晶闸管及其基本电路

1、半导体器件发展 学）电力电子学（强电子电力半导体器件方面）微电子学（弱电子学集成电路方面A.电力电子学的任务 利用电力半导体器件（如：晶闸管）和线路来实现电 功率的变换和控制。 晶闸管（Silicon Controlled Rectifier简称SCR，1957年）在弱电控制与强电输出之间起桥梁作用。 B.晶闸管的优缺点 l优点： 1)功率放大倍数可达几十万倍； 2)控制灵敏，反应快； 3)损耗小，效率高； 4)体积小，重量轻； 5)改善了工作条件，维护方便。 l缺点： 1)过载能力弱； 2)抗干扰能力差； 3)导致电网电压波形畸变； 4)控制电路比较复杂。10.1 电力半导体器件10.1.1

2、 晶闸管（SCR） 新型大功率半导体器件，也称可控硅。1. 基本结构1)外形 前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散热效果好）。 2)内部结构 它是PNPN四层三端元件。 3)符号（如图所示）。阴极K，近的一面是阳极A，远的一面是控制极G中间金属环是平板形。控制极（门极）G，细线是阴极K，另一端粗线是阳极A螺栓一端是螺栓形2. 工作原理 l实验情况说明：可用灯泡 代替电阻RL。 1)晶闸管承受正向电压，开关S（控制极）断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。 2)在控制极与阴极之间再加上正向电压（S接通），电灯发亮，晶闸管导通。 3)晶闸管承受反向电压，不论S是否接通，电灯均不亮，

3、晶闸管关断（阻断）。 4)晶闸管导通后（情况2），断开控制极电压（控制极失去作用），电灯仍发亮，晶闸管仍导通。 5)晶闸管导通后（情况2），如果控制极电压加反向电压，不论阳极电压是正或负，电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。來自中国最大的资料库下载l 结论 1)晶闸管导通条件：阳极加正向电压，控制极也加正向电压。 2)控制极只需加正触发脉冲电压。 3)具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。 l导通原因 1)等效为PNP型和NPN型两个晶体管的组合。 2)阳极和控制极均加正向电压时， 经 放大，集电极电流为 （ 基极电流），又经 放大， 集电极电流为 （即 基极电流），再次放大，循环往复，直至导通

4、为止（“触发导通过程”微秒级）。gI2VTgI21VT1VT1VT2VTgI21 3)晶闸管导通后， 基极电流比 （控制电流）大得多，故去掉 ，晶闸管仍导通。 4)阳极加反向电压，无放大作用，晶闸管不导通；控制电压反向或未加入，不产生起始 ，晶闸管也不导通。2VTgIgugI3.伏安特性 晶闸管的伏安特性晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系。 1) 截止状态（正向阻断状态）阳极加正向电压，门极开路（ 0），电流很小，电阻很大，称为正向漏电流。 2) 导通状态正向阳极电压上升到某一定值， ，晶闸管突然变为导通状态。这时阳极电压称为断态不重复峰值电压（ ）或正向转折电压（ ）。 ， ，晶闸管容易导通。

5、注：在晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，使元件导通的控制极最小电流（电压）称为触发电流（电压）。gIgIgIBOUDSMUBOU 3) 维持电流 （保证晶闸管导通的最小阳极电流）当电流小于 时，从导通状态转化正向阻断状态。 4) 反向阻断状态阳极加反向电压时，反向漏电流很小。当反向阳极电压增加到某一数值时，反向漏电流 ，这时对应的电压值称为 (反向不重复峰值电压)或 (反向转折电压，反向击穿电压)。注：晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。HIHIRSMUBRU4. 主要参数 1) （断态重复峰值电压）在控制极断路和晶闸管正向阻断时，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，它比 小10

6、0V。 “多少伏的晶闸管” 2) （反向重复峰值电压）在控制极断路时，可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，它比 小100V。 3)（额定通态或正向平均电流，简称额定电流）在环境温度不大于40和标准散热及全导通时，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平均值。 “多少安的晶闸管”DRMUBOURRMUBRUTI 正弦半波电流的平均值 正弦半波电流的有效值 波形系数 即 一般按 选晶闸管（ 实际电流有效值） 4)（维持电流）在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流。 一般为几十mA 一百多mA，其数值与温度成反比，如：mmTIttdII)(sin2102)(si

