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晶闸管及应用第十章第十章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用10.1 工作原理工作原理10.2 特性与参数特性与参数10.3 可控整流电路可控整流电路10.4 触发电路触发电路10.5 单结管触发的可控整流电路单结管触发的可控整流电路10.6 晶闸管的其它应用晶闸管的其它应用10.7 晶闸管的保护及其它类型晶闸管的保护及其它类型2021/2/62别名：别名：可控硅（可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是）是一种大功率半导体器件，出现于一种大功率半导体器件，出现于70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。特点：特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。应用领域：应用领域：整流（交流整流（交流 直流）直流）逆变（直流逆变（直流 交流）交流）变频（交流变频（交流 交流）交流）斩波（直流斩波（直流 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。晶闸管（晶闸管（Thyristor）2021/2/6310.1 工作原理工作原理10.1.1 结构结构A（阳极）（阳极）P1P2N1三三 个个 PN结结N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制极）（控制极）2021/2/64符号符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK10.1.2 工作原理工作原理示意图示意图2021/2/65APPNNNPGKigigigKAGT1T2等效为由二个三极管组成等效为由二个三极管组成2021/2/661.UAK 0、UGK0时时T1导通导通ig=ib1ic1=ig=ib2ic2 =ib2=ig=ib1T2 导通导通形成正反馈形成正反馈晶闸管迅速导通晶闸管迅速导通T1 进一步导通进一步导通igigigKAGT1T22.晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉UGK依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。2021/2/67(1)晶闸管开始工作时晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）。）。3.晶闸管截止的条件：晶闸管截止的条件：(2)晶闸管正向导通后，令其截止的方法：晶闸管正向导通后，令其截止的方法：igigigKAGT1T2减小减小UAK，使晶闸管中电流小于某一值使晶闸管中电流小于某一值IH。加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值IH时，正反馈效时，正反馈效应不能维持。应不能维持。IH：最小维持电流：最小维持电流2021/2/68（1）晶闸管具有单向导电性。）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低若使其关断，必须降低 UAK 或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。下。正向导通条件：正向导通条件：A、K间加正向电压，间加正向电压，G、K间加触发信号。间加触发信号。晶闸管的工作原理小结晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。2021/2/6910.2 特性与参数特性与参数10.2.1 特性特性UIURRMIHUDRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1正向正向反向反向U-阳极、阴极间的电压阳极、阴极间的电压 I-阳极电流阳极电流URSM反向击穿电压反向击穿电压导通后管压降约导通后管压降约1V额定正向平额定正向平均电流均电流维持电流维持电流UDSM正向转折电压正向转折电压2021/2/610正向特性：正向特性：在阳极和阴极间加正向电压。在阳极和阴极间加正向电压。UDSM：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。随随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当的加大，阳极电流逐渐增加。当U =UDSM时，时，PN结结N1P2反向极击穿，反向极击穿，晶闸管自动导通。正常工作时，晶闸管自动导通。正常工作时，UAK应小于应小于 UDSM。AP1P2N1N2KG若在若在G和和K间加正向电压：间加正向电压：UGK越大，则越大，则UDSM越小。越小。控制极开路时：控制极开路时：PN结结P1N1、P2N2正向偏置，正向偏置，N1P2反向偏置，晶闸管截止。反向偏置，晶闸管截止。UGK足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。2021/2/611随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U=URSM 时，反向极时，反向极击穿。正常工作时，反向电压必须小于击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。AP1P2N1N2KG反向特性：反向特性：在阳极和阴极间加反向电压。在阳极和阴极间加反向电压。这时这时PN结结P1N1、P2N2反向偏置，反向偏置，N1P2正向偏置，晶闸管截止。正向偏置，晶闸管截止URSM：反向不重复峰值电压。：反向不重复峰值电压。2021/2/6121.UDRM：断态重复峰值电压：断态重复峰值电压晶闸管耐压值。