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1、第十三章 晶闸管及其应用,13.1晶闸管13.2可控整流电路13.3晶闸管的保护13.4晶闸管的触发电路13.5晶闸管应用举例,13.1晶闸管,下一页,13.1.1晶闸管的结构晶闸管是具有四层结构(PNPN),三端引出线的半导体器件，外形有两种形式:螺栓形和平板形，如图13.1所示。在螺栓形晶闸管中，螺栓一端是阳极(或正极)A，使用时将该端用螺母固定在散热器上;另一端有两条引线:粗引线是阴极(或负)K，细引线是控制极GO。平板形晶闸管的两血分别是阳极和阴极，中间引出线是控制极，其散热是用两个互相绝缘的散热器把器件夹在中间，由于散热效果较好，容量较大的晶闸管都采用平板形结构。晶闸管的图形符号也示
2、在图13.1中。,返回,图13.1 晶闸管的外形与图形符号,返回,13.1晶闸管,下一页,13.1.2晶闸管的工作原理晶闸管的管芯是由P型和N型半导体交替叠成的PNPN四层元件，中间形成了三个PN结J,J和J，如图13.2(a)所示为了便于分析，将晶闸管等效地看成两个三极管，一个是PNP型管T，另一个是NPN型管T即中间两层半导体为两管共有，每只晶闸管的集电极都与另一只晶闸管的基极连在一起。下面结合图13.2，从四个方面来说明晶闸管的工作原理。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,1.晶闸管的阻断状态当晶闸管的阳极和阴极间加上正向电压时，即阳极接外加电压正端，阴极接外加电压负端，会使J,J两
3、个PN结都处于正向偏置，而中间的PN结却处于反向偏置，故晶闸管不导通。从图13.2()可看出，这时虽然两管都因发射结正偏、集电结反偏而处于可能的放大状态，但由于无信号输入(开关S断开)，故晶闸管仍处于阻断状态。晶闸管的这种状态称为正向阻断状态。,返回,上一页,图13.2晶闸管工作原理示意图,返回,13.1晶闸管,下一页,当晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，即阳极接外加电压负端，阴极接外加电压正端，此时中间的PN结处于正向偏置，而J和J两个PN结处于反向偏置，晶闸管也不导通。从图13.2()也可看出，这时两管都不具备放大工作条件，所以无论控制极是否加电压都不能使晶闸管导通。晶闸管的这种状态称为反
4、向阻断状态。由此可见，晶闸管正、反向都具有阻断能力，这一点是普通二极管所没有的。2.晶闸管的导通状态如图13.2()所示，由于晶闸管等效电路中一个三极管的集电极同时又是另一管的基极，这种结构形成了内部的正反馈联系。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,在晶闸管加上正向电压时，如果控制极也加上足够的正向电压(开关S闭合)，则有电流I从控制极流入NPN管的基极。NPN管导通后，其集电极电流流入PNP管的基极，并使其导通，于是该管的集电极电流，又注入NPN管的基极。如此往复循环，形成强烈的正反馈过程，导致两个三极管均饱和导通，结果使晶闸管迅速地由阻断状态转为导通状态。这一过程可表示为（）,返回,上
5、一页,13.1晶闸管,下一页,这就是晶闸管在正向阳极电压和正向控制极电压作用下导通的基本原理。导通时饱和电流I由阳极电源电压U和负载电阻来决定，即（.）3晶闸管导通后，控制极失去控制作用晶闸管一旦导通，由于强烈的正反馈，已经有了比控制极电流I大许多倍的电流I输入NPN管的基极，这时即使断开开关S(=0)晶闸管仍能继续保持导通状态。可见晶闸管是一种只能控制其导通，而不能控制其关断的半控型器件。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,4.晶闸管的关断下述两种情况，均可将导通的晶闸管关断。(1)将阳极电压变为反向，使两管都立即处于反向电压作用下而关断(2)减小阳极电压或增大负载电阻L，根据式(13.
