可控硅工作原理及应用课件

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,(10-,1,),电子技术,第十章,晶闸管及其应用,模拟电路部分,(10-1)电子技术第十章 模拟电路部分,(10-,2,),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,(10-2)第十章 晶闸管及其应用10.1 工作原理,(10-,3,),别名：,可控硅（,SCR),（,S,ilicon,C,ontrolled,R,ectifier,）,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,（,Thyristor,）,(10-3)别名：可控硅（SCR)（Silicon Con,(10-,4,),10.1,工作原理,10.1.1,结构,A,（阳极）,P,1,P,2,N,1,三 个,PN,结,N,2,四 层 半 导 体,K,（阴极）,G,（控制极）,(10-4)10.1 工作原理10.1.1 结构A（阳极,(10-,5,),符号,A,K,G,G,K,P,1,P,2,N,1,N,2,A,P,P,N,N,N,P,A,G,K,10.1.2,工作原理,示意图,(10-5)符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAG,(10-,6,),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,(10-6)APPNNNPGKigigigKAGT1T,(10-,7,),1.,U,AK, 0,、,U,GK,0,时,T,1,导通,i,g,=,i,b,1,i,c,1,=,i,g,=,i,b,2,i,c,2,=,i,b,2,=,i,g,=,i,b,1,T,2,导通,形成正反馈,晶闸管迅速导通,T,1,进一步导通,i,g,i,g,i,g,K,A,G,T,1,T,2,2.,晶闸管导通后，去掉,U,GK,依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。,(10-7)1. UAK 0 、UGK0时T1导通i,(10-,8,),(1),晶闸管开始工作时 ，,U,AK,加反向电压，,或不加触发信号（即,U,GK,= 0,）。,3.,晶闸管截止的条件：,(2),晶闸管正向导通后，令其截止的方法：,i,g,i,g,i,g,K,A,G,T,1,T,2,减小,U,AK,，使晶闸管中电流小于某一值,I,H,。,加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值,I,H,时，正反馈效应不能维持。,I,H,：最小维持电流,(10-8)(1) 晶闸管开始工作时 ，UAK加反向电压，或,(10-,9,),（,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。,(10-9)（1）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低,(10-,10,),10.2,特性与参数,10.2.1,特性,U,I,U,RRM,I,H,U,DRM,I,F,I,G,1,=0A,I,G,2,I,G,3,I,G,3,I,G,2,I,G,1,正向,反向,U,-,阳极、阴极间的电压,I,-,阳极电流,U,RSM,反向击穿电压,导通后管压降约,1V,额定正向平均电流,维持电流,U,DSM,正向转折电压,(10-10)10.2 特性与参数10.2.1 特性U,(10-,11,),正向特性：,在阳极和阴极间加正向电压。,U,DSM,：断态不重复峰值电压,，又称正向转折电压。,随,U,AK,的加大，阳极电流逐渐增加。当,U,=,U,DSM,时，,PN,结,N,1,P,2,反向极击穿，晶闸管自动导通。正常工作时，,U,AK,应小于,U,DSM,。,A,P,1,P,2,N,1,N,2,K,G,若在,G,和,K,间加正向电压：,U,GK,越大，则,U,DSM,越小。,控制极开路时：,PN,结,P,1,N,1,、,P,2,N,2,正向偏置，,N,1,P,2,反向偏置，晶闸管截止。,U,GK,足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。,(10-11)正向特性： 在阳极和阴极间加正向电压。UDSM,(10-,12,),随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当,U,=,U,RSM,时，反向极击穿。正常工作时，反向电压必须小于,U,RSM,。,A,P,1,P,2,N,1,N,2,K,G,反向特性：,在阳极和阴极间加反向电压。,这时,PN,结,P,1,N,1,、,P,2,N,2,反向偏置，,N,1,P,2,正向偏置，晶闸管截止。,U,RSM,：反向不重复峰值电压。,(10-12)随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当 U,(10-,13,),1.,U,DRM,：断态重复峰值电压,晶闸管耐压值。一般取,U,DRM,= 80%,U,DSM,。,普通晶闸管,U,DRM,为,100V-3000V,10.2.2,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,(10-13)1. UDRM：断态重复峰值电压晶闸管耐压值,(10-,14,),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,。普通晶闸管,U,RRM,为,100V-3000V,）,2.,U,RRM,：反向重复峰值电压,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,(10-14)控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复,(10-,15,),I,TAV,含义,i,t,2,I,TAV,3.,I,TAV,：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,170,o,的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管,I,TAV,为,1A-1000A,。）,(10-15)ITAV含义it2ITAV 3. ITAV,(10-,16,),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,、,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,(10-16)额定通态平均电流即正向平均电流。通用系列为：1,(10-,17,),4.,U,TAV,：通态平均电压,6.,U,G,、,I,G,：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.,I,H,：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,U,G,为,15V,，,I,G,为几十到几百毫安。,(10-17)4. UTAV ：通态平均电压6. UG、IG,(10-,18,),晶闸管型号,通态平均电压（,U,TAV,）,额定电压级别（,U,DRM,）,额定通态平均电流,（,I,TAV,）,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,(10-18)晶闸管型号通态平均电压（UTAV）额定电压级别,(10-,19,),晶闸管电压、电流级别：,额定通态电流（,I,TAV,）通用系列为,1,、,5,、,10,、,20,、,30,、,50,、,100,、,200,、,300,、,400,500,、,600,、,800,、,1000A,等,14,种规格。