第9章 晶閘管電路及其應(yīng)用

1、9.1 晶閘管結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管結(jié)構(gòu)及工作原理9.2 單相可控整流電路單相可控整流電路9.3 觸發(fā)電路觸發(fā)電路9.4 晶閘管電路應(yīng)用、電路調(diào)試示例晶閘管電路應(yīng)用、電路調(diào)試示例本章教學(xué)目標(biāo)本章教學(xué)目標(biāo)1、了解普通晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要參數(shù)，熟悉電路符號(hào)。 2、了解雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管工作原理、電路符號(hào)，了解溫控晶閘管工作原理。 3、熟悉單相可控整流電路的工作原理，會(huì)對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 4、了解單結(jié)晶體管的基本特性，熟悉單結(jié)晶體管觸發(fā)電路組成及其應(yīng)用。了解觸發(fā)二極管及其應(yīng)用。 5、選學(xué)晶閘管應(yīng)用示例，固態(tài)繼電器原理、分類、主要特點(diǎn)、電路調(diào)試方法。 9.1 晶閘管

2、結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管結(jié)構(gòu)及工作原理 晶閘管（Hhyristor）全稱硅晶體閘流管，又稱可控硅（Silicon controlled rectifier簡(jiǎn)寫為SCR）。 它于1957年問世后，因具有體積小、重量輕、抗震動(dòng)、效率高、容量大、耐高壓、無火花、壽命長(zhǎng)、可控性能好等優(yōu)點(diǎn)，在二十世紀(jì)六、七十年代獲得迅速發(fā)展，除器件本身性能不斷提高外，還派生出快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、光控晶閘管、雙向晶閘管等，形成晶閘管系列。本書如不特別說明，所述晶閘管為普通晶閘管。 9.1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào)晶閘管的結(jié)構(gòu)、電路符號(hào) 晶閘管有三個(gè)電極：陽極A，陰極K，門極 (控制極)G，根據(jù)外形可把晶閘

3、管分為螺栓式、平板式和小電流塑封式，外形圖如圖9.1.1所示，圖形符號(hào)如圖9.1.1（e）所示，晶閘管在電路中用文字符號(hào)“”、“”表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母“”表示）。 圖9.1.1 晶閘管的外形與圖形符號(hào) 晶閘管是電力電子器件，工作時(shí)發(fā)熱量大，必須安裝散熱器。圖9.1.1（b）、（c）為螺栓式（中功率），使用時(shí)必須緊栓在散熱器上，它的螺旋端為陽極，另一較粗端為陰極，引線較細(xì)的為門極。圖9.1.1（d）為平板式，使用時(shí)由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器把其緊夾在中間。冷卻方式有自然冷卻、強(qiáng)風(fēng)冷卻、液體介質(zhì)循環(huán)冷卻等。 平板形晶閘管與散熱器 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.1.2（a）所示，由P1-N1-P2-N2四層半導(dǎo)

4、體通過一定工藝制造而成。其間形成三個(gè)PN結(jié)（J1、J2、J3結(jié)），分別從P1區(qū)引出陽極A，從P2區(qū)引出門極G，從N2區(qū)引出陰極K。晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖如9.1.2（b）所示。 圖9.1.2 晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）結(jié)構(gòu)示意圖 9.1.2 晶閘管工作原理晶閘管工作原理一、晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)一、晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn) 晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)電路如圖9.1.3所示。實(shí)驗(yàn)步驟如下： 圖9.1.3 晶閘管的導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)（a）晶閘管正偏但未加觸發(fā)電壓（b）晶閘管正偏加觸發(fā)電壓后導(dǎo)通（c）晶閘管正偏切斷觸發(fā)電壓仍導(dǎo)通 首先將晶閘管陽極A經(jīng)燈泡接陽極電源VAA的正端，陰極接VAA的負(fù)端，晶閘管正向偏置，開關(guān)S斷開，門極G

5、不加觸發(fā)電壓UG（電池），如圖9.1.3（a）所示。此時(shí)燈不亮，說明晶閘管沒有導(dǎo)通。然后合上開關(guān)S，門極G加上正極觸發(fā)電壓UG，于是燈亮了，說明晶閘管已導(dǎo)通，如圖9.1.3（b）所示。最后，將開關(guān)S打開，切斷門極的觸發(fā)電壓UG，發(fā)現(xiàn)燈仍亮著，說明晶閘管維持導(dǎo)通，如圖9.1.3（c）所示。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，假若門極加的是負(fù)極性觸發(fā)電壓，則無論晶閘管正向偏置還是反向偏置（陽極接電源負(fù)端，陰極接電源正端），燈都不亮，說明晶閘管不能導(dǎo)通（稱之為關(guān)斷或阻斷）；假若門極加的是正極性電壓，而晶閘管反偏，燈也不會(huì)亮，說明晶閘管也不能導(dǎo)通。 二、晶閘管的工作原理二、晶閘管的工作原理 上述晶閘管導(dǎo)通實(shí)驗(yàn)，說明了

