第9章 晶闸管及其应用电路

9.1晶闸管简介9.2晶闸管的触发电路9.3晶闸管的应用第9章晶闸管及其应用电路仙桃职业学院机械电子工程学院本章要点：主要介绍晶闸管的结构及工作原理，以及晶闸管的触发电路。对晶闸管工作原理中的伏安特性等进行重点的分析。同时也对晶闸管的触发电路中单结晶体管的结构与工作原理、单结晶体几种常用电路进行了剖析。仙桃职业学院机械电子工程学院9.1晶闸管简介晶闸管是最基本的电力电子器件，它的全称是晶体闸流管，又称可控硅，简称SCR，是一种“以小控大”的功率（电流）型器件，它象闸门一样，能够大电流的流通。其特点是体积小、重量轻、耐压高、容量大、效率高、控制灵敏、使用寿命长等优点。主要用于可控整流、逆变、调压、无触点开关等方面。其主要缺点是过载能力和抗干扰能力较差，控制电路比较复杂等。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．１晶闸管的外形与符号

（a）小电流塑封式（b）小电流螺旋式（c）大电流螺旋式（d）大电流平板式（e）图形符号仙桃职业学院机械电子工程学院

图９．２晶闸管的散热器

（a）螺旋式散热器（b）平板式风冷散热器（c）平板式水冷散热器仙桃职业学院机械电子工程学院9.1.1晶闸管的结构及工作原理

1.晶闸管的结构2.晶闸管的工作原理仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的结构(1)晶闸管是一种四层功率半导体器件，有三个引出极，阳极A、阴极K和门极G。常用的有螺旋式和平板式，外形与符号如图９．１所示。而图９．２（a）适用于螺旋式，图９．２（b）、（c）则适用于平板式。因平板式两面散热效果好，电流在200A以上的管子都采用平板式结构。仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的结构(2)晶闸管的内部结构示意图如图９．３（a）所示，它由四层半导体材料组成，四层材料由P型半导体和N型半导体交替组成，分别为P1、N1、P2和N2，它们的接触面形成三个PN结，分别为J1、J2和J3，引出的三个电极分别为阳极A，阴极K和控制极G。为了说明晶闸管的工作原理，可将其看成是PNP和NPN两个三极管相连，如图９．３（b）所示；用晶体管的符号表示等效电路，如图９．３（c）所示；晶闸管的符号如图９．３（d）所示。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．３晶闸管的结构、等效电路和符号仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的工作原理(1)当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压而控制极不加电压时，J2处于反向偏置，管子不导通，称为关断状态。仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的工作原理(2)当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压且控制极和阴极之间也加正向电压时，如图9。4所示，J3处于导通状态。若T2管的基极电流为IB2，则其集电极电流为;T1管的基极电流IB1

等于T2管的集电极电流，因而T1管的集电极电流IC1为；该电流又作为T2管的基极电流，再一次进行上述放大过程，形成正反馈。在很短的时间内（一般不超过几微秒），两只管子均进入饱和状态，使晶闸管完全导通，这个过程称为触发导通过程。当它导通后，控制极就失去控制台作用，管子依靠内部的正反馈始终维持导通状态。此时阳极和阴极之间的电压一般为0.6~1.2V，电源电压几乎全部加在负载电阻R上；阳极电流IA可达几十~几千安。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．４晶闸管的工作原理

仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的工作原理(3)那么，怎样才能使晶闸管从导通状态变为关断状态？如果能够使阳极电流IA减小到小于一定数值IH，导致晶闸管不能维持正反馈过程而变为关断，这种关断称为正向关断，IH称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向关断。因此，晶闸管的导通条件为：在阳极和阴极间加电压，同时在控制极和阴极间加正向触发电压。其关断方法为：减小阳极电流或改变阳极与阴极的极性。仙桃职业学院机械电子工程学院9.1.2晶闸管的伏安特性(1)

