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1、晶闸管及其应用电工学你现在浏览的是第一页，共53页本章要求本章要求1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特了解晶闸管的基本结构、工作原理、特 性和主要参数。性和主要参数。2.理解可控整流电路的工作原理、掌握电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。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了解单结晶体管及其触发电路的工作原 理。理。第第20章章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用你现在浏览的是第二页，共53页晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管（S Siliconilicon C Controlled ontrolled R Rectifierectifier）晶闸管是在晶
2、体管基础上发展起来的一种晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。扩展到强电领域。扩展到强电领域。扩展到强电领域。晶闸管晶闸管也像半导体二极管那样具有也像半导体二极管那样具有单向导电性，但单向导电性，但单向导电性，但单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开
3、关等方面。调压及开关等方面。调压及开关等方面。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、体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、容量大（正向平均电流达千安、容量大（正向平均电流达千安、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。正向耐压达数千伏）。正向耐压达数千伏）。正向耐压达数千伏）。优点：优点：你现在浏览的是第三页，共53页G控制极控制极20.1 晶闸管晶闸管20.1.1 基本
4、结构基本结构K 阴极阴极G阳极阳极 AP1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体 晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN结结的四层结构的四层结构,其外形、结其外形、结构及符号如图。构及符号如图。(c)(c)结构结构结构结构K GA(b)(b)符号符号符号符号(a)(a)外形外形外形外形晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号三三 个个PN 结结你现在浏览的是第四页，共53页P1P2N1N2K GA晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNP和和和和NPNNPN型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N
5、2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK你现在浏览的是第五页，共53页 T1T220.1.2 工作原理工作原理A 在极短时间内使两个在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此三极管均饱和导通，此过程称触发导通。过程称触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程KKGGE EA 0、E EG G 0EGEA+_R你现在浏览的是第六页，共53页 晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉掉掉E EGG ，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。20.2.2 工作原理工作
6、原理GE EA 0、E EG G 0KKEA+_R T1T2EGA形成正反馈过程形成正反馈过程你现在浏览的是第七页，共53页晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向电施加正向电压。压。2.晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正向电加正向电压或正向脉冲压或正向脉冲(正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反依靠正反馈，馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可
7、维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小,直到直到正反馈正反馈效应效应不能维持。不能维持。2.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加阳极和阴极间加反相电压。反相电压。你现在浏览的是第八页，共53页正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压正向转折电压正向转折电压正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压反向转折电压反向转折电压反向转折电压正向平均电流正向平均电流维持电
8、流维持电流维持电流维持电流U U20.1.3 伏安特性伏安特性你现在浏览的是第九页，共53页20.1.4 主要参数主要参数UFRM:正向重复峰值电压（正向重复峰值电压（晶闸管晶闸管耐压值）耐压值）耐压值）耐压值）晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下,允许重允许重复加在复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取UFRM =80%UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为100V 3000V反向重复峰值电压反向重复峰值电压控制极开路时控制极开路时,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取
9、一般取 URRM =80%UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100V3000VURRM：你现在浏览的是第十页，共53页正向平均电流正向平均电流环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散热条件下，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工频正弦可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。半波电流的平均值。IF：IF t 2 如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im,则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。你现在浏览的是第十一页，共53页UF:通态平均电压（管压降）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，在规定的条件
10、下，通过正弦半波平均电流时，在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，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。晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为一般为1V左右。左右。I IH:维持电流维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导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。通状态所必须的最小电流。通状态所必须的最小电流。通状态所必须的最小电流。一般一般一般一般I IH为几十为几十为几十为几十 一百多毫安。一百多毫安。UG、IGG：控制极触发电压和电流控制极触发
11、电压和电流 室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流6V6V时，使晶闸管完时，使晶闸管完时，使晶闸管完时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。一般一般U UGG为为1到到到到5V5V，I IGG为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。你现在浏览的是第十二页，共53页晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级共九级,用字母用字母AI表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压额定电压,用百位或千位数表示用百位或千位数
12、表示取取UFRM或或URRM较小者较小者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-普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管 晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V。你现在浏览的是第十三页，共53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 1.1.电阻性负载电阻性负载(1)电路电路 u 0 时：时：若若若若ug g g g=0=0，晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管不导通，不导通，不导通，不导通，u 0 0 时时时时:晶闸管晶
13、闸管晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通承受反向电压不导通承受反向电压不导通,uo o=0,=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导导 通，通，通，通，uuoRL+uT+Tio你现在浏览的是第十四页，共53页(2)(2)工作原理工作原理 t1 2 u u 0时时:tO你现在浏览的是第十五页，共53页 tO 接电阻负载时接电阻负载时接电阻负载时接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波
