1、 第六章第六章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用别名：别名：可控硅（可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一是一种种大功率半导体器件，出现于大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。导体器件由弱电领域扩展到强电领域。特点：特点：应用领域：应用领域：整流（交流整流（交流 直流）直流）逆变（直流逆变（直流 交流）交流）变频（交流变频（交流 交流）交流）斩波（直流斩波（直流 直流）直流）此外还可作无触点开关等。此外还可作无触点开关等。6.1 晶闸管晶闸管结构结构A（阳极）（阳极）P1P2N1三三 个个 PN结
2、结N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制极）（控制极）一、晶闸管的结构、符号一、晶闸管的结构、符号符号符号P1P2N1N2K GAKA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK 图6.2晶闸管的外形及其符号 (a)螺栓式；(b)平板式；(c)塑封式；(d)符号常见晶闸管外形 2 类型类型 可控硅按其容量有大、中、小功率管之分,一般认为电流容量大于50 A为大功率管,5 A以下则为小功率管,小功率可控硅触发电压为1 V左右,触发电流为零点几到几毫安,中功率以上的触发电压为几伏到几十伏,电流几十到几百毫安。按其控制特性,有单向可控硅和双向可控硅之分。U
3、GGRSgkaUAA晶闸管连接图 二、晶闸管的工作特性 演示电路及操作过程 1)演示电路 (1)阳极与阴极之间通过灯泡接电源UAA。(2)控制极与阴极之间通过电阻R及开关S接控制电源(触发信号)UGG。2）操作过程及现象 (1)S断开,UGK=0,UAA为正向,灯泡不亮,称之为正向阻断，如图6.3(a)所示。(2)S断开,UGK=0,UAA为反向,灯泡不亮,如图6.3(b)所示。(3)S合上,UGK为正向,UAA为反向,灯泡不亮,称之为反向阻断,如图6.3(c)所示。UGGRSUAA(a)UGGRSUAA(b)UGGRSUAA(c)UGGRSUAA(d)UGGRSUAA(e)UGGRSUAA(
4、f)亮暗灭UGGRSUAA(g)UGGRSUAA(h)图 6.3 晶闸管工作示意图 (4)S合上,UGK为正向,UAA为正向,灯泡亮,称之为触发导通,如图6.3(d)所示。(5)在(4)基础上,断开S,灯泡仍亮,称之为维持导通,如图6.3(e)所示。(6)在(5)基础上,逐渐减小UAA,灯泡亮度变暗,直到熄灭,如图6.3(f)所示。(7)UGG反向,UAA正向,灯泡不亮,称之为反向触发,如图6.3(g)所示。(8)UGG反向,UAA反向,灯泡仍不亮,如图6.3(h)所示。3）现象分析及结论 (1)由图6.3(c)、(d)得出,晶闸管具有单向导电性。(2)由图(a)、(b)、(d)、(g)、(h
5、)得出,只有在控制极加上正向电压的前提下,晶闸管的单向导电性才得以实现。(3)由图6.3(e)得出,导通的晶闸管即使去掉控制极电压,仍维持导通状态。(4)由图6.3(f)得出,要使导通的晶闸管关断,必须把正向阳极电压降低到一定值才能关断。降低阳极与阴极间的电压，使通过晶闸管的降低阳极与阴极间的电压，使通过晶闸管的电流小于维持电流电流小于维持电流I IH H 阳极与阴极间的电压减小为零阳极与阴极间的电压减小为零 将阳极和阴极间加反相电压将阳极和阴极间加反相电压UFRM:晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下,允允许重复加在许重复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的
6、正向峰值电压。一般取一般取UFRM =80%UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为100V 3000V控制极开路时控制极开路时,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取一般取 URRM =80%UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100V3000VURRM：)(sin21m0mFIttdII 环境温度为环境温度为4040 C C及及标准散热条件下，标准散热条件下，晶闸晶闸管处于管处于全导通时全导通时可以连续通过的工频正弦可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。半波电流的平均值。IF t 2 i如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半
7、波电流的最大值为Im,则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。国产晶闸管的型号有两种表示方法,即KP系列和3CT系列。额定通态平均电流的系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000(A)等14种规格。额定电压在1000 V以下的,每100 V为一级;1000 V到3000 V的每200 V为一级,用百位数或千位及百位数组合表示级数。3CT系列表示参数的方式如图所示。CT系列参数表示方式 表示晶闸管元件表示晶闸管元件3TC表示表示3个电极个电极表示表示N型硅材料型硅材料表示额定正向平均电流（表示额定正向平均电流（A A）表示正向
8、阻断峰值电压（表示正向阻断峰值电压（V V）3TC3TC额定电压额定电压,用百位或千位数表示用百位或千位数表示取取UFRM或或URRM较小者较小者额定正向平均电流额定正向平均电流(IF)晶闸管晶闸管K P普通型普通型如如KP5-7表示表示额定正向平均电流为额定正向平均电流为5A,额定电压为额定电压为700V 如如KP200-10D,表示表示IF=200A、UD=1000V、UF=0.7V的普通型晶闸管的普通型晶闸管五、五、普通晶闸管的简单测试普通晶闸管的简单测试 1 测量可控硅内部的测量可控硅内部的PN结结 可控硅的内部有三个PN结,这三个PN结的好坏直接影响可控硅的质量。所以使用可控硅之前,