6、晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷的外部條件，下面從晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析其工作原理。 普通晶閘管的內(nèi)部四層（P1-N1-P2-N2）結(jié)構(gòu)可以等效為兩個(gè)晶體三極管V2（PNP管）P1-N1-P2和V1（NPN管）N1-P2-N2互聯(lián)，如圖9.1.4所示。圖9.1.4 晶閘管的工作原理（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）等效電路 晶閘管在陽極-陰極施加正向電壓下，給門極注入一定功率的門極觸發(fā)電流iG，晶閘管內(nèi)部的晶體管V1進(jìn)入放大狀態(tài)，形成集電極電流iC1，集電極電流iC1成為V2管的基極電流，促使晶體管V2發(fā)射極電流iA和集電極電流iC2增加，晶體管V2集電極電流iC2和門極觸發(fā)電流iG疊加，形成正反饋，促使晶體管V1快速進(jìn)入飽

7、和導(dǎo)通，產(chǎn)生更大的晶體管V1集電極電流iC1和晶體管V2集電極電流iC2，形成強(qiáng)烈正反饋過程，使兩個(gè)晶體管V2和V1完全飽和導(dǎo)通，晶體管V2形成較大的發(fā)射極電流iA，即晶閘管的陽極-陰極電流iAK，晶閘管從截止變?yōu)閷?dǎo)通，晶閘管正反饋過程為 當(dāng)晶閘管導(dǎo)通后，由于晶閘管的正反饋過程的存在，即使晶閘管門極觸發(fā)電流iG消失，晶閘管仍然可以保持導(dǎo)通狀態(tài)，因此晶閘管門極觸發(fā)電流iG可以采用脈沖電流觸發(fā)。 要使導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只有去掉門極觸發(fā)電流iG，同時(shí)減小晶閘管陽極陰極間電流iAK，當(dāng)iAK小于一定值（即晶閘管的維持電流iH，此電流一般為mA級(jí)）時(shí)，晶閘管的正反饋過程受到破壞，不能重新建立時(shí)，晶閘管就

8、由導(dǎo)通狀態(tài)變成截止?fàn)顟B(tài)（阻斷狀態(tài)）。 普通晶閘管器件具有如下特性： （1）晶閘管具有正向阻斷特性，當(dāng)外加正向電壓時(shí)管子還不能導(dǎo)通，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的條件是陽極和陰極間須施加正向電壓UAK，門極對(duì)陰極施加一定功率的正向觸發(fā)電流iG脈沖。（2）晶閘管的關(guān)斷條件是陽極陰極間電流iAK小于晶閘管的維持電流iH，可采用降低陽極電源電壓，或增加陽極回路電阻的方法來實(shí)現(xiàn)。（3）晶閘管一旦觸發(fā)后，門極便失去控制作用，屬于半控型電力電子器件。（4）晶閘管在陽極陰極間施加正向電壓UAK時(shí)，可通過門極觸發(fā)電流iG來控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)晶閘管施加反向電壓UAK時(shí)，無論門極觸發(fā)電流iG脈沖如何，晶閘管則完全處于關(guān)斷

9、狀態(tài)，因而晶閘管具有單向?qū)щ娦浴?9.1.3 伏安特性及主要參數(shù)伏安特性及主要參數(shù) 一、伏安特性一、伏安特性 晶閘管陽極陰極間施加的電壓UAK與流過其間電流IAK之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性，如圖9.1.5所示，它由第I象限正向特性區(qū)和第象限反向特性區(qū)組成。 圖9.1.5 晶閘管的伏安特性 第1象限為正向伏安特性，是晶閘管由正向阻斷狀態(tài)到正向?qū)顟B(tài)的特性，正向阻斷狀態(tài)的高阻區(qū)（高電壓、小電流），在不同的門極觸發(fā)電流IG作用下經(jīng)不同的轉(zhuǎn)折電壓UBO和負(fù)阻區(qū)（電流增加，電壓減?。竭_(dá)正向?qū)顟B(tài)（低電壓，大電流）。 正向?qū)ㄌ匦院鸵话愣艿恼驅(qū)ㄌ匦砸粯樱T極觸發(fā)電流IG越大，轉(zhuǎn)折電壓U

10、BO越低。 當(dāng)IG=0時(shí)，晶閘管正向電壓UAK增大到轉(zhuǎn)折電壓UBO前，器件處于正向阻斷狀態(tài)，其正向漏電流隨UAK電壓增高而逐漸增大，當(dāng)UAK達(dá)到UBO時(shí)管子將突然從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)，導(dǎo)通后器件的特性與整流二極管正向伏安特性相似。 當(dāng)通入門極電流IG且足夠大時(shí)，正向轉(zhuǎn)折電壓降至極小，使晶閘管像整流二極管一樣，一加上正向陽極電壓就導(dǎo)通，這種導(dǎo)通稱為觸發(fā)導(dǎo)通。 當(dāng)已導(dǎo)通的管子的陽極電流IA減小到維持電流IH時(shí)，管子又從導(dǎo)通返回正向阻斷，晶閘管只能穩(wěn)定工作在阻斷與導(dǎo)通兩個(gè)狀態(tài)。 第III象限反向特性區(qū)是晶閘管反向阻斷狀態(tài)，反映陽極電壓和陽極反向電流之間的關(guān)系，與一般二極管的反向阻斷特性類似，晶閘管

