晶闸管及其应用

,下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,20,章 晶闸管及其应用,20.1,晶闸管,20.2,可控整流电路,20.3,晶闸管的保护,20.4,单结晶体管触发电路,20.5,本章要求,1.,了解晶闸管的基本结构、工作原理、特,性和主要参数。,2.,理解可控整流电路的工作原理、掌握电,压平均值与控制角的关系。,3.,了解单结晶体管及其触发电路的工作原,理。,第,20,章 晶闸管及其应用,晶闸管,（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier）,晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功,率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域,扩展到强电领域。,晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、,调压及开关等方面。,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）。,优点：,G,控制极,20.1,晶闸管,20.1.1 基本结构,K,阴极,G,阳极,A,P1,P2,N1,N2,四 层 半 导 体,晶闸管是具有三个PN结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。,(c) 结构,K,G,A,(b) 符号,(a) 外形,晶闸管的外形、结构及符号,三,个,PN,结,P1,P2,N1,N2,K,G,A,晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合,+,K,A,T,2,T,1,_,P,2,N,1,N,2,I,G,I,A,P,1,N,1,P,2,I,K,G,P,P,N,N,N,P,A,G,K,T,1,T,2,20.1.2,工作原理,A,在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。,形成正反馈过程,K,G,E,A, 0、,E,G, 0,E,G,E,A,+,_,R,晶闸管导通后，去掉,E,G,，,依靠正反馈，仍可维持导通状态。,20.2.2,工作原理,G,E,A, 0、,E,G, 0,K,E,A,+,_,R,T,1,T,2,E,G,A,形成正反馈过程,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，,晶闸管仍可维持导通状态。,晶闸管关断的条件：,1.,必须使可控硅阳极电流减小,直到,正反馈,效应不能维持。,2.,将阳极电源断开或者在晶闸管的,阳极和阴极间加反相电压。,正向特性,反向特性,U,RRM,U,FRM,I,G2,I,G1,I,G0,U,BR,I,F,U,BO,正向转折电压,I,H,o,U,I,I,G0,I,G1,I,G2,+,_,+,_,反向转折电压,正向平均电流,维持电流,U,20.1.3 伏安特性,20.1.4,主要参数,U,FRM,:,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,U,FRM,=,80%,U,B0,。,普通,晶闸管,U,FRM,为,100V,3000V,反向重复峰值电压,控制极开路时,允许重复作用在,晶闸管,元,件上的反向峰值电压。,一般取,U,RRM,= 80%,U,BR,普通,晶闸管,U,RRM,为,100V,3000V,U,RRM,：,正向平均电流,环境温度为40,C及,标准散热条件下，,晶闸管处于,全导通时,可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。,I,F,：,I,F,t,2,如果正弦半波电流的最大值为,I,m,则,普通晶闸管,I,F,为,1A 1000A,。,U,F,:,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。,I,H,:,维持电流,在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导,通状态所必须的最小电流。,一般,I,H,为几十,一百多毫安。,U,G,、,I,G,：,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,U,G,为,1,到,5V,，,I,G,为几十到几百毫安。,晶闸管型号及其含义,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,U,FRM,或,U,RRM,较小者,额定正向平均电流,(,I,F,),（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,K,P,普通型,如KP5-7表示,额定正向平均电流为,5A,额定电压为,700V,。,20.2,可控整流电路,20.2.1 单相半波可控整流,1. 电阻性负载,(1),电路,u, 0,时：,若,u,g,= 0，,晶闸管,不导通，,u, 0,时:,晶闸管,承受反向电压不导通,u,o,= 0,u,T,=,u,，,故称可控整流。