晶闸管的阳极、阴极间的电压u和阳极电流i以及控制极电流I之间的关系称为晶闸管的伏安特性，即i=f(u)/IG仙桃职业学院机械电子工程学院图９．５

晶闸管的伏安特性曲线若用曲线表示这种关系，则称为伏安特性曲线，如图9.5所示，曲线分为正向特性和反向特性两部分。仙桃职业学院机械电子工程学院1.正向特性当u>0时对应的曲线是正向特性。由图９．５可看出，晶闸管的正向特性可分为关断状态OA段和导通状态BC段两个部分。当控制极电流IG=0时，逐渐增加正向电压，观察阳极电流的变化情况。开始时，三个PN结中有一个为反向偏置，晶闸管处于关断状态，只有很小的正向漏电流。当电压加大到正向转折电压（即）时，晶闸管突然导通，进入伏PV安特性的BC段。此时晶闸管可通过较大电流，而管压降很小，这种导通方法极易造成晶闸管击穿而损坏，应尽量避免。若在控制极与阴极间加上触发电压，则会降低转折电压。控制极IG越大，转折电压就越低(IG2>IG1>0)。导通后，若电流降低到小于维持电流IH时，晶闸管将由导通变为关断。仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的伏安特性(3)2.反向特性当u<0时，对应的曲线称为反向特性。当晶闸管加反向电压时，三个PN结中有两个是反向偏置，只有很小的反向漏电流IR。反向电压增加到一定数值后，反向电流急剧增加，使晶闸管反向击穿，将这一电压值称为反向转折电压UBR。晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触目惊心发电压无关。仙桃职业学院机械电子工程学院9.1.3晶闸管的主要参数(1)1.额定正向平均电流IF：在环境温度小于40℃和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管的工频正弦半波电流的平均值。2.维持电流IH：在控制极开路和规定环境温度下，维持晶闸管导通的最小阳极电流。当晶闸管正向电流小于维持电流IH时，会自行关断。3.触发电压UG和触发电流IG：在室温时，晶闸管上加直流电压的条件下，使晶闸管从关断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般UG为（1~5）V，IG为几十至几百mA。仙桃职业学院机械电子工程学院4.正向转折电压UBO：在额定结温和控制极开路条件下，晶闸管从关断转为导通的正弦波半波正向电压峰值。5.正向重复峰值电压UDRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般UDRM与正向转折电压UBO之间的关系为UDRM=80％UBO。6.反向重复峰值电压URRM：控制极开路的条件下，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般URRM与反向转折电压UBR之间的关系为URRM=80％UBR。除以上几个主要参数外，昌闸管还有一些其他参数，如：正向平均电压UF，控制极反向电压UGRM和浪涌电流IFSM等。

仙桃职业学院机械电子工程学院9.1.4国产晶闸管的型号按国家有关部门规定，晶闸管的型号及其含义如下：晶闸管的种类较多，其他代号还有：K—快速型、S—双向型、N—逆导型、G—可关断型。如KS100—12G表示额定电流为100A，额定电压为1200V，管压降为1V的双向型晶闸管。仙桃职业学院机械电子工程学院9.1.5晶闸管的简易判别和使用注意事项(1)1.

晶闸管的简易判别一般可用万用表欧姆档检查晶闸管阳极与阴极之间以及阳极与门极（控制极）之间有无短路。将万用表置于R的欧姆挡，测量阳极与阴极之间、阳极与门极之间的正反向电阻，正常时应很大（几百千欧以上）。再检查门极与阴极间有无短路或断路。可将万用表置于R或R欧姆挡，测出门极对阴极正向电阻，一般应为几欧至几百欧，反向电阻比正向电阻要大一些。其反向电阻不太大不能说明昌闸管不好，但其正向电阻不能为零或大于几千欧，正向电阻为零时，说明门极与阴极间短路；大于几千欧时，说明书门极与阴极间断开。仙桃职业学院机械电子工程学院晶闸管的简易判别和使用注意事项(2)2.晶闸管的使用注意事项

选用晶闸管的额定电压时，应参考实际工作条件下的峰值电压的大小，并留出一定的余量。仙桃职业学院机械电子工程学院选用晶闸管的额定电流时，除了考虑通过元件的平均电流外，还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。使用晶闸管之前，应该用万用表检查晶闸管是否良好。发现有短路或断路现象时，应立即更换。严禁用兆欧表即摇表检查元件的绝缘情况。电流为5A以上的晶闸管要装散热器，并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与晶闸管管心接触良好，它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂。按规定对主电路中的晶闸管采用过压及过流保护装置。要防止晶闸管门极的正向过载和反向击穿。仙桃职业学院机械电子工程学院9.2晶闸管的触发电路

要使晶闸管导通，除了加正向阳极电压外还必须在控制极和阴极之间加触发信号。提供触发信号的电路称为触发电路。触发电路应满足以下几个条件：仙桃职业学院机械电子工程学院(1)

触发脉冲信号发出的时刻，必须与主回路电源电压的相位具有一定对应的控制角关系。并有足够的移相范围。(2)触发脉冲有足够大的电压和电流，一般触发电压为4~10V。(3)触发脉冲应有足够的脉宽，以保证晶闸管触发可靠性。脉宽最好在20~50us之间，一般不小于10us。(4)触发脉冲应具有陡峭的上升沿，以保证触发时间的准确性，最好在10us以下。(5)没有-触发时，触发电压应尽量小，以避免误触发。一般应小于0.15V。仙桃职业学院机械电子工程学院9.2.1单结晶体管的结构与工作原理1.单结晶体管的结构和等效电路（1）单结晶体管又称为双基极晶体管，其内部结构示意图如图９．６（a）所示。在一块N型半导体基片上制成一个PN结，从P区引出发射极E，在N型基片两端各引出一个接触电极，分别称为第一基极B1和第二基极B2