11、加反向陽極電壓時(shí)，只流過很小的反向漏電流，當(dāng)反向電壓升高到UBR時(shí)，管子反向擊穿，UBR稱為反向擊穿電壓。 二、晶閘管的主要參數(shù)二、晶閘管的主要參數(shù) 1. 晶閘管的電壓參數(shù) （1）正向轉(zhuǎn)折電壓UBO（Forward break over voltage） 在額定結(jié)溫（100A以上為115，50A以下為100）和門極開路的條件下，陽極和陰極間加正弦半波正向電壓使器件由阻斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折變成導(dǎo)通狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的電壓峰值。 （2）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM（Blocking recurrence peak voltage） 指門極開路，晶閘管結(jié)溫為額定值，允許重復(fù)施加在晶閘管上的正向峰值電壓。重復(fù)頻率為

12、每秒50次，每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms，其值為 UDRM = UBO100V （3）反向轉(zhuǎn)折電壓UBR 就是反向擊穿電壓。 （4）反向重復(fù)峰值電壓URRM 指門極開路，晶閘管結(jié)溫為額定值，允許重復(fù)施加在晶閘管上的反向峰值電壓。 RRMBR100UUV（5）額定電壓UT 通常用UDRM和URRM中較小者，再取相應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)中偏小的電壓值作為晶閘管的標(biāo)稱額定電壓。在1000V以下，每100V一個(gè)等級(jí)；在10003000V，則是每200V一個(gè)等級(jí)。為了防止工作中的晶閘管遭受瞬態(tài)過電壓的損害，通常取電壓安全系數(shù)為23，例如器件在工作電路中可能承受到的最大瞬時(shí)值電壓為UTM，則取額定電壓UT=（23

13、）UTM。 （6）通態(tài)正向平均電壓UF 在規(guī)定的環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，器件正向通過正弦半波額定電流時(shí)，其兩端的電壓降在一周期內(nèi)的平均值，又稱管壓降，其值在0.61.2V之間。 2. 晶閘管的電流參數(shù) （1）通態(tài)平均電流IF 指在環(huán)境溫度為+40和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，導(dǎo)通角不小于170。穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時(shí)，所允許的最大平均電流，并按標(biāo)準(zhǔn)取其整數(shù)值作為該元件的額定電流。反映晶閘管元件所允許的有效值電流，等于電流波形系數(shù)(電流波形系數(shù)Kf定義為電流有效值與電流平均值之比)和通態(tài)平均電流IF之乘積，例如一只額定電流IF100A的晶閘管，其允許的有效

14、值電流為157A。 （2）維持電流IH（Holding current） 指在室溫和門極開路時(shí)，逐漸減小導(dǎo)通狀態(tài)下晶閘管的陽極電流，最后能維持晶閘管持續(xù)導(dǎo)通所必須的最小陽極電流，結(jié)溫越高，維持電流IH越小，晶閘管越難關(guān)斷。 （3）掣住電流IL（Latching current） 指晶閘管觸發(fā)后，剛從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導(dǎo)通狀態(tài)，在立刻撤出門極觸發(fā)信號(hào)后，能維持晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)所需要的最小陽極電流。晶閘管的擎住電流IL通常是其維持電流的24倍。 3. 晶閘管的控制極參數(shù) (1) 門極觸發(fā)電流IG（Gate trigger current） 在室溫下，晶閘管施加6V的正向陽極電壓時(shí)，使元件從正向阻斷到完

15、全導(dǎo)通所必須的最小門極電流。 (2) 門極觸發(fā)電壓UG 指產(chǎn)生門極觸發(fā)電流IG所必須的最小門極電壓。 三、國產(chǎn)晶閘管的型號(hào)三、國產(chǎn)晶閘管的型號(hào) 按國家有關(guān)部門規(guī)定，晶閘管的型號(hào)及其含義如下： 如KP100-12G表示額定電流為100A，額定電壓為1200V，管壓降（通態(tài)平均電壓）為1V的普通型晶閘管。 有的制造廠采用老型號(hào)3CT口/口。如3CT100/800表示額定電流為100A，額定電壓為800V的可控硅整流元件，即現(xiàn)在定名的晶閘管。3CTK為快速管，3CTS為雙向管。 9.1.4 其他晶閘管其他晶閘管 一、雙向晶閘管（一、雙向晶閘管（Bidirectional thyristor） 普通晶

