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1、第六章 晶闸管及其应用,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、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）。,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。,6.1 晶闸管,结构,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,一、晶闸管的结构、符号,符号,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,图6.2晶
2、闸管的外形及其符号(a)螺栓式；(b)平板式；(c)塑封式；(d)符号,常见晶闸管外形,2 类型 可控硅按其容量有大、中、小功率管之分,一般认为电流容量大于50 A为大功率管,5 A以下则为小功率管,小功率可控硅触发电压为1 V左右,触发电流为零点几到几毫安,中功率以上的触发电压为几伏到几十伏,电流几十到几百毫安。按其控制特性,有单向可控硅和双向可控硅之分。,晶闸管连接图,二、晶闸管的工作特性 演示电路及操作过程 1)演示电路,(1)阳极与阴极之间通过灯泡接电源UAA。(2)控制极与阴极之间通过电阻R及开关S接控制电源(触发信号)UGG。2）操作过程及现象(1)S断开,UGK=0,UAA为正向
3、,灯泡不亮,称之为正向阻断，如图6.3(a)所示。(2)S断开,UGK=0,UAA为反向,灯泡不亮,如图6.3(b)所示。(3)S合上,UGK为正向,UAA为反向,灯泡不亮,称之为反向阻断,如图6.3(c)所示。,图 6.3 晶闸管工作示意图,(4)S合上,UGK为正向,UAA为正向,灯泡亮,称之为触发导通,如图6.3(d)所示。(5)在(4)基础上,断开S,灯泡仍亮,称之为维持导通,如图6.3(e)所示。(6)在(5)基础上,逐渐减小UAA,灯泡亮度变暗,直到熄灭,如图6.3(f)所示。(7)UGG反向,UAA正向,灯泡不亮,称之为反向触发,如图6.3(g)所示。(8)UGG反向,UAA反向
4、,灯泡仍不亮,如图6.3(h)所示。,3）现象分析及结论(1)由图6.3(c)、(d)得出,晶闸管具有单向导电性。(2)由图(a)、(b)、(d)、(g)、(h)得出,只有在控制极加上正向电压的前提下,晶闸管的单向导电性才得以实现。(3)由图6.3(e)得出,导通的晶闸管即使去掉控制极电压,仍维持导通状态。(4)由图6.3(f)得出,要使导通的晶闸管关断,必须把正向阳极电压降低到一定值才能关断。,晶闸管导通的条件：,1.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
5、可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,1.降低阳极与阴极间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流IH 2.阳极与阴极间的电压减小为零 3.将阳极和阴极间加反相电压,三、主要参数,UFRM:,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UFRM=80%UB0。普通晶闸管 UFRM 为100V 3000V,如果正弦半波电流的最大值为Im,则,普通晶闸管IF为1A 1000A。,UF: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。,IH:维持电流 在规定的环境和控制极断路时
6、，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。一般IH为几十 一百多毫安。,UG、IG：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。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。,国产晶闸管的型号有两种表示方法,即KP系列和3CT系列。额定通态平均电流的系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000(A)等14种规格。额定电压在1000 V以下的,每100 V为一级;1000 V到3000 V的每200 V为一级,用百位数或千位及百位数组合表示级数。,四、晶闸管型号及其含义,3CT系列表示
7、参数的方式如图所示。,CT系列参数表示方式,表示晶闸管元件,表示N型硅材料,表示额定正向平均电流（A）,表示正向阻断峰值电压（V）,导通时平均电压组别共九级,用字母AI表示0.41.2V,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),如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V 如KP200-10D,表示IF=200A、UD=1000V、UF=0.7V的普通型晶闸管,五、普通晶闸管的简单测试 1 测量可控硅内部的PN结 可控硅的内部有三个PN结,这三个PN结的好坏直接影响可控硅的质量。所以使用可控硅之前,应该先对这三个PN结进行测量。测量方法如
