可控硅及其应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2013,第17章 可控硅及其应用,1,别名：,可控硅（SCR),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）,斩波（直流,直流）,此外还可作无触点开关等。,晶闸管,2,17.1 工作原理,1.,结构,P1,P2,N1,N2,四 层 半 导 体,K（阴极）,G（控制极）,A（阳极）,PNPN四层半导体结构,三 个,PN,结,3,图11.1晶闸管的外形及其符号,(a) 螺栓式； (b) 平板式； (c) 塑封式； (d) 符号,4,符号,A,K,G,G,K,P1,P2,N1,N2,A,P,P,N,N,N,P,A,G,K,2. 工作原理,阳极,阴极,控制极,5,A,P,P,N,N,N,P,G,K,i,g,i,g,i,g,K,A,G,T,1,T,2,等效为由二个三极管组成,U,GK,U,AK,T,1,、T,2,都导通后，即使去掉U,GK,， T,1,、T,2,仍然导通,R,L,6,(1),阳极A,加反向电压，,或不加触发信号（即,U,GK,= 0 ）。,可控硅导通的条件：,（1）阳极A加正电压,（2）控制极G加正的触发电压,可控硅截止的条件：,(2)可控硅正向导通后，若令其关断，必须减小,U,AK,（或使U,AK,反向），使可控硅中电流小于某一最小电流I,H,（ I,H,称为维持电流）,A,i,g,i,g,i,g,K,G,T,1,T,2,U,AK,R,L,U,GK,A,K,G,7,（1）晶闸管具有单向导电性。,若使其关断，必须降低,U,AK,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间加正的触发信号。,晶闸管的工作原理小结,（2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。,8,17.2 特性与参数,1. 特性,U,I,I,H,I,F,I,G,=0时,有I,G,时,正向,反向,U,- 阳极、阴极间的电压,I,- 阳极电流,U,DSM,正向转折电压,截止,导通,导通后管压降约1V,额定正向平均电流,维持电流,U,RSM,反向击穿电压,9,正向特性：,控制极开路时，随,U,AK,的加大，阳极电流逐渐增加。当,U,=,U,DSM,（,正向转折电压）时，晶闸管自动导通。正常工作时，,U,AK,应小于,U,DSM,。,反向特性：,随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当,U,=,U,RSM,（,反向击穿,电压）,时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于,U,RSM,。,10,(1),U,DRM,：正向阻断电压,晶闸管耐压值。一般取,U,DRM,= 80%,U,DSM,（正向转折电压）。,普通晶闸管,U,DRM,为,100V-3000V,2. 主要参数,U,I,I,H,I,F,额定正向平均电流,U,DSM,正向转折电压,U,RSM,反向击穿电压,U,DRM,11,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,U,RRM,= 80%,U,RSM,（反向击穿电压）。普通晶闸管,U,RRM,为,100V-3000V,）,(2),U,RRM,：反向峰值电压,U,I,I,H,I,F,额定正向平均电流,U,DSM,正向转折电压,U,RSM,反向击穿电压,U,DRM,U,RRM,12,(3),I,F,：额定正向平均电流：,通用系列为：,1、5、10、20、30、50、100、200、300、400,500、600、800、1000A 等14种规格。,U,I,I,H,I,F,额定正向平均电流,U,DSM,正向转折电压,U,RSM,反向击穿电压,U,DRM,U,RRM,13,晶闸管的主要参数,1） 电压定额,(1) 正向转折电压,U,BO,。,(2) 正向阻断重复峰值电压,U,VM,。,(3) 反向重复峰值电压,U,RM,。,(4) 通态平均电压,U,F,。,(5) 额定电压,U,D,。,1) 额定正向平均电流,I,F,2) 维持电流,I,H,4 控制极定额,1) 控制极触发电压,U,G,和触发电流,I,G,2) 控制极反向电压,U,GR,14,晶闸管的型号,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。,15,KP系列表示参数。 其通态平均电压分为9级, 用AI各字母表示0.41.2 V的范围, 每隔0.1 V为一级。,16,例如, 型号为KP200-10D, 表示,I,F,=200A、,U,D,=1000V、,U,F,=0.7V的普通型晶闸管。,3CT系列表示参数的方式如图11.7所示。,CT系列参数表示方式,17,普通晶闸管质量粗测,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。 测量方法如图 所示。,18,可控硅的测量,19,2 测量可控硅的关断状态,可控硅在反向连接时是不导通的, 如果可控硅正向连接, 但是没有控制电压, 它也是不导通的。 