6、1)，电流减小，当减小到某一数值以下时，晶闸管也能关断。这是因为，晶闸管与普通三极管不同，它的四层半导体都较厚，电子空穴的复合作用强，即、都比较小;而且值还随电流的减小而降低，所以当减小到使乘积小于1时，就破坏了正反馈的幅值条件，导致晶闸管关断。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,综上所述可知:(l)欲使晶闸管导通需具备两个条件:一是应在晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压;二是应在晶闸管的控制极与阴极之间也加上正向电压和电流。(2)晶闸管一旦导通，控制极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。(3)为使晶闸管关断，必须使其阳极电流减小到维持电流以下，这只有用使阳极电压减小到零或反向的方法来实
7、现。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,13.1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性是指它的阳极电压U与阳极电流之间的关系曲线。在=0的情况下，晶闸管的伏安特性曲线如图13.3所示。当晶闸管的阳极加正向电压、控制极不加电压时，晶闸管只有很小的漏电流流过。只要外加电压小于正向转折电压，虽然随着阳极正向电压的增加，正向漏电流也逐渐增加，但仍保持阻断状态，如图13.3中正向曲线的下部。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,当外加阳极电压增至时，PN结J击穿，阳极电流I、突然急剧增大，说明晶闸管已从阻断状态突变为导通状态。如图13.3所示，晶闸管导通后的正向特性与二极管的正向特性相似，即管压降很
8、小(约1 V)，特性曲线靠近纵轴，而且很陡正常工作时，晶闸管不是在0的情况下导通，因为这样容易损坏晶闸管。如果在控制极上加触发电流就会使晶闸管在较低的阳极电压下触发导通。控制极电流越大，相应的转折电压越低，如图13.3中和的相应曲线。当控制极电流足够大时，只要有很小的阳极正向电压，就能使晶闸管由阻断转为导通。,返回,上一页,图13.3晶闸管的伏安特性,返回,13.1晶闸管,下一页,当晶闸管外加反向的阳极电压时，控制极不起作用，其反向伏安特性与二极管的反向特性相似，晶闸管始终处于反向阻断状态，只流过很小的反向漏电流。当反向电压增大至反向转折电压时，反向漏电流突然急剧增大，即晶闸管被反向击穿。晶闸
9、管反向击穿后便永久性损坏了。,返回,上一页,13.1晶闸管,下一页,13.1.4晶闸管的主要参数1.额定正向平均电流IF在环境温度小于40 0C，标准散热和全导通条件下，晶闸管阳极与阴极间能连续通过的工频正弦半波电流的平均值，称为额定正向平均电流，简称正电流。通常所说的“多少安的晶闸管”，就是指这个电流。2.正向阻断峰值电压UDRM控制极开路，晶闸管正向阻断的条件下，晶闸管两端能够重复承受的正向峰值电压，称为正向阻断峰值电压，用符号DM表示。平常所言“多少伏的晶闸管”，就是指它的RM值。,返回,上一页,13.1晶闸管,3.反向阻断峰值电压URRM控制极开路时，晶闸管能够重复承受的反向峰值电压，
10、称为反向阻断峰值电压，用符号表示。通常-。4.维持电流IH室温下，控制极开路，维持元件导通所需的最小电流，称为维持电流，用符号IH表示。IH一般为几十至一百多毫安。此外，晶闸管还有控制极触发电压和触发电流，控制极反向峰值电压等参数。,返回,上一页,13.2可控整流电路,下一页,13.2.1单相半波可控整流电路将第12章中学过的单相半波可控整流电路中的二极管D用晶闸管代替，就成为单相半波可控整流电路，如图13.4(a)所示。晶闸管未导通时，回路不通，若忽略漏电流，负载L上的电流、电压均为零。此时晶闸管承受的正、反向电压分别等于交流电源的正、负半波的幅值U2(设变压器副边电压sint这是选管时应考
