电工学课件(王怀平)第20章晶闸管及其应用.ppt

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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 应用举例下一页 总目录 章目录 返回 上一页本章要求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 晶闸管及其应用下一页 总目录 章目录 返回 上一页晶闸管晶闸管（SSiliconilicon C Controlled ontrolled R Rectifierectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大

2、功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域率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。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，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、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。调压及开关等方面。体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。达千安、正向耐压达数千伏）。优点：优点

3、：下一页 总目录 章目录 返回 上一页GG控制极控制极20.1 晶闸管20.1.1 基本结构K K 阴极阴极G阳极阳极 AAP1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体 晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN结的四层结构结的四层结构,其外形、其外形、结构及符号如图。结构及符号如图。(c)(c)结构 结构K K GGAA(b)(b)符号 符号(a)(a)外形 外形晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号三 个PNPN 结下一页 总目录 章目录 返回 上一页P1P2N1N2K GA晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNP和和NPNNPN型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合+KA T2T1_P

4、2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK下一页 总目录 章目录 返回 上一页 T1T220.1.2 工作原理AA 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。形成正反馈过程形成正反馈过程KKGGEEA A 0 0、EEG G 0 0EGEA+_R下一页 总目录 章目录 返回 上一页 晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉EEGG，依靠正反馈，依靠正反馈，仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。工作原理GEEA A 0 0、EEG G 0 0KKEA+_R T1T2EGAA形成正反馈过程形成正反馈过程下一页 总目录 章目录 返回 上一页晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1.1

5、.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向施加正向电压。电压。2.2.晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正向加正向电压或正向脉冲电压或正向脉冲(正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反依靠正反馈，馈，晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.1.必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。2.2.将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极阳极和阴极间加反相电压。间加反相电压。下一页 总目录 章目录 返回 上一页正向特性 正向特性

6、反向特性 反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压正向转折电压IHo UIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压反向转折电压正向平均电流维持电流维持电流 U U20.1.3 伏安特性下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.1.4 主要参数UFRM:正向重复峰值电压（正向重复峰值电压（晶闸管晶闸管耐压值）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UFRM=80%UB0。普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V反向重复峰值电压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 URR

7、M=80%UBR 普通晶闸管 URRM为100V3000VURRM：下一页 总目录 章目录 返回 上一页正向平均电流正向平均电流环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。IF：IFt 2如果正弦半波电流的最大值为Im,则普通晶闸管IF为1A 1000A。下一页 总目录 章目录 返回 上一页UF:通态平均电压（管压降）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，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。晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为一般为1V1V左右。左右。IIHH:维持电流维持电流 在规定的环

8、境和控制极断路时，晶闸管维持导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。通状态所必须的最小电流。一般一般IIHH为几十为几十 一百多毫安。一百多毫安。UUGG、IIGG：控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流6V6V时，使晶闸管完时，使晶闸管完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般一般UUG G为为11到到5V5V，IIG G为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。下一页 总目录 章目录 返回 上一页晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共

9、九级,用字母用字母AIAI表示表示0.41.2V0.41.2V额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF)（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管 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。下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.2 可控整流电路20.2.1 单相半波可控整流 1.1.电阻性负载电阻性负载(1)电路 uu 0 0 时：时：若若uug g=0=0，晶闸管晶闸管不导通，不导通，uu 0 0 时时:晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通,uuo

10、=0,=0,uuTT=u u，故称可控整流。故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压导导 通，通，uuuuooRRLL+uuTT+Tiioo下一页 总目录 章目录 返回 上一页(2)(2)工作原理工作原理t12uu 0 0时时:tO下一页 总目录 章目录 返回 上一页 tO 接电阻负载时接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形动画控制角t1 tO tOt22tO导通角(3)(3)工作波形工作波形下一页 总目录 章目录 返回 上一页(4)(4)整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值由公式可知：由公

11、式可知：改变控制角，可改变输出电压Uo。下一页 总目录 章目录 返回 上一页2.电感性负载与续流二极管(1)(1)电路电路 当电压当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。uuuuooRR+uuTT+TLeL 在电感性负载中在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电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感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形见波形)。下一页 总目录 章