8、图所示。,图 11.8 可控硅的测量,2、测试方法万用表选电阻 R*1K或R*100 挡，极性判别：用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数 十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极 G，红表笔的引脚为阴极 K，另一空脚为阳 极 A。好坏判别：此时将黑表笔接已判断了的阳极 A，红表笔仍接阴极 K。此时万用表指针应不动。用 短线瞬间短接阳极 A 和控制极 G，此时万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆 左右。如阳极 A 接黑表笔，阴极 K 接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅 已击穿损坏。,6.2 晶闸管整流电路,一、单相可控整流电路,1、单相半波可控整流
9、电路,（1）电路及工作原理,u2 0 时：若 uG=0，晶闸管不导通,控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，,u2 0 时:晶闸管承受反向电压不导通,故称可控整流。,工作原理,t1,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,u2 0时:,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,t1,O,t2,2,导通角,工作波形,晶闸管承受的最高反向电压:,(2)主要参数计算,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Uo。,2、单相半控桥式整流电路,1.电路,2.工作原理,T1和D2承受正向电压。T1
10、控制极加触发电压,则T1和D2导通，电流的通路为,a,(1)电压u 为正半周时,此时，T2和D1均承受反向电压而截止。,T2和D1承受正向电压。T2控制极加触发电压,则T2和D1导通，电流的通路为,(2)电压u 为负半周时,b,此时，T1和D2均承受反向电压而截止。,工作波形,2,动画,晶闸管承受的最高反向电压:,(2)主要参数计算,输出电压及电流的平均值,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:,两种常用可控整流电路
11、,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),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),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。,二、三相可控整流电路,1、三相半波可控整流电路2、三相半倥桥式整流电路,三相可控整流电路分析,为什么要采用三相整流？对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。负载容量较大时，通常采用三相或多相电源整流电路。三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小，控制响应
12、快，在许多场合得到了广泛应用。,电源变压器的接线方式 三相可控整流电路电源变压器一般采用D,y或Y,d接线方式，以提供一条3及3的倍数次谐波电流通路。对于三相半波可控整流电路而言，次级绕组必须接成星形，以获得整流电源的中性点，故通常采用D,y接线方式。,共阴极接法,共阳极接法,三相可控整流电路分析,三相对称电源：,1、三相半波可控整流电路,三相不可控半波-电阻负载,1.三相半波整流主电路2.工作过程及波形分析,(1)高通电路：电压最高相的二极管会自动导通，强迫其他相的二极管关断(2)自然换相点:,1、三相半波可控整流电路,三相半波-电阻负载a=0,1.三相半波可控主电路2.工作过程及波形分析,
13、控制说明：（1）自然换相点决定触发绝对导通的区间，控制角是以自然换相点为起点（2）均衡工作，有序控制（3）触发脉冲相隔120度,1 三相半波可控整流电路,三相半波-电阻负载a=0,一.电阻负载,1.主电路2.工作过程及波形分析,电路特点：（1）有器件导通时负载电压为导通器件所在相的相电压。（2）电路中所有器件不导通时器件承受电压的是相电压。（3）电路中有器件导通，其他不导通器件承受的是线电压。（4）电阻负载=0时电流时连续的。,导通角在多大范围内电阻负载时候电流是连续的？,三相半波-电阻负载a=0,2.工作过程及波形分析,30,0,移相范围：,电阻负载（电流断续）,图 三相半波可控整流电路共阴
14、极接法电阻负载 a=60时的波形,三相半波可控整流电路，电阻负载，a=30时的波形,三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60时的波形,当a=0时，Ud最大，为。,整流电压平均值的计算,a30时，负载电流连续，有：,a30时，负载电流断续，晶闸管导通角减小，此时有：,负载电流平均值为,晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即,晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即,（2-20）,（2-21）,（2-22）,三相半波可控整流电路,三相半波可控整流电路阻感负载时出现负电压，有些场合往往在负载两端并联一个续流二极管，以消除负半周的影响。三相半波可控整流电路还有一种共
15、阳极组接法，其工作原理、电路波形及数量关系与共阴极组相同，但输出电压、电流极性相反。,三相半波整流电路特点,优点1、整流所得波形平直（较单相而言）。2、三相负载平衡。缺点1、变压器二次侧有直流分量通过。2、变压器利用率低。,6-3 负载类型对晶闸管整流的影响 一、感性负载的影响1）感性负载半控桥式整流电路 图6-31(a)是具有电感性负载的单相桥式半控整流电路。如前所述,在纯电阻负载的情况下,负载中的电流是断续的,当输入电压u2为零时,负载中的电流也减小为零,如图6-29(b)所示。但对于感性负载,情况就会发生变化。在u2的正半周内,由于ug1的触发作用,晶闸管V1与二极管V4同时导通。此时L
