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1、第20章 晶闸管及其应用第1页，本讲稿共67页第第2020章章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用20.1 20.1 晶闸管晶闸管20.2 20.2 可控整流电路可控整流电路20.4 20.4 晶闸管的保护晶闸管的保护20.3 20.3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路20.5 20.5 应用举例应用举例返回后一页前一页第2页，本讲稿共67页前一页后一页本章要求本章要求1 1、了解晶闸管的基本结构、工作原、了解晶闸管的基本结构、工作原 理、特性和主要参数。理、特性和主要参数。2 2、理解可控整流电路的工作原理、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。掌握电压平均值与控制角的关系
2、。3 3、了解单结晶体管及其触发电路的、了解单结晶体管及其触发电路的 工作原理。工作原理。第第2020章章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用返回第3页，本讲稿共67页晶闸管晶闸管（Silicon Controlled Rectifier）一种可控单向导电开关（工作于开关状态一种可控单向导电开关（工作于开关状态下的大功率电子器件）出现于下的大功率电子器件）出现于7070年代。它的出年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域 。体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命长、长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐容量大（正向平均电流
3、达千安、正向耐压达数千伏）。压达数千伏）。优点：返回前一页后一页第4页，本讲稿共67页 整流（交流直流）逆变（直流交流）变频（交流交流）斩波（直流直流）此外还可作无触点开关等此外还可作无触点开关等应用领域：应用领域：返回前一页后一页第5页，本讲稿共67页20.1 20.1 晶闸管晶闸管20.1.1 可控硅的结构及工作原理可控硅的结构及工作原理 1.结构及符号结构及符号 K 阴极阴极控制极G阳极 A符号K GAP1P2N1N2结构三三 个个 PN结四四 层层 半半 导导 体体返回前一页后一页第6页，本讲稿共67页PPNNNPAGKKAGVT2VT1内部等效电路内部等效电路P1P2N1N2K GA
4、内部结构返回前一页后一页第7页，本讲稿共67页2.2.工作原理工作原理KAGVT1VT2EA 0、EG 0 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:EGEA返回前一页后一页第8页，本讲稿共67页KAGVT1VT2晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。正反馈过程:2.2.工作原理工作原理EAEGEA 0、EG 0返回前一页后一页第9页，本讲稿共67页晶闸管导通的条件：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。晶闸管导通后，控制极便失
5、去作用。依靠正依靠正反馈，反馈，可控硅仍可维持导通状态。可控硅仍可维持导通状态。返回前一页后一页第10页，本讲稿共67页晶闸管关断的条件：晶闸管正向导通后，若要使其关断（截止）晶闸管正向导通后，若要使其关断（截止），必须使可控硅阳极电流减小，直到，必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈正反馈效应不能维持。效应不能维持。当当EA下降到下降到 0 0 或电源断开时，可控硅自或电源断开时，可控硅自行关断行关断返回前一页后一页第11页，本讲稿共67页20.1.2 晶闸管的伏安特性和主要参数晶闸管的伏安特性和主要参数1.伏安特性伏安特性 URRMIHUFRMIG3IG2IG1UBR正向特性正向特性反向特性
6、反向特性IG1=0AIG2IG3ABCUI0IFUBO返回前一页后一页第12页，本讲稿共67页前一页后一页2.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-3000VURRM：反向重复峰值电压 控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元 件上的反向峰值电压。一般取 URRM=80%UBR 普通晶闸管 URRM为100V-3000V返回第13页，本讲稿共67页IF含义说明含义说明正向平均电流正向平均电流环境温度为环境温度为4040O OC C及及标准散热条件下
