电子技术第16章晶闸管及可控整流

海南风光清华大学电机系电工学教研室唐庆玉编第16章晶闸管及其应用16.1晶闸管工作原理16.2单相可控整流电路16.3触发电路16.4晶闸管应用举例

16.4.1直流电机调速

16.4.2双向晶闸管交流调压第16章晶闸管及其应用16.1晶闸管

16.1.1晶闸管的基本结构

16.1.2晶闸管的工作原理

16.1.3晶闸管的伏安特性曲线

16.1.4晶闸管的主要参数及型号16.2单相可控整流电路

16.2.1单相半波可控整流电路

16.2.2单相桥式半控整流电路

16.2.3晶闸管的保护16.3触发电路

16.3.1单结晶体管

16.3.2单结晶体管触发电路

16.3.3集成触发电路TCA78516.4晶闸管应用举例

16.4.1晶闸管直流电动机调速系统

16.4.2双向晶闸管交流调压

16.4.3可关断晶闸管及逆变器

16.4.4正弦波脉宽调制逆变器（不讲）（不讲）（补充内容）别名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）是一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。

特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流最大达千安、正反向耐压最高达数千伏）。应用领域：

整流（交流直流）

逆变（直流交流）

变频（交流交流）

斩波（直流直流）此外还可作无触点开关等。16.1晶闸管（Thyristor）16.1.1晶闸管的基本结构PNPN四层半导体结构AKG电路符号P1P2N1N2KGA控制极阴极阳极16.1.2晶闸管的工作原理PPNKGANPNP1P2N1N2KGA控制极阴极阳极T1T2AKG等效为由二个三极管组成RLUAUGKT1T2AKG晶闸管的工作原理ßIGIGßßIGT1、T2都导通后，即使去掉UGK，T1、T2仍然导通。

形成正反馈放大，使T1、T2很快饱和导通。晶闸管导通的条件：（1）阳极A加正电压（2）控制极G加正的触发电压晶闸管关断的条件：晶闸管正向导通后，若令其关断，必须减小UA（或使UA反向），使晶闸管阳极电流小于某一最小电流IH

（IH称为维持电流）。（1）晶闸管具有单向导电性。

若使其关断，必须降低UA

，把阳极电流减小到维持电流以下。

正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加正的触发电压。晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。UAKIA正向特性IG=0时UDSM正向转折电压AKGUAKUGKIAIG截止导通有IG时IT通态电流IH维持电流UT约1V通态电压UT反向特性URSM反向击穿电压16.1.3晶闸管的伏安特性曲线正向特性：

控制极开路时，随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当UAK=UDSM（正向转折电压，几百伏～几千伏）时，晶闸管自动导通。正常工作时，

UAK应小于UDSM

。当有控制极电流时，UAK很小时（几伏）晶闸管就能导通。反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当UAK=URSM

（反向击穿电压，几百伏～几千伏）时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。晶闸管的伏安特性曲线小结(1)

正向阻断电压UDRM晶闸管耐压值。一般取UDRM=80%UDSM

（正向转折电压）。普通晶闸管UDRM

为100V~3000V16.1.4晶闸管的主要参数UDRMUAKIAIG=0时UDSM正向转折电压

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（反向击穿电压）。普通晶闸管URRM为100V-~3000V）(2)

反向峰值电压URRMUDRMUAKIAIG=0时UDSM正向转折电压URSM反向击穿电压URRM(3)

额定正向通态平均电流IT通用系列为：1、5A10、20、30、50、100A200、300、400、500、600、800、1000、2000、3000、4000、5000、6000A等19种规格。（加散热片自然冷却）（加散热片强迫风冷）（加散热片强迫油冷/水冷）(4)

