晶閘管及其基本電路概述

半導(dǎo)體器件發(fā)展

10電力電子學(xué)——晶閘管及其基本電路A.

電力電子學(xué)的任務(wù)利用電力半導(dǎo)體器件（如：晶閘管）和線(xiàn)路來(lái)實(shí)現(xiàn)電功率的變換和控制。晶閘管（SiliconControlledRectifier簡(jiǎn)稱(chēng)SCR，1957年）在弱電控制與強(qiáng)電輸出之間起橋梁作用。

B.

晶閘管的優(yōu)缺點(diǎn)

l

優(yōu)點(diǎn)：

1)

功率放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)倍；2)

控制靈敏，反應(yīng)快；3)

損耗小，效率高；4)

體積小，重量輕；5)

改善了工作條件，維護(hù)方便。

l

缺點(diǎn)：1)

過(guò)載能力弱；2)

抗干擾能力差；3)

導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波形畸變；4)

控制電路比較復(fù)雜。10.1電力半導(dǎo)體器件10.1.1晶閘管（SCR）

——新型大功率半導(dǎo)體器件，也稱(chēng)可控硅。1.基本結(jié)構(gòu)

1)

外形

前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件（散熱效果好）。

2)

內(nèi)部結(jié)構(gòu)——它是PNPN四層三端元件。3)

符號(hào)（如圖所示）2.工作原理

l

實(shí)驗(yàn)情況說(shuō)明：可用燈泡

代替電阻RL。1)晶閘管承受正向電壓，開(kāi)關(guān)S（控制極）斷開(kāi)，此時(shí)電燈不亮，晶閘管關(guān)斷。2)在控制極與陰極之間再加上正向電壓（S接通），電燈發(fā)亮，晶閘管導(dǎo)通。3)晶閘管承受反向電壓，不論S是否接通，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷（阻斷）。4)晶閘管導(dǎo)通后（情況2），斷開(kāi)控制極電壓（控制極失去作用），電燈仍發(fā)亮，晶閘管仍導(dǎo)通。5)晶閘管導(dǎo)通后（情況2），如果控制極電壓加反向電壓，不論陽(yáng)極電壓是正或負(fù)，電燈均不亮，晶閘管關(guān)斷（阻斷）。

l

結(jié)論1)晶閘管導(dǎo)通條件：陽(yáng)極加正向電壓，控制極也加正向電壓。2)控制極只需加正觸發(fā)脈沖電壓。3)具有可控單向?qū)щ娦裕ㄕ?、反向阻斷能力）?/p>

l

導(dǎo)通原因1)

等效為PNP型和NPN型兩個(gè)晶體管的組合。2)

陽(yáng)極和控制極均加正向電壓時(shí)，經(jīng)放大，集電極電流為（基極電流），又經(jīng)放大，集電極電流為（即基極電流），再次放大，循環(huán)往復(fù)，直至導(dǎo)通為止（“觸發(fā)導(dǎo)通過(guò)程”——微秒級(jí)）。3)

晶閘管導(dǎo)通后，基極電流比（控制電流）大得多，故去掉，晶閘管仍導(dǎo)通。4)

陽(yáng)極加反向電壓，無(wú)放大作用，晶閘管不導(dǎo)通；控制電壓反向或未加入，不產(chǎn)生起始，晶閘管也不導(dǎo)通。3.伏安特性晶閘管的伏安特性——晶閘管的陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的關(guān)系。

1)

截止?fàn)顟B(tài)（正向阻斷狀態(tài)）——陽(yáng)極加正向電壓，門(mén)極開(kāi)路（＝0），電流很小，電阻很大，稱(chēng)為正向漏電流。2)

導(dǎo)通狀態(tài)——正向陽(yáng)極電壓上升到某一定值，，晶閘管突然變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)陽(yáng)極電壓稱(chēng)為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（）或正向轉(zhuǎn)折電壓（）?！?，↓，晶閘管容易導(dǎo)通。注：在晶閘管的陽(yáng)極與陰極之間加上6V直流電壓，使元件導(dǎo)通的控制極最小電流（電壓）稱(chēng)為觸發(fā)電流（電壓）。