7、n21202mmeIttdII57. 12TeIIKTeII57. 157. 1)25 . 1 (eTIIeIHICHCHII252120121 5. 型号及其含义（国产晶闸管） 例如： 3CT50/500（ 为50A， 为500V）； KP5-7（K晶闸管，P普通型，额定电流5A，额定电压700V）。TIDRMU3CT/DRMUTI可控整流元件 N型硅材料 三个电极6. 判别管子的好坏 用万用表的欧姆档来判别管子的好坏。 表10.1 用万用表测试晶闸管各管脚之间的电阻注意：当AK间为高阻值，而KG间逆向电阻大于顺向电阻时，管子良好。测试点表内电池极性测量范围测试结果AK顺向或逆向R1000高

8、电阻（表针不动）AG同上同上同上KG顺向：G“+”,K“-”逆向：G -”,K“+”R1R1101005050010.1.2 其它电力半导体器件 双向晶闸管 可关断晶闸管 功率晶体管 整流二极管1. 双向晶闸管（TRIAC） l 特点 1) 三端子NPNPN元件； 2) 采用交流电源； 3) 相当于两只普通晶闸管反并联； 4) 双向控制，简化触发电路； 5) 成本低，可靠性好； 6) 主要应用于家用电器控制，调节交流电压。 l 符号(如图所示) l 工作原理 1) 门极无信号时， 、 不导电。 2) 导通条件：+，-，G+-，+，G- l 电压波形图(如图所示)1MT2MT2MT2MT1MT1

9、MT2. 可关断晶闸管（GTO） l特点1)控制极控制元件的导通和关断，所需控制电流较大。 20mA/30A2) 动态特性较好，关断时间较短。 1s/(530)s3)主要用于直流调压和直流开关电路。4) 电路简单，工作频率高。 l符号 与晶闸管相似。3. 功率晶体管（GTR） （300A，100V或100A，300V） 达林顿晶体管（200A，500V）注：复合管，正向导通压降，功率损耗。l特点1) 可在高电压和强电流定额下使用；2) 正向导通压降（0.30.8）V，功率损耗较晶闸管（1V）小；3) 基极电流消失或反偏时，晶体管立即截止（不存在关断问题）；4) 允许的电流变化率低；5) 处于导

10、通状态，基极电路功率损耗大；6) 体积更小，价格更低（比晶闸管）。4. 大功率二极管（整流二极管） l特点1) 可在高温下工作；（室温）2) 加正向导通压降（0.8 1）V；3) 反向电压就截止，加正向电压就导通；4) 额定值可达200A和400V，或更高。注：它相当于一只开关。作业：P:276 10.1，10.3710.2 单相可控整流电路 由晶闸管组成的可控整流电路类似于二极管整流电路。它可分为单相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。10.2.1 单相半波可控整流电路 特点： 应用较少，电路简单，调整容易。 直流输出电压低，脉动大。1. 电阻性负载 分析：1) 控制角（晶闸管元件承

11、受正向电压起始点到触发脉冲作用点之间的电角度）， 导通角（晶闸管在一周期时间内导通的电角度）， ， ， 。2) 最大正向、反向电压为 （电源变压器副边电压 的最大值）。3) 负载（输出直流）电压平均值、负载电流平均值分别为：4) ，达到可控整流的目的。 22UtUusin2222cos145. 0)(sin22122UttdUUd2cos145. 02RURUIddddIU， 2.电感性负载 如：各种电机的励磁线圈等。分析：1) 电感阻碍电流变化（ 自感电势或反电动势）。2) 大于电源负电压，晶闸管继续导通，也就是说，导通角 。3) 负 载 电 感 ， 负 载 负 （ 反 向 ） 电压 ，满足

12、不了负载的要求。Le,ddIU，Le3.续流二极管的作用（大电感性负载） 分析：1)负载两端并联一只二极管。2)电流电压过零变负时，续流二极管导通，晶闸管自行关断（无电流流回电源）。3)负载两端电压为二极管管压降，接近于零（电感放出能量消耗在电阻上）。4) 波形与电阻性负载一样， 波形与之很不相同。当 时，电流脉动小， 波形近似于一条平行于横轴的直线。dudiRL VVSdiiidVSdII2)(dVdII22)(di10.2.2 单相桥式可控整流电路 （应用很广） 它与不可控桥式整流电路的区别：二只晶闸管代替二只二极管。 1.单相半控桥式整流电路 工作原理：l 输入电压正半周，触发VS1，V