12、目录 返回 上一页 tOtO tOt1 tOt22 2)2)工作波形工作波形(未未加加续流二极管续流二极管)下一页 总目录 章目录 返回 上一页uuuuooRR+uuTT+LTiiooDiioouu 00时时：DD反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。uu 0 0时：时：DD正向导通正向导通,晶闸管晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断,电感元件电感元件LL释放能量形成的电流经释放能量形成的电流经DD构成回路构成回路(续流续流),),负载电负载电压压uuoo波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同(见波形图见波形图)。3.电感性负载(加续流二极管)+(1)电路下一页 总目

13、录 章目录 返回 上一页(3)(3)工作波形工作波形(加续流二极管加续流二极管)iL t tOtO2 tO下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.2.2 单相半控桥式整流电路1.1.电路电路2.2.工作原理工作原理 T T11和和DD22承受正向承受正向电压。电压。TT11控制极加触控制极加触发电压发电压,则则TT11和和DD22导导通，通，电流的通路为电流的通路为TT11、TT2 2 晶闸管晶闸管DD11、DD22晶体管晶体管a RLD2T1b(1)(1)电压电压uu 为正半周为正半周时时iioo+T1T2RLuoD1D2aauu+bb此时，此时，TT22和和DD11均承受反向电压而截止。

14、均承受反向电压而截止。下一页 总目录 章目录 返回 上一页iioo+T1T2RLuoD1D2aauu+bb T T22和和DD11承受正向承受正向电压。电压。TT22控制极加触控制极加触发电压发电压,则则TT22和和DD11导导通，通，电流的通路为电流的通路为(2)(2)电压电压uu 为负半周为负半周时时b RLD1T2a此时，此时，TT11和和DD22均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。下一页 总目录 章目录 返回 上一页 t tOtO3.3.工作波形工作波形2动画 tO下一页 总目录 章目录 返回 上一页4.4.输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值下一页 总目录 章目录 返

15、回 上一页两种常用可控整流电路电路特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上2.无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2DD11D4u0RLDD33+-+-下一页 总目录 章目录 返回 上一页电路特点 1.该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起 续流二极管作用。(2)20.2.3 20.2.3 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路动画2.由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2u uORL+-+-下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.2.4 三相桥式半控整流电路2.2.工作原理工作原理11.电路电路动画u2a2u2bu2ct1t2o

16、TT T T1 1RRLLuoD D3 3 T T2 2T T3 3D D2 2D D1 1io c cbbaau+下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.3 晶闸管的保护 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。它的主要缺点。晶闸管的热容量很小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400A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，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

17、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。下一页 总目录 章目录 返回 上一页 晶闸管的过流保护1.1.快速熔断器保护快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，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，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。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。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。下一页 总目录 章目录 返回 上一页2.2.过流继电器保护过流继电器保护3.3.过流截止保护过流截止保护 在输出端在输出端(直

18、流侧直流侧)或输入端或输入端(交流侧交流侧)接入过电接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，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。使电路自动切断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。控制触发电路。当电路发生过流故障时，当电路发生过流故障时，检测电路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。使晶闸管导通角减小或立即关断。下一页 总目录 章目录 返回 上一页2.2.硒堆保护硒堆保护 晶闸管的过压保护1.1.阻容保护阻容保护C

19、 CRR 利用电容吸收过压。利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电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。阻中消耗掉。RCRC 硒堆保护(硒整流片)C CRRRRLL晶闸管元件的阻容保护下一页 总目录 章目录 返回 上一页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1.1.结构结构B B2 2第二基极 第二基极B B1 1N欧姆接触 欧姆接触接触电阻 接触电阻P 发射极 发射极E E第一基极 第一基极PN结N型硅片(a)(a)示意图 示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号 单结晶体管结构示