16、閘管只能單方向?qū)?。而雙向晶閘管在其門極G與主電極A間加上正向或反向觸發(fā)信號(hào)可使器件的兩個(gè)方向都能控制導(dǎo)通。 它是由兩個(gè)反并聯(lián)的主晶閘管，一個(gè)作門極觸發(fā)用的晶閘管和一個(gè)晶體管構(gòu)成的N-P-N-P-N五層器件，可作為三端交流開關(guān)使用，故簡(jiǎn)稱TRIAC。 雙向晶閘管的這一特點(diǎn)使其作為控制元件，在工業(yè)控制和家用電器等領(lǐng)域內(nèi)得到極為廣泛的應(yīng)用。近年來，固態(tài)繼電器和接觸器的發(fā)展，為雙向晶閘管作為執(zhí)行元件開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。 圖9.1.6為雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和二象限標(biāo)注的門極觸發(fā)特性。 圖9.1.6 雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和特性（a）結(jié)構(gòu)圖 （b）電路符號(hào) （c）伏安特性 與普通晶閘管不同的是，雙向晶

17、閘管有四個(gè)PN結(jié)，采用結(jié)型門極結(jié)構(gòu)，門極下面不僅有P型層，同時(shí)還有N型層，門極的極性可正可負(fù)，以便開通兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管； 它是一種交流元件，其伏安特性是對(duì)稱的，在第一象限和第三象限都能導(dǎo)通，同時(shí)控制極可正可負(fù)，故有四種觸發(fā)方式，通常稱為I+、I-、III+、III-觸發(fā)。 四種觸發(fā)方式的靈敏度各不相同，其中III+方式最低，因此，在實(shí)際應(yīng)用中只采用（I+、III-）和（I-、III-）兩組觸發(fā)方式。 二、可關(guān)斷晶閘管二、可關(guān)斷晶閘管GTO（Gate Turn Off Thyristor） 普通單、雙向晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后，門極就失去了控制作用，不能控制晶閘管再關(guān)斷。 門極關(guān)斷晶閘管具有在門極

18、施加正脈沖可以使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通、施加負(fù)脈沖可以關(guān)斷晶閘管的功能。 門極關(guān)斷晶閘管的圖形符號(hào)如圖9.1.7所示，門極關(guān)斷晶閘管具有工作頻率高、開關(guān)速度快、無觸點(diǎn)、耐壓高、門極關(guān)斷等特點(diǎn)，主要用于高壓直流開關(guān)、逆變器、高壓脈沖發(fā)生器、過電流保護(hù)等電路中。 圖9.1.7 門極關(guān)斷晶閘管圖形符號(hào) 三、光控晶閘管三、光控晶閘管 利用光來觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通的光控（Photo controlled）晶閘管實(shí)際上是把光敏元件和雙向晶閘管做在一起的集成器件，電路符號(hào)如圖9.1.8所示，觸發(fā)晶閘管的光源有鎢絲燈泡、發(fā)光二極管等，光源和器件之間可以通過透鏡、棱鏡、光導(dǎo)纖維進(jìn)行傳輸。 由于光控晶閘管的控制信號(hào)是光，觸發(fā)電

19、路和主電路之間電氣上完全隔離，因此，光控晶閘管可用于符號(hào)識(shí)別、邏輯控制、相位控制、監(jiān)控等電路中，以及其它強(qiáng)電磁干擾的場(chǎng)合中。 圖9.1.8 光控晶閘管的電路符號(hào)四、溫控晶閘管四、溫控晶閘管 溫控（Thermal controlled）晶閘管是一種新型溫度敏感開關(guān)器件，它將溫度傳感器與控制電路結(jié)合為一體，輸出驅(qū)動(dòng)電流大，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等執(zhí)行部件或直接帶動(dòng)小功率負(fù)荷。 溫控晶閘管的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的結(jié)構(gòu)相似（電路圖形符號(hào)也與普通晶閘管相同），也是由PNPN半導(dǎo)體材料制成的三端器件，但在制作時(shí)，溫控晶閘管中間的PN結(jié)中注入了對(duì)溫度極為敏感的成分（如氬離子），因此改變環(huán)境溫度，即可改變其特性曲線。

20、在溫控晶閘管的陽極A接上正電壓，在陰極K接上負(fù)電壓，在門極G和陽極A之間接入分流電阻，就可以使它在一定溫度范圍內(nèi)（通常為40+130）起開關(guān)作用。溫控晶閘管由斷態(tài)到通態(tài)的轉(zhuǎn)折電壓隨溫度變化而改變，溫度越高，轉(zhuǎn)折電壓值就越低。溫控晶閘管可用于溫度控制、溫度保護(hù)、溫度報(bào)警等場(chǎng)合。 9.2 單相可控整流電路單相可控整流電路 生產(chǎn)與生活中大量需要電壓可調(diào)的直流電源，如電機(jī)調(diào)速、同步電機(jī)勵(lì)磁、電焊、電鍍等。 用晶閘管組成的相控整流電路，可以方便地把交流電變換成大小可調(diào)的直流電，具有體積小、重量輕、效率高以及控制靈敏等優(yōu)點(diǎn)。 在不影響工程計(jì)算精度的情況下，以下分析均把晶閘管、二極管看成理想器件，即導(dǎo)通時(shí)正

