晶闸管

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,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 .单结晶体管的伏安特性,Ip,IV,负阻区：UE>UP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。,UA1>UA2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。,UA2>UA1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,