20、意图及其表示符号(b)(b)符 符号 号B B2 2E EB B1 1下一页 总目录 章目录 返回 上一页2.2.工作原理工作原理 U UE E UUBBBB+UUDD=UUP P 时时PNPN结反偏，结反偏，IIEE很小；很小；PNPN结正向导通结正向导通,IIEE迅速迅速增加。增加。UUE E UUPP时时 分压比(0.5 0.9)UUPP 峰点电压峰点电压UUD D PNPN结正向导通压结正向导通压降降B B2 2B B1 1UBBE EU UE E+_+_RP+_+_等效电路 等效电路RB1RB2AUBBE EU UE E+_RP+_+_B B22B B11测量单结晶体管的实验电路 测

21、量单结晶体管的实验电路由图可求得由图可求得下一页 总目录 章目录 返回 上一页3.单结晶体管的伏安特性单结晶体管的伏安特性UUVV、IIVV(谷点电压、电流谷点电压、电流):):维持单结管导通的最小 电压、电流。UUPP(峰点电压峰点电压)：单结管由截止变导通 所需发射极电压。Ip IVoIIEEUUEEUUPP峰点电压 峰点电压UUVV谷点电压 谷点电压V负阻区 负阻区截止区饱和区 饱和区负阻区：负阻区：UUEEUUPP后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。P下一页 总目录 章目录 返回 上一页1.1.UUEE UUP

22、P时单结管导通，时单结管导通，UUEE UUVV时恢复截止。时恢复截止。单结晶体管的特点单结晶体管的特点B B2 2E EB B1 12.2.单结晶体单结晶体管的峰点电压管的峰点电压UUPP与与 外加固定电压外加固定电压UUBBBB及分压比及分压比 有关，有关，外加电压外加电压UUBBBB或或分压比分压比不同，则峰点电不同，则峰点电 压压UUPP不同。不同。3.不同单结晶体管的谷点电压UUVV和和谷点电流IIVV都 不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用 稍大一些，UUVV稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.4.2 单结晶体管触发电路

23、1.1.振荡电路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 单结晶体管弛张单结晶体管弛张振荡电路利用单结管振荡电路利用单结管的负阻特性及的负阻特性及RCRC电路电路的充放电特性组成频的充放电特性组成频率可调的振荡电路。率可调的振荡电路。ug gRR2 2RR1 1RRUUuc cEE+C C+_+_50 50 100k 100k 300 300 0.47 0.47 F F下一页 总目录 章目录 返回 上一页ug gRR2 2RR1 1RRUUuC CEE+C C+_+_50 50 100k 100k 300 300 0.47 0.47 F F2.2.振荡过程分析振荡过程分析设通电前

24、设通电前uuCC=0=0。接通电源接通电源UU,电容电容CC经电阻经电阻RR充电。充电。电容电压电容电压uuCC逐渐升高。逐渐升高。当当uuCC UUPP时时,单结管导通单结管导通,电电容容CC放电放电,RR11上得到一脉冲电压。上得到一脉冲电压。UUppUvUUpp-UUDDuCCtugt电容放电至电容放电至 uuC C UUvv时，单结管重新关断，使时，单结管重新关断，使uugg00。(a)(a)(b)(b)下一页 总目录 章目录 返回 上一页注意：注意：RR值不能选值不能选的太小，否则单结的太小，否则单结管不能关断，电路管不能关断，电路亦不能振荡亦不能振荡。up puv(c)(c)电压波

25、形 电压波形uC CttugOO下一页 总目录 章目录 返回 上一页主电路主电路触发电路触发电路uu1 1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+uC+RuL L+ug g+uu+单结管触发的半控桥式整流电路1.1.电路电路下一页 总目录 章目录 返回 上一页2.2.工作原理工作原理(1)(1)整流削波整流削波U2M削削 波波UUZ ZRu2+uo+uZ整流整流U2MttOZ ZttOttO下一页 总目录 章目录 返回 上一页(2)(2)触发电路触发电路UP-UDR1R2RPCuc+Rug g+uZ+ttttUUvUpRLT1D1D2T2uL L+(3)(3)输出电压输出电压uuLLO

26、OUZttOttO下一页 总目录 章目录 返回 上一页问 题 讨 论1.1.单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发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？电路为什么接在同一个变压器上？目的：目的：保证主电路和触发电路的电源电压同时过保证主电路和触发电路的电源电压同时过零零(即两者同步即两者同步)，使电容在每半个周期均从零开始，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的时刻相同(即即角一样角一样)以使输出平均电压不变。以使输出平均电压不变。2.2.触发电路中，整流后为什么加稳压

