晶闸管应用第十章.ppt

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1、电子技术,模拟电路部分,第十章 晶闸管及其应用,更多电子资料请登录赛微电子网,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,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（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

2、）,斩波（直流 直流）,此外还可作无触点开关等。,晶闸管（Thyristor）,10.1 工作原理,10.1.1 结构,A（阳极）,P1,P2,N1,N2,K（阴极）,G（控制极）,符号,A,K,G,10.1.2 工作原理,示意图,ig,ig,等效为由二个三极管组成,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。,(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

3、)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,（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。,10.2 特性与参数,10.2.1 特性,IG1=0A,IG2,IG3,正向,反向,导通后管压降约1V,额定正向平均电流,维持电流,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

4、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。,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。,1.UDRM：断

5、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,控制极断路时，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,ITAV含义,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。）,额定通态平均电流即正向平均电流。,通用系列为：,1、5、10、20、30、50、100、200、30

6、0、400500、600、800、1000A 等14种规格。,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 为几十到几百毫安。,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

7、-快速晶闸管S-双向晶闸管,晶闸管,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200V 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。,10.3 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,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 u

8、G，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。,晶闸管承受的最高反向电压:,3.输出电压及电流的平均值,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,平均值：,有效值：,不同 下有效值和平均值之比：,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

9、电流平均值 ITAV,5.选晶闸管的电流额定值,(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。,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：,计算举例,则,设,=37.2V,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,二、电感性负载,1.电路及工作原理,设u

10、1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。,2.工作波形,(1)不加续流二极管,(2)加续流二极管,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,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:,4.晶闸管的选择,晶闸管电压（1.5 2）U2M,晶闸管电流,（1.5）,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-

11、晶闸管,D1、D2-晶体管,2.工作波形,3.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:,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。,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。,T1,T2,D1,D2,u2,uL,R,L,电路特点,1.该电路接入电感性负

12、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：,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。,10.4 触发电路,10.4.1 单结晶体管工作原理,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。,10.4.2 单结晶体管的特性和参数,负阻区,uEUV 时单结管截止,uEUP 时单结管导通,UEUP 后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻RB1 0，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。,负阻区存在的原因：,1.UEU

13、V 时单结管截止；,2.UEUP 时单结管导通。,10.4.3 单结晶体管振荡电路,一、振荡过程分析,1.uE=uC UP 时，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：,*二、振荡周期与脉冲宽度的计算,T振荡周

14、期；tw 脉冲宽度。,设T1=T-tw,uC上升阶段：,t=T1时，uC=UP,因为UV E，且,uC下降阶段：,t=tw时，uC=UV,脉冲宽度,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：,10.5 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。,若不同步：,可控硅的导通角不定。,一、电路,主电路,触发电路,二、波形关系,整流稳压电路部分,单结晶体管电路部分,可控硅桥式整流电路部分,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

15、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

16、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。,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：,*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,10.6 单结管的其它应用,10.6.1 交流调压

17、,主 电 路,触 发 电 路,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,输出电压的调节,uS,uL,10.6.2 单相无源逆变器,变压器,直流电源,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，其方向如图中虚线所示。充

18、电电流通过变压器T 给负载提供一定的电压；,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。,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。,10.6.3 晶闸管用做控制器件,拨盘式密码锁控制电路,拨盘,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

19、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。,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,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

20、维持电流以下，迫使其关断。从而防止锁被打开。,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；,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

21、断过流电路。,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。,*10.7.2 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。,2.符号：,（控制极）,（第一电极）,（第二电极）,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。,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。,第十章 结束,电子技术,模拟电路部分,