电动机的平稳运行，因此仅动机效率下降，功率因数降低，并影响电动机的平稳运行，因此仅适用于短时供电的适用于短时供电的UPS电源。电动机变频调速电源常采用正弦脉宽电源。电动机变频调
17、速电源常采用正弦脉宽调制（调制（SPWM）型逆变器。）型逆变器。uoRLUiT1T2T4T3TT2OuoUitT1T3导通导通T2T4导通导通单相矩形波单相矩形波输出型逆变器输出型逆变器-+ +uRuCuo+Ud单极性单极性SPWM型型逆变器逆变器uouR tuO tOUduR的频率为的频率为uC频率的整频率的整数倍，且固定不变。数倍，且固定不变。uC与与uR 在电压比较器的输入端进行比较：在电压比较器的输入端进行比较： uo为一组幅值为为一组幅值为Ud、宽度不等但按正弦规律变化的序、宽度不等但按正弦规律变化的序列脉冲，这组序列脉冲可以等效为与列脉冲，这组序列脉冲可以等效为与uC同频率的正弦波
18、电同频率的正弦波电压。改变压。改变uC的频率，即可达到调频的目的。的频率，即可达到调频的目的。电压比较器输出为正，晶体管导通电压比较器输出为正，晶体管导通电压比较器输出为负，晶体管截止电压比较器输出为负，晶体管截止 在在uR 、 Ud不变时，增大不变时，增大uC的幅值，可增大每个矩形的幅值，可增大每个矩形脉冲的宽度，从而可增大脉冲的宽度，从而可增大uo的等效幅值。的等效幅值。KSPWM控制器的参数控制器的参数 与矩形波逆变器相比，与矩形波逆变器相比，SPWM型逆变器具有谐波分量小，噪声低，型逆变器具有谐波分量小，噪声低，便于实现调频、调压等优点。但便于实现调频、调压等优点。但SPWM逆变器开关管开关频率较高，逆变器开关管开关频率较高，开关损耗加大，且控制复杂。开关损耗加大，且控制复杂。-+ +uRuCuo+Ud单极性单极性SPWM型型逆变器逆变器uouR tuO tOUd tuOuRuC tuO双极性双极性SPWM型型逆变器逆变器6 交流调压电路交流调压电路 + u -T1+uo-T2RL tuuGuo t tuo的有效值的有效值The End