11、虑的耐压值，同时还应留有余量，常选为该值的1.5一2倍。,返回,13.2可控整流电路,下一页,在晶闸管承受正向电压的某一时刻，例如。时，控制极加上短时间的电流，则晶闸管导通，负载上得到电压和电流，L和L的波形如图13.4()所示。称为触发脉冲，a称为控制角，又称移相角。当输入电压减小到近似为零时，由于正向电流小于维持电流IH,VS关断。当输入电压为负半周时，晶闸管因承受反向电压而关断，L和L均为零。在这种情况下，晶闸管的相角为=-，称为导通角。负载上得到的电压仅为输入电压的一部分，如图13.4()所示。,返回,上一页,图13.4单相半波可控整流,返回,13.2可控整流电路,下一页,显然，负载上
12、的电压和电流与控制角有关，控制角越小，导通角越大，负载电压、电流的平均值也越大。因此，改变控制角a的大小，或者说，控制电压的移相，就能改变输出电压值，达到调压的日的。13.2.2单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路如图13.5(a)所示，图中1和2两端钮表示变压器副边输出端。显然，该电路与已学过的单相桥式整流电路相比较，区别只是用二只晶闸管代替了其中的两个二极管。,返回,上一页,13.2可控整流电路,下一页,当输人电压为正半周时，正向阳极电压加在晶闸管VS，和二极管D上。如果在t=时，触发VS使其导通，电流通路为1VSRLD221，如图13.5(a)中实线箭头所示。这时VS和D均因承受反向
13、电压而截止。当输人电压i，为负半周时，VS和D承受正向电压，也在负半周的相应时刻()时，触发VS，使其导通，电流通路为2VSRD 12，如图13.5(a)中虚线箭头所示此时VS和D截止负载L上的电压和电流的波形及晶闸管VS、VS上的电压波形如图13.5()所示。从图13.5()中可见，和L的波形相似，这是负载为电阻的缘故。,返回,上一页,图13.5单相半控桥式整流,返回,13.2可控整流电路,为保证电路安全可靠地运行，要考虑足够的安全系数，通常选取晶闸管的U与PRF分别等于和U的1.5一2倍。因此，晶闸管可选用3 CT15-6(15 A,600 V)，二极管选用10 A,300 V，如2CZ1
14、0/300。因为二极管的最高反向工作电压一般是取反向击穿电压的一半，故选300 V足够了。,返回,上一页,13.3晶闸管的保护,下一页,晶闸管发生过电流的原因及其保护晶闸管发生过电流的主要原因有:负载端过载或短路、元器件被击穿短路、误导通等由于晶闸管结层的热容量很小，一旦发生过电流，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元器件损坏。为避免过电流的袭击，需采用能迅速切断电路的快速动作的保护器，如快速熔断器、快速过电流继电器等。快速熔断器是保护过电流的最简便的电器。它接入电路有三种方式:接在交流输入端;接在直流输出端;与晶闸管串联，如图13.6电路中的 FU。熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作
15、电流的有效值，而不是按所保护的元器件的电流定额(平均值)选取。,返回,图13.6快速熔断器在可控整流电路中的位省,返回,13.3晶闸管的保护,晶闸管发生过电压的原因及其保护引起晶闸管过电压的主要原因，一般是由于感性负载电路的通断、电源电压的波动、熔断器的烧断、雷击时的浪涌电压等。这种过电压的作用时间极短。所谓过电压保护，实质上就是设法消除这种短时间的过电压。阻容保护是元件过电压保护的最基本方法，因电容元件两端的电压是不能突变的，利用它来吸收过电压，可将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这种RC串联电路作为过电压保护，称为阻容吸收回路。阻容吸收元件可以并联在整
16、流装置的交流侧(输入端)、直流侧(输出端)或元件侧，如图13.7所示。,返回,上一页,图13.7阳客吸收电路整流电路中的价置,返回,13.4晶闸管的触发电路,下一页,13.4.1单结晶体管单结晶体管亦称双基极二极管，其外形与普通三极管相似。图13.8(a)所示为单结晶体管的结构示意。由图可见，它只有一个PN结，但有三个电极，分别称为发射极、第一基极B和第二基极B。单结晶体管的伏安特性曲线如图13.8(c)所示。由图可见，曲线上有两个突变点:峰点P和谷点V，对应的电压和电流分别称为峰点电压U、谷点电压U,峰点电流I和谷点电流I。这两点将曲线分为三个工作区域，即截止区、负阻区和饱和区。,返回,图1