21、向電壓降與關(guān)斷時(shí)的漏電流均忽略不計(jì)，管子的開通與關(guān)斷都是瞬時(shí)完成的。 9.2.1 單相半波相控整流電路單相半波相控整流電路 圖9.2.1（a）為單相半波相控整流電路（Single-phase half wave controllable rectifier），整流變壓器二次電壓有效值用U2表示，瞬時(shí)值用u2表示，負(fù)載上輸出電壓用uo表示。 圖9.2.1單相半波相控整流電路及波形（a）電路圖 （b）波形圖 在u2正半周內(nèi)，晶閘管加上正向陽極電壓，但是管子觸發(fā)脈沖未出現(xiàn)之前的（0）管子無法導(dǎo)通，負(fù)載RL中沒有電流，負(fù)載兩端電壓uO=0，晶閘管VT承受u2電壓。當(dāng)t=時(shí)，晶閘管門極加上觸發(fā)脈沖uG，

22、VT立即導(dǎo)通，電源電壓u2全部加在RL上（忽略晶閘管電壓降）。當(dāng)管子導(dǎo)通到t=時(shí)，u2降至零，晶閘管因流過它的電流隨著下降到零、小于管子的維持電流而關(guān)斷，此時(shí)iO、uO也為零。在u2負(fù)半周期間，VT因承受反壓而阻斷。直至下一個(gè)周期正半周，再加上觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管再重新導(dǎo)通。當(dāng)u2電壓的每一個(gè)周期都以恒定的角加上觸發(fā)脈沖，負(fù)載RL上就能得到穩(wěn)定的缺角半波電壓波形，這是一個(gè)單方向的脈動(dòng)直流電壓，電流iO=uO/RL與uO波形相同，如圖9.2.1（b）所示。用示波器測(cè)量波形時(shí)要注意：波形中垂直上跳或下跳的線段是顯示不出的；要測(cè)量有直流分量的波形必須從示波器的直流測(cè)量端輸入且預(yù)先確定基準(zhǔn)水平線位置。

23、在單相電路中，把晶閘管承受正壓起到觸發(fā)導(dǎo)通之間的電角度稱為觸發(fā)延遲角（Control angle），亦稱觸發(fā)角、控制角；晶閘管在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的電角度用表示，稱為導(dǎo)通角。改變的大小即改變觸發(fā)脈沖在每周期內(nèi)出現(xiàn)的時(shí)刻稱為移相，這種控制方式稱為相控。對(duì)單相半波電路而言，移相范圍為0，對(duì)應(yīng)的在0范圍內(nèi)變化 輸出端的直流電壓是以平均值來衡量的，UO(AV)是uO波形在一個(gè)周期內(nèi)面積的平均值，直流電壓表測(cè)得的即為此值， UO(AV)可由下式積分求得 2cos145. 0sin221ttdUAVO可控整流輸出電流的平均值為 2cos145. 02LLAVOAVORURUI流過晶閘管的通態(tài)平均電流IF 2c

24、os145. 02LLAVOAVOFRURUII 由于電流iO也是缺角正弦半波，因此在選擇晶閘管、熔斷器、導(dǎo)線截面以及計(jì)算負(fù)載電阻RL的有功功率時(shí)必須按電流有效值計(jì)算。 電流波形的波形系數(shù)Kf定義為電流有效值與電流平均值之比 FffIIK理論證明，當(dāng)=0時(shí) 57. 1fK9.2.2 阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路 單相橋式半控整流電路如圖9.2.2（a）所示，RL為電熱絲、電鍍、電焊等電阻性負(fù)載。 圖9.2.2 單相半控橋式整流電路及波形（a）電路圖 （b）波形圖 在u2的正半周（圖中極性為上正下負(fù)時(shí)），VT2和VD1反向偏置而截止。VT1和VD2正向偏置，在VT1門

25、極的觸發(fā)信號(hào)來到之前，t，VT1不導(dǎo)通，因此，負(fù)載中無電流流過。當(dāng)t =時(shí)，VT1觸發(fā)導(dǎo)通，當(dāng)t =180O時(shí)，u2降為零，VT1阻斷。 同樣，在u2的負(fù)半周，VT2和VD1正向偏置，當(dāng)VT2的門極加上觸發(fā)信號(hào)后，VT2導(dǎo)通，直至t =360，VT2阻斷，在這段時(shí)間內(nèi)VT1和VD2是反向偏置，故不導(dǎo)電。 電路中各處波形如圖9.2.2（b）所示。 電阻性負(fù)載的橋式半控整流電路的輸出電壓平均值為 2cos19 . 0)(sin2122UttdUUAVO可控整流輸出電流平均值為 2cos19 . 02LLAVOAVORURUI 由式（9.2.6）可見，當(dāng)觸發(fā)延遲角從到0方向變化時(shí)，可控整流輸出電壓平