维持电流IH几毫安～几百毫安IT通态电流IH维持电流UDRMUAKIAIG=0时UDSM正向转折电压URSM反向击穿电压URRM16.2单相可控整流电路16.2.1.单相半波可控整流电路1.电阻性负载

tu2

tuGK

tuO

tuTiO控制角

导通角u2>0时，加上触发电压uGK，晶闸管导通。且uO

的大小随uGK

加入的早晚而变化；

u2<0时，晶闸管不导通，uO=0。

故称可控整流。iOu1u2+RLuO+++uT+uGK输出电压平均值UO及输出电流平均值IO

tuO2340可控硅承受的最高反向电压UDRM

tuT2.电感性负载解决办法：加续流二极管D,加入D的目的就是消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断。u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，电感产生反电动势。由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，失去单向导电作用。iOu1u2+uO++D电流流经晶闸管电流流经续流二极管tuOiO电阻性负载时的波形图30电感性负载时的波形图(加续流二极管后）tuOiOu2ABT1T2D1D2RLuGKiOuO+16.2.2单相桥式全波可控整流电路1.电阻性负载

u2

正半周时的导通路径：u2

(A)T1

RLD2u2(B)－+－

u2

负半周时的导通路径：u2

(B)T2

RLD1u2(A)T1导通T2导通T1导通时T2受反向电压T2导通时T1受反向电压思考：T1、T2同时加触发脉冲，为什么不同时导通？

tu2

tuGK

tuO

tuT1iO

tuT2输出电压平均值输出电流的平均值tuO20输出电压波形流过晶闸管的电流平均值例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3，可控硅控制角=15~180，求输出电压平均值UO(AV)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承受的最大反向电压。选50A，700V的晶闸管u2T1T2D1D2RLiOuO++选晶闸管的参数。晶闸管平均电流最大值：承受的最高反向电压:选二极管参数与晶闸管相同2.电感性负载桥式可控整流电路u2T1T2D1D2+iOuO+DiD电流流经晶闸管电流流经续流二极管电感性负载时波形

tuOiO

tuOiO电阻性负载时波形（对照用）

当RL电路的时间常数很大时，iO波形近似一条平直线。

特点：两个可控硅用同一个触发电压，两个可控硅都承受反向电压3.几种常用桥式可控整流电路第1种电路（半控桥）u2T1T2D1D2RL+u2T1T2T3T4RL+第2种电路（全控桥）

特点：两个可控硅不能用同一个触发电压。四个可控硅都承受反向电压。特点：只用一只晶闸管，且其上无反向电压。特点：接入电感性负载时，D1、D2

起续流二极管的作用。u2D1D2D3D4RL+T第3种u2T1D1T2D2+第4种16.2.3晶闸管的保护1.过流保护晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。（1）快速熔断器：电路中加快速熔断器。

接在输出端

接在输入端~RL和晶闸管串联（2）过流继电器：在输出端装直流过电流继电器。（3）过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的导通角或停止触发，从而切断过流电路。(1)阻容吸收保护(2)硒堆保护2.过压保护利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。RLR硒堆CRCRCRC接线法参考值：当U2=220V时，R=10,5W;C=4F,450V16.3触发电路16.3.1单结晶体管工作原理E（发射极）B2（第二基极）B1（第一基极）1.单结晶体管结构NPPN结EB2B1RB2RB1等效电路RB1、RB2为PN结到两个基极的等效电阻EB2B1符号参考值：RB1=7k,RB2=3k截止区IEUVUEBUPIV负阻区饱和区IP2.单结晶体管的伏安特性RB2IEEUBBB2UEBRB1B1URB1UEUDIB（IE越大RB1越小）当UEB<UP=UD+URB1时PN结反偏，iE只有很小反向漏电流；当UEB

UP

时PN结正向导通,iE迅速增加。称为分压比谷点电流谷点电压峰点电流峰点电压参考值：0.5~0.9

谷点电压UV：维持单结管导通的最小电压、电流。UEB<UV

时单结管截止。

峰点电压UP：由截止变导通所需的发射极电压。UEB>UP

时单结管导通。3.单结晶体管驰张振荡电路(2)振荡波形(1)电路组成RR2R1CUZuCuGKEB1B2+－+－+－充电路径放电路径R1、R2是外加的，其值一般取几十~几百；RB1+RB2一般为2~15k。(a)uC<UP