。图９．６（b）为单结晶体管的图形符号。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．６单结晶体管仙桃职业学院机械电子工程学院单结晶体管的结构和等效电路（2）图９．６（c）为单结晶体管的等效电路，PN结等效为二极管D，RBB

为B1

和B2

之间硅片本身的体电阻，RBB=RB1+RB2

。RB2

为上部基区体电阻，其值为一常数，约为（2—15）ΚΩ；RB1为可变的下部基区体电阻，E、B1间的电阻RB1受E、B1间电压的控制，等效为可变电阻。PN结未导通时，RB1为数千欧姆，一旦PN结导通，RB1则下降到几十欧姆。仙桃职业学院机械电子工程学院2.单结晶体管的工作原理和特性曲线（1）单结晶体管的发射极电流与E、Ｂ１间电压的关系曲线称为单结晶体管伏安特性曲线，特性曲线的测试电路如图９．７所示，方框内为单结晶体管的等效电路。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．７单结晶体管特性曲线的测试仙桃职业学院机械电子工程学院单结晶体管的工作原理和特性曲线（2）当Ｂ２、Ｂ１间加电源，且发射极开路时，A点电位为

……（９．２）式中称为单结晶体管的分压比，其大小由管子的结构决定，一般在0.3~0.9之章单结晶体管的主要参数之一。仙桃职业学院机械电子工程学院单结晶体管的工作原理和特性曲线（3）单结晶体管的伏安特性曲线，如图9．7所示，可分成3个区域：(1)截止区：当电压UEB1<UA+UD(on)时，二极管D处于反向偏置，电流iE

很小，故称这段区域为截止区。仙桃职业学院机械电子工程学院单结晶体管的工作原理和特性曲线（4）（2）负阻区：当增加到PN结开始导通的峰点电压UP时，即,二极管D导通。此时，空穴浓度很高的P区向电子浓度很低的N型基区注入大量空穴载流子，使RB1减小，由式（９．２）可知，UA下降，iE增大。而UA的降低，又使PN结正偏增加，iE的增大使RB1进一步减小直至Ｖ点，形成正反馈，即出现了如PV段所示特性。由于动态电阻为负值，故PV段称为负阻区。V点电压UV称谷点电压，电流IV称为谷点电流。仙桃职业学院机械电子工程学院单结晶体管的工作原理和特性曲线（5）（3）饱和区：达到V点以后，当iE增加时，UEB1也有所增加。这是由于P区扩散到N区的空穴浓度已达到饱和程度，RB1不会继续减小，恢复正阻特性。所以把V点以后的区域称为饱和区。仙桃职业学院机械电子工程学院9.2.2单结晶体振荡电路（1）

单结晶体管触发电路如图9.8（a）所示。电源UBB和RW、C构成充电回路：RW、C和单结晶体管E、B1结形成放电回路。设电容C的初始电压为零，加上电源UBB后，电源通过RW对电容C充电，uC按时间常数的指数曲线上升。当电容两端电压时，单结晶体管导通，电容通过内阻RB1和R1放电，电容电压下降，并在R1上产生一个输出电压脉冲，由于R1很小，放电过程很快完成，所以输出脉冲很窄。当时单结晶体管截止，电源再次对C充电。这样周而复始形成振荡，输出周期性的尖脉冲，如图9．8（b）所示。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．８单结晶体管振荡电路

仙桃职业学院机械电子工程学院单结晶体振荡电路（1）调节可变电阻RW，可改变充电时间，即改变脉冲周期。脉冲周期可近似表示为

…(9．3)脉冲宽度为

…(9．4)