一般取晶闸管耐压值。一般取 UDRM=80%UDSM。普通晶闸管普通晶闸管UDRM 为为 100V-3000V10.2.2 主要参数主要参数UIIHIF额定正向额定正向平均电流平均电流UDSM正向转折电压正向转折电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRM2021/2/613控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取URRM=80%URSM。普通晶闸。普通晶闸管管URRM为为100V-3000V）2.URRM：反向重复峰值电压：反向重复峰值电压UIIHIF额定正向额定正向平均电流平均电流UDSM正向转折电压正向转折电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM2021/2/614ITAV含义含义it 2 ITAV 3.ITAV：通态平均电流：通态平均电流环境温度为环境温度为40。C时时,在在 电阻性负载、单相工频电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电角不小于正弦半波、导电角不小于170o的电路中，晶闸管允的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管许的最大通态平均电流。普通晶闸管 ITAV 为为1A-1000A。）。）2021/2/615额定通态平均电流即正向平均电流。额定通态平均电流即正向平均电流。通用系列为：通用系列为：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等等14种规格。种规格。UIIHIF额定正向额定正向平均电流平均电流UDSM正向转折电压正向转折电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM2021/2/6164.UTAV：通态平均电压：通态平均电压6.UG、IG：控制极触发电压和电流：控制极触发电压和电流管压降。在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、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、阴两极间的电压平均值。一阴两极间的电压平均值。一般为般为1V左右。左右。5.IH：最小维持电流：最小维持电流在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，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。到一百多毫安。在室温下，在室温下，阳极电压为直流阳极电压为直流 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。一般UG为为 15V，IG 为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。2021/2/617晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压（通态平均电压（UTAV）额定电压级别（额定电压级别（UDRM）额定通态平均电流额定通态平均电流（ITAV）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K2021/2/618晶闸管电压、电流级别：晶闸管电压、电流级别：额定通态电流（额定通态电流（ITAV）通用系列为）通用系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等等14种规格。种规格。额定电压（额定电压（UDRM）通用系列为：）通用系列为：1000V以下的每以下的每100V为一级，为一级，1000V到到3000V的的每每200V 为一级。为一级。通态平均电压（通态平均电压（UTAV）等级一般用）等级一般用 A I字母表示：字母表示：由由 0.4 1.2V每每 0.1V 为一级。为一级。2021/2/61910.3 可控整流电路可控整流电路10.3.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路一、电阻性负载一、电阻性负载1.电路及工作原理电路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG2021/2/6202.工作波形工作波形(设设u1为正弦波为正弦波)tu2tuGtuLtuT ：控制角：控制角 ：导通角：导通角u2 0 时，加上触发电压时，加上触发电压 uG，晶闸管导通晶闸管导通。且。且 uL 的大小随的大小随 uG 加入的早晚而变化；加入的早晚而变化；u2 R 时，时，ILAV 在整个周期中可近似看做直流。在整个周期中可近似看做直流。(2)晶闸管的中电流晶闸管的中电流平均值平均值:有效值有效值:2021/2/6344.晶闸管的选择晶闸管的选择晶闸管电压晶闸管电压 （1.5 2）U2M晶闸管电流晶闸管电流 （1.5）2021/2/63510.3.2 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路一、电阻性负载桥式可控整流电路一、电阻性负载桥式可控整流电路1.电路及工作原理电路及工作原理T1、T2-晶闸管晶闸管D1、D2-晶体管晶体管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uG2021/2/6362.工作波形工作波形tu2tuGtuLt uT1T1T2D1D2RLuLu2AB+-2021/2/6373.