时，单结管不导通，uGK0。(b)随电容的充电，uC逐渐升高。当

uC

UP

时，单结管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。(3)振荡过程分析uCtUVUPtuGK(c)电容放电至uC

<UV时，单结管关断，使

uGK0。变压器主电路触发电路16.3.2单结管触发的可控整流电路1.电路u1+－RLuO+－uGK+R3R2R1CUZuC++－RWRZ－_+－－u2u3+2.波形关系u3uAuZ整流整流稳压电路部分+UZ+－RZ－u3uAuZ+－UZ削波UZ单结晶体管电路部分波形uGKR3R2R1CuZuC++－RWRZ－_+UZ削波uZtuCtUPUV电容充放电uGKUP-UV触发脉冲RLuO+－uGK_+－u2+tttu2uO晶闸管桥式整流电路部分波形16.3.3集成触发电路TCA785

可以产生2路与正弦交流电源同步、互差180相位差的触发脉冲，其移相范围（控制角）0~180。16151413121110912345678GNDQ2QUQ1VSYNCIQZVREFVSQ2Q1LC12V11C10R9同步交流电压电源+15V地Q2Q1C10R9外接充电电容外接充电电阻+V移相调节

求是给的电路图Q1、Q2的特性与厂家给的使用说明不一致，待做实验验证。TCA785各输出端波形图0180移相调节V11VSYNCV10Q2Q1ttttTCA785实验电路限幅电路C10R9限流电阻移相调节V11充电电容充电电阻11+15V1091514125TCA7856161RP+15V15VRWR2同步交流电压（12V）u2R1输出Q2输出Q1B1G1uGK1K1+15VG4uGK4K4T1G2uGK2K2+15VG3uGK3K3B2T2脉冲变压器至晶闸管晶闸管主电路u2~12VuGK4uGK3uGK2uGK1全控桥u2~12VuGK2uGK1半控桥u2~12VuGK3uGK1半控桥16.4晶闸管应用举例图16.23小功率晶闸管直流电动机调速系统UF励磁电路uGKR10R4过流继电器继电器控制电路220VT1M转速调节放大电路滤波电容T4T3+RZDZR2RW1BTR1C1RFR7R6R5R3T2KAKMSB1KASB2KMKMD3D2D1FU4FU3FU2FU1KMRW2主电路C2触发电路R9CR8并励直流电动机C3采样电路续流二极管阻容保护阻容保护COM反馈电阻+IC4Ui反馈电压现已做成集成电路16.4.1晶闸管直流电机调速系统16.4.2双向晶闸管(Triac）及交流调压双向晶闸管符号GA2A1控制极第1阳极第2阳极等效特性曲线UIO反向转折电压正向转折电压IG=0IG=0

使用：A1、A2之间加交流电压，G、A1之间加触发电压（正、负触发脉冲均可)，受正向阳极电压的那只晶闸管导通。Triac一种新型触发用器件——硅单向开关（SUS）

（优点：触发电路简单）正向转折电压UBO（典型值8V）UIO特性曲线反向击穿电压GKA符号SUS用硅单向开关触发的双向晶闸管交流调压电路SUSRLTriac++RWuOR1iOuCuG+uA+uC+交流电源用硅单向开关触发的双向晶闸管交流调压波形图tOu23uGuOOtOt

输出电压有效值：另一种新型触发用器件——双向触发二极管（Diac）

（优点：触发电路更简单）正向转折电压UBOUIO特性曲线反向转折电压UBO符号Diac

用双向触发二极管触发的双向晶闸管RLTriac++RWuOiOuCuG+R1uC+Diac交流电源（UBO有三种规格：32V,40V,60V)变压器课堂讨论1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？u1+－RLuO+－uGK+R3R2R1CUZuC++－RWRZ－_+－－u2u3+课堂讨论u1+－RLuO+－uGK+R3R2R1CUZuC++－RWRZ－_+－－u2u3+2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？课堂讨论u1+－RLuO+