27、管？触发电路中，整流后为什么加稳压管？稳压管的作用：稳压管的作用：是将整流后的电压变成梯形是将整流后的电压变成梯形(即削即削波波)，使单结管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，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度和每半个周期产生从而保证单结管产生的脉冲幅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。第一脉冲的时间，不受交流电源电压变化的影响。下一页 总目录 章目录 返回 上一页3.3.一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用一系列触发脉冲中，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，在阳极电根据晶闸管的特

28、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导通状态。因此，每半个周期中只有第一个触发脉冲起作用。冲起作用。改变充电时间常数即可改变控制角改变充电时间常数即可改变控制角。控制角控制角变化的范围称为移相范围。变化的范围称为移相范围。4.4.电压的调节电压的调节RR 电容充电速度变慢电容充电速度变慢uL下一页 总目录 章目录 返回 上一页单结晶体管触发电路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR 输出脉冲可以直接从电阻R1引出(如前图)，也可通过脉冲变压器输出。

29、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D1,可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。下一页 总目录 章目录 返回 上一页使用脉冲变压器的触发电器下一页 总目录 章目录 返回 上一页20.5 应用举例1.电瓶充电机电路R1AVR2R4R3RPDDZTC+_待待充充电电瓶瓶T1 该电瓶充电机电路使用元件较少，线路简单，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。具有过充电保护、短路保护和电瓶短接保护。下一页 总目录 章目录 返回 上一页工作原理工作原理 R R22、RRPP、CC、TT11、RR3 3、R

30、R4 4 构成了单结晶体管构成了单结晶体管触发电路触发电路。当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需当待充电电瓶接入电路后，触发电路获得所需电源电压开始工作。电源电压开始工作。R1AV R2R4R3RP D DZTC+_待待充充电电瓶瓶 T1下一页 总目录 章目录 返回 上一页 当电瓶电压充到一定数值时，使得当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管单结晶体管的峰点电压的峰点电压UUPP大于稳压管大于稳压管DDZZ的稳定电压，单结晶体的稳定电压，单结晶体管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机管不能导通，触发电路不再产生触发脉冲，充电机停止充电。停止充电。R1AV R2R4R3RP D DZ

31、TC+_待待充充电电瓶瓶 T1下一页 总目录 章目录 返回 上一页R1AV R2R4R3RP DDZTC+_待充电瓶 T1 触发电路和可控整流电路的同步是由二极管触发电路和可控整流电路的同步是由二极管DD和电和电阻阻RR11来完成的。来完成的。交流电压过零变负后，电容通过交流电压过零变负后，电容通过DD和和RR11迅速放电。迅速放电。交流电压过零变正后交流电压过零变正后DD截止，电瓶电压通过截止，电瓶电压通过RR22、RRPP向向CC充电。改变充电。改变RRPP之值，可设定电瓶的初始充电之值，可设定电瓶的初始充电电流。电流。下一页 总目录 章目录 返回 上一页2.2.双向晶闸管双向晶闸管特点：

32、特点：相当于两个晶闸管反向并联，两者共用相当于两个晶闸管反向并联，两者共用一个控制极。一个控制极。符号：符号：A1A2G控制极控制极第一电极第一电极第二电极第二电极通过控制电压的控制可实现双向导通。下一页 总目录 章目录 返回 上一页工作原理工作原理UUA1A1UUA2A2时，时，控制极控制极相对于相对于AA22加正脉冲，加正脉冲，晶闸管晶闸管正向导通，电流从正向导通，电流从AA11流向流向AA22。UUA2A2UUA1A1时，时，控制极相对于控制极相对于AA22加加负脉冲，负脉冲，晶闸管晶闸管反向导通，电流从反向导通，电流从AA22流向流向AA11。A1A2G下一页 总目录 章目录 返回 上一页交流调压电路 双向二极管：双向二极管：只要在其两端加只要在其两端加上一定数值的正上一定数值的正或负电压即可使或负电压即可使其导通。其导通。RC Tu+_ _双向二极管