输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值2021/2/638例：桥式可控整流电路中，例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角可控硅控制角=15180，求输出电压平均值，求输出电压平均值UL的调节范围，以的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压。承受的最大反向电压。T1T2D1D2RLuLu2AB+-=191V，=15=0V，=180=191/3=64A承受的最高反向电压承受的最高反向电压:2021/2/639二、电感性负载桥式可控整流电路二、电感性负载桥式可控整流电路该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。u2T1T2D1D2DuLRL2021/2/640两种常用可控整流电路的特点两种常用可控整流电路的特点电路电路特点特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。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。晶闸管和负载上的电流相同。电路一：电路一：u2TD2D1D4uLRLD32021/2/641T1T2D1D2u2uLRL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 便起续流二极管作用。便起续流二极管作用。2.由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。电路二：电路二：2021/2/642思考思考T1T2D1D2RuLu2E+带反电动势负载的可控整流电路带反电动势负载的可控整流电路1.该电路的工作过程。该电路的工作过程。2.画出画出uL、iL的工作波形。的工作波形。2021/2/64310.4 触发电路触发电路10.4.1 单结晶体管工作原理单结晶体管工作原理结构结构等效电路等效电路E（发射极）（发射极）B2（第二基极）（第二基极）B1（第一基极）（第一基极）NPEB2B1RB2RB1管内基极管内基极 体电阻体电阻PN结结2021/2/644工作原理：工作原理：当当uE UA+UF=UP 时时PN结反偏，结反偏，iE很小；很小；当当 uE UP 时时PN结正向导通结正向导通,iE迅速增加。迅速增加。B2ERB1RB2B1AUBBiE -分压比分压比 (0.35 0.75)UP-峰点电压峰点电压UF-PN结正向结正向 导通压降导通压降2021/2/64510.4.2 单结晶体管的特性和参数单结晶体管的特性和参数IEuEUVUPIVUV、IV-谷点电压、电流谷点电压、电流（维持单结管导通的最小（维持单结管导通的最小 电压、电流。）电压、电流。）负阻区负阻区UP-峰点电压峰点电压（单结管由截止变导通（单结管由截止变导通 所需发射极电压。）所需发射极电压。）uEUP 时单结管导通时单结管导通2021/2/646IEuEUVUPIV负阻区负阻区UEUP 后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻RB1 0，致使致使IE增加、增加、UE反而下降，出现负阻。反而下降，出现负阻。负阻区存在的原因：负阻区存在的原因：EB2B1RB2RB12021/2/647单结管符号单结管符号EB2B1单结管重单结管重要特点要特点1.UEUP 时单结管导通。时单结管导通。2021/2/64810.4.3 单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路一、振荡过程分析一、振荡过程分析RR2R1CUuCuOEB1B2电路组成电路组成振荡波形振荡波形uCttuoUVUP2021/2/6491.uE=uC UP 时，单结管不导通，时，单结管不导通，uo 0。IR1R1、R2是外加的，不同于内是外加的，不同于内部的部的RB1、RB2。前者一般取。前者一般取几十欧几十欧几百欧；几百欧；RB1+RB2一般为一般为215千欧。千欧。此时此时R1上的电流很小，其值为：上的电流很小，其值为：RR2R1CEuCuOEB1B22021/2/6502.随电容的随电容的 充电，充电，uC逐渐升高。当逐渐升高。当 uC UP 时，单结管导通，时，单结管导通，RB1 0。然后电容通过。然后电容通过R1放电，当放电至放电，当放电至 uc UV 时，单结管重新关断，使时，单结管重新关断，使 uo 0。R1上便得到一个脉冲电压。上便得到一个脉冲电压。R2起温度补偿作用起温度补偿作用UPUVUP-UFUP、UV-峰点、谷点电压峰点、谷点电压UF-PN结正向导通压降结正向导通压降ER2R1RCEuCuouCtuot2021/2/651uCttuoUVUP振荡波形：振荡波形：RR2R1CEuCuOEB1B22021/2/652uCttuoUVUP*二、振荡周期与脉冲宽度的计算二、振荡周期与脉冲宽度的计算TtwT振荡周期；振荡周期；tw 脉冲宽度。脉冲宽度。设设T1=T-twuC上升阶段：上升阶段：t=T1时，时，uC=UP2021/2/653因为因为UV UT2时，控制极相对于时，控制极相对于T2加正脉冲，晶闸管正向导通，加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从电流从T1流向流向T2。UT2UT1时，控制极相对于时，控制极相对于T2加加 负脉冲，晶闸管反向导通，电流从负脉冲，晶闸管反向导通，电流从T2流向流向T1。双向晶闸管内部工作原理的详细分析，请参阅有关资料。双向晶闸管内部工作原理的详细分析，请参阅有关资料。T1T2G2021/2/686二、可二、可关断晶闸管关断晶闸管GTO-Gata Turn Off thyristor可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。晶闸管的类型较多，不一一介绍。晶闸管的类型较多，不一一介绍。2021/2/687第十章第十章 结束结束电子技术电子技术模拟电路部分模拟电路部分2021/2/688