在这两种情况下, 可控硅中间没有电流流过, 属于关断状态。 把万用表置在R1 k(或R10 k)挡, 黑表棒接可控硅的阳极a, 红表棒接阴极k, 可控硅属于正向连接, 表上显示的电阻应很大, 把两根表棒对换后, 再分别接可控硅的阳极和阴极, 使可控硅处于反向连接状态, 表上显示的电阻仍然应该很大, 如图所示。,20,3 测量可控硅的触发能力,检查小功率晶闸管触发电路如图 所示。 万用表置于R1(或R10)挡。 测量分两步进行: 第一步, 先断开开关S, 此时晶闸管尚未导通, 测出的电阻值应是无穷大。 然后合上开关, 将控制极与阳极接通, 使控制极电位升高, 这相当于加上正触发信号, 因此晶闸管导通, 此时, 其电阻值为几欧至几十欧。,第二步, 再把开关断开, 若阻值不变, 证明晶闸管质量良好。,21,检查小功率晶闸管的触发能力,22,图中的开关可用一根导线代替, 导线的一端固定在阳极上, 另一端搭在控制极上时相当于开关闭合。 本方法仅适用于检查KP1KP5等小功率晶闸管或小功率快速晶闸管。,对于大功率晶闸管, 因其通态压降较大, 加之,R,1挡提供的阳极电流低于维持电流,I,H, 所以晶闸管不能完全导通, 在开关断开时晶闸管会随时之关断。 此时, 可采用双表法, 把两只万用表的,R,1()挡串联起来使用, 得到3V电源电压。 具体检测步骤同小功率晶闸管。,23,17.3 可控整流电路,1. 单相半波可控整流电路,(1) 电路及工作原理,u,1,u,2,u,T,u,L,A,G,K,R,L,u,G,24,(2) 工作波形,(设,u,1,为正弦波),t,u,2,t,u,G,t,u,L,t,u,T,：控制角,：导通角,u,2, 0 时，加上触发电压,u,G,，晶闸管导通 。且,u,L,的大小随,u,G,加入的早晚而变化；,u,2, 0 时，晶闸管不通，,u,L,= 0 。,故称可控整流。,u,1,u,2,u,T,u,L,A,G,K,R,L,u,G,25,(3) 输出电压及电流的平均值,p,=,a,w,p,t,d,u,U,L,L,2,1,=,p,a,w,w,p,t,td,U,sin,2,2,1,2,L,L,L,R,U,I,=,t,u,L,2,26,U,DRM,=,2,2,U,承受的最高反向电压:,t,u,T,27,电感性负载（如直流电动机的激磁线圈）,电路及工作原理,D,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,加入,D,的目的就是消除反电动势的影响，使晶闸管在,u,2,过零,时关断,G,A,u,L,u,1,u,2,u,T,R,K,L,+,u,2,正半周时晶闸管导通，,u,2,过零后，电感产生反电动势。,28,T,2,R,L,D,1,u,2,(A),u,2,(B),u,2, 0,的导通路径：,T,1,、,T,2,-晶闸管,D,1,、,D,2,-晶体管,T,1,T,2,D,1,D,2,R,L,u,L,u,2,A,B,+,-,u,G,T,2,、,D,1,导通，,T,1,、,D,2,截止,29,(3) 输出电压及电流的平均值,=,p,a,w,p,),(,1,L,t,d,u,U,L,=,p,a,w,w,p,),(,sin,2,1,2,t,td,U,L,L,L,R,U,I,=,t,u,L,2,30,例：桥式可控整流电路中，U,2,=220V，R,L,=3,可控硅控制角=15180，求输出电压平均值Uo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。,T,1,T,2,D,1,D,2,R,L,u,L,u,2,A,B,+,-,U,L,=191V，,=15,=0V，,=180,L,L,L,R,U,I,=,=191/3=64A,U,DRM,=,2,2,U,承受的最高反向电压:,=311V,31,二、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。,u,2,T,1,T,2,D,1,D,2,D,u,L,R,L,32,两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。,电路一：,u,2,T,D,2,D,1,D,4,u,L,R,L,D,3,33,T,1,T,2,D,1,D,2,u,2,u,L,R,L,电路,特点,1. 该电路接入电感性负载时，,D,1,、,D,2,便起续流二极管作用。,2. 由于,T,1,的阳极和,T,2,的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。,电路二：,34,17.4 触发电路,1. 单结晶体管工作原理,结构,等效电路,E,（发射极）,B,2,（第二基极）,B,1,（第一基极）,N,P,E,B,2,B,1,R,B,2,R,B,1,管内基极,体电阻,PN结,35,工作原理：,当,u,E,U,P,=,U,A,+,U,F,时,PN结反偏，,i,E,很小；,当,u,E,U,P,时,PN结正向导通,i,E,迅速增加。, - 分压比,(0.35 0.75),U,P,- 峰点电压,U,F,- PN结正向,导通压降,B,2,E,R,B,1,R,B,2,B,1,A,U,BB,i,E,u,E,36,2. 单结晶体管的特性和参数,i,E,u,E,U,V,U,P,I,V,U,V,、,I,V,-,谷点电压、电流,（维持单结管导通的最小,电压、电流。）