上篇课题9晶闸管及应用

上篇-课题九晶闸管及应用电子工业出版社

《电子技术基础》9.1晶闸管9.2晶闸管的应用电路返回课程总目录9.1晶闸管

9.1.1晶闸管的结构、符号图9.1

晶闸管的外形图9.2

晶闸管的内部结构和符号

晶闸管的外形如图9.1所示。它有三个引出极：阳极（A）、阴极（K）和门极（G）（又称控制极）。普通晶闸管的结构和符号如图9-2所示。晶闸管内部是由PNPN四层半导体构成，所以有三个PN结J1、J2、J3。阳极A从P1层引出，阴极由N2层引出，门极由P2层引出。普通晶闸管的型号是KP型。9.1.2晶闸管的工作特性晶闸管在反向阳极电压作用下，不论门极为何种电压，它都处于关断状态。晶闸管同时在正向阳极电压与正向门极电压作用下，才能导通。已导通的晶闸管在正向阳极电压作用下，门极失去控制作用。晶闸管在导通状态时，当阳极电压减小到接近于零时，晶闸管关断。图9.4

晶闸管等效电路晶闸管的伏安特性曲线

当门极电压UGK=0时，门极电流IG=0。此时，若施加正向阳极电压UAK，当UAK较小时，阳极电流IA较小，称为正向漏流，管子处于正向阻断状态。继续加大UAK至UBO时，管子突然由阻断状态（简称断态）变为导通状态（简称通态）。称UBO值为正向转折电压。导通之后，管压降降为UT，IA随UAK快速增减。当IA减至IH以下时，管子恢复阻断，回到原点。IH为维持电流。图9.5

晶闸管伏安特性曲线当UAK>0、IG>0时，IG越大，管子由断态转为通态所需正向转折电压越小。如，IG1>IG0，IG1对应的转折电压。当UAK<0时，若其值较小，管子有很小的反向漏流，此时管子处于反向阻断状态。若UAK值加大，增至某一值UBR时，反向电流突增，此时管子击穿。UBR称为击穿电压。9.1.3晶闸管的主要参数1.正向重复峰值电压UDRMUDRM是指在门极开路和晶闸管阻断条件下，允许重复加在晶闸管上的正向峰值电压。普通晶闸管的UDRM值为100~3000V。2.反向重复峰值电压URRMURRM是指门极开路时，允许重复加在晶闸管上的反向峰值电压。普通晶闸管的URRM值为100~3000V。3.通态平均电流IV（AV）IV（AV）是在环境温度为40℃和规定冷却条件下，晶闸管在电阻性负载的单组工频正弦半波、导通角不小于170oC的电路中，当结温稳定且不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流。IV(AV)一般从1~1000A。4.维持电流IH在室温下，门极开路时，晶闸管从较大的通态电流降低至刚好能保持导通的最小电流。5.门极触发电流IGIG是指在室温下，晶闸管施加6V正向阳极电压时，使其完全开通所必须的最小门极直流电流。9.1.3晶闸管的主要参数通态平均电压组别额定电压（正反向重复峰值电压等级）额定电流（额定通态平均电流系列）P—普通型，N—逆导型，G—可关断型表示闸流特性门极触发电压UG与门极触发电流相对应的门极直流电压。除上述参数外，还有其他一些参数，如断态电压临界上升率、通态电流临界上升率等。晶闸管的型号晶闸管的型号由字母及数字五部分组成。具有含义如下。KP□

□

□

9.2.1晶闸管的整流电路1.单相半波可控整流电路9.2晶闸管的应用电路

用晶闸管代替单相半波整流电路中的二极管就成了单相半波可控整流电路，如图9.6(a)所示。整流变压器次级电压u2加在晶闸管阳极回路中。图9.6

单相半波可控整流电路

若晶闸管门极不加触发电压，即uG=0,则晶闸管将处于阻断状态，负载RL上无电流，RL两端电压uL为零。晶闸管V承受u2全部电压。现在t1时刻加上触发脉冲uG，如图9.6(b)所示，则V从t1时刻开始导通，负载RL两端电压突然上升，其波形与ωt1~π期间的u2波形相似。管子一直导通至u2的正半周结束，电压降至零，晶闸管电流低于维持电流而关断。在u2的负半周，晶闸管承受反压，处于阻断状态，负载两端电压为零。到下一周期，又重复上述过程。波形图如图9.6(b)所示。把晶闸管从承受正压起到触发导通之间的电角度称为控制角，用表示。晶闸管在一个周期内导通的电角度称为导通角，用θ表示。对单相半波电路而言，显然有+θ=π改变门极触发电压加入的时刻就可以控制晶闸管的导通角，从而改变整流输出电压。忽略晶闸管导通管压降，则整流输出电压平均值为(U2为整流变压器二次侧电压有效值)

