可控硅工作原理及应用课件.ppt

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1、(10-1),电子技术,第十章 晶闸管及其应用,模拟电路部分,(10-1)电子技术第十章 模拟电路部分,(10-2),第十章 晶闸管及其应用,10.1 工作原理10.2 特性与参数10.3 可控整流电路10.4 触发电路10.5 单结管触发的可控整流电路10.6 晶闸管的其它应用10.7 晶闸管的保护及其它类型,(10-2)第十章 晶闸管及其应用10.1 工作原理,(10-3),别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）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（

2、正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。,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。,晶闸管（Thyristor）,(10-3)别名：可控硅（SCR)（Silicon Con,(10-4),10.1 工作原理,10.1.1 结构,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,四 层 半 导 体,K（阴极）,G（控制极）,(10-4)10.1 工作原理10.1.1 结构A（阳极,(10-5),符号,A,K,G,10.1.2 工作原理,示意图,(10-5)符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAG,(10-6),ig,ig,等效

3、为由二个三极管组成,(10-6)APPNNNPGKigigigKAGT1T,(10-7),1. UAK 0 、UGK0时,T1导通,ig = ib1,ic1 = ig = ib2,ic2 =ib2 = ig = ib1,T2 导通,形成正反馈,晶闸管迅速导通,T1 进一步导通,2. 晶闸管导通后，去掉UGK,依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。,(10-7)1. UAK 0 、UGK0时T1导通i,(10-8),(1) 晶闸管开始工作时 ，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK = 0 ）。,3. 晶闸管截止的条件：,(2) 晶闸管正向导通后，令其截止的方法：,减小UAK，使晶闸管中电流小于

4、某一值IH。,加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值IH时，正反馈效应不能维持。,IH：最小维持电流,(10-8)(1) 晶闸管开始工作时 ，UAK加反向电压，或,(10-9),（1）晶闸管具有单向导电性。,若使其关断，必须降低 UAK 或加大回路电阻，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间加触发信号。,晶闸管的工作原理小结,（2）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。,(10-9)（1）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低,(10-10),10.2 特性与参数,10.2.1 特性,URRM,IH,UDRM,IF,IG1=0A,IG2,IG3,正向,反向,导

5、通后管压降约1V,额定正向平均电流,维持电流,(10-10)10.2 特性与参数10.2.1 特性U,(10-11),正向特性： 在阳极和阴极间加正向电压。,UDSM：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。,随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U = UDSM时，PN结N1P2反向极击穿，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应小于 UDSM 。,若在G和K间加正向电压：UGK越大，则UDSM越小。,控制极开路时： PN结P1N1、P2N2正向偏置，N1P2反向偏置，晶闸管截止。,UGK足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。,(10-11)正向特性： 在阳极和阴极间加正向电压。UDSM,(1

6、0-12),随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U = URSM 时，反向极击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。,反向特性： 在阳极和阴极间加反向电压。,这时PN结P1N1、P2N2反向偏置，N1P2正向偏置，晶闸管截止。,URSM ：反向不重复峰值电压。,(10-12)随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U,(10-13),1. UDRM：断态重复峰值电压,晶闸管耐压值。一般取 UDRM = 80% UDSM 。普通晶闸管UDRM 为 100V-3000V,10.2.2 主要参数,UDRM,(10-13)1. UDRM：断态重复峰值电压晶闸管耐压值,(10-14),控制极

7、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。普通晶闸管URRM为100V-3000V）,2. URRM：反向重复峰值电压,URRM,(10-14)控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复,(10-15),ITAV含义,ITAV,3. ITAV：通态平均电流,环境温度为40。C时,在 电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电角不小于170o的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管 ITAV 为1A-1000A。）,(10-15)ITAV含义it2ITAV 3. ITAV,(10-16),额定通态平均电流即正向平均电流。,通用系列为：,1、5、1

8、0、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14种规格。,(10-16)额定通态平均电流即正向平均电流。通用系列为：1,(10-17),4. UTAV ：通态平均电压,6. UG、IG：控制极触发电压和电流,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、 阴两极间的电压平均值。一般为1V左右。,5. IH：最小维持电流,在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。,在室温下， 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 。一般UG为 15V，IG 为几十

9、到几百毫安。,(10-17)4. UTAV ：通态平均电压6. UG、IG,(10-18),晶闸管型号,通态平均电压（UTAV）,额定电压级别（UDRM）,额定通态平均电流（ITAV）,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,(10-18)晶闸管型号通态平均电压（UTAV）额定电压级别,(10-19),晶闸管电压、电流级别：,额定通态电流（ITAV）通用系列为,1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14种规格。,额定电压（UDRM）通用系列为：,1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每20

