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可控硅工作原理可控硅工作原理1、工作原理可控硅是 P1N1P2N2 四层三端结构元件，共有三个 PN 结，分析原理时，可以 把它看作由一个 PNP 管和一个 NPN 管所组成，其等效图解如图 1 所示.图 1 可控硅等效图解图 当阳极 A 加上正向电压时，BG1 和 BG2 管均处于放大状态此时，如果从控 制极 G 输入一个正向触发信号，BG2 便有基流 ib2 流过，经 BG2 放大，其集电 极电流 ic2=β2ib2因为 BG2 的集电极直接与 BG1 的基极相连，所以 ib1=ic2此时，电流 ic2 再经 BG1 放大，于是 BG1 的集电极电流 ic1=β1ib1=β1β2ib2这个电流又流回到 BG2 的基极，表成正反馈，使 ib2 不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通由于 BG1 和 BG2 所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极 G 的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用， 没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的 由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性 需要一定的条件才能转化，此条件见表 1表 1 可控硅导通和关断条件状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位 2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位 2、阳极电流大于维持电流两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位 2、阳极电流小于维持电流任一条件都可2、基本伏安特性可控硅的基本伏安特性见图 2（1）反向特性当控制极开路，阳极加上反向电压时（见图 3），J2 结正偏，但 J1、J2 结反偏。

此时只能流过很小的反 向饱和电流，当电压进一步提高到 J1 结的雪崩击穿电压后，接差 J3 结也击穿，电流迅速增加，图 3 的特性 开始弯曲，如特性 OR 段所示，弯曲处的电压 URO 叫“反向转折电压”此时，可控硅会发生永久性反向图 3 阳极加反向电压（2）正向特性当控制极开路，阳极上加上正向电压时（见图 4），J1、J3 结正偏，但 J2 结反偏，这与普通 PN 结的反 向特性相似，也只能流过很小电流，这叫正向阻断状态，当电压增加，图 3 的特性发生了弯曲，如特性 OA 段所示，弯曲处的是 UBO 叫：正向转折电压图 4 阳极加正向电压由于电压升高到 J2 结的雪崩击穿电压后，J2 结发生雪崩倍增效应，在结区产生大量的电子和空穴，电子 时入 N1 区，空穴时入 P2 区进入 N1 区的电子与由 P1 区通过 J1 结注入 N1 区的空穴复合，同样，进入 P2 区的空穴与由 N2 区通过 J3 结注入 P2 区的电子复合，雪崩击穿，进入 N1 区的电子与进入 P2 区的空穴各自 不能全部复合掉，这样，在 N1 区就有电子积累，在 P2 区就有空穴积累，结果使 P2 区的电位升高，N1 区的 电位下降，J2 结变成正偏，只要电流稍增加，电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图 3 的虚线 AB 段。

这时 J1、J2、J3 三个结均处于正偏，可控硅便进入正向导电状态---通态，此时，它的特性与普通的 PN 结正向特性相似，见图 2 中的 BC 段3、触发导通在控制极 G 上加入正向电压时（见图 5）因 J3 正偏，P2 区的空穴时入 N2 区，N2 区的电子进入 P2 区，形 成触发电流 IGT在可控硅的内部正反馈作用（见图 2）的基础上，加上 IGT 的作用，使可控硅提前导通， 导致图 3 的伏安特性 OA 段左移，IGT 越大，特性左移越快图 5 阳极和控制极均加正向电压可控硅元件可控硅元件——可控硅整流电路可控硅整流电路一、单相半波可控整流电路1、工作原理电路和波形如图 1 所示，设 u2=U2sinω正半周：0＜t＜t1,ug=0,T 正向阻断，id=0,uT=u2,ud=0 t=t 时,加入 ug 脉冲，T 导通，忽略其正向压降，uT=0,ud=u2,id=ud/Rd负半周：π≤t＜2π 当 u2 自然过零时，T 自行关断而处于反向阻断状态，ut=0,ud=0,id=0 从 0 到 t1 的电度角为 α，叫控制角从 t1 到 π 的电度角为 θ，叫导通角，显然 α+θ=π。