,控制极加触发信号，晶闸管,承受正向电压,导 通，,u,u,o,R,L,+,+,u,T,+,T,i,o,(2) 工作原理,t,1,2,u, 0,时:,t,O,t,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,t,1,t,O,t,O,t,2,2,t,O,导通角,(3),工作波形,(4),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,U,o,。,2.,电感性负载与续流二极管,(1)电路,当电压,u,过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。,u,u,o,R,+,+,u,T,+,T,L,e,L,在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(,见波形,)。,t,O,t,O,t,O,t,1,t,O,t,2,2,2),工作波形(未,加,续流二极管),u,u,o,R,+,+,u,T,+,L,T,i,o,D,i,o,u,0,时,：,D,反向截止，不影响整流电路工作。,u, 0,时：,D,正向导通,晶闸管,承受反向电压关断,电感元件,L,释放能量形成的电流经,D,构成回路(续流),负载电压,u,o,波形与电阻性负载相同(见波形图)。,3.电感性负载,(加,续流二极管),+,(1) 电路,(3),工作波形(加续流二极管),i,L,t,t,O,t,O,2,t,O,20.2.2 单相半控桥式整流电路,1.,电路,2.,工作原理,T,1,和D,2,承受正向,电压。,T,1,控制极加触发电压, 则,T,1,和D,2,导,通，,电流的通路为,T,1,、T,2,晶闸管,D,1,、D,2,晶体管,a,R,L,D,2,T,1,b,(1)电压,u,为正半周,时,i,o,+,+,T,1,T,2,R,L,u,o,D,1,D,2,a,u,+,b,此时，,T,2,和D,1,均承受反向电压而截止。,i,o,+,+,T,1,T,2,R,L,u,o,D,1,D,2,a,u,+,b,T,2,和D,1,承受正向,电压。,T,2,控制极加触发电压, 则,T,2,和D,1,导,通，,电流的通路为,(2)电压,u,为负半周,时,b,R,L,D,1,T,2,a,此时，,T,1,和D,2,均承受反向电压而截止。,t,t,O,t,O,3.,工作波形,2,动画,t,O,4.,输出电压及电流的平均值,两种常用可控整流电路,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),u,T,D,2,D,1,D,4,u,0,R,L,D,3,+,-,+,-,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),20.2.3 三相半波可控整流电路,动画,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。,T,1,T,2,D,1,D,2,u,u,O,R,L,+,-,+,-,20.2.4 三相桥式半控整流电路,2.工作原理,1,. 电路,动画,u,2a,2,u,2b,u,2c,t,1,t,2,u,o,T,T,1,R,L,u,o,D,3,T,2,T,3,D,2,D,1,i,o,c,b,a,u,+,+,20.3,晶闸管的保护,晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。,晶闸管的热容量很小,，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只,100A,的,晶闸管,过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将因过热而损坏；,晶闸管耐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。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。,20.3.1,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,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。,2.,硒堆保护,20.3.2,晶闸管的过压保护,1. 阻容保护,C,R,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。,R,C,R,C,硒堆保护,(硒整流片),C,R,R,L,晶闸管元件,的阻容保护,20.4,单结晶体管触发电路,20.4.1 单结晶体管结构及工作原理,1.结构,B,2,第二基极,B,1,N,欧姆接触,接触电阻,P,发射极,E,第一基极,PN结,N型硅片,(a) 示意图,单结晶体管结构示意图及其表示符号,(b) 符号,B,2,E,B,1,2. 工作原理,U,E,U,P,后，,大量空穴注入基区，,致使,I,E,增加、,U,E,反,而下降，出现负阻。,P,1.,U,E,U,P,时单结管导通，,U,E,U,A2,时，,控制极,相对于,A,2,加正脉冲，,晶闸管,正向导通，电流从,A,1,流向,A,2,。,U,A2,U,A1,时，,控制极相对于,A,2,加,负脉冲，,晶闸管,反向导通，电流从,A,2,流向,A,1,。,A,1,A,2,G,交流调压电路,双向二极管：,只要在其两端加上一定数值的正或负电压即可使其导通。,R,C,T,u,+,_,双向二极管,