1、第20章 晶閘管及其應(yīng)用,20.1 晶閘管,20.2 可控整流電路,20.3 晶閘管的保護,20.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,20.5 應(yīng)用舉例,本章要求,1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特 性和主要參數(shù)。 2. 理解可控整流電路的工作原理、掌握電 壓平均值與控制角的關(guān)系。 3. 了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。,第20章 晶閘管及其應(yīng)用,晶閘管 （Silicon Controlled Rectifier） 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功 率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域 擴展到強電領(lǐng)域。 晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時間是可控的，主要用于

2、整流、逆變、 調(diào)壓及開關(guān)等方面。,體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。,20.1 晶閘管,20.1.1 基本結(jié)構(gòu),G,晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。,(c) 結(jié)構(gòu),(a) 外形,晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號,晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合,20.1.2 工作原理,A,在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。,形成正反饋過程,K,G,EA 0、EG 0,EG,晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。,20.2.2 工作原理,G,EA 0、EG 0,K

3、,晶閘管導(dǎo)通的條件：,1. 晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。 2. 晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。,晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。,晶閘管關(guān)斷的條件：,1. 必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應(yīng)不能維持。 2. 將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。,正向特性,反向特性,IG2 IG1 IG0,正向轉(zhuǎn)折電壓,反向轉(zhuǎn)折電壓,正向平均電流,維持電流,20.1.3 伏安特性,20.1.4 主要參數(shù),UFRM:,正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值） 晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加

4、在晶閘管兩端的正向峰值電壓。 一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶閘管 UFRM 為100V 3000V,如果正弦半波電流的最大值為Im, 則,普通晶閘管IF為1A 1000A。,UF: 通態(tài)平均電壓（管壓降） 在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時， 晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。 一般為1V左右。,IH: 維持電流 在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導(dǎo) 通狀態(tài)所必須的最小電流。 一般IH為幾十 一百多毫安。,UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流 室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完 全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。 一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。,晶閘管

5、型號及其含義,導(dǎo)通時平均電壓組別 共九級, 用字母AI表示0.41.2V,額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者,額定正向平均電流(IF),如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。,20.2 可控整流電路,20.2.1 單相半波可控整流 1. 電阻性負(fù)載,(1) 電路,u 0 時： 若ug = 0，晶閘管不導(dǎo)通，,u 0 時: 晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通, uo = 0, uT = u ，故稱可控整流。,控制極加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導(dǎo) 通，,(2) 工作原理,t1,u 0 時: 可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通,即：晶閘管反向阻斷,加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電

6、壓導(dǎo)通,u 0時:,O,接電阻負(fù)載時 單相半波可控整流電路電壓、電流波形,動畫,控制角,t1,O,t2,2,導(dǎo)通角,(3)工作波形,(4)整流輸出電壓及電流的平均值,由公式可知：,改變控制角，可改變輸出電壓Uo。,2. 電感性負(fù)載與續(xù)流二極管,(1)電路,當(dāng)電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內(nèi)仍 維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?在電感性負(fù)載中 ,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。,O,t1,t2,2,2) 工作波形(未加續(xù)流二極管),u 0時： D反向截止，不影響整流電路工作。,3.電感性負(fù)載(加續(xù)

7、流二極管),+,(1) 電路,(3)工作波形(加續(xù)流二極管),iL,2,20.2.2 單相半控橋式整流電路,1. 電路,2. 工作原理,T1和D2承受正向 電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1和D2導(dǎo) 通，電流的通路為,a,(1)電壓u 為正半周時,此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。,T2和D1承受正向 電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導(dǎo) 通，電流的通路為,(2)電壓u 為負(fù)半周時,b,此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。,3. 工作波形,2,動畫,4. 輸出電壓及電流的平均值,兩種常用可控整流電路,電路 特點,該電路只用一只晶閘管，且其上 無反向電壓。,2. 晶閘管和負(fù)載

8、上的電流相同。,(1),電路 特點,1. 該電路接入電感性負(fù)載時，D1、D2 便起 續(xù)流二極管作用。,(2),20.2.3 三相半波可控整流電路,動畫,2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控 制極必須加獨立的觸發(fā)信號。,20.2.4 三相橋式半控整流電路,2.工作原理,1. 電路,動畫,20.3 晶閘管的保護,晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞； 晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊

9、穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。,20.3.1 晶閘管的過流保護,1. 快速熔斷器保護,電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。,與晶閘 管串聯(lián),接在輸入端,接在輸出端,快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。,2. 過流繼電器保護,3. 過流截止保護,在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，繼電器動作，使電路自動切斷。,在交流側(cè)設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過流故障時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速

10、后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。,2. 硒堆保護,20.3.2 晶閘管的過壓保護,1. 阻容保護,利用電容吸收過壓。其實質(zhì)就是將造成過電壓 的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電 阻中消耗掉。,硒堆保護 (硒整流片),晶閘管元件 的阻容保護,20.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,20.4.1 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理 1.結(jié)構(gòu),PN結(jié),N型硅片,(a) 示意圖,單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號,2. 工作原理, UE UBB+UD = UP 時,PN結(jié)反偏，IE很??；,PN結(jié)正向?qū)? IE迅速增加。, 分壓比(0.5 0.9),測量單結(jié)晶體管的實驗電路,由圖可求得,3

11、 .單結(jié)晶體管的伏安特性,Ip,IV,負(fù)阻區(qū)：UEUP后， 大量空穴注入基區(qū)， 致使IE增加、UE反 而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。,1. UE UP時單結(jié)管截止；,UE UP時單結(jié)管導(dǎo)通， UE UV時恢復(fù)截止。,單結(jié)晶體管的特點,2.單結(jié)晶體管的峰點電壓UP與 外加固定電壓UBB及分壓比 有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點電 壓UP不同。,3. 不同單結(jié)晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都 不一樣。谷點電壓大約在2 5V之間。常選用 稍大一些， UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸 出脈沖幅度和移相范圍。,20.4.2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,1. 振蕩電路,單結(jié)晶體管弛張振蕩電路,單結(jié)晶體管弛張 振蕩電

12、路利用單結(jié)管 的負(fù)阻特性及RC電路 的充放電特性組成頻 率可調(diào)的振蕩電路。,2. 振蕩過程分析,設(shè)通電前uC=0。,接通電源U, 電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。,當(dāng)uC UP時,單結(jié)管導(dǎo)通,電 容C放電,R1上得到一脈沖電壓。,電容放電至 uC Uv時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。,(a),(b),注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。,(c) 電壓波形,20.4.3 單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路,1. 電路,2. 工作原理,(1)整流削波,削 波,整流,(2) 觸發(fā)電路,t,(3) 輸出電壓uL,O,O,問 題 討 論,1. 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路

13、和觸發(fā) 電路為什么接在同一個變壓器上？,目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時過零(即兩者同步)，使電容在每半個周期均從零開始充電，從而保證每半個周期的第一個觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。,2. 觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？,穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個周期產(chǎn)生 第一脈沖的時間，不受交流電源電壓變化的影響。,3. 一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個起作用？ 如何改變控制角？,根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號，仍能維持導(dǎo)通

14、狀態(tài)。因此，每半個周期中只有第一個觸發(fā)脈沖起作用。,改變充電時間常數(shù)即可改變控制角。 控制角變化的范圍稱為移相范圍。,4. 電壓的調(diào)節(jié),單結(jié)晶體管觸發(fā)電路,輸出脈沖可以直接從電阻R1引出(如前圖)，也可 通過脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間 允許的反向電壓很小，為了防止反向擊穿，在脈沖 變壓器副邊串聯(lián)二極管D1, 可將反向電壓隔開，而 并聯(lián)D2，可將反向電壓短路。,使用脈沖變壓器的觸發(fā)電器,20.5 應(yīng)用舉例,1. 電瓶充電機電路,該電瓶充電機電路使用元件較少，線路簡單， 具有過充電保護、短路保護和電瓶短接保護。,工作原理,R2 、RP、 C 、T1 、 R3 、 R4 構(gòu)成了單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。,當(dāng)待充電電瓶接入電路后，觸發(fā)電路獲得所需電源電壓開始工作。,當(dāng)電瓶電壓充到一定數(shù)值時，使得單結(jié)晶體管的峰點電壓UP大于穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓，單結(jié)晶體管不能導(dǎo)通，觸發(fā)電路不再產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，充電機停止充電。,觸發(fā)電路和可控整流電路的同步是由二極管D和電阻R1來完成的。,交流電壓過零變負(fù)后，電容通過D和R1迅速放電。,交流電壓過零變正后D