3)

維持電流（保證晶閘管導(dǎo)通的最小陽(yáng)極電流）——當(dāng)電流小于時(shí)，從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)化正向阻斷狀態(tài)。

4)

反向阻斷狀態(tài)——陽(yáng)極加反向電壓時(shí)，反向漏電流很小。當(dāng)反向陽(yáng)極電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，反向漏電流，這時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓值稱(chēng)為(反向不重復(fù)峰值電壓)或(反向轉(zhuǎn)折電壓，反向擊穿電壓)。注：晶閘管的反向伏安特性與二極管反向特性類(lèi)似。4.主主要參數(shù)數(shù)1)（（斷態(tài)重復(fù)復(fù)峰值電電壓）——在在控制極極斷路和和晶閘管管正向阻阻斷時(shí)，，可以重重復(fù)加在在晶閘管管兩端的的正向峰峰值電壓壓，它比比小小100V?！岸嗌俜木чl管管”2)（（反向重復(fù)復(fù)峰值電電壓）——在在控制極極斷路時(shí)時(shí)，可以以重復(fù)加加在晶閘閘管兩端端的反向向峰值電電壓，它它比小小100V。3)（（額定通態(tài)態(tài)或正向向平均電電流，簡(jiǎn)稱(chēng)額定電流流）——在在環(huán)境溫溫度不大大于40℃和標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)散熱熱及全導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)，，晶閘管管可以連連續(xù)通過(guò)過(guò)的工頻頻正弦半半波電流流（在一一個(gè)周期期內(nèi)）的的平均值值。“多少安的晶閘管管”正弦半波波電流的的平均值值正弦半波波電流的的有效值值波形系數(shù)數(shù)即一般按選選晶閘閘管（———實(shí)際際電流有有效值））4)（（維持電流流）——在在規(guī)定的的環(huán)境溫溫度和控控制極斷斷路時(shí)，，維持元元件繼續(xù)續(xù)導(dǎo)通的的最小電電流。一般為幾幾十mA~一百多mA，其數(shù)值值與溫度度成反比比，如：：5.型型號(hào)及其其含義（（國(guó)產(chǎn)晶晶閘管））例如：3CT50/500（為為50A，為為500V））；KP5-7（K—晶晶閘管，，P—普普通型，，額定電電流5A，額定定電壓700V）。/可控整流流元件N型硅材材料三個(gè)電極極6.判判別管子子的好壞壞用萬(wàn)用表的的歐姆檔檔來(lái)判別管管子的好好壞。表10.1用用萬(wàn)用用表測(cè)試試晶閘管管各管腳腳之間的的電阻注意：當(dāng)A—K間為高阻阻值，而而K—G間逆向電電阻大于于順向電電阻時(shí)，，管子良好好。測(cè)試點(diǎn)表內(nèi)電池極性測(cè)量范圍測(cè)試結(jié)果A—K順向或逆向R×1000高電阻（表針不動(dòng)）A—G同上同上同上K—G順向：G“+”,K“-”逆向：G-”,K“+”R×1R×110~10050~50010.1.2其它電力力半導(dǎo)體體器件雙向晶閘閘管可關(guān)斷晶晶閘管功率晶體體管整流二極極管1.雙雙向晶閘閘管（TRIAC））l特點(diǎn)1)三三端子NPNPN元件；2)采采用交流流電源；；3)相相當(dāng)于兩兩只普通通晶閘管管反并聯(lián)聯(lián)；4)雙雙向控制制，簡(jiǎn)化化觸發(fā)電電路；5)成成本低，，可靠性性好；6)主主要應(yīng)用用于家用用電器控控制，調(diào)調(diào)節(jié)交流流電壓。。