:ULAN对于电阻性负载，流过电阻RL的电流平均值为

=通过晶闸管的电流平均值与负载电流平均值相等。故有

当α=00时，θ=180o，ULAV=0.45U­2,UL=ILAV=IV(AV)=ILAV=晶闸管全导通，相当于一般整流二极管的单相半波整波。当α=180O时，θ=0o，ULAV=UL=0，晶闸管全阻断。2.单相桥式可控整流电路

（1）电阻性负载图9.7

单相桥式可控整流电路

图9.7(a)所示为单相桥式可控整流电路，它就是将单相桥式不可控整流电路中两只二极管换成两只晶闸管而得到的。图中，两只晶闸管V1、V2为共阴极接法，而两只二极管D1、D2为共阳极接法。

当u2为正半周时触发，V1导通，V2截止，电流途径为：a端→V1→RL→D2→b端，在u2过零时，V1阻断，输出电流为零。当u2为负半周时触发，V2导通，V1截止，电流途径为：b端→V2→RL→D1→a端，在u2过零时，V2阻断，输出电流为零。晶闸管承受的最大正向、反向电压、二极管承受的最大正向、反向电压均为U2。

电阻性负载，输出电流的波形与输出电压相似。输出电压平均值为:ULAV=

=

=0.9U2输出电压、电流平均值均为单相半波可控整流的2倍。通过晶闸管、二极管的电流平均值为:

IV(AV)=ID(AV)=

（2）电感性负载单相桥式可控整流电路接电感性负载时电路如图9.8所示。

由于是电感负载，采用了续流二极管。当电当电感值较大时，负载电流波形为一直线，负载上电流平均值与有效值相等。当控制角为α时，一个周期内每只晶闸管的导通角为θv=π－α，续流二极管的导通角为θD=2α。流过每个晶闸管的电流平均值为：IV(AV)=图9.8

单相桥式可控整流电路接电感性负载时电路流过续流二极管的电流平均值为：ID(AV)=3.晶闸管的保护（1）过电流保护晶闸管电路中若出现元件击穿、输出超载或短路、控制电路工作不正常或受干扰使晶闸管误触发等均可导致通过晶闸管的电流大大超过其正常工作电流。设置过电流保护的任务，就是当电路一旦出现电流时，能在元件还未损坏之前，迅速地把过电流现象消除。常用的过电流保护有以下几种。1）接入快速熔断器快速熔断器的接法有三种：①直接与元件串联，如图9.9(a)所示，可在个别元件短路时进行保护；②接在交流输入端，如图9.9(b)所示，可对输出短路、元件短路起保护作用；③接在直流输出端，如图9.9(c)所示，可在输出回路短路或过载时进行保护。图9.9

快速熔断器的接法2）装设过流继电器3）采用过电流截止电路

另外，亦可在交流回路中接入限流电抗器，或采用漏抗较大的变压器，来限制短路电流。这种方法的缺点是，工作时电压损失增大，装置的功率因数降低。上述几种措施可选一种也可选几种。无论采用哪种措施，都必须保证保护器的动作时间小于晶闸管在一定过载倍数下允许承受的过流时间。

（2）过电压保护

引起晶闸管出现过电压的原因很多，如可控整流电路交流侧通断时引起峰值电压、感性负载电路的通断、电源电压的波动以及其他干扰等均可造成过电压。1）阻容保护图9.10

阻容吸收过电压保护2）硒堆保护

硒堆就是成组串联的硒整流片。硒整流片具有反向非线性特性。当反向电压刚刚超过转折电压后，反向电流便迅速增加。图9.11

硒堆保护的接法9.2.2晶闸管触发电路

要使晶闸管导通，除了在阳极与阴极之间加正向电压外，还需在控制极与阴极之间加正向触发电压（电流）。产生触发电压（电流）的电路称为触发电路，根据晶闸管的性能和主电路的实际需要，对触发电路的基本要求如下：a、触发电路要能够提供足够的触发功率（电压和电流），以保证晶闸管可靠导通。手册给的触发电流IG和触发电压UG是指该型号所有合格晶闸管能够被触发的最小控制极电流和最小控制极电压。b、触发脉冲要有足够的宽度，脉冲前沿应尽量陡，以使晶闸管在触发后，阳极电流能上升到超过擎住电流而维持导通。对于感性负载，由于反电动势阻止电流上升，触发脉冲还要求更宽。c、触发脉冲必须与主电路的交流电源同步，以保证主电路在每个周期里有相同的导通角。d、触发脉冲的发出时刻应能平稳的前后移动，使控制角α有一定的变化范围，以满足对主电路的控制要求。1.单结晶体管(1)结构