14、形 动画动画控制角控制角 t1 tO tO t22 tO导通角导通角(3)工作波形工作波形工作波形工作波形你现在浏览的是第十六页，共53页(4)整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值由公式可知：由公式可知：由公式可知：由公式可知：改变控制角改变控制角，可改变输出电压，可改变输出电压Uo。你现在浏览的是第十七页，共53页2.电感性负载与续流二极管电感性负载与续流二极管(1)(1)电路电路 当电压当电压当电压当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍在一
15、段时间内仍在一段时间内仍在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。uuoR+uT+TLeL 在电感性负载中在电感性负载中在电感性负载中在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感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元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图极性如图极性如图极性如图)，电，电流不能跃变，将由零逐渐上升流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形见波形)。你现在浏览的是第十八页，共53页 tO tO tO t1 tO t22 2)2)工作波形工作波形(未未未未加加续流二极管续流二极管续
16、流二极管续流二极管)你现在浏览的是第十九页，共53页 uuoR+uT+LTioDiou 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。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：时：D正向导通正向导通,晶闸管晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断,电感元件电感元件L释放能量形成的电流经释放能量形成的电流经D构成回路构成回路(续流续流),),负载电负载电压压uo o波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同(见波形图见波形图)。3.电感性负载电感性负载(加加续流二极管续流二极管)+(1)电路电路你现在浏览的是第二十页，共53页(3)工作波形
17、工作波形(加续流二极管加续流二极管加续流二极管加续流二极管)iL t tO tO 2 tO你现在浏览的是第二十一页，共53页20.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路1.电路电路电路电路2.2.工作原理工作原理 T1 1和和和和D D2承受正向承受正向电压。电压。电压。电压。T1 1控制极加触发电控制极加触发电控制极加触发电控制极加触发电压压压压,则则T1和和D D2 2导导通，通，通，通，电流的通路为电流的通路为T1、T2 晶闸管晶闸管D1、D2晶体管晶体管aRLD2T1b(1)(1)电压电压u u 为正半周为正半周时时时时io+T1T2RLuoD1D2a u+b此时，此时，T2
18、和和D1均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。你现在浏览的是第二十二页，共53页io+T1T2RLuoD1D2a u+b T T2和和和和D1 1承受正向承受正向电压。电压。T2 2控制极加触发控制极加触发控制极加触发控制极加触发电压电压电压电压,则则T T2 2和和D D1导导导导通，通，通，通，电流的通路为电流的通路为电流的通路为电流的通路为(2)电压电压电压电压u u 为负半周为负半周时时bRLD1T2a此时，此时，T T1和和和和D D2 2均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。你现在浏
19、览的是第二十三页，共53页 t tO tO3.工作波形工作波形工作波形工作波形2 动画动画 tO你现在浏览的是第二十四页，共53页4.输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值你现在浏览的是第二十五页，共53页两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上2.无反向电压。无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-你现在浏览的是第二十六页，共53页电路电路特点特点 1.该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作用。续流
20、二极管作用。(2)20.2.3 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路动画动画2.由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-你现在浏览的是第二十七页，共53页20.2.4 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路2.工作原理工作原理1 1 1 1.电路电路电路电路动画动画u2a2 u2bu2ct1t2oT T T1 1RLuoD D3 3 T T2 2T T3 3D D2 2D D1 1io cbau+你现在浏览的是第二十八页，共53页20
21、.3 晶闸管的保护晶闸管的保护 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。要缺点。要缺点。要缺点。晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元件内部短路或开结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流为过电流为400A400A时，仅允许时，仅允许持续持续0.020.02秒，否则将因过热而损坏；秒，否则将因过热而损坏；
22、晶闸管耐受过电压晶闸管耐受过电压晶闸管耐受过电压晶闸管耐受过电压的能力极差，的能力极差，的能力极差，的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极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。管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。你现在浏览的是第二十九页，共53页20.3.1 晶闸管的过流保护晶闸管的过流保护1.1.快速熔断器保护快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，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
23、通路，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。以保证晶闸管的安全。与晶闸与晶闸管串联管串联接在接在输入输入端端接在输接在输出端出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。你现在浏览的是第三十页，共53页2.2.过流继电器保护过流继电器保护过流继电器保护过流继电器保护3.3.过流截止保护过流截止保护过流截止保护过流截止保护 在输出端在输出端(直流侧直流侧)或输入端或输入端(交流侧交流侧交流侧交流侧)接入过电流继接入过电流继接入过电流继接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使
24、电路自动电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。切断。切断。切断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号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。控制触发电路。当电路发生过流故障时，当电路发生过流故障时，检测电路控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。闸管导通角减小或立即关断。你现在浏览的是第三十一页，共53页2.硒堆保护硒堆保护硒堆保护硒堆保护20.3.2 晶闸管的过压保护晶闸管的过压保护1.1.阻容保护阻容保护阻容保护阻容
25、保护C CR 利用电容吸收过压。利用电容吸收过压。利用电容吸收过压。利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电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。阻中消耗掉。RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)C CRRL晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护你现在浏览的是第三十二页，共53页20.4 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路20.4.1 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.结构结构结构结构B B2 2第二基极第二基极第二基极第二基极B B
26、1 1N欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触接触电阻接触电阻接触电阻接触电阻P发射极发射极发射极发射极E E第一基极第一基极第一基极第一基极PN结结N型硅片型硅片(a)(a)示意图示意图示意图示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号(b)(b)符号符号符号符号B B2 2E EB B1 1你现在浏览的是第三十三页，共53页2.工作原理工作原理 U UE UP P后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。而下降，
27、出现负阻。P你现在浏览的是第三十五页，共53页1.1.UE E U UP P时单结管导通，时单结管导通，时单结管导通，时单结管导通，UE E UA2时，时，时，时，控制极控制极控制极控制极相对于相对于相对于相对于A A2 2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A A1 1流向流向流向流向A2 2 2 2。U UA2 U UA1A1时，时，时，时，控制极相对于控制极相对于A2 2加加加加负负脉冲，脉冲，脉冲，脉冲，晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管反向导通，电流从反向导通，电流从反向导通，电流从反向导通，电流从A A2 2 2 2流向流向流向流向A A1 1。A1A2G你现在浏览的是第五十二页，共53页交流调压电路交流调压电路 双向二极管：双向二极管：只要在其两端加上只要在其两端加上只要在其两端加上只要在其两端加上一定数值的正或负一定数值的正或负一定数值的正或负一定数值的正或负电压即可使其导通。电压即可使其导通。电压即可使其导通。电压即可使其导通。RC Tu+_ _双向二极管双向二极管你现在浏览的是第五十三页，共53页