当 α=0，θ=180 度时，可控硅全导通，与不控整流一样，当 α=180 度，θ=0 度时，可控硅全关断，输出电压 为零2、各电量关系ud 波形为非正弦波，其平均值（直流电压）：由上式可见，负载电阻 Rd 上的直流电压是控制角 α 的函数，所以改变 α 的大小就可以控制直流电压 Ud 的数值，这就是可控整流意义之所在流过 Rd 的直流电流 Id：Ud 的有效值（均方根值）：流过 Rd 的电流有效值：由于电源提供的有功功率 P=UI，电源视在功率 S=U2I（U2 是电源电压有效值），所以功率因数：由上式可见，功率因数 cosψ 也是 α 的函数，当 α=0 时，cosψ=0.707显然，对于电阻性负载，单相半波可控整流的功率因数也不会是 1比值 Ud/U、I/Id 和 cosψ 随 α 的变化数值，见表 1，它们相应的关系曲线，如图 2 所示表 1 Ud/U、I/Id 和 cosψ 的关系α0°30°60°90°120°150°180°Ud/UI/Idcosψ0.451.570.7070.421.660.6980.3381.880.6350.2252.220.5080.1132.870.3020.033.990.120-0由于可控硅 T 与 Rd 是串联的，所以，流过 Rd 的有效值电流 I 与平均值电流 Id 的比值，也就是流过可控 硅 T 的有效值电流 IT 与平均值电流 IdT 的比值，即 I/Id=It/IdT。

二、单相桥式半控整流电路1、工作原理电路与波形如图 3 所示正半周：t1 时刻加入 ug1，T1 导通，电流通路如图实线所示uT1=0,ud=u2,uT2=-u2u2 过零时，T1 自行关断负半周：t2 时刻加入 ug2，T2 导通，电流通路如图虚线所示，uT2=0，ud=-u2,ut1=u2u2 过零时 T2 自行关断2、各电量关系由图 3 可见，ud 波形为非正弦波，其幅值为半波整流的两倍，所以 Rd 上的直流电压 Ud：直流电流 Id：电压有效值 U：电流有效值 I：功率因数 cosψ：比值 Ud/U,I/Id 和 cosψ 随 α 的变化数值见表 2，相应关系曲线见图 4表 2 Ud/U、I/Id、cosψ 与 α 的关系表α0°30°60°90°120°150°180°Ud/UI/Idcosψ0.91.11210.841.1790.9850.6761.3350.8960.451.5750.7170.2261.970.4260.062.8350.1690-0把单相全波整流单相半波整流进行比较可知：（1）当 α 相同时，全波的输出直流电压比半波的大一倍 （2）在 α 和 Id 相同时，全波的电流有效值比半波的减小倍。

（3）α 相同时，全波的功率因数比半波的提高了倍三、整流电路波形分析1、单相半波可控整流（1）电阻性负载（见图 1）电阻性负载，id 波形与 ud 波形相似，因为可控硅 T 与负载电阻 Rd 串联，所以 id=id可控硅 T 承受的正向电压随控制角 α 而变化，但它承受的反向电压总是负半波电压，负半波电压的 最大值为 U2线路简单，多用在要求不高的电阻负载的场合2）感性负载（不带续流二极管，见图 5）：电机电器的电磁线圈、带电感滤波的电阻负载等均属于电感性负载电感具有障碍电流变化的作用可控硅 T 导通时，其压降 uT=0，但电流 id 只能从零开始上升 id 增加和减少时线圈 Ld 两端的感应电动势 eL 的极性变化如图示 当电源电压 u2 下降及 u2≥0 时，只要释放磁场能量可以维持 id 继续流通，可控硅 T 仍然牌导 通状态，此时 ud=u2当 u2＜0 时，虽然 ud 出现负值，但电流 id 的方向不变当电流 id 减小到小于维持电流 IH 时，可控硅 T 自行关断，id=0,UT=u2，可控硅承受反压负载电压平均值：其中电感 Ld 两端电压的平均值为零电感 Ld 的存在使负载电压 ud 出现负值，Ld 越大，ud 负值越大，负载上直流电压 Ud 就越小， Id=Ud/Rd 也越小，所以如果不采取措施，可控硅的输出就达不到应有的电压和电流。

3）感性负载（带续流二极管，见图 6）：在负载上并联一只续流二极管 D，可使 Ud 提高到和电阻性负载时一样，在电源电压 u2≤0 时，D 的作用有点：①把电源负电压 u2 引到可控硅 T 两端，使 T 关断， uT=u2；②给电感电流续流，形成 iD；③把负载短路，ud=0,避免 ud 出现负值，使负载上直 流输出电压 ud 提高负载电流为何控硅电流 iT 和二极管的续流 iD 之和，即 id=iT+iD当 ωLd≥R 时，iD 下降很 慢使 id 近似为一条水平线，所以流过 T 和 D 的电注平均值与有效值分别为：平均值： IdT=（θ/360°）Id；IdD=[(360°-θ)/360°]Id；有效值：IT=根号下（θ/360°） Id；ID=根号下[(360°-θ)/360°]Id可控硅 T 开始导通后，如果电感 Ld 很大，iT 的上升很慢，这就有可能导致触发脉冲消失时可 控硅的电流还上升不到维持导通状态的维持电流，就是说，可控硅触发不了，为了使可控硅 可靠触发，触发脉冲应该足够宽，或者在负载两端并联一只电阻，以利于加快 iT 的上升。