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9.3晶闸管的应用

9.3.1单相桥式可控整流电路可控整流电路的作用是把交流电转变为电压可调节的直流电。负载不同时，其工作特点不同。仙桃职业学院机械电子工程学院1、电阻性负载（1）

图９．９电阻性负载的单相桥式半控整流电路仙桃职业学院机械电子工程学院电阻性负载（2）由两个晶闸管组成单相半控桥式整流电路，工作情况如下：在电源变压器次级电压u2为正半周时，R2处于正向电压作用下，当ωt=α时，加触发脉冲ug，T2导通，D2导通。T2、D1承受反压而关断。在u2过零碎时，T1关断，电流为零。在u2为负半周时，T2处于正偏，当ωt=π+α时，加触发电压ug，T2导通，D1导通。T1、D2承受反压而关断。在u2过零时，T2关断，电流为零。在正、负半周内，流过负载RL上的电流是相同的，实现全波整流，其波形如图9．９所示。仙桃职业学院机械电子工程学院电阻性负载（3）从u2过零开始到加入控制电压ug的角度称为控制角，晶闸管导通时间对应的角度α称为导通角，用表示，即。改变触发脉冲的时刻，可改变控制角α，称为＂触发脉冲的移相＂。控制角α的变化范围为０～π。当α＝０时，导通角θmax=π，称为全导通。由上述分析可知，改变晶闸管的控制角α，负载上的电压平均值随之改变，从而达到可控整的目的。仙桃职业学院机械电子工程学院电阻性负载（4）设变压器次级电压为输出电压平均值为

（９．５）

上式表明，越α大，则输出电压UL就越小。输出电流平（９．６）

通过每个二极管和晶闸管的平均电流为（９．７）晶闸管承受的最大反压为

仙桃职业学院机械电子工程学院２．电感性负载（1）电路如图９．１０所示。在电阻性负载RL中串联了大电感Ｌ，还并联了二极管Ｄ。当u2为正半周时，在ωt=α时刻加入触发脉冲，则T1、D2导通，在负载上有电流iL流过。由于电感Ｌ较大，若不计T1和D2上的管压降，则uL波形与u2波形相同，而通过T1和D2的电流近于直线不变。当时ωt=π时刻，T1和D2截止。仙桃职业学院机械电子工程学院电感性负载（2）当u2为负半周时，在ωt=π～（π+α）期间，由于没有触发信号，T1、D1、T2、D2均截止，这时电感产生的自感电动势为上负下正。电感通过二极管Ｄ向负载释放储能，使负载继续有电流iL流过．流过二极管Ｄ的电流iD=iL，如图９.１０（b）所示。当ωt=π+α时，在触发信号作用下，使T2、D1导通，在负载上形成iL的方向不变。当ωt=2π时，T2、D1截止，电感再次通过Ｄ使电流继续流通。所以，称Ｄ为续流二极管。仙桃职业学院机械电子工程学院图９．１０感性负载桥式半控整流电路仙桃职业学院机械电子工程学院电感性负载（3）在大电感负载（ωL）〉RL）时，电路的负载电流是连续的，波形近似于直线。在一个周期内每个晶闸管的导通角为θ，续流二极管的导通角为2（π-θ）。则流过晶闸管和二极管的电流平均值为

（９．８）流过续流二极管的电流平均值为

（９．９）晶闸管、二极管和续流二极管承受的最大反向电压均为

仙桃职业学院机械电子工程学院３．单结管触发电路（1）图９．８所示的单结管脉冲发生电路虽然能够产生周期可调的脉冲，但还不能直接作为可控整流器的触发电路。它的主要问题在于触发脉冲与主电路的电源电压不同步。在可控整流电路中，触发电路必须与主电路同步。仙桃职业学院机械电子工程学院单结管触发电路（2）为了实现同步，可以采取措施使主电路电源每次过零时，触发电路中的电容将原有的电荷全部放掉，然后，从零开始充电，这样就能保证每个半周中第一个脉冲出现的时间保持一致．仙桃职业学院机械电子工程学院在图９．１１所示的触发电路中，采用了一个同步变压器T，变压器的原边与主电路接至同一个交流电源，副边电压经桥式整流后再由电阻R3和稳压管D2削波，在稳压管两端得到一个高度为uZ的梯形波，然后用这个梯形波作为单管触发电路的电源电压。电路中各处波形如图9．11(b)所示。

图9.11单结管触发电路仙桃职业学院机械电子工程学院由图９．１2可见，当主电路电源过零时，梯形波uZ也过零点，也就是说单结管触发电路的电源电压VBB=0，此时峰点电压UP也接近于零，因此单结管的E、Ｂ１结导通，电容Ｃ迅速将电荷放掉，然后在下一个半周开始重新从零碎开始充电，从而保证了触发电路和主电路的同步。在主电路交流电源的半个周期内，触发电路可能产生若干个脉冲，但是其中只有第一个脉冲将晶闸管触发，使之由关断变为导通，随后的一系列脉冲对晶闸管不起作用。为了改变控制α，可以调节充电回路中的电阻Ｒ，以达到调节输出直流电压的目的．图9.12单结触发电路波形图

仙桃职业学院机械电子工程学院9.3.2实际应用电路

１．触摸式延时开关

如图９．13所示，当无触摸时，T1基极低电平T1、T2截止，电容Ｃ充