电工学课件(王怀平)第20章晶闸管及其应用

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1、下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,20,章 晶闸管及其应用,,,,,,,20.1,晶闸管,20.2,可控整流电路,20.3,晶闸管的保护,20.4,单结晶体管触发电路,20.5,应用举例,,本章要求,1.,了解晶闸管的基本结构、工作原理、特,,性和主要参数。,,2.,理解可控整流电路的工作原理、掌握电,,压平均值与控制角的关系。,,3.,了解单结晶体管及其触发电路的工作原,,理。,第,20,章 晶闸管及其应用,,晶闸管,,（,S,ilicon,,C,ontrolled,R,ectifier）,,,晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功,,率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领

2、域,,扩展到强电领域。,,晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、,,调压及开关等方面。,,体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,,优点：,,,G,控制极,20.1,晶闸管,20.1.1 基本结构,K,阴极,G,阳极,,A,,P1,P2,N1,N2,,四 层 半 导 体,晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。,(c) 结构,K,G,A,(b) 符号,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,三,,个,PN,结,,,P1,P2,N1,N2,K,,,G,

3、A,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,,+,K,A,,T,2,T,1,_,P,2,N,1,N,2,I,G,I,A,P,1,N,1,P,2,I,K,G,,,,P,P,N,N,N,P,A,G,K,,T,1,T,2,20.1.2,工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,E,A,> 0、,E,G,> 0,E,G,E,A,+,_,R,,晶闸管导通后，去掉,E,G,，,依靠正反馈，仍可维持导通状态。,工作原理,G,E,A,> 0、,E,G,> 0,K,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,A,形成正反馈过程,,晶闸管导通的条件：,1.

4、 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。,,2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。,,晶闸管导通后，控制极便失去作用。,,依靠正反馈，,晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,,1.,必须使可控硅阳极电流减小,直到,正反馈,效应不能维持。,,,2.,将阳极电源断开或者在晶闸管的,阳极和阴极间加反相电压。,,正向特性,反向特性,U,RRM,U,FRM,I,G2,>,I,G1,>,I,G0,U,BR,I,F,U,BO,正向转折电压,I,H,o,U,I,I,G0,I,G1,I,G2,+,_,+,_,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,,U,2

5、0.1.3 伏安特性,,20.1.4,主要参数,U,FRM,:,正向重复峰值电压（,晶闸管,耐压值）,,晶闸管,控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在,晶闸管,两端的正向峰值电压。,,一般取,U,FRM,,=,80%,U,B0,,。,,普通,晶闸管,U,FRM,,为,100V,—,3000V,反向重复峰值电压,,控制极开路时,允许重复作用在,晶闸管,元,,件上的反向峰值电压。,,一般取,U,RRM,,= 80%,U,BR,,,,普通,晶闸管,U,RRM,为,100V,—,3000V,U,RRM,：,,,,,,正向平均电流,,环境温度为40,,C及,标准散热条件下，,晶闸管处于,全导通时,

6、可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,,I,F,：,I,F,,t,,2,,如果正弦半波电流的最大值为,I,m,,,则,普通晶闸管,I,F,为,1A — 1000A,。,,U,F,:,,通态平均电压（管压降）,,在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，,,晶闸管阳、阴极间的电压平均值。,,一般为,1V,左右。,I,H,:,,维持电流,,在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导,,通状态所必须的最小电流。,,一般,I,H,为几十,~,一百多毫安。,U,G,、,I,G,：,控制极触发电压和电流,,室温下，阳极电压为直流,6V,时，使晶闸管完,,全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。,,

7、一般,U,G,为,1,到,5V,，,I,G,为几十到几百毫安。,,晶闸管型号及其含义,导通时平均电压组别,,共九级, 用字母A~I表示0.4~1.2V,额定电压,,,用百位或千位数表示,取,U,FRM,或,U,RRM,较小者,额定正向平均电流,(,I,F,),（晶闸管类型）,,P,--,普通晶闸管,,K,--,快速晶闸管,,S,--,双向晶闸管,,晶闸管,K,P,普通型,如KP5-7表示,额定正向平均电流为,5A,,额定电压为,700V,。,,20.2,可控整流电路,20.2.1 单相半波可控整流,,,1. 电阻性负载,,(1),电路,,u,,> 0,时：,,若,u,g,= 0，,晶闸管