l符號(hào)(如圖所所示)l工作原理理1)門(mén)門(mén)極無(wú)信信號(hào)時(shí)，，、、不不導(dǎo)電電。2)導(dǎo)導(dǎo)通條件件：①"+"，，"-"，G"+"②"-"，"+"，G"-"l電壓波形形圖(如圖所所示)2.可可關(guān)關(guān)斷晶晶閘管管（GTO））l特點(diǎn)1)控控制制極控控制元元件的的導(dǎo)通通和關(guān)關(guān)斷，，所需需控制制電流流較大大。20mA/30μA2)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特性性較好好，關(guān)關(guān)斷時(shí)時(shí)間較較短。。1μs/(5~30)μμs3)主主要用用于直直流調(diào)調(diào)壓和和直流流開(kāi)關(guān)關(guān)電路路。4)電電路路簡(jiǎn)單單，工作頻率高。。l符號(hào)與晶閘閘管相相似。。3.功功率率晶體體管（GTR））（300A，100V或或100A，300V））達(dá)林頓頓晶體體管（（200A，500V））注：復(fù)復(fù)合管管，正向向?qū)ㄍ▔航到怠?，功率率損耗耗↑。l特點(diǎn)可在高高電壓壓和強(qiáng)強(qiáng)電流流定額額下使使用；；正向?qū)?dǎo)通壓壓降（（0.3~0.8）V，，功率損損耗較較晶閘閘管（（≈1V））??；；基極電電流消消失或或反偏偏時(shí)，，晶體體管立立即截截止（不存存在關(guān)關(guān)斷問(wèn)問(wèn)題））；允許的的電流流變化化率低低；處于導(dǎo)導(dǎo)通狀狀態(tài)，，基極極電路路功率率損耗耗大；；體積更更小，，價(jià)格格更低低（比比晶閘閘管））。4.大大功功率二二極管管（整整流二二極管管）l特點(diǎn)可在高高溫下下工作作；（室溫溫）加正向向?qū)ㄍ▔航到担?.8~1）V；反向電電壓就就截止止，加加正向向電壓壓就導(dǎo)導(dǎo)通；；額定值可可達(dá)200A和和400V，或或更高。。注：它相當(dāng)于于一只開(kāi)關(guān)。作業(yè)：P:27610.1，10.3～710.2單相相可控整整流電路路由晶閘管管組成的的可控整整流電路路類(lèi)似于二極管管整流電電路。它它可分為為單相半半波、單單相橋式式、三相相零式（（半波））、三相相橋式。。10.2.1單單相半半波可控控整流電電路特點(diǎn)：①應(yīng)用用較少，，電路簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，調(diào)調(diào)整容易易。②直流流輸出電電壓低，，脈動(dòng)大大。電阻性負(fù)負(fù)載分析：1)——控制角角（晶閘閘管元件件承受正向電壓壓起始點(diǎn)到到觸發(fā)脈沖沖作用點(diǎn)之之間的電電角度）），—導(dǎo)通角角（晶閘閘管在一一周期時(shí)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的電角度度），，，，。。2)最最大正向向、反向向電壓為為（（電電源變壓壓器副邊邊電壓的的最最大值））。3)負(fù)負(fù)載（輸輸出直流流）電壓壓平均值值、負(fù)載載電流平平均值分分別為：：4)，，達(dá)到到可控整流的目目的。2.電電感性負(fù)負(fù)載如：各種種電機(jī)的的勵(lì)磁線(xiàn)線(xiàn)圈等。。分析：電感阻礙礙電流變變化（——自感電電勢(shì)或反反電動(dòng)勢(shì)勢(shì)）。大于電源源負(fù)電壓壓，晶閘管管繼續(xù)導(dǎo)導(dǎo)通，也也就是說(shuō)說(shuō)，導(dǎo)通通角。。負(fù)載電感感，，負(fù)載負(fù)（（反向））電壓，滿(mǎn)足不不了負(fù)載載的要求求。