26、均值從零到0.9U2之間連續(xù)變化。 晶閘管承受的最大正向、反向電壓和二極管承受的最大反向電壓均為22U通過晶閘管及整流二極管的平均電流為 AVODVTVIII21在選擇晶閘管時(shí)要注意以下問題：在選擇晶閘管時(shí)要注意以下問題： （1）選擇晶閘管型號(hào)時(shí)，其主要額定指標(biāo)為：正向阻斷峰值電壓UDRM、反向重復(fù)峰值電壓URRM和額定平均電流IF，需從可靠性、經(jīng)濟(jì)性及具體電路的具體要求合理地選擇。 （2）晶閘管所承受的電壓與所采用的整流電路形式及電壓有關(guān)。對(duì)于單相橋式半控整流電路來說，晶閘管承受的最大反向電壓按下式選擇 22UUDM 晶閘管正向阻斷峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM按下式選取 DMD

27、RMUU) 32(DMRRMUU) 32(（3） 晶閘管實(shí)際應(yīng)用時(shí)的允許電流是要保證晶閘管不因過流使結(jié)溫超過允許值而損壞。晶閘管發(fā)熱所允許的電流值為有效值，為此要把晶閘管額定正向平均電流IF通過波形系數(shù)換算成額定正向電流有效值If。 正弦全波可控整流在導(dǎo)通角為180的情況下 57. 1FffIIk導(dǎo)通角為30的情況下 99. 3FffIIk一般情況晶閘管額定正向平均電流IF可用下式估算: 57. 1)25 . 1 (fmFII式中，Ifm為晶閘管可能流過最大電流有效值。 （4）二極管參數(shù)參照晶閘管選取。 【例9.2.1】 在圖9.2.3的單相橋式可控整流電路中，負(fù)載電阻為10，交流電壓U220

28、V，觸發(fā)延遲角調(diào)節(jié)范圍為45180，問：（1）直流輸出電壓可調(diào)節(jié)的范圍；（2）晶閘管兩端的最大反向電壓；（3）晶閘管承受的最大平均電流。 圖9.2.3 例9.2.1圖 9.2.3 電感性負(fù)載半波可控整流電路及續(xù)流二極管電感性負(fù)載半波可控整流電路及續(xù)流二極管 整流電路直流負(fù)載的感抗L和電阻RL的大小相比不可忽略時(shí)，這種負(fù)載稱為電感性負(fù)載。 屬于此類負(fù)載的有：電機(jī)的勵(lì)磁線圈，輸出串接電抗器的負(fù)載等。 整流電路帶電感性負(fù)載時(shí)的工作情況與帶電阻性負(fù)載時(shí)有很大不同，為便于分析，在電路中把電感L與電阻RL分開，如圖9.2.4（a）所示，其工作原理可按圖9.2.4（b）波形分段說明。 圖9.2.4 帶電感性

29、負(fù)載的單相半波可控整流電路及波形（a）電路圖 （b）波形圖 0t 1（）期間：晶閘管雖承受正電壓，但門極觸發(fā)脈沖尚未出現(xiàn)，管子阻斷，承受全部電源電壓。 t 1t 2期間：管子觸發(fā)導(dǎo)通，電源電壓全部加到負(fù)載。由于電感L的作用，負(fù)載電流iO只能從零開始逐漸增大，到t2時(shí)電流達(dá)到最大值為U2/RL。此期間電源不但向RL供給能量而且還供給L能量，使電感的磁場(chǎng)能量WL=0.5LiO增至最大值。 t2t3期間：由于iO開始下降，L中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)eL改變方向阻礙電流下降，在t3時(shí)u2已降為零但晶閘管仍承受正壓而導(dǎo)通。 t3t4期間：電源電壓u2已由零變負(fù)使電流繼續(xù)下降，但只要保持eL大于u2值，管子仍受正壓繼

30、續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)eL=u2時(shí)，管子電壓下降為零而關(guān)斷，iO降為零。此期間L中儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量釋放，一部分供給RL，另一部分返送電源（此時(shí)的u20電源吸收功率）。從t5開始重復(fù)上述過程。 由上述分析可見，電路串接電感后，iO的變化落后uO的變化，使電流的峰值下降，導(dǎo)通時(shí)間延長(zhǎng)，負(fù)載端出現(xiàn)負(fù)電壓。L使電流波形平穩(wěn)，起到“平滑”的作用。在實(shí)際使用中，為了在負(fù)載RL上得到平穩(wěn)的直流，必須外接電感量很大的平波電抗器。 由于電感的存在使負(fù)載電壓波形出現(xiàn)部分負(fù)電壓，電感L越大導(dǎo)通角也越大。當(dāng)L增大使電壓波形的負(fù)面積接近正面積，即導(dǎo)通角=2-2時(shí)，不管如何變化輸出電壓平均值UO總是很小，甚至出現(xiàn)晶閘管久久不能關(guān)斷的失