17、3.8单结晶体管,返回,13.4晶闸管的触发电路,下一页,1.截止区截止区是指曲线上P点以左，IE数值很小，单结晶体管尚未导通的一段区域。这时，外加电压UE很小，发射极E与第一基极B之间的PN结不能导通，故发射极仅有很小的反向漏电流。2.负阻区负阻区是指曲线上P点至V点之间的一段曲域。这时，外加电压达到U,，单结晶体管内的PN结导通，IE突然增大，UE反而减小，即UEIE为负值，所以称为负阻区。,返回,上一页,13.4晶闸管的触发电路,下一页,3.饱和区饱和区是指谷点右边的那部分区域。当IE增大到一定值时，曲线出现最低点，即谷点U。过谷点以后，UE又随着IE的增加而略有升高，但变化不大，故这部
18、分称为饱和区。,返回,上一页,13.4晶闸管的触发电路,下一页,13.4.2单结晶体管触发电路利用单结晶体管的负阻特性和C电路的充放电特性，可以构成单结晶体管触发电路(见图13.9)，其作用是向晶闸管输出触发脉冲。图中，T为变压器，二极管DD组成桥式整流电路;R和V为限幅电路;V为单结晶体管。图13.10所示为电路各处电压的波形电路各部分的作用和原理分述如下:,返回,上一页,图13.9单结晶体管触发电路,返回,13.4晶闸管的触发电路,下一页,通常将被触发的晶闸管电路称为主电路实际中是将主电路与触发电路经变压器接在同一电源上(在变压器上加绕一个副绕组)，这样每当主电路的交流电压过零值时，触发电
19、路的电压也过零值，如图13.10()、()所示，称两者同步。因此，T既是整流变压器，又是同步变压器。由于整流电路的输出电压会受到交流电源电压波动的影响，因此图中采用稳压二极管将整流电压限幅(或称削波)，使其稳定在电压值U上，即将二变成了梯形波如图13.10()所示，从而避免了电源电压波动对触发电路的影响。,返回,上一页,13.4晶闸管的触发电路,下一页,接通电源前，设电容C上的电压0，接通电源后，限幅电路输出的梯形波加到R、和C组成的允电电路上，电容C允电，上升到等于单结晶体管的峰点电压U时，单结晶体管导通，E和B间的电阻突然减小，电容C经R放电。因为电阻R取得很小，所以放电很快，放电电流在电
20、阻R上形成脉冲电压，此即输出电压由于放电使电容电压下降，当下降到等于单结晶体管的谷点电压U时，单结晶体管截止。电容C又转为允电，又转为上升，即重复上述过程显然，当单结晶体管导通，R上有放电电流时，便得到了一个接一个的输出脉冲电压其波形如图13.10(d)所示。,返回,上一页,13.4晶闸管的触发电路,下一页,电路中的电位器R是起移相作用的改变R的阻值，就改变了允电回路的时间常数（+R)C,或者说改变了电容C的允电快慢，因而改变了控制角a的大小，起到了调节输出电压的日的。由于变压器的同步作用，可以使每半周产生第一个脉冲的时间相同，即控制角都为a，如图13.10(d)所示,返回,上一页,图13.1
21、0电路各处电压波形,返回,13.4晶闸管的触发电路,图13.11所示为实际中采用的一种单结晶体管触发电路，与图13.9相比，加有由T和T构成的放大器。该放大器级间采用直接藕合，放大的是整流和稳压电路输出的直流信号，所以称为直接藕合直流放大器。放大器的输入信号U由电路中各种信号叠加而成，送给T和T。Ui的变化，可引起T和T的电流变化，三极管电流的改变，也意味着它的阻值的改变，故它所起的作用相当于图13.9中的电位器的作用电路中的两个二极管D和D，分别作隔离和短路反向电压用，是为保护晶闸管控制极与阴极之间免受反向击穿而设的。,返回,上一页,图13.11实际中采用的一种单结品体管电路,返回,13.5
22、晶闸管应用举例,下一页,13.5.1晶闸管交流调压电路利用双向三极晶闸管和简单的触发电路，可以组成广泛的电子交流调压电路。交流调压电路有多种形式，这里主要介绍由双向三极晶闸管和双向二极晶闸管构成的多功能交流无触点调压器，它可用于调光、调速以及各种加热器的调温装置中。,返回,13.5晶闸管应用举例,下一页,1.双向三极晶闸管及其特性双向三极晶闸管也是一种半导体三端器件，它具有相当于两个普通晶闸管反向并联工作的作用。图13.12(a)为双向三极晶闸管的图形符号。图13.12()是双向三极晶闸管的伏安特性。显然，它具有比较对称的正反向伏安特性第一象限的曲线表明，T极电压高于T极电压，称为正向电压，用