10、0V 为一级。,通态平均电压（UTAV）等级一般用 A I字母表示：,由 0.4 1. 2V每 0.1V 为一级。,(10-19)晶闸管电压、电流级别：额定通态电流（ITAV）,(10-20),10.3 可控整流电路,10.3.1 单相半波可控整流电路,一、电阻性负载,1. 电路及工作原理,uG,(10-20)10.3 可控整流电路10.3.1 单相半波,(10-21),2. 工作波形(设u1为正弦波), ：控制角, ：导通角,u2 0 时，加上触发电压 uG ，晶闸管导通 。且 uL 的大小随 uG 加入的早晚而变化； u2 0 时，晶闸管不通，uL = 0 。故称可控整流。,(10-21)

11、2. 工作波形(设u1为正弦波)tu2tuGt,(10-22),晶闸管承受的最高反向电压:,(10-22)晶闸管承受的最高反向电压:tuT,(10-23),3. 输出电压及电流的平均值,(10-23)3. 输出电压及电流的平均值,(10-24),4. 晶闸管的选择,器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，晶闸管电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值（ITAV）。,电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：,(1) 电流的选择,(10-24)4. 晶闸管的选择器件的损坏，取决于电流的热效,(10-25),平均值：,有效值：,不同 下

12、有效值和平均值之比：,(10-25)平均值：有效值：平均值 = 1.57有效值 ,(10-26),晶闸管电流选择步骤：,1. 计算给定 下的 通态电流平均值 ITAV,2. 查表（或计算）相应的电流有效值 IT,3. 计算 IT对应的正弦半波电流平均值 ITAV,5. 选晶闸管的电流额定值,(10-26)晶闸管电流选择步骤：1. 计算给定 下的,(10-27),(2) 晶闸管电压选择步骤,根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：,UDRM = URRM =（1 .5 2）U2M,其中1.5 2为安全系数,根据UDRM 、URRM 选取晶闸管电压的额定值。,(10-27)

13、(2) 晶闸管电压选择步骤根据电源电压的峰值,(10-28),5. 晶闸管的功率因数,在半波可控整流电路中，由于输出信号为非正弦，即使是电阻性负载，功率因数也不等于1。其值为：,式中：IL=IT,例：设 =60，则：,代入上式得：,(10-28)5. 晶闸管的功率因数在半波可控整流电路中，,(10-29),计算举例,则,设,= 37.2V,(10-29)计算举例则设= 37.2V,(10-30),选晶闸管,22.3 1.5 = 33.5 (A),= 233(V),可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管,(10-30)选晶闸管22.3 1.5 = 33.5 (,(10-31),二、电感性负

14、载,1. 电路及工作原理,设u1为正弦波,u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，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。,解决办法：加续流二极管D，用于消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断。,(10-31)二、电感性负载1. 电路及工作原理设u1为D,(10-32),2. 工作波形,(1) 不加续流二极管,(10-32)2. 工作波形tu2tuGtuLtuTG,(10-33),(2) 加续流二极管,iLAV,(10-33)(2) 加续流二极管tu2tuGtuTuL,(10-34),3. 电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况）,(1) 负载中的电压及电流

15、,当L R 时， ILAV 在整个周期中可近似看做直流。,(2) 晶闸管的中电流,平均值:,有效值:,(10-34)3. 电压与电流的计算（加入续流二极管后的情,(10-35),4. 晶闸管的选择,晶闸管电压 （1.5 2）U2M,晶闸管电流, （1.5）,(10-35)4. 晶闸管的选择晶闸管电压 （1.5,(10-36),10.3.2 单相全波可控整流电路,一、电阻性负载桥式可控整流电路,1. 电路及工作原理,T1、T2 -晶闸管,D1、D2 -晶体管,(10-36)10.3.2 单相全波可控整流电路一、电阻性,(10-37),2. 工作波形,(10-37)2. 工作波形tu2tuGtuL

16、t uT1T1,(10-38),3. 输出电压及电流的平均值,(10-38)3. 输出电压及电流的平均值,(10-39),例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15180，求输出电压平均值UL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。,=191/3=64A,承受的最高反向电压:,(10-39)例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=,(10-40),二、电感性负载桥式可控整流电路,该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。,(10-40)二、电感性负载桥式可控整流电路该电路加续流二极,

17、(10-41),两种常用可控整流电路的特点,电路特点,1. 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。,(10-41)两种常用可控整流电路的特点电路1. 该电路只,(10-42),T1,T2,D1,D2,u2,uL,R,L,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. 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。,电路二：,(10-42)T1T2D1D2u2uLRL电路1. 该电路接,(10-43),带反电动势负载的可控整流电路,1. 该电路的工作过程。,2. 画出uL、iL的工作波形。,(10-43)思考T