31、控現(xiàn)象，使電路無法工作，這種情況必須嚴(yán)加防止，一般通過加接續(xù)流二極管來解決。 圖9.2.5 有續(xù)流二極管帶電感性負(fù)載半波可控整流電路 （a）電路圖 （b）波形圖 有了續(xù)流二極管，負(fù)載上的電流波形也平直多了。因?yàn)榫чl管阻斷以后，電感中自感電動(dòng)勢(shì)使續(xù)流二極管VD導(dǎo)通，負(fù)載電流被二極管所續(xù)流，晶閘管不再有因自感電動(dòng)勢(shì)使其在該關(guān)斷時(shí)不關(guān)斷的情況發(fā)生。所以iO 在整個(gè)周期內(nèi)幾乎連續(xù)不變，設(shè)晶閘管導(dǎo)通角為，負(fù)載電流平均值為IO(AV) ，則晶閘管平均電流為（/360 ） IO(AV)，續(xù)流二極管平均電流為 （360-）/360 IO(AV) 。值得注意的是，續(xù)流二極管的極性不能接反，否則會(huì)引起電源短路事故

32、。 同理，對(duì)于圖9.2.2（a）的單相橋式可控整流電路，若采用電感性負(fù)載，則在RL兩端必須并接一個(gè)續(xù)流二極管，以提高輸出電壓的平均值，以使電路正常工作。 9.3 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 向晶閘管門極提供觸發(fā)信號(hào)的電路稱為觸發(fā)電路，本節(jié)介紹單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路、觸發(fā)二極管等。 當(dāng)晶閘管處于正向電壓時(shí)，在觸發(fā)信號(hào)作用下，管子開始導(dǎo)通。一般采用脈沖電壓作為門極的觸發(fā)信號(hào)。9.3.1 對(duì)晶閘管觸發(fā)電路的要求對(duì)晶閘管觸發(fā)電路的要求 對(duì)觸發(fā)電路的基本要求如下：（1）觸發(fā)脈沖發(fā)出的時(shí)刻，必須與主回路電源電壓的相位有一定對(duì)應(yīng)的觸發(fā)延遲角關(guān)系。這稱之為同步。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的移相范圍。（2）觸發(fā)脈沖信號(hào)能提供足夠大

33、的電壓和電流，應(yīng)符合晶閘管對(duì)觸發(fā)信號(hào)的要求。一般觸發(fā)電壓為410V。（3）觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡，以保證觸發(fā)時(shí)間的準(zhǔn)確性，最好在10s以下。（4） 觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度.由于晶閘管開通時(shí)間約為6s，故觸發(fā)脈沖寬度最好為2050s， 最小不低于6s。對(duì)電感性負(fù)載， 脈沖還應(yīng)加寬。（5）在觸發(fā)脈沖發(fā)送之前， 觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)小于0.150.2V。必要時(shí)，可在門極加-1-2V電壓，以提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)。 9.3.2 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與特性單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與特性 一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu) 單結(jié)晶體管（Unijunction transistor，縮寫UJT） 示意性結(jié)構(gòu)如

34、圖9.3.1（a）所示 圖9.3.1 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)、等效電路、圖形符號(hào)、引腳 （a）結(jié)構(gòu) （b） 等效電路 （c）圖形符號(hào) （d） 引腳 在一塊高電阻率的N型硅半導(dǎo)體基片上，引出兩個(gè)電極，第一基極b1與第二基極b2，這兩個(gè)基極之間的電阻Rbb稱為基區(qū)電阻約212k。在兩基極之間，靠近b2極處設(shè)法摻入P型雜質(zhì)引出電極稱為發(fā)射極e。所以它是一種特殊的半導(dǎo)體器件，有三個(gè)引出端，只有一個(gè)PN結(jié)，故稱單結(jié)晶體管，其等效電路、符號(hào)與管腳如圖9.3.1（b）、（c）、（d）所示，Rb1、Rb2分別為e極與b1、b2之間電阻。其中Rb1的阻值會(huì)隨發(fā)射極電流IE的變化而變化，可等效成一個(gè)可變電阻。 圖9.3

35、.1（b）中Rb1上的分壓 UA=UBBRb1/（Rb1+Rb2）=UBB 式中，是單結(jié)晶體管的一個(gè)重要參數(shù)，稱為分壓比 211bbbRRR二、單結(jié)晶體管的特性曲線二、單結(jié)晶體管的特性曲線 若在b1和b2之間加一個(gè)正向偏壓UBB，如圖9.3.2（a）所示，調(diào)節(jié)UDD使UE 改變，發(fā)射極電流IE隨之變化，圖9.3.2（b）是UE和IE相應(yīng)變化的伏安特性曲線。 圖 9.3.2 單結(jié)晶體管的特性（a）實(shí)驗(yàn)電路 （b）特性曲線 當(dāng)UE=0時(shí)，Rb1電阻上的電壓URb1使等效的二極管VD截止，只有很小的反向電流IEO存在，單結(jié)晶體管處于截止區(qū)。 在UE提高至UEUBB+UD時(shí)(UD為等效二極管導(dǎo)通電壓)