16、的作用表现在减小晶闸管V1导通电流ia1的变化,如图6-31(b)io-t波形中的12段,波形幅度减小,比较平坦。,图6-31 电感性负载半控桥式整流电路及波形,其次,u2由正变负过零时,u2=0,ia1原要减小为零,但由于L两端要产生感应电动势,以阻止ia1的减小,故ia1并不为零。事实上,这时感应电动势的极性为下“+”上“-”,它加在二极管V3、V1 和R串联的电路两端,并使二极管V3的阳极具有正电位,晶闸管V1的阴极具有负电位,故晶闸管V1继续导通,电流路径是:L下“+”R 二极管V3 晶闸管V1 L上“-”,图 6-32 有续流二极管的感性负载 半控桥式整流电路,必须强调,在这种情况下
17、,二极管V3代替了V4,并和晶闸管V1一起组成导通电路。因此,ia1继续流过负载,波形如图11.12(b)中io波形的23段所示。在u2负半周,ug2接入,使得晶闸管V2触发导通,晶闸管V1才因承受反向电压而关断。于是负载电流转换成为晶闸管V2的导通电流ia2,以后的过程与前相似。,由图11.1(b)可以看出,二极管在电源电压过零时换相,可控硅在触发时换相,输出电流是连续不断的,出现可控硅在感性负载时的导通时间比阻性负载时的导通时间长的状态,对于这种情况,一般来说,整流器仍能正常工作,但输出电压从零开始则不易调整,对控制角有严格限制的整流器也不易调整。2）加有续流二极管的半控桥式整流电路 由以
18、上分析可知,产生失控现象的原因是流过晶闸管的电流ia1（或ia2）减小时,L两端产生下“+”上“-”的感应电动势。因此,要消除失控现象,就必须设法减小感应电动势。,克服的方法是在整个负载并联一个二极管V5,它的正极接在感性负载的下端,负极接在其上端,如图11.1所示。一旦流过V1的电流ia1减小,致使L产生下正上负电动势时,二极管V5立即导通,将V1与V3串联电路短接,使晶闸管V1的阳极电压降为零,于是V1立即关断,由于V5为感性负载提供了一个放电回路,因而避免了感性负载的持续电流通过可控硅,故V5称为续流二极管。,加续流二极管后,其感性负载的输出电压uo的波形与纯电阻负载时相同,计算公式也一
19、样,但负载电流的波形不同了。因电感阻碍电流变化的作用,使流过负载的电流不但可以连续,而且基本上维持不变;电感越大,电流io的波形越接近于一条水平线。,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。,6-4 晶闸管的选择和保护,一、晶闸管的选择1、电压等级的选择 2、电流等级的选择,二、晶闸管的保护,晶闸管承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10
20、0A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；,晶闸管的过压保护,1.阻容保护,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。,硒堆保护(硒整流片),晶闸管元件的阻容保护,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。,2.硒堆保护,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
21、,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。,6-5 晶闸管的触发电路,一、单结晶体管结构及工作原理1.结构,B2,B1,N,(a)示意图,单结晶体管结构示意图及其表示符号,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。,3.单结晶体管的伏安特性,Ip,IV,负阻区：UEUP后，大量空穴注
22、入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。,1.UE UP时单结管截止；,UE UP时单结管导通，UE UV时恢复截止。,单结晶体管的特点,2.单结晶体管的峰点电压UP与 外加固定电压UBB及分压比 有关，外加电压UBB或分压比不同，则峰点电 压UP不同。,3.不同单结晶体管的谷点电压UV和谷点电流IV都 不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用 稍大一些，UV稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。,2.单结晶体管振荡电路,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。,振荡过程分析,1）uE=uC UP 时，
23、单结管不导通，uo 0。,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R1上的电流很小，其值为：,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、UV-峰点、谷点电压,UF-PN结正向导通压降,振荡波形：,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。,(c)电压波形,3.单结管触发电路,可控整流电路中，触发电路必须与主电路同步。,若不同步：,可控硅的导通角
