1、電子技術第19章晶閘管及其應用本章要求1.了解晶閘管的基本結構、工作原理、特 性和主要參數(shù)。2. 理解可控整流電路的工作原理、掌握電 壓平均值與控制角的關系。3. 了解單結晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。第19章 晶閘管及其應用晶閘管（Silicon Controlled Rectifier） 晶閘管是在晶體管基礎上發(fā)展起來的一種大功率半導體器件。 晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向導電性，但它的導通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開關等方面。 體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、 容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數(shù)千伏）。 優(yōu)點：G控制極19.1 晶閘

2、管19.1.1 基本結構K 陰極G陽極 AP1P2N1N2四 層 半 導 體 晶閘管是具有三個PN結的四層結構, 其外形、結構及符號如圖。(c) 結構K GA(b) 符號(a) 外形晶閘管的外形、結構及符號三 個PN 結P1P2N1N2K GA晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK T1T219.1.2 工作原理A 在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。形成正反饋過程KGEA 0、EG 0EGEA+_R 晶閘管導通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導通狀態(tài)。 工作原理GEA 0、EG 0KEA+

3、_R T1T2EGA形成正反饋過程晶閘管導通的條件： 1. 晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。 2. 晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。 晶閘管導通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。晶閘管關斷的條件： 1. 必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應不能維持。 2. 將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。正向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向轉折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉折電壓正向平均電流維持電流U19.1.3 伏安特性19.1.4 主要參數(shù)UFRM

4、:正向重復峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM = 80% UB0 。普通晶閘管 UFRM 為100V 3000V反向重復峰值電壓控制極開路時,允許重復作用在晶閘管元 件上的反向峰值電壓。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶閘管 URRM為100V3000VURRM：正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標準散熱條件下，晶閘管處于全導通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。 IF：IFt2如果正弦半波電流的最大值為Im, 則普通晶閘管IF為1A 1000A。UF: 通態(tài)平均電壓（管壓降） 在規(guī)定的條件下，通過正弦半波

5、平均電流時， 晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。 一般為1V左右。IH: 維持電流 在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導 通狀態(tài)所必須的最小電流。 一般IH為幾十 一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流 室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完 全導通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。 一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。晶閘管型號及其含義 導通時平均電壓組別共九級, 用字母AI表示0.41.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P-普通晶閘管K-快速晶閘管S -雙向晶閘管 晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流

6、為5A,額定電壓為700V。19.2 可控整流電路19.2.1 單相半波可控整流 1. 電阻性負載(1) 電路 u 0 時：若ug = 0，晶閘管不導通，u 0 時: 晶閘管承受反向電壓不導通, uo = 0, uT = u ，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導 通，uuoRL+uT+Tio(2) 工作原理t12u 0時: tO tO 接電阻負載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形動畫控制角t1 tO tOt22tO導通角(3)工作波形(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。2. 電感性負載與續(xù)流二極管(1)電路 當電壓u過零后，由于電感反

7、電動勢的存在，晶閘管在一段時間內(nèi)仍 維持導通，失去單向導電作用。uuoR+uT+TLeL 在電感性負載中 ,當晶閘管剛觸發(fā)導通時，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。 tOtO tOt1 tOt22 2) 工作波形(未加續(xù)流二極管)uuoR+uT+LTioDiou 0時： D反向截止，不影響整流電路工作。u 0時： D正向導通,晶閘管承受反向電壓關斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構成回路(續(xù)流),負載電壓uo波形與電阻性負載相同(見波形圖)。3.電感性負載(加續(xù)流二極管)+(1) 電路(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iL t tOtO2

8、tO19.2.2 單相半控橋式整流電路1. 電路2. 工作原理 T1和D2承受正向電壓。 T1控制極加觸發(fā)電壓, 則T1和D2導通，電流的通路為T1、T2 晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(1)電壓u 為正半周時io+T1T2RLuoD1D2au+b此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。io+T1T2RLuoD1D2au+b T2和D1承受正向電壓。 T2控制極加觸發(fā)電壓, 則T2和D1導通，電流的通路為(2)電壓u 為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。 t tOtO3. 工作波形2動畫 tO4. 輸出電壓及電流的平均值兩種常用可控整流電路電路特點該電路只用一

9、只晶閘管，且其上 無反向電壓。2. 晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-電路特點 1. 該電路接入電感性負載時，D1、D2 便起 續(xù)流二極管作用。(2)20.2.3 三相半波可控整流電路動畫2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控 制極必須加獨立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-19.2.4 三相橋式半控整流電路2.工作原理1. 電路動畫u2a2u2bu2ct1t2uoT T1RLuoD3 T2T3D2D1io cbau+19.3 晶閘管的保護 晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。 晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇

10、上升，可能將PN結燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞； 晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉折電壓時，則晶閘管誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。 晶閘管的過流保護1. 快速熔斷器保護 電路中加快速熔斷器。當電路發(fā)生過流故障時，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。與晶閘管串聯(lián)接在輸入端接在輸出端快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。2. 過流繼電器保護3. 過流截止保護 在輸出端(直流側)或輸入端(交流側)接入過電流繼電器，當電路發(fā)生過流故障時，繼電器動作，使電路自動切斷。 在交流側設置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當電路發(fā)生過流故障時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導通角減小或立即關斷。2. 硒堆保護 晶閘管的過壓保護1. 阻容保護CR 利用電容吸收過壓。其實質就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRC 硒堆保護(硒整流片)CRRL晶閘管元件的阻容保護19.4 單結晶體管觸發(fā)電路19.4.1 單結晶體管結構及工作原理1.結構B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結N型硅片(a)