8、,不导通，,u,,< 0,时:,晶闸管,承受反向电压不导通,,,,u,o,= 0,,u,T,=,u,，,故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管,承受正向电压,导 通，,,u,u,o,R,L,+,–,+,u,T,+,–,–,T,i,o,,(2) 工作原理,,t,1,,,,2,u,,<,,0,时,:,,可控硅承受反向电压不导通,即：晶闸管反向阻断,加触发信号，,晶闸管承受正向电压,导通,,t,O,u,,> 0,时:,,t,O,,,t,O,接电阻负载时,,单相半波可控整流电路电压、电流波形,,,动画,控制角,,t,1,,,,,t,O,,t,O,,t,2,2,,,t,

9、O,导通角,(3),工作波形,,,(4),整流输出电压及电流的平均值,,由公式可知：,改变控制角,，可改变输出电压,U,o,。,,2.,电感性负载与续流二极管,(1)电路,,当电压,u,过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。,,u,u,o,R,+,–,+,u,T,+,–,–,T,,,⃝,L,e,L,⃝,在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(,见波形,)。,,,t,O,,t,O,,t,O,,t,1,,,,,t,O,,t,2,2,,,,,2),工

10、作波形(未,加,续流二极管),,,u,u,o,R,+,–,+,u,T,+,–,–,L,T,,i,o,D,i,o,u,>,0,时,：,,,D,反向截止，不影响整流电路工作。,u,,< 0,时：,,D,正向导通,,晶闸管,承受反向电压关断,电感元件,L,释放能量形成的电流经,D,构成回路(续流),负载电压,u,o,波形与电阻性负载相同(见波形图)。,3.电感性负载,(加,续流二极管),+,–,(1) 电路,,(3),工作波形(加续流二极管),i,L,,t,,,,t,O,,t,O,,,2,,,t,O,,20.2.2 单相半控桥式整流电路,1.,电路,2.,工作原理,,T,1,和D

11、,2,承受正向,,电压。,T,1,控制极加触发电压, 则,T,1,和D,2,导,,通，,电流的通路为,T,1,、T,2,,晶闸管,D,1,、D,2,,晶体管,a,R,L,D,2,T,1,b,(1)电压,u,为正半周,时,i,o,+,–,+,–,T,1,,T,2,,R,L,u,o,D,1,D,2,a,,u,+,–,b,此时，,T,2,和D,1,均承受反向电压而截止。,,i,o,+,–,+,–,T,1,,T,2,,R,L,u,o,D,1,D,2,a,,u,+,–,b,T,2,和D,1,承受正向,,电压。,T,2,控制极加触发电压, 则,T,2,和D,1,导,,通，,电流的通路为,(2)电压

12、,u,为负半周,时,b,R,L,D,1,T,2,a,此时，,T,1,和D,2,均承受反向电压而截止。,,,t,,,,t,O,,t,O,3.,工作波形,2,,动画,,t,O,,4.,输出电压及电流的平均值,,两种常用可控整流电路,电路,,特点,该电路只用一只晶闸管，且其上,,无反向电压。,2. 晶闸管和负载上的电流相同。,(1),u,T,D,2,D,1,D,4,u,0,R,L,D,3,+,-,+,-,,电路,,特点,1.,该电路接入电感性负载时，,D,1,、D,2,,便起,,续流二极管作用。,(2),20.2.3 三相半波可控整流电路,动画,2.,由于,T,1,的阳极和,T,2

13、,的阴极相连，两管控,,制极必须加独立的触发信号。,T,1,T,2,D,1,D,2,u,u,O,R,L,+,-,+,-,,20.2.4 三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1,. 电路,动画,u,2a,2,,,u,2b,u,2c,t,1,t,2,u,o,T,T,1,R,L,u,o,D,3,T,2,T,3,D,2,D,1,i,o,c,b,a,u,+,+,–,–,,20.3,晶闸管的保护,,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。,,晶闸管的热容量很小,，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只,100A,的,晶闸管,过电流为400