单结晶体管外形与普通晶体三极管一样，有三个电极，但它内部却只有一个PN结。

在一块N型基片一侧的两端各引出一个接触的电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2，而在基片的另一侧较靠近B2处设法掺入P型杂质形成PN结，并引出一个电极，为发射极E。图9.12标示出了单结晶体管的结构、符号与等效电路。其中RB1、RB2分别是两个基极至PN结之间的电阻。由于具有两个基极，单结晶体管也称为双基极二极管。图9.12

单结晶体管(2)伏安特性图9.13

单结晶体管的伏安特性

单结晶体管伏安特性是指它的发射极特性。测试电路如图9.13(a)所示，在两基极之间加一固定电压UBB，加在发射极与B1极之间的电压UE可通过RP进行调节，改变电压值UE，同时测量不同UE对应的发射电流IE，得到图9.13(b)所示伏安特性曲线。

当发射极电压UE小于峰点电压UP时，单结晶体管为截止状态，当UE上升到峰点电压UP时，单结晶体管触发导通。导通后，若UE低于谷点电压UV，单结晶体管立即转入截止状态。峰点电压UP与管子的分压比η（）及外加电压UBB有关。η大则UP大，UBB大则UP也大。单结晶体管具有以下特点：2.单结晶体管触发电路

(1)单结晶体管振荡电路

单结晶体管振荡电路是利用上述单结晶体管伏安特性，接上适当的电阻、电容而构成的，如图9.14(a)所示。从R1两端输出脉冲电压uo。图9.14

单结晶体管振荡电路(2)单结晶体管同步触发电路

由触发电路的基本要求可知，触发脉冲必须与主电路的交流电源同步，即要求触发脉冲在晶闸管每个导通周期内的固定时刻发出，以保证晶闸管在每个导电周期内具有相同的导通角。只能这样，才能保持输出电压平均值稳定。图9.15

单结晶闸管同步触发电路

9.2.3[工程实例]1.双向晶闸管

双向晶闸管是晶闸管系列中主要的派生元件，在交流电路中由它代替一组反并联的普通晶闸管。使用双向晶闸管可以简化线路、节省成本，因而在交流调压、调速和电子开关等方面用途很广，是一种比较理想的交流电力控制元件。(1)特性与符号

双向晶闸管的外形与普通晶闸管相同，也有塑封式、螺栓式和平板式，也有三个电极，其中一个是门极（控制极）G，另外两个则分别叫做第一阳极A1和第二阳极A2，符号如图9.16(a)所示。图9.16

双向晶闸管符号与伏安特性(2)触发方式

双向晶闸管的触发信号加在门极G与第一阳极A1之间。不论触发信号的极性如何，都能被触发。因此，可用交流信号做触发信号。再考虑到双向晶闸管的主电路加正、反电压都能被触发的特性，双向晶闸管的触发方式可有四种：1）Ⅰ＋触发方式曲线在第Ⅰ象限，A2为正，A1为负，G对A1为正。2）Ⅰ－触发方式曲线在第Ⅰ象限，A2为正，A1为负，G对A1为负。3）Ⅲ＋触发方式曲线在第Ⅲ象限，A2为负，A1为正，G对A1为正。4）Ⅲ－触发方式曲线在第Ⅲ象限，A2为负，A1为正，G对A1为负。

虽然双向晶闸管有四种触发方式，但它们所要求的触发电流不同。其中以Ⅲ+方式要求触发电流最大，因而触发灵敏度最低，使用中应尽量避免采用这种触发方式。2.晶闸管交流开关电路由于晶闸管既可以导通，又可以关断，因此可用来组成开关电路。(1)简单的晶闸管交流开关

图9.17所示为几种基本的晶闸管交流开关。它们都是利用晶闸管或双向晶闸管门极电源的通断，来控制其阳极电流的通断，以实现开关功能的。图9.17

晶闸管交流开关的基本形式(2)固定开关

固态开关包括