23、表示。若控制极加正极性触发信号。,返回,上一页,图13.12双向份极品闸管,返回,13.5晶闸管应用举例,下一页,（0)，则晶闸管被触发导通，电流方向是从T流向T如图13.12(a)所示第三象限的曲线表明，T极的电压高于极的电压，称为反向电压，用U表示。若控制极加负极性触发信号（)，则晶闸管也被触发，电流方向是从T流向T。由此可见，双向三极晶闸管只用一个控制极，就可以控制它的正向导通和反向导通了。双向三极晶闸管的T，和T:称为两个主电极，但无所谓阳极和阴极之分。无论双向晶闸管控制极的电压极性如何，它都可能被触发导通，这个特点是普通晶闸管所没有的。,返回,上一页,13.5晶闸管应用举例,下一页,
24、2.多功能电子交流调压电路双向二极晶闸管也称双向触发二极管。它的正、反向伏安特性与双向三极晶闸管相似，由于没有控制极，所以工作在图13.12()中的那条特性曲线上。当两个电极之间所加的正向或反向电压达到转折电压(通常为20 V 60 V)时，双向二极晶闸管便导通，产生触发电压将晶闸管导通。图13.13是利用双向二极晶闸管D(型号为2CTS)组成的多功能电子交流调压器的电路，图13.14为它的工作波形图。下面分析电路的工作原理。,返回,上一页,图13.13多功能电子交流调压电路,返回,图13.14交流调压波形图,返回,13.5晶闸管应用举例,下一页,触发电路由两节RC移相网络、限流电阻R及双向二
25、极晶闸管D组成。当电源电压ui为上正下负时，电源电压通过和R向C允电，当电容C上的电压达到双向二极晶闸管D的正向转折电压时，双向二极晶闸管D突然转折导通，给双向三极晶闸管的控制极一个正向触发脉冲,T由T向T方向导通，负载L上得到相应的正半波交流电压，见图13.14。在电源电压过零瞬间，T电流小于维持电流IH而自动关断。,返回,上一页,13.5晶闸管应用举例,下一页,当电源电压i为上负下正时，电源对反向允电，上的电压为下正上负，当上的电压达到双向二极晶闸管D的反向转折电压时，双向二极晶闸管D导通，给双向三极晶闸管的控制极一个反向触发脉冲U,T由T向T方向导通，负载上得到相应的负半波交流电压。,返
26、回,上一页,13.5晶闸管应用举例,下一页,输出电压的调节:在图13.13中，改变可变电阻的阻值，就可以改变电容C，允电的时间常数，也就改变了触发脉冲出现的时刻，结果双向三极晶闸管的导通角(见图13.14)受到控制，达到交流调压的日的。在图13.13中，还设置了R C移相网络，它与、,一起构成两节移相网络，日的是展宽移相范围，使R两端的电压可从零伏调起。,返回,上一页,13.5晶闸管应用举例,下一页,13.5.2晶闸管一直流电动机调速整流电路能把交流电能转换为直流电能，与这种转换相反的过程可把直流电能转换为交流电能，称为逆变。在晶闸管一直流电动机系统中，为便于制动，通常需要正、反两组可控整流电
27、路。下面简单介绍其工作原理。如图13.15所示，两组晶闸管接成并联电路，并且整流电压相等，每一组均可实现交-直变换和直一交变换。当I组向电动机供正向直流电压时，II组处于待逆变状态。反之亦然。,返回,上一页,图13.品闸管一自流电动机原理不意图,返回,13.5晶闸管应用举例,下一页,1.降压调速如图13.15所示，逐渐增大I组晶闸管的控制角，其输出电压下降，使电动机处于降压调速状态，其。当电动机负载很小时，其电流不连续，使机械特性向上弯曲，如图13.16所示。为了使电流连续，在电路中加了平波电抗器。在调速过程中，当电压下降较大时，电动机感应电动势大于整流电压，电动机工作于回馈制动状态下。此时，
28、I组关断，电动机通过II组构成回路，向电网回送电能。电机工作于第二象限中，使其转速下降，当EU后，工作点重新回到第一象限，最终稳定运行于较低的转速值上。,返回,上一页,图13.16品闸管一电动机系统机械特性,返回,13.5晶闸管应用举例,下一页,另外，在此系统的启动过程中，可通过逐渐减小控制角的方法，使u逐渐增大，电动机转速均匀上升，可避免产生过大的冲击电流，平稳启动。2.弱磁调速他励直流电动机的励磁绕组也可由晶闸管供电。励磁绕组接在功率较小的可控整流电路上，增大控制角，输出电压减小，电动机励磁电流减小，达到弱磁调速的日的，并且，。把上述两种方法结合起来，可得到较宽的调速范围，并且可以实现无级调速，因此，晶闸管一直流电动机系统具有良好的调速性能。,返回,上一页,13.5晶闸管应用举例,另外，由于晶闸管整流体积小，质量小，无转动部分，运行可靠，效率高，而且易于控制，可用较小的脉冲电流控制大功率电流，快速性好，便于实现自动控制，因而其使用越来越广。,上一页,返回,