18、1T2D1D2RuLu2E+带反电动势,(10-44),10.4 触发电路,10.4.1 单结晶体管工作原理,(10-44)10.4 触发电路10.4.1 单结晶体,(10-45),工作原理：,当uE UA+UF = UP 时,PN结反偏，iE很小；,当 uE UP 时,PN结正向导通, iE迅速增加。,(10-45)工作原理：当uE UA+UF = UP,(10-46),10.4.2 单结晶体管的特性和参数,UV,UP,IV,负阻区,uEUV 时单结管截止,uEUP 时单结管导通,(10-46)10.4.2 单结晶体管的特性和参数IEuE,(10-47),UEUP 后，大量空穴注入基区，管内

19、基极体电阻RB1 0，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。,负阻区存在的原因：,(10-47)IEuEUVUPIV负阻区UEUP 后，大量,(10-48),1. UEUV 时单结管截止；,2. UEUP 时单结管导通。,(10-48)单结管符号EB2B1单结管重1. UEU,(10-49),10.4.3 单结晶体管振荡电路,一、振荡过程分析,(10-49)10.4.3 单结晶体管振荡电路一、振荡过程,(10-50),1. uE = uC UP 时，单结管不导通，uo 0。,IR1,R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧几百欧； RB1+RB2一般为215千欧。,此时

20、R1上的电流很小，其值为：,(10-50)1. uE = uC UP 时，单结管不导,(10-51),2. 随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC UP 时，单结管导通， RB1 0 。然后电容通过R1放电，当放电至 uc UV 时，单结管重新关断，使 uo0。R1上便得到一个脉冲电压。,R2起温度补偿作用,UP-UF,UP、UV- 峰点、谷点电压,UF -PN结正向导通压降,(10-51)2. 随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC,(10-52),振荡波形：,(10-52)uCttuoUVUP振荡波形：RR2R1CEu,(10-53),*二、振荡周期与脉冲宽度的计算,T,tw,T振荡周期；

21、tw 脉冲宽度。,设T1=T-tw,uC上升阶段：,t=T1时，uC=UP,(10-53)uCttuoUVUP*二、振荡周期与脉冲宽度的,(10-54),因为UV E，且,(10-54)因为UV E，且,(10-55),uC下降阶段：,t=tw时，uC=UV,脉冲宽度,(10-55)uC下降阶段：t=tw时，uC=UVRR2R1,(10-56),周期,注意：R 值不能选的太小，否则单结管不能 关断，电路亦不能振荡。,R太小，uC下降阶段：,(10-56)周期注意：R 值不能选的太小，否则单结管不,(10-57),10.5 单结管触发的可控整流电路,可控整流电路中，触发电路必须与主电路同步。,若

22、不同步：,uo,uC,可控硅的导通角不定。,(10-57)10.5 单结管触发的可控整流电路可控整流,(10-58),一、电路,主电路,触发电路,(10-58)一、电路u1R2R1aRPCucu2Rbcde,(10-59),二、波形关系,u2,uab,U2M,U2M,ucb,削 波,整 流,UZ,整流稳压电路部分,(10-59)二、波形关系u2uabU2MU2Mucb削,(10-60),udb,ueb,电容充、放电,单结晶体管电路部分,(10-60)UZ削 波ucbudbUPUVu,(10-61),uL,u3,输出电压,可控硅桥式整流电路部分,(10-61)uLu3ueb触发脉冲输出电压u3T

23、1T2D1,(10-62),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？,问题讨论,(10-62)1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路和触,(10-63),2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？,(10-63)2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？du,(10-64),3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围（即控制角 的变化范围）有多大？,(10-64)3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作,(10-65),4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？,(10-65)4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？du,(10-66),1.

24、 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？,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。,(10-66)1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路和触,(10-67),2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？,稳压管的作用：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。,(10-67)2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？

25、稳压,(10-68),3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围（即控制角 的变化范围）有多大？,根据单结管的特性，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，每半个周期中只有一个触发脉冲起作用。,(10-68)3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作,(10-69),触发脉冲移相范围的计算,T电源电压的周期,每半个周期出现第一个脉冲的时间为电容电压从0充到UP的时间T。,(10-69)触发脉冲移相范围的计算T电源电压的周期R2R,(10-70),4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？,RP,电容充电速度变慢,uL,电压的调节：,电

26、压的计算：,(10-70)4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？RP,(10-71),*三、具有放大环节的可控整流电路,调节过程：,US（给定电压）,T1管的uc1,T2管的ic2,电容充电速度加快,触发脉冲前移,uL,(10-71)*三、具有放大环节的可控整流电路放大环节调节过,(10-72),10.6 单结管的其它应用,10.6.1 交流调压,主 电 路,触 发 电 路,(10-72)10.6 单结管的其它应用10.6.1,(10-73),电路特点：主电路的两只晶闸管不共阴极，两者的控制极必须由两个独立的触发脉冲触发，才能正常工作。因此，触发电路中脉冲变压器的副边有两个线圈，分别为两只晶