,额定电压（,U,DRM,）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（,U,TAV,）等级一般用,A I,字母表示：,由,0.4 1. 2V,每,0.1V,为一级。,(10-19)晶闸管电压、电流级别：额定通态电流（ITAV）,(10-,20,),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,u,1,u,2,u,T,u,L,A,G,K,R,L,u,G,(10-20)10.3 可控整流电路10.3.1 单相半波,(10-,21,),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,R,时，,I,LAV,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,:,(10-34)3. 电压与电流的计算（加入续流二极管后的情,(10-,35,),4.,晶闸管的选择,晶闸管电压,（,1.5 2,）,U,2,M,晶闸管电流,（,1.5,）,(10-35)4. 晶闸管的选择晶闸管电压 （1.5,(10-,36,),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,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,(10-36)10.3.2 单相全波可控整流电路一、电阻性,(10-,37,),2.,工作波形,t,u,2,t,u,G,t,u,L,t,u,T,1,T,1,T,2,D,1,D,2,R,L,u,L,u,2,A,B,+,-,(10-37)2. 工作波形tu2tuGtuLt uT1T1,(10-,38,),3.,输出电压及电流的平均值,(10-38)3. 输出电压及电流的平均值,(10-,39,),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,U,L,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,+,-,=191,V,，,=15,=0V,，,=180,=191/3=64A,承受的最高反向电压,:,(10-39)例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=,(10-,40,),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。,u,2,T,1,T,2,D,1,D,2,D,u,L,R,L,(10-40)二、电感性负载桥式可控整流电路该电路加续流二极,(10-,41,),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,(10-41)两种常用可控整流电路的特点电路1. 该电路只,(10-,42,),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：,(10-42)T1T2D1D2u2uLRL电路1. 该电路接,(10-,43,),思考,T,1,T,2,D,1,D,2,R,u,L,u,2,E,+,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,u,L,、,i,L,的工作波形。,(10-43)思考T1T2D1D2RuLu2E+带反电动势,(10-,44,),10.4,触发电路,10.4.1,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,(10-44)10.4 触发电路10.4.1 单结晶体,(10-,45,),工作原理：,当,u,E,U,A,+,U,F,=,U,P,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。,B,2,E,R,B,1,R,B,2,B,1,A,U,BB,i,E,-,分压比,(0.35 0.75),U,P,-,峰点电压,U,F,- PN,结正向,导通压降,(10-45)工作原理：当uE UA+UF = UP,(10-,46,),10.4.2,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。）,负阻区,U,P,-,峰点电压,（单结管由截止变导通,所需发射极电压。）,u,E,U,P,时单结管导通,(10-46)10.4.2 单结晶体管的特性和参数IEuE,(10-,47,),I,E,u,E,U,V,U,P,I,V,负阻区,U,E,U,P,后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻,R,B,1,0,，,致使,I,E,增加、,U,E,反而下降，出现负阻。,负阻区存在的原因：,E,B,2,B,1,R,B,2,R,B,1,(10-47)IEuEUVUPIV负阻区UEUP 后，大量,(10-,48,),单结管符号,E,B,2,B,1,单结管重,要特点,1.,U,E,U,P,时单结管导通。,(10-48)单结管符号EB2B1单结管重1. UEU,(10-,49,),10.4.3,单结晶体管振荡电路,一、振荡过程分析,R,R,2,R,1,C,U,u,C,u,O,E,B,1,B,2,电路组成,振荡波形,u,C,t,t,u,o,U,V,U,P,(10-49)10.4.3 单结晶体管振荡电路一、振荡过程,(10-,50,),1.,u,E,=,u,C,U,P,时，单结管不导通，,u,o,0,。,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,E,u,C,u,O,E,B,1,B,2,(10-50)1. uE = uC UP 时，单结管不导,(10-,51,),2.,随电容的 充电，,u,C,逐渐升高。当,u,C,U,P,时，单结管导通，,R,B,1,0,。然后电容通过,R,1,放电，,当放电至,u,c,U,V,时，单结管重新关断，使,u,o,0,。,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,F,U,P,、,U,V,-,峰点、谷点电压,U,F,-,PN,结正向导通压降,E,R,2,R,1,R,C,E,u,C,u,o,u,C,t,u,o,t,(10-51)2. 随电容的 充电，uC逐渐升高。当 uC,(10-,52,),u,C,t,t,u,o,U,V,U,P,振荡波形：,R,R,2,R,1,C,E,u,C,u,O,E,B,1,B,2,(10-52)uCttuoUVUP振荡波形：RR2R1CEu,(10-,53,),u,C,t,t,u,o,U,V,U,P,*,二、振荡周期与脉冲宽度的计算,T,t,w,T,振荡周期；,t,w,脉冲宽度。,设,T,1,=,T,-,t,w,u,C,上升阶段：,t,=,T,1,时，,u,C,=,U,P,(10-53)uCttuoUVUP*二、振荡周期与脉冲宽度的,(10-,54,),因为,U,V,E,，且,(10-54)因为UV ,U,T,2,时，,控制极相对于,T,2,加正脉冲，晶闸管正向导通，电流从,T,1,流向,T,2,。,U,T,2,U,T,1,时，,控制极相对于,T,2,加,负,脉冲，晶闸管反向导通，电流从,T,2,流向,T,1,。,双向晶闸管内部工作原理的详细分析，请参阅有关资料。,T,1,T,2,G,(10-86)3. 工作原理：UT1UT2时，控制极相对于,(10-,87,),二、可,关,断晶闸管,GTO,-,-,G,ata,T,urn,O,ff 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。,(10-87)二、可关断晶闸管GTO-Gata Turn,(10-,88,),第十章,结束,电子技术,模拟电路部分,(10-88)第十章 电子技术模拟电路部分,