晶闸管及其基本电路课件

晶闸管及其基本电路第十章电力半导体器件弱电强电晶闸管（SiliconControlledRectifier简称SCR）是在60年代发展起来的一种新型电力半导体器件。优点：(1)用很小的功率(电流约几十毫安～一百多毫安，电压约2～4V)可以控制较大的功率(电流自几十安～几千安，电压自几百伏～几千伏)，功率放大倍数可以达到几十万倍；(2)控制灵敏、反应快，晶闸管的导通和截止时间都在微秒级；(3)损耗小、效率高，晶闸管本身的压降很小(仅1V左右)，总效率可达97.5%，而一般机组效率仅为85%左右；(4)体积小、重量轻。10.1晶闸管

晶闸管是在半导体二极管、三极管之后发现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。一、晶闸管的结构和符号

晶闸管的外形和结构图分别如图所示：其中：A—阳极，K—阴极，G—控制极。结构示意图表示符号4层半导体(P1、N1、P2、N2)，3个PN结二、晶闸管的工作原理实验电路如图（a）所示，主电路加上交流电压~u2，控制极电路接入Eg，在t1瞬间合上开关S，在t4瞬间拉开开关S，则u2、ug和电阻上RL的电压ud的波形关系如图（b）所示。（1）在0~t1之间:开关S未合上，ug=0，尽管uAK>0，但ud=0，即晶闸管未导通；（2）在t1~t2之间:uAK>0，由于开关S合上，使ug>0，而，即晶闸管导通；（3）在t2~t3之间，uAK<0，尽管ug>0，但ud=0，即晶闸管关断；（4）在t3~t4之间，uAK>0，这时ug>0,而，所以，晶闸管又导通；（5）当t=t4时，ug=0，但uAK>0，，即晶闸管仍处于导通状态；（6）当t=t5时，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。

三、晶闸管的伏安特性

晶闸管阳极对阴极的电压和流过晶闸管的电流之间的关系称为晶闸管的伏安特性。

正向(uAK>0)正向阻断状态:当ug=0，uAK<UDSM，元件中有很小的电流（正向漏电流）流过，处于截止状态（称为正向阻断状态），简称断态。正向击穿：当ug=0，uAK=UDSM，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态。UDSM称为断态不重复峰值电压，或用UBO表示称正向转折电压。正向导通状态：ug>0，uAK>0，晶闸管导通，其电流的大小由负载决定，阳极和阴极间的管压降很小。反向(uAK<0)反向截止状态:当uAK<URSM，元件中有很小的反向电流（反向漏电流）流过，处于截止状态。反向击穿：当uAK=URSM，晶闸管突然由反向截止状态转化为导通状态。URSM称为反向不重复峰值电压，或用UBR表示称反向击穿电压。四、晶闸管的主要参数

一般在产品目录上给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。

1.断态重复峰值电压UDRM

晶闸管正向阻断状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的正向峰值电压。UDRM=UDSM-100在选择晶闸管时还要考虑留有足够的余量，一般：晶闸管的UDRM应等于所承受的正向电压的（2~3）倍。

2.反向重复峰值电压URRM

晶闸管反向截止状态下，可以重复加在晶闸管阳极和阴极两端的反向峰值电压。URRM=URSM-10010.2单相可控整流电路整流－将交流电变为直流电的过程；整流电路－将交流电变为直流电的电路；整流单相三相10.2.1单相半波可控整流电路

u2－输入电压；ud－输出电压；－控制角；晶闸管元件承受正向电压起始点到触发脉冲的作用点之间的电角度。－导通角；是晶闸管在一周期时间内导通的电角度。对单相半波可控整流电路：一、带电阻性负载的可控整流电路输入电压：负载电压：负载电流：晶闸管承受的最大正反向电压：二、带电感性负载的可控整流电路

单相半波可控整流电路用于大电感性负载时，如果不采取措施，负载上就得不到所需要的电压和电流。三、续流二极管的作用为了提高大电感负载时的单相半波可控整流电路整流输出平均电压，可采取负载两端并联一只二极管措施，如图所示。