27、闸管提供触发信号。,主电路的两只晶闸管，分别在交流电源的正负半周内触发导通，从而实现交流调压的目的。,波形关系,u,uL,输出电压的调节,uS, ,uL ,uG1 ,uG2,(10-73)电路特点：主电路的两只晶闸管不共阴极，两者的控,(10-74),10.6.2 单相无源逆变器,变压器,直流电源,(10-74)10.6.2 单相无源逆变器直流电源具有中心,(10-75),工作原理：工作时， 两晶闸管由频率一定、相位差为180的两个脉冲信号交替作用在它们的控制极上。从而由直流电源提供能量，在负载上得到交流电压。,当触发脉冲作用于T1的控制极上时：T1导通，直流电源给电容C1充电，其方向如图中虚

28、线所示。充电电流通过变压器T 给负载提供一定的电压；,UL,(10-75)工作原理：工作时， 两晶闸管由频率一定、相位差,(10-76),当触发脉冲作用于T2的控制极时：T2导通，电容C1通过T2放电，其方向如图中虚线所示。放电电流通过变压器T给负载提供与上方向相反的电压。,UL,电容放电时，放电电流在电感 L2 上产生感应电动势，方向如图所示。此感应电动势通过互感，在L1 上产生的电压将晶闸管 T1 关断；同理，电容充电时 L2上的感应电动势将 T2 关断。,(10-76)当触发脉冲作用于T2的控制极时：T2导通，电容,(10-77),10.6.3 晶闸管用做控制器件,拨盘式密码锁控制电路,

29、拨盘,(10-77)10.6.3 晶闸管用做控制器件拨盘式密码锁,(10-78),工作原理,根据晶闸管的特性分析可知，开锁时三个晶闸管的工作顺序应该是：T1T2T3。否则T3或T2将因阳极和阴极间加不上电压而不导通，继电器线圈不通电，锁打不开。,1. 开锁时晶闸管工作情况,UCC,T3,T2,T1,J,D1,D2,T1导通时的路径,T3、T2的导通路径请自行分析。,T1导通时的路径如图中虚线，此时发光管D2导通，给出指示信号。,(10-78)工作原理根据晶闸管的特性分析可知，开锁时三个晶,(10-79),2. 开锁过程,根据开锁时三只晶闸管导通顺序的要求以及 图中连线，可知开锁过程如下：,拨盘

30、拨至10,T2导通,按下S,T3导通,拨盘拨至2,按下S,拨盘拨至7,按下S,T1导通,(10-79)锁2. 开锁过程根据开锁时三只晶闸管导通顺序的,(10-80),此密码锁的开锁密码是：,7-10-2,结论,改换密码号的办法：变更拨盘和晶闸管控制极的连线。,防止长期按下按钮以拨动拨盘而自动开锁的办法：将拨盘中的某几个点接地。使拨盘转到该点时，按钮按下后通过电阻（R）支路产生较大分流，使晶闸管中的电流降低到最小维持电流以下，迫使其关断。从而防止锁被打开。,(10-80)此密码锁的开锁密码是：7-10-2结论,(10-81),10.7 晶闸管的保护及其它类型,10.7.1 晶闸管的保护,晶闸管承

31、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。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。,晶闸管的热容量很小：一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。,例如：一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；,(10-81)10.7 晶闸管的保护及其它类型10.7.,(10-82),一、过流保护措施,快速熔断器：电路中加快速熔断器。,过流继电器：在输出端串接直流过电流继电器。,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。,(10-82)一、过流保护措

32、施快速熔断器：电路中加快速熔断器,(10-83),阻容吸收,硒整流堆,二、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。高电压过后，硒堆可恢复到击穿前的状态。,(10-83)阻容吸收硒整流堆二、过压保护：利用电容吸收过压,(10-84),*10.7.2 晶闸管的其它类型,一、双向晶闸管,1. 特点：,相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个控制极。,(10-84)*10.7.2 晶闸管的其它类型一、双向晶闸,(10-85),2. 符号：,（控制极）,（第一电极）,（第二电极）,(10-85

33、)2. 符号：T1T2G（控制极）（第一电极）（,(10-86),3. 工作原理：,UT1UT2时，控制极相对于T2加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从T1流向T2。,UT2UT1时，控制极相对于T2加 负脉冲，晶闸管反向导通，电流从T2流向T1。,双向晶闸管内部工作原理的详细分析，请参阅有关资料。,(10-86)3. 工作原理：UT1UT2时，控制极相对于,(10-87),二、可关断晶闸管GTO-Gata Turn Off thyristor,可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。,晶闸管的类型较多，不一一介绍。,(10-87)二、可关断晶闸管GTO-Gata Turn,(10-88),第十章 结束,电子技术,模拟电路部分,(10-88)第十章 电子技术模拟电路部分,