晶閘管及其應(yīng)用電工學(xué)

1、晶閘管及其應(yīng)用電工學(xué)第1頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四本章要求1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、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(guān)系。3. 了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原 理。第20章 晶閘管及其應(yīng)用第2頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四晶閘管（Silicon Controlled Rectifier） 晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。 晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及

2、開關(guān)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(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。 優(yōu)點：第3頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四G控制極20.1 晶閘管20.1.1 基本結(jié)構(gòu)K 陰極G陽極 AP1P2N1N2四 層 半 導(dǎo) 體 晶閘管是具有三個PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu), 其外形、結(jié)構(gòu)及符號如圖。(c) 結(jié)構(gòu)K GA(b) 符號(a) 外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號三 個PN 結(jié)第4頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四P1P2N1N2K GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA T2T1_P2N1N2IGI

3、AP1N1P2IKGPPNNNPAGK第5頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四 T1T220.1.2 工作原理A 在極短時間內(nèi)使兩個三極管均飽和導(dǎo)通，此過程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過程KGEA 0、EG 0EGEA+_R第6頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四 晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG ， 依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。 工作原理GEA 0、EG 0KEA+_R T1T2EGA形成正反饋過程第7頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四晶閘管導(dǎo)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

4、間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。 晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。 依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件： 1. 必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應(yīng)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。第8頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四正向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流U20.1.3 伏安特性第9頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四20.1.4 主要參數(shù)UFRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘

5、管耐壓值）晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)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(fù)峰值電壓控制極開路時,允許重復(fù)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：第10頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)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。第11頁，共53頁，2

6、022年，5月20日，1點48分，星期四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(dǎo) 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(dǎo)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。第12頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四晶閘管型號及其含義 導(dǎo)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)

7、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為5A,額定電壓為700V。第13頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四20.2 可控整流電路20.2.1 單相半波可控整流 1. 電阻性負(fù)載(1) 電路 u 0 時：若ug = 0，晶閘管不導(dǎo)通，u 0 時: 晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)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(dǎo) 通，uuoRL+uT+Tio第14頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四(2

8、) 工作原理t12u 0時: tO第15頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四 tO 接電阻負(fù)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(dǎo)通角(3)工作波形第16頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四(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。第17頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四2. 電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路 當(dāng)電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內(nèi)仍 維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩uoR+uT+TLeL 在電感性負(fù)載中 ,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時

9、，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。第18頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四 tOtO tOt1 tOt22 2) 工作波形(未加續(xù)流二極管)第19頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四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?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見波形圖)。3.電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)+(1) 電路第20頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，

10、星期四(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iL t tOtO2 tO第21頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四20.2.2 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(dǎo)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。第22頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四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(dǎo)通，電流的通路為(2

11、)電壓u 為負(fù)半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。第23頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四 t tOtO3. 工作波形2動畫 tO第24頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四4. 輸出電壓及電流的平均值第25頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四兩種常用可控整流電路電路特點該電路只用一只晶閘管，且其上 無反向電壓。2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第26頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四電路特點 1. 該電路接入電感性負(fù)載時，D1、D2 便起 續(xù)流二極

12、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+-+-第27頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四20.2.4 三相橋式半控整流電路2.工作原理1. 電路動畫u2a2u2bu2ct1t2uoT T1RLuoD3 T2T3D2D1io cbau+第28頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四20.3 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，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路

13、。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(zhuǎn)折電壓時，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。第29頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四 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(dāng)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。第30頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四2. 過流繼電器保

14、護3. 過流截止保護 在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過電流繼電器，當(dāng)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(cè)設(shè)置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當(dāng)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(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。第31頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四2. 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(zhì)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第32頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四20.4 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路20.4.1 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)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(jié)N型硅片(a) 示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(b) 符號B2EB1第33頁，共53頁，2022年，5月20日，1點48分，星期四2. 工作原理 UE UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。P第35頁，共53頁，