晶闸管电流平均值：

续流二极管的电流平均值：2.电感性负载

半控桥式整流电路在电感性负载时采用加接续流二极管的措施。有了续流二极管，当电源电压降到零时，负载电流流经续流二极管，晶闸管因电流为零而关断，不会出现失控现象。

流过每只晶闸管平均电流：流过续流二极管的平均电流：

2.电感性负载

半控桥式整流电路在电感性负载时，可以不加续流二极管。这是因为在电源电压过零时，电感中的电流通过V1和V2形成续流，确保VS1或VS2可靠关断，这样也就不会出现失控现象。

流过每只晶闸管平均电流：流过续流二极管的平均电流：为了节省晶闸管元件，还可采用下图的接线，它由四只整流二极管组成单相桥式电路，将交流电整流成脉动的直流电，然后用一只晶闸管进行控制，改变晶闸管的控制角，即可改变其输出电压。

3.反电势负载

当整流电路输出接有电势负载时,只有当电源电源的瞬时值大于反电势，同时又有触发脉冲时，晶闸管才能导通，整流电路才有电流输出，在晶闸管关断的时间内，负载上保留原有的反电势。10.2.3单相全控桥式整流电路单相全控桥式整流电路如图所示。把半控桥中的两只二极管用两只晶闸管代替即构成全控桥。

10.3三相可控整流电路10.3.1三相半波可控整流电路

三相半波可控整流电路图如图所示。自然换相点：触发相序：ABC触发脉冲的相位：1200设输入电压为：可能承受的最大反向电压为：当晶闸管没有触发信号时，晶闸管承受的最大正向电压为:10.4逆变器

利用晶闸管电路把直流电变成交流电，这种对应于整流的逆向过程，称之为逆变，把直流电变成交流电的装置，叫做逆变器。变流器交流侧接到负载，把直流电逆变为某一频率或可变频率的交流电供给负载，则称为。有源逆变逆变无源逆变变流器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变为同频率的交流电反馈到电网去

一、无源逆变电路的工作原理无源逆变器的工作原理，可以用如图所示的开关电路来说明。1.无源逆变器的简单工作原理2.单相晶闸管桥式逆变器二、单相无源逆变器的电压控制

1.控制逆变器的输入直流电压2.在逆变器内部的电压控制（1）脉宽控制不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中晶闸管（或晶体管）的导通时间以控制输出脉冲的宽度来改变逆变器输出电压，此方法称脉宽控制。逆变器输出电压的幅值是通过改变脉冲总的导通时间与总的关断时间的比率来控制的，这有两种基本的方法：第一种方法是维持恒定的脉冲宽度而改变每一半周期内的脉冲数；第二种方法是改变脉宽，而维持每一半周期内的脉冲数不变。三、无源逆变器的换相（换流）两组晶闸管交替地导通和关断的过程，就是电流转换的过程，简称换流。但由于电流是直流电，没有像交流电那样电压有过零变负的时候，所以，如不采取措施，则晶闸管一旦触发导通后就关断不了。负载是由电感L和补偿电容C组成的并联谐振回路，Ld为限流电抗器。10.5晶闸管的触发电路

向晶闸管供给触发脉冲的电路，叫触发电路。（1）单结晶体管触发电路（2）小容量晶闸管触发电路（3）晶体管触发电路10.5.1晶闸管对触发电路的要求

实质：晶闸管的可靠触发（1）触发电路应能供给足够大的触发电压和触发电流，一般要求触发电压应该在4V以上，10V以下，如图所示；（2）触发脉冲的宽度必须在10微秒以上，如果负载是大电感，电流上升比较慢，那么，触发脉冲的宽度还应该增大。（3）不触发时，触发电路的输出电压应该小于0.15V～0.20V，为了提高抗干扰能力，避免误触发，必要时可在控制极上加上一个1V～2V的负偏压；（4）触发脉冲的前沿要陡，保证晶闸管的触发时间前后一致。（5）在晶闸管整流等移相控制的触发电路中，触发脉冲应该和主电路同步，脉冲发出的时间应该能够平稳地前后移动（移相），移相的范围要足够宽。10.5.2单结晶体管触发电路一、单结晶体管单结晶体管是一种特殊的半导体器件，它有三个电极，一个发射极和两个基极，故又叫双基极二极管。

1.工作