24、不定。,一、电路,主电路,触发电路,二、波形关系,（1）整流稳压电路部分,单结晶体管电路部分,(2)触发电路,t,(3)输出电压uL,O,O,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,2.触发电路中，整流后为什么加稳压管？,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？,4.输出电压如何调节，其大小如何计算？,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？,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
25、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：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。,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。,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
26、。,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,电压的调节：,电压的计算：,19.5 应用举例,1.电瓶充电机电路,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,R2、RP、C、T1、R3、R4 构成了单结晶体管触发电路。,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。,当电瓶电压充到一定数值时，使得单结晶体管的峰点电压UP大于稳压管DZ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。,触发电路和可控整流电路的同步是由二极管D和电阻R1来完成的。,交流电压过零变负后，电容通过D和R1迅速放电
27、。,交流电压过零变正后D截止，电瓶电压通过R2、RP向C充电。改变RP之值，可设定电瓶的初始充电电流。,6-7 双向晶闸管简介,图 6-52 就是调光台灯的内部电路。现在,我们调节RP,你会发现,灯泡的亮度发生了变化。电路中的元件有你熟悉的,也有你不认识的。其中V1是双向晶闸管,V2是双向触发二极管。在调光电路中,V1及V2起到了关键性的作用。因此,有必要对双向晶闸管及双向二极管的特性进行分析。,图11.21 交流调光演示电路,一、双向晶闸管的结构和符号,1.特点：,相当于两个反向晶闸管并联，两者共用一个控制极。,2.符号：,（控制极）,（第一电极）,（第二电极）,3.工作原理：,UT1UT2
28、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。,2 用万用表检测双向晶闸管电极与触发能力 1）判定T2极 由图11.23(a)可见,G极与T1极靠近,距T2极较远。因此,G、T1之间的正、反向电阻很小。在用R1挡测任意两脚之间的电阻时,只有G、T1之间显现低阻,正、反电阻仅为几十欧。而T2、G和T2、T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明,如果测出某脚和其它两脚都不通,这肯定是T2极。,2）区分G极与T1极(1)找出T2极之后,首先假定剩下
29、两脚中某一脚为T1极,另一脚为G极。(2)把黑表笔接T1极,红表笔接T2极,电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T2 与G短路并给G加上负触发信号,电阻值应为10左右(见图11.25(a),证明管子已经导通,导通方向为T1T2。再将红表笔尖与G极脱开（但仍接T2）,如果临时性阻值保持不变,这表明管子在触发之后能维持导通状态(见图11.25(b)。,(3)把红表笔接T1极,黑表笔接T2极,然后使T2与G短路,给G极加上正触发信号,电阻值仍为10 左右,与G极脱开后若阻值不变,则说明管子经触发后,在T2T1方向上也能维持导通状态,因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符,需重新作
30、出假定,重复以上测量。显然,在识别G、T1的过程中,也就检查了双向晶闸管的触发能力。,图11.2 5区分G极和T1极的方法,1.4.3 交流调光台灯的应用电路 图11.27是调光台灯的应用电路,图11.28为它的工作波形图。下面分析电路的工作原理。,图 11.27 调光台灯应用电路,图 11.28 双向晶闸管交流调压波形图,触发电路由两节RC移相网络及双向二极管V2组成。当电源电压u为上正下负时,电源电压通过RP和R1向C1充电,当电容C1上的电压达到双向二极管V2的正向转折电压时,V2突然转折导通,给双向晶闸管的控制极一个正向触发脉冲uG,V1由T2向T1方向导通,负载RL上得到相应的正半波
31、交流电压(见图11.28(c)。在电源电压过零瞬间,晶闸管电流小于维持电流IH而自动关断。当电源电压u为上负下正时,电源对C1反向充电,C1上的电压为下正上负,当C1上的电压达到双向二极管V1的反向转折电压时,V1导通,给双向晶闸管的控制极一个反向触发脉冲uG,晶闸管由T1向T2方向导通,负载RL上得到相应的负半波交流电压。输出电压的调节是通过改变可变电阻RP的阻值,达到改变电容C1充电的时间常数的目的,也就改变了触发脉冲出现的时刻,使双向晶闸管的导通角(图11.28(c)受到控制,达到交流调压的目的。在图11.27 中,还设置了R2C2移相网络,它与RP、R1、C1一起构成两节移相网络,这样移相范围可接近180,使负载电压可从零伏开始调起,即灯光可从全暗逐渐调亮。,