3.續(xù)續(xù)流二極極管的作用（大電感感性負(fù)載載）分析：1)負(fù)負(fù)載兩兩端并聯(lián)聯(lián)一只二二極管。。2)電電流電壓壓過(guò)零變變負(fù)時(shí)，，續(xù)流二二極管導(dǎo)導(dǎo)通，晶晶閘管自自行關(guān)斷斷（無(wú)電流流流回電源源）。。3)負(fù)負(fù)載載兩兩端端電電壓壓為為二二極極管管管管壓壓降降，，接接近近于于零零（（電感感放放出出能能量量消消耗耗在在電電阻阻上上）。。4)波波形形與與電電阻阻性性負(fù)負(fù)載載一一樣樣，，波波形形與與之之很很不不相相同同。。當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)，，電流流脈脈動(dòng)動(dòng)小小，波波形形近近似似于于一一條條平平行行于于橫橫軸軸的的直直線(xiàn)線(xiàn)。。10.2.2單單相相橋式式可控控整流流電路路（應(yīng)用用很廣廣）它與不不可控控橋式式整流流電路路的區(qū)別：二只只晶閘閘管代代替二二只二二極管管。1.單單相相半控橋橋式整流流電路路工作原原理：：l輸入電電壓正半周周，觸發(fā)發(fā)VS1，VS2和V1反向截截止，，電流流通路路為：：l輸入電電壓負(fù)半半周周，觸觸發(fā)發(fā)VS2，VS1和V2反向向截截止止，，電電流流通通路路為為：：1)電電阻阻性性負(fù)負(fù)載載與半波波整流流相相比比較較，，和和增增加加了了一倍倍，分分別別為為：：2)電電感感性性負(fù)負(fù)載載l加續(xù)續(xù)流流二二極極管管————不不出出現(xiàn)現(xiàn)““失控控”現(xiàn)現(xiàn)象象。。l不加加續(xù)續(xù)流流二二極極管管————不不失控控，VS2與V1交換換位位置置。。注意意：：電源源電電壓壓為為零零（（或或θ=0或觸發(fā)發(fā)回回路路切切斷斷）時(shí)，V1和V2形成續(xù)流（（電流增大），VS1或VS2可靠關(guān)斷。。3)只用一個(gè)晶閘管管進(jìn)行控制的的整流電路路四個(gè)整流二二極管組成成單相橋式式全波電路路——節(jié)省晶晶閘管元件件。（a）電阻性負(fù)載載——與半控控橋一樣（b）電感性負(fù)載載——必須加加續(xù)流二極極管（c）優(yōu)缺點(diǎn)：①控制線(xiàn)線(xiàn)路簡(jiǎn)單，，成本較低低；②承受整整流過(guò)的脈脈動(dòng)電壓，，不承受反反向電壓；；③整流元元件較多，，體積較大大；④壓降、、損耗較大大；⑤選用維維持電流較較大的晶閘閘管，以免免失控。4)反反電勢(shì)負(fù)載載分析：（a）導(dǎo)通條件：l電源電壓大于于反電勢(shì)；l有觸發(fā)脈沖。。（b）比比電電阻性負(fù)負(fù)載大，，。。（c）電流的的幅值與平均均值之比相當(dāng)當(dāng)大，必須降降低電流定額額使用。（d）對(duì)大容容量電動(dòng)機(jī)或或蓄電池負(fù)載載，常串聯(lián)電抗器L（用以平滑電電流的脈動(dòng)））。2.單單相全控橋式整流電電路1)它它與半控橋的區(qū)別：：l四只全是是晶閘管管。l每半周期期要求觸觸發(fā)兩只只晶閘管管。l電感性負(fù)負(fù)載（無(wú)續(xù)流流二極管管）時(shí)，，輸出電電壓的瞬瞬時(shí)值出出現(xiàn)負(fù)值。l電阻性負(fù)負(fù)載時(shí)，不比比半控橋橋整流優(yōu)優(yōu)越，一一般采用用半控橋線(xiàn)路。l主要用于于正反向逆變電路路中。注意：在全控橋中元件承承受的最大正、、反向電電壓仍是。。2)電電感性性負(fù)載時(shí)時(shí)工作狀況況：l為正，瞬時(shí)，，VS1、VS2導(dǎo)通。當(dāng)＝＝0