14、A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；,,晶闸管耐受过电压的能力极差，,电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,,晶闸管的过流保护,1.,快速熔断器保护,电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。,与晶闸,,管串联,接在输入端,~,,接在输出端,快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。,,2.,过流继电器保护,3.,过流截止保护,在输出端(直流侧)或输入端(交流侧)接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。,在交

15、流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。,当电路发生过流故障时，,检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。,,2.,硒堆保护,晶闸管的过压保护,1. 阻容保护,C,R,,,利用电容吸收过压。,其实质就是将造成过电压,,的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电,,阻中消耗掉。,R,C,R,C,硒堆保护,,(硒整流片),C,R,~,R,L,晶闸管元件,,的阻容保护,,20.4,单结晶体管触发电路,,20.4.1 单结晶体管结构及工作原理,,1.结构,B,2,第二基极,B,1,N,欧姆接触,,接触电阻,P,发射极,E,第一基极,PN结,N型

16、硅片,(a) 示意图,单结晶体管结构示意图及其表示符号,(b) 符号,B,2,E,B,1,,2. 工作原理,,,U,E,<,,,U,BB,+,U,D,=,U,P,时,PN结反偏，,I,E,很小；,PN,结正向导通,,I,E,迅速增加。,U,E,,,U,P,时,,,,– 分压比(,0.5~ 0.9,),U,P,,–,峰点电压,U,D,–,,PN,结正向导通压降,B,2,B,1,U,BB,E,U,E,+,_,+,_,R,P,+,_,+,_,等效电路,,R,B1,R,B2,,A,U,BB,E,U,E,+,_,R,P,+,_,+,_,B,2,B,1,测量单结晶体管的实验电路,由图可求得,,3

17、 .,单结晶体管的伏安特性,U,V,、,I,V,(谷点电压、电流):,维持单结管导通的最小,,电压、电流。,,U,P,(,峰点电压),：,,,单结管由截止变导通,,,所需发射极电压,。,I,p,I,V,o,I,E,U,E,U,P,峰点电压,U,V,谷点电压,V,负阻区,截止区,饱和区,负阻区：,U,E,>,U,P,后，,,大量空穴注入基区，,,致使,I,E,增加、,U,E,反,,而下降，出现负阻。,P,,1.,U,E,<,U,P,时单结管截止；,U,E,>,U,P,时单结管导通，,,U,E,<,U,V,时恢复截止。,单结晶体管的特点,B,2,E,B,1,2.,单结晶体,管的峰点电压,U,P,与

18、,,外加固定电压,U,BB,及分压比,,,,有关，,外加电压,U,BB,或,分压比,,不同，则峰点电,,压,U,P,不同。,3. 不同单结晶体管的谷点电压,U,V,和,谷点电流,I,V,都,,不一样。谷点电压大约在2 ~ 5V之间。常选用,,,,稍大一些，,U,V,稍小的单结晶体管，以增大输,,出脉冲幅度和移相范围。,,20.4.2 单结晶体管触发电路,1. 振荡电路,单结晶体管弛张振荡电路,单结晶体管弛张,,振荡电路利用单结管,,的负阻特性及,RC,电路,,的充放电特性组成频,,率可调的振荡电路。,u,g,R,2,R,1,R,U,u,c,E,+,C,+,_,_,+,_,50,,

19、100k,,300,,0. 47,F,,u,g,R,2,R,1,R,U,u,C,E,+,C,+,_,_,+,_,50,,100k,,300,,0. 47,F,2.,振荡过程分析,设通电前,u,C,=0。,接通电源,U,, 电容,C,经电阻R充电。,电容电压,u,C,逐渐升高。,,当,u,C,,,U,P,时,单结管导通,电,,容,C,放电,,R,1,上得到一脉冲电压。,U,p,U,v,U,p,-,U,D,u,C,,t,u,g,,t,电容放电至,u,C,,,U,v,时，单结管重新关断，使,u,g,0。,(a),(b),,注意：,R,值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦

20、不能振荡,。,u,p,u,v,(c) 电压波形,,u,C,,t,,t,u,g,O,O,,主电路,触发电路,u,1,+,R,L,R,1,R,2,R,P,C,R,u,Z,T,1,D,1,D,2,T,2,u,2,+,–,,u,C,+,+,–,R,u,L,+,u,g,+,u,+,,单结管触发的半控桥式整流电路,1. 电路,,2. 工作原理,(1),整流削波,U,2M,削 波,U,Z,R,u,2,+,–,+,–,u,o,+,–,u,Z,整流,U,2M,,t,O,Z,,t,O,,t,O,,(2),触发电路,U,P,-,U,D,R,1,R,2,R,P,C,u,c,+,R,u,g,+,u,Z,+,

21、,t,,t,U,v,U,p,R,L,T,1,D,1,D,2,T,2,u,L,+,(3),输出电压,u,L,O,O,U,Z,,t,O,,t,O,,问 题 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？,,目的：,保证主电路和触发电路的电源电压同时过零(即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始充电，从而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现的时刻相同(即,角一样),以使输出平均电压不变。,2.,触发电路中，整流后为什么加稳压管？,,稳压管的作用：,是将整流后的电压变成梯形(即削波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从而保证单结管产生的脉冲幅

22、度和每半个周期产生,,第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。,,3.,一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？,,如何改变控制角,？,根据晶闸管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。,改变充电时间常数即可改变控制角,。,,控制角,变化的范围称为移相范围。,4.,电压的调节,R,,电容充电速度变慢,,u,L,,单结晶体管触发电路,T,1,+,U,1,R,E1,-,C,T,2,R,C1,R,E2,R,2,T,3,T,4,D,1,D,2,D,Z,R,,输出脉冲可以直接从电阻R,1,引出(如前图

23、)，也可,,通过脉冲变压器输出。由于晶闸管控制极与阴极间,,允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲,,变压器副边串联二极管D,1,, 可将反向电压隔开，而,,并联D,2,，可将反向电压短路。,,使用脉冲变压器的触发电器,,,20.5,,应用举例,1. 电瓶充电机电路,R,1,~,A,V,R,2,R,4,R,3,R,P,D,D,Z,T,C,+,_,待,,充,,电,,瓶,T,1,该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，,,具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。,,工作原理,R,2,、,R,P,、,,C,、T,1,、,R,3,、,R,4,,构成了单结晶体管触发电路,。,当待充电电瓶接入电

24、路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。,R,1,~,A,V,R,2,R,4,R,3,R,P,D,D,Z,T,C,+,_,待,,充,,电,,瓶,T,1,,,当电瓶电压充到一定数值时，使得,单结晶体管的峰点电压,U,P,大于稳压管,D,Z,的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。,R,1,~,A,V,R,2,R,4,R,3,R,P,D,D,Z,T,C,+,_,待,,充,,电,,瓶,T,1,,R,1,~,A,V,R,2,R,4,R,3,R,P,D,D,Z,T,C,+,_,待,,充,,电,,瓶,T,1,,触发电路和可控整流电路的同步是由二极管,D,和电阻,R,1,来

25、完成的。,,交流电压过零变负后，电容通过D和,R,1,迅速放电。,交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过,R,2,、,,R,P,向,C,充电。改变,R,P,之值，可设定电瓶的初始充电,,电流。,,,2.,双向晶闸管,特点：,相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。,符号：,A,1,A,2,G,控制极,第一电极,第二电极,通过控制电压的控制可实现双向导通。,,工作原理,,U,A1,>,U,A2,时，,控制极,相对于,A,2,加正脉冲，,,晶闸管,正向导通，电流从,A,1,流向,A,2,。,U,A2,>,U,A1,时，,控制极相对于,A,2,加,负脉冲，,,晶闸管,反向导通，电流从,A,2,流向,A,1,。,,A,1,A,2,G,,交流调压电路,双向二极管：,,只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,,R,C,T,u,+,_,双向二极管,,