,U,P,-,峰点电压,（单结管由截止变导通,所需发射极电压。）,B,2,E,R,B,1,R,B,2,B,1,A,U,BB,i,E,u,E,u,E,U,P,时单结管导通,37,E,B,2,B,1,N,P,单结晶体管符号,单结晶体管符号,38,单结管型号的各符号意义,单结管的型号 单结管的型号有BT31、 BT32、 BT33、 BT35等, 型号组成部分各符号所代表的意义如图 11.17 所示。,39,2） 管脚的判别方法,对于金属管壳的管子, 管脚对着自己, 以凸口为起始点, 顺时针方向数, 依次是e、 b,1,、 b,2,。 对于环氧封装半球状的管子, 平面对着自己, 管脚向下, 从左向右, 依次为e、 b,2,、 b,1, 国外的塑料封装管管脚排列, 一般也和国产环氧封装管的排列相同,如图11.14 所示。,3） 怎样用万用表识别单结晶体管的三个电极,用万用表,R,100或R1 k电阻挡分别测试e、 b,1,和b,2,之间的电阻值, 可以判断管子结构的好坏, 识别三个管脚, 其示意图如图 11.18 所示。,40,3. 单结晶体管振荡电路,u,C,t,t,u,o,u,v,u,P,振荡波形,R,R,2,R,1,C,U,u,C,u,O,E,B,1,B,2,(1) 电路组成,41,(a),u,E,=,u,C,U,P,时，单结管不导通，,u,o,0。,(2)振荡过程分析,I,R,1,R,1,、,R,2,是外加的，不同于内,部的,R,B,1,、,R,B,2,。前者一般取,几十欧几百欧；,R,B,1,+,R,B,2,一般为215千欧。,此时,R,1,上的电流很小，其值为：,R,R,2,R,1,C,U,u,C,u,O,E,B,1,B,2,42,(b) 随电容的 充电，,u,C,逐渐升高。当,u,C,U,P,时，单结管导通。然后电容放电，,R,1,上便得到一个脉冲电压。,R,2,起温度补偿作用,U,P,U,V,U,P,、,U,V,-,峰点、谷点电压,E,R,2,R,1,R,C,U,u,C,u,O,u,C,t,u,o,t,(c) 电容放电至,u,c,u,v,时，,单结管重新关断，使,u,o,0。,43,17.5 单结管触发的可控整流电路,一、电路,u,1,R,2,R,1,a,R,P,C,u,c,u,2,R,b,c,d,e,D,Z,T,1,T,2,D,1,D,2,u,L,R,L,u,3,触发电路,主电路,44,二、波形关系,u,2,u,ab,U,Z,u,cb,削 波,整 流,U,Z,a,u,2,R,b,c,D,Z,U,Z,整流稳压电路部分,45,U,Z,削 波,u,cb,u,db,U,P,U,V,u,eb,电容充、放电,U,P,-,U,D,触 发 脉 冲,U,Z,R,1,R,2,R,P,C,u,c,c,d,e,D,Z,b,单结晶体管电路部分,46,u,3,u,L,输出电压,u,eb,触发脉冲,可控硅桥式整流电路部分,u,3,T,1,T,2,D,1,D,2,u,L,R,L,b,e,u,eb,47,1. 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,u,1,R,2,R,1,a,R,P,C,u,c,u,2,R,b,c,d,e,D,Z,T,1,T,2,D,1,D,2,u,L,R,L,u,3,48,2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？,u,1,R,2,R,1,a,R,P,C,u,c,u,2,R,b,c,d,e,D,Z,T,1,T,2,D,1,D,2,u,L,R,L,u,3,49,3. 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？,u,eb,触发脉冲,2,50,4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？,u,1,R,2,R,1,a,R,P,C,u,c,u,2,R,b,c,d,e,D,Z,T,1,T,2,D,1,D,2,u,L,R,L,u,3,51,1. 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。,u,2,u,ab,整 流,u,cb,削 波,U,Z,u,db,u,3,u,eb,u,L,52,2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？,稳压管的作用是：,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。,U,Z,R,1,R,2,R,P,C,u,c,c,d,e,D,Z,b,u,db,U,P,U,V,u,eb,53,3. 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。,54,触发脉冲移相范围的计算,f,电源电压的频率,R,2,R,1,a,R,P,C,u,c,u,2,R,b,c,d,e,D,Z,u,de,t,55,4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？