7、，标准散热条件下，晶闸晶闸管处于管处于全导通时全导通时可以连续通过的最大工频可以连续通过的最大工频半波电流的平均值。半波电流的平均值。普通可控硅普通可控硅IF为为1A 1A 1000A 1000A。IF：IFt2前一页后一页返回第14页，本讲稿共67页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 在室温下，控制极开路、晶闸管维持导通 状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。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
8、到5V，IG为几十到几百毫安。前一页后一页返回第15页，本讲稿共67页晶闸管型号通态平均电压（通态平均电压（UF）共九级）共九级 额定电压额定电压（UFRM或或URRM）额定正向平均电流额定正向平均电流（IF）晶闸管类型晶闸管类型P-P-普通晶闸管普通晶闸管K-K-快速晶闸管快速晶闸管S-S-双向晶闸管双向晶闸管晶闸管K前一页后一页返回第16页，本讲稿共67页晶闸管元件电压、电流级别额定正向平均电流IF通用系列为：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、800、1000A 等14种规格。额定电压UFRM通用系列为：1000V以下的每100V为一级，100
9、0V到3000V的每200V 为一级。通态平均电压（UF）等级一般用A I字母表示，由 0.4 1.2V，每 0.1V 为一级。前一页后一页返回第17页，本讲稿共67页20.2 可控整流电路可控整流电路20.2.1 单相半波可控整流单相半波可控整流 1.电阻性负载电阻性负载1)1)电路电路前一页后一页 uuTuoRL+Tu 0 时：时：若若uG G=0=0，晶闸管晶闸管不导通，不导通，u 0 时时,晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通,u0 0=0,=0,uT T=u，故称可控整流。故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压导导 通，通，
10、返回第18页，本讲稿共67页2）工作原理）工作原理t t1t02u2 0 时 加触发信号，晶闸管承受正向电压导通返回第19页，本讲稿共67页电压、电流波形3)导通角控制角tttt0t12动画前一页后一页返回第20页，本讲稿共67页4）输出电压及电流的平均值由公式可知：由公式可知：改变控制角，可改变输出电压U0。前一页后一页返回第21页，本讲稿共67页计算举例则=37.2V设V前一页后一页返回第22页，本讲稿共67页5）晶闸管的选择）晶闸管的选择电流的选择电流的选择 器件的损坏，取决于电流的热效应，而热器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，效应与电流的有效值
11、相关。因此电路设计中，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值而不能依据平均值（IF）。）。电流波形为正弦半波的情况下，有效值与电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：平均值的区别计算如下：前一页后一页返回第23页，本讲稿共67页平均值：平均值：有效值：有效值：平均值=1.57有效值 001.57301.66601.88902.221202.781503.991800不同不同 下有效值和平均值之比下有效值和平均值之比前一页后一页返回第24页，本讲稿共67页晶闸管电流选择步骤计算给定计算给定 下的下的 通态电流平均值通态电
12、流平均值 ITAV查表（或计算）相应的电流有效值查表（或计算）相应的电流有效值 IT计算计算 IT对应的正弦半波电流平均值对应的正弦半波电流平均值 ITAV (ITAV=)选晶闸管的额定值选晶闸管的额定值 ITAVK （K为保险系数）前一页后一页返回第25页，本讲稿共67页晶闸管电压选择步骤 根据电源电压的峰值（根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向计算正、反向重复峰值电压。一般取：重复峰值电压。一般取：UDRM=URRM=（1.5 2）U2M其中其中1.5 2为安全系数为安全系数 根据根据UDRM 、U URRM RRM 选取晶闸管电压的额定值选取晶闸管电压的额定值 前一页后一页返回第2