13、S2和V1反向截止，电流通路为：l 输入电压负半周，触发VS2，VS1和V2反向截止，电流通路为：2121VRVS1212VRVS 1)电阻性负载 与半波整流相比较， 和 增加了一倍，分别为： 2)电感性负载 l 加续流二极管不出现“失控”现象。 l 不加续流二极管不失控，VS2与V1交换位置。注意：电源电压为零（或= 0或触发回路切断）时，V1 和V2形成续流（电流增大），VS1或VS2可靠关断。dUdI2cos19 . 02UUd2cos19 . 02RUIddVSdII2)(dVdII)3(dVdII22)( 3)只用一个晶闸管进行控制的整流电路 四个整流二极管组成单相桥式全波电路节省晶

14、闸管元件。（a）电阻性负载与半控桥一样（b）电感性负载必须加续流二极管（c）优缺点： 控制线路简单，成本较低； 承受整流过的脉动电压，不承受反向电压； 整流元件较多，体积较大； 压降、损耗较大； 选用维持电流较大的晶闸管，以免失控。 4)反电势负载分析：（a）导通条件： l电源电压大于反电势； l有触发脉冲。（b） 比 电 阻 性 负 载大， 。（c）电流的幅值与平均值之比相当大，必须降低电流定额使用。（d）对大容量电动机或蓄电池负载，常串联电抗器L（用以平滑电流的脉动）。dUREUIdd 2.单相全控桥式整流电路1) 它与半控桥的区别： l 四只全是晶闸管。 l 每半周期要求触发两只晶闸管。

15、 l 电感性负载（无续流二极管）时，输出电压的瞬时值出现负值。 l 电阻性负载时，不比半控桥整流优越，一般采用半控桥线路。 l 主要用于正反向逆变电路中。注意：在全控桥中元件承受的最大正、反向电压仍是 。20cos9 . 0)(sin22222UttdUUd22U2)电感性负载时工作状况： l 为正，瞬时 ，VS1、VS2 导通。当 0时，L上反电势作用，VS1、VS2继续导通，直至 为负。 l 为负，即 为正，对应瞬时 ，VS3 、VS4 导通，VS1、VS2关断。当 0 时，VS3、VS4继续导通到触发VS1、VS2时关断。注意：为了提高整流电压，可在负载两端并接续流二极管。12u1t21

16、u2t；，：，：连续ddiUU09 . 0202。）（，断续ddiU0212u12u12u21u解 设 则交流电压有效值考虑到 达不到180，200V应加大10%到220V。因此，可不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。而交流电流有效值 例10.1 一直流电源的调节范围： 采用单相半控桥整流电路，试求最大交流电压和电流的 有效值，并选择整流元件。，AIVU100180000，AIVU10180000VUU2009 . 002AAVVRUIL2 .1210/180220 为保证晶闸管瞬时过电压时不损坏，则 故选用晶闸管3CT10/600和二极管2CZ10/300(考虑留有余量，采用10A

17、定额)。VVUUURMFM31022041. 122(反向）正向）AIIIVVS5210(二极管）VVUUVVUURMRRMFMDRM60031025 . 125 . 160031025 . 125 . 1）（）（）（）（作业：P:277 10.813（在题10.10中划去“若不注意后果？”）3.伏安特性 晶闸管的伏安特性晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系。10.2 单相可控整流电路 由晶闸管组成的可控整流电路类似于二极管整流电路。它可分为单相半波、单相桥式、三相零式（半波）、三相桥式。10.2.1 单相半波可控整流电路 特点： 应用较少，电路简单，调整容易。 直流输出电压低，脉动大。1. 电阻

18、性负载 分析：1) 控制角（晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲作用点之间的电角度）， 导通角（晶闸管在一周期时间内导通的电角度）， ， ， 。2) 最大正向、反向电压为 （电源变压器副边电压 的最大值）。3) 负载（输出直流）电压平均值、负载电流平均值分别为：4) ，达到可控整流的目的。 22UtUusin2222cos145. 0)(sin22122UttdUUd2cos145. 02RURUIddddIU，10.2.2 单相桥式可控整流电路 （应用很广） 它与不可控桥式整流电路的区别：二只晶闸管代替二只二极管。 1.单相半控桥式整流电路 工作原理：l 输入电压正半周，触发VS1，VS2和V1反向截止，电流通路为：l 输入电压负半周，触发VS2，VS1和V2反向截止，电流通路为：2121VRVS