,R,P,电容充电速度变慢,u,L,电压的调节,电压的计算,U,L,56,17.6 晶闸管的其他应用,拨盘式密码锁控制电路,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,拨盘,开锁,继电器,按钮,U,CC,J,T,3,T,2,T,1,S,D,1,D,2,R,57,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：,T,1,T,2,T,3,。否则,T,3,或,T,2,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,U,CC,T,3,T,2,T,1,J,D,1,D,2,T,1,导通时的路径,T,1,导通时的路径如图中,虚线，此时发光管,D,2,导,通，给出指示信号。,58,锁,打,开,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,T,2,导通,按下S,T,3,导通,拨盘拨至2,按下S,拨盘拨至7,按下S,T,1,导通,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,U,CC,J,T,3,T,2,T,1,S,D,1,D,2,R,59,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。,60,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。从而防止琐被打开。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,U,CC,J,T,3,T,2,T,1,S,D,1,D,2,R,61,17.7 晶闸管的保护及其它类型,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；,62,一、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：,在输出端装直流过电流继电器。,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。,接在,输出端,接在,输入端,和晶闸,管串联,63,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。,硒,堆,R,C,R,R,C,C,64,双向晶闸管,1 结构与特性,双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的, 它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管, 而且仅用一个触发电路, 是目前比较理想的交流开关器件。 小功率双向晶闸管一般用塑料封装, 有的还带小散热板, 外形如图 所示。,65,小功率双向晶,闸管外形,(a) BCM1AM; (b) BCM3AM,双向晶闸管的结构,与符号,(a) 结构; (b) 符号,66,双向晶闸管的结构。 NPNPN五层器件。 三个电极分别是,T,1,、,T,2,、,G,。 因该器件可以双向导通, 故控制极,G,以外的两个电极统称为主端子, 用,T,1,、,T,2,表示, 不再划分成阳极和阴极。 其特点是, 当,G,极和,T,2,极相对于,T,1,的电压均为正时,T,2,是阳极,T,1,是阴极。 反之, 当,G,极和,T,2,极相对于,T,1,的电压均为负时,T,1,变为阳极,T,2,为阴极。,67,双向晶闸管的伏安特性,68,用万用表检测双向晶闸管电极与触发能力,1） 判定,T,2,极,由图可见,G,极与,T,1,极靠近, 距,T,2,极较远。 因此,G,、,T,1,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,、,T,1,之间显现低阻, 正、 反电阻仅为几十欧。 而,T,2,、,G,和,T,2,、,T,1,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,T,2,极。,69,2）区分,G,极与,T,1,极,(1) 找出,T,2,极之后, 首先假定剩下两脚中某一脚为,T,1,极, 另一脚为G极。,(2) 把黑表笔接,T,1,极, 红表笔接,T,2,极, 电阻为无穷大。 接着用红表笔尖把,T,2,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,T,1,T,2,。 再将红表笔尖与G极脱开（但仍接,T,2,）, 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)。,70,(3) 把红表笔接,T,1,极, 黑表笔接,T,2,极, 然后使,T,2,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,T,2,T,1,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, 需重新作出假定, 重复以上测量。 显然, 在识别G、,T,1,的过程中, 也就检查了双向晶闸管的触发能力。,71,图11.2 5区分G极和T1极的方法,72,个人观点供参考，欢迎讨论！,