13、6页，本讲稿共67页选晶闸管22.3 1.5=33.5 (A)UDRM=URRM=1.5=233(V)可选用额定值为：300V、50A 的晶闸管前一页后一页返回第27页，本讲稿共67页2.电感性负载1）电路及工作原理 u u正半周时晶闸管导通，正半周时晶闸管导通，u u 过零后，由于电过零后，由于电 感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。设设u u为正弦波为正弦波uo o uuT TR RL L+前一页后一页返回第28页，本讲稿共67页 2）工作波形uGuLtu2tttuT前一页后一页返回第29页，
14、本讲稿共67页电感性负载电感性负载（加（加续流二极管）续流二极管）1）电路及工作原理）电路及工作原理u 0 0 时：时：D反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。u 0 时：D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,L释放能量形成的电流经D构成回路（续流），负载电压uo波形与电阻性负载相同。uo o uuT TR RL L+D前一页后一页返回第30页，本讲稿共67页2）工作波形（加续流二极管后）tu2 tuG tuTuL t0t12iL前一页后一页返回第31页，本讲稿共67页20.2.2 单相半控桥式整流电路1.1.电路电路2.2.工作原理工作原理u2(A)VT1RLu2(B)V
15、D2+T1、T2-晶闸管D1、D2-晶体管T1T2D1D2RLuouAB+u 0 0：给给T T1 1控制极加触发控制极加触发电压后电流的通路：电压后电流的通路：前一页后一页返回第32页，本讲稿共67页u2(B)u2(A)动画VT2RLVD1前一页后一页T T1 1、T T2 2-晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管D D1 1、D D2 2-晶体管晶体管晶体管晶体管A AB BT T1 1T T2 2D D1 1D D2 2R RL Luo ou+-+u 0 0 时，给时，给 T T2 2控制极加触发电控制极加触发电压后电流的通路：压后电流的通路：返回第33页，本讲稿共67页2）工作波形 tu2 tuG
16、 tuL t uT1前一页后一页返回第34页，本讲稿共67页3）输出电压及电流的平均值前一页后一页返回第35页，本讲稿共67页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。晶闸管和负载上的电流相同。前一页后一页1）uTD2D1D4u0RLD3+-+-返回第36页，本讲稿共67页电路特点 该电路接入电感性负载时，VD1、VD2 便起续流二极管作用。由于VT1的阳极和VT2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。2）前一页后一页20.2.3 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路动画T1T2D1D2uu0RL+-+-返回第37页，本讲稿共67页20.2.4 三相桥式半控
17、整流电路三相桥式半控整流电路前一页后一页2 2.工作原理工作原理1 1.电路电路动画0u2a2u2bu2cut1t2TT1RLu0D3T2T3D2D1i00cbau2+-+返回第38页，本讲稿共67页20.3 20.3 触发电路触发电路20.3.1 单结晶体管结构及工作原理单结晶体管结构及工作原理1.1.结构结构管内基极 体电阻EB2B1RB2RB1等效电路E（发射极）B2（第二基极）B1（第一基极）PNPN结内部结构欧姆接触前一页后一页返回第39页，本讲稿共67页2.工作原理工作原理UAUE UP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。IE0UE前一页后一页返回第41页，
18、本讲稿共67页单结管符号B2EB1UEUP时单结管导通，UEUV时恢复截止。小结单结管特性前一页后一页返回第42页，本讲稿共67页20.3.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路1.振荡电路振荡电路RR2R1CUucuOEB1 利用单结管的负利用单结管的负阻特性及阻特性及RC电路电路的充放电特性组的充放电特性组成频率可调的振成频率可调的振荡电路荡电路前一页后一页返回第43页，本讲稿共67页2.2.振荡过程分析振荡过程分析uE=uC UA2UA1UA2时，时，晶闸管晶闸管相对于相对于A2A2加正脉冲，加正脉冲，晶闸管晶闸管正向导通，电流从正向导通，电流从A1A1流向流向A2A2。UA2UA1UA2UA1时，时，控制极相对于控制极相对于A2A2加负脉冲，加负脉冲，晶闸管晶闸管反向导通，电流从反向导通，电流从A2A2流向流向A1A1。A1A2G返回前一页后一页第66页，本讲稿共67页交流调压电路交流调压电路RCVTu双向二极管：双向二极管：只要在其两端只要在其两端加上一定数值加上一定数值的正或负电压的正或负电压即可使其导通。即可使其导通。双向二极管返回前一页后一页第67页，本讲稿共67页