36、，二極管VD導(dǎo)通，IE明顯增大，當(dāng)IE繼續(xù)增大時(shí)，等效電阻Rb1阻值下降，導(dǎo)致分壓比下降，UA 值下降，二極管VD正向偏壓增加，進(jìn)一步使Rb1減小，這一正反饋過程結(jié)果使UE電壓反而下降，產(chǎn)生了如圖所示的負(fù)阻特性，P點(diǎn)處的電壓UP稱為單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)（Peak point）電壓，相對(duì)應(yīng)的IP稱為峰點(diǎn)電流，這是使器件導(dǎo)通所需的最小電流。 由上述分析可知 UPUBB+ UD 在UE降低至谷點(diǎn)（valley point）后，IE增加，UE也有所增加，器件進(jìn)入飽和區(qū)，谷點(diǎn)電壓UV是維持單結(jié)晶體管導(dǎo)通的最小發(fā)射極電壓，在UEUV時(shí)，器件又重新截止，一般UV為25V。單結(jié)晶體管的型號(hào)有BT3X，例如BT31

37、、BT33、BT35等。 9.3.3 單結(jié)晶體管自激振蕩電路單結(jié)晶體管自激振蕩電路 利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖，其電路如圖9.3.3（a）所示。 圖9.3.3 單結(jié)晶體管振蕩電路與波形（a）電路圖 （b）波形圖 R2為溫度補(bǔ)償電阻，R1為負(fù)載電阻，當(dāng)加上直流電壓U后，一路經(jīng)R2、R1在單結(jié)晶體管兩個(gè)基極之間按分壓比分壓；另一路通過Re對(duì)電容C充電，發(fā)射極電壓Ue等于電容兩端電壓Uc，按指數(shù)曲線漸漸上升，如圖9.3.3（b）所示。 當(dāng)UcUp時(shí)，管子e、b1之間處于截止?fàn)顟B(tài)。隨著Uc值的增大，電容電壓Uc充到剛開始大于Up的瞬間，管子eb1間的電阻突然變?。ń?/p>

38、為20歐左右）而開始導(dǎo)通。電容上的電荷通過eb1迅速向電阻R1放電。由于放電回路電阻很小，放電時(shí)間很短，所以在R1上得到很窄的尖脈沖。當(dāng)Uc小于谷點(diǎn)電壓Uv時(shí)，管子從導(dǎo)通又轉(zhuǎn)為截止，電容C又開始充電，電路不斷振蕩，在電容上形成鋸齒波電壓，在R1上輸出前沿很陡的尖脈沖。uC、uG波形如圖9.3.3（b）所示。 振蕩頻率為)11ln(1CRfe改變Re可方便地改變振蕩頻率。 9.3.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路應(yīng)用示例單結(jié)晶體管觸發(fā)電路應(yīng)用示例 圖9.3.4 單相半控橋式單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形9.3.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路應(yīng)用示例單結(jié)晶體管觸發(fā)電路應(yīng)用示例 圖9.3.4 單相半控橋式單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

39、及波形9.3.5 觸發(fā)二極管及其應(yīng)用簡(jiǎn)介觸發(fā)二極管及其應(yīng)用簡(jiǎn)介 雙向二極管（DIAC）又稱為觸發(fā)二極管，在觸發(fā)雙向晶閘管的控制電路中得到廣泛的應(yīng)用，雙向二極管（DIAC）是由二極管的交流（AC）開關(guān)而得名。 DIAC使用在從交流電源直接得到觸發(fā)脈沖的電路中，特別是它具有雙向?qū)ΨQ翻轉(zhuǎn)電壓特性的優(yōu)點(diǎn)。 DIAC的基本結(jié)構(gòu)如圖9.3.5（a）所示，它具有PNP（或NPN）三層對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。它的伏安特性如圖9.3.5（c）所示，圖中給出了對(duì)稱的翻轉(zhuǎn)電壓（通常為2040V）。 圖9.3.5 雙向二極管的結(jié)構(gòu)、符號(hào)和伏安特性（a）基本結(jié)構(gòu) （b）符號(hào) （c）伏安特性 用觸發(fā)二極管和雙向晶閘管組成的簡(jiǎn)易調(diào)光電路如圖9.3.6所示，該電路可用作家用電扇調(diào)速和臺(tái)燈調(diào)光控制。 圖9.3.6 簡(jiǎn)易調(diào)光電路 當(dāng)調(diào)節(jié)電位器RP時(shí)，便可改變RC時(shí)間常數(shù)，從而改變觸發(fā)二極管到達(dá)轉(zhuǎn)折導(dǎo)通電壓的時(shí)間，以改變雙向晶閘管的觸發(fā)延遲角和導(dǎo)通角，使輸出電壓升高或降低，從而達(dá)到調(diào)速、調(diào)光的目的。 雙向晶閘管應(yīng)根據(jù)負(fù)載功率大小選用，選BCR1AM或MAC97-4能滿足60W負(fù)載的電控需要。觸發(fā)二極管選用2CTS2型，其轉(zhuǎn)折電壓UBO為2640 V，峰值電流IP=2A。 9.3.6 集成觸發(fā)器簡(jiǎn)介集成觸發(fā)器簡(jiǎn)介 一、集成鋸齒波移相觸發(fā)電路一、集成鋸齒波移相觸發(fā)電路圖9.3.7 KC04移相集成觸