9、应该先对这三个PN结进行测量。测量方法如图所示。图 11.8 可控硅的测量 2、测试方法万用表选电阻 R*1K或R*100 挡，极性判别：用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数 十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极 G，红表笔的引脚为阴极 K，另一空脚为阳 极 A。好坏判别：此时将黑表笔接已判断了的阳极 A，红表笔仍接阴极 K。此时万用表指针应不动。用 短线瞬间短接阳极 A 和控制极 G，此时万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆 左右。如阳极 A 接黑表笔，阴极 K 接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅 已击穿损坏。6.2 晶闸管整流电路晶闸管整
10、流电路一、一、单相可控整流电路单相可控整流电路1、单相半波可控整流电路、单相半波可控整流电路（1）电路及工作原理）电路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG uG。2T,0uuuL。0,T2uuuLGu 0Gu。2T,0uuuL t1 2。2T ,0uuuL:1t。0,T2uuuL tuO晶晶闸闸管管不不导导通通。,0,0g1 ut t。2T,0uuuLgu tO tOuO 动画动画控制角控制角 t1 tuO tguO t22 tTuO导通角导通角u1u2uTuLAGKRLuG晶闸管承受的最高反向电压晶闸管承受的最高反向电压:tuT22UURM(2)主要参数计算主要参数计算tuULd212)
11、d(sin2212ttU2cos145.0L2LRURUILL2cos145.02UaRLD2T1b+T1T2RLuoD1D2+T1T2RLuoD1D2+bRLD1T2a tOu tuO tT1uO2 动画动画 tguOT1T2D1D2RLuLu2AB+-晶闸管承受的最高反向电压晶闸管承受的最高反向电压:22UURM(2)主要参数计算主要参数计算 输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值)(12tduUL)(sin212ttdULLLRUI2cos19.02U例：例：桥式可控整流电路中，桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅可控硅控制角控制角=15180，求输，求输出电压平均
12、值出电压平均值UL的调节范的调节范围，以及可控硅（包括二围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电大值和承受的最大反向电压。压。T1T2D1D2RLuLu2AB+-=191V，=15=0V，=180=191/3=64A承受的最高反向电压承受的最高反向电压:2cos19.02UULAVLLAVLAVRUIV31122UUDRM两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上该电路只用一只晶闸管，且其上 无反向电压。无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。(1)uTD2D4u0RL+-
13、+-电路电路特点特点 1.该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便起便起 续流二极管作用。续流二极管作用。(2)动画动画2.由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控 制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。T1T2D1D2uuORL+-+-二、三相可控整流电路 1、三相半波可控整流电路 2、三相半倥桥式整流电路三相可控整流电路分析三相可控整流电路分析 为什么要采用三相整流？为什么要采用三相整流？对于三相对称电源系统而言，单相可控整流电路为不对称负载，可影响电源三相负载的平衡性和系统的对称性。负载容量较大时，通常采用三相或多相电源整流
14、电路。三相或多相电源可控整流电路是三相电源系统的对称负载，输出整流电压的脉动小，控制响应快，在许多场合得到了广泛应用。电源变压器的接线方式电源变压器的接线方式 三相可控整流电路电源变压器一般采用D,y或Y,d接线方式，以提供一条3及3的倍数次谐波电流通路。对于三相半波可控整流电路而言，次级绕组必须接成星形，以获得整流电源的中性点，故通常采用D,y接线方式。共阴极接法共阳极接法2222222sin22sin()322sin()33 2sin()626sin()3646sin()36abcababbcbccacauUtuUtuUtuuuUtuuuUtuuuUt电源电压：三相对称电源：1、三相半波可
15、控整流电路三相半波可控整流电路三相不可控半波-电阻负载1.三相半波整流主电路2.工作过程及波形分析123_VDVDVD 二级管开通顺序：(1)高通电路：高通电路：电压最高相的电压最高相的二极管会自动导通，强迫其二极管会自动导通，强迫其他相的二极管关断他相的二极管关断(2)(2)自然换相点自然换相点:2()63kk为整数1、三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波-电阻负载 0 1.三相半波可控主电路2.工作过程及波形分析123_VTVTVT 晶闸管开通顺序：3211 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波-电阻负载 0 1.主电路2.工作过程及波形分析123_VTVTVT 晶
16、闸管开通顺序：三相半波-电阻负载 0 2.工作过程及波形分析 acabauuuVT06561到bcbabuuuVT023652 到cbcacuuuVT0613233 到电压输出晶闸管端电压元件导通间时321VTVTVTuuu300(0)6电流连续2=3506移相范围：图 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载 a=60时的波形 5()66电流断续电压输出晶闸管端电压元件导通间时321VTVTVTuuuacabauuuVT061到065cbauuu到bcbabuuuVT035652到cbcacuuuVT037233到061337cbauuu到02335cbauuu到 三相半波可控整流电路，电阻负
17、载，三相半波可控整流电路，电阻负载，a a=30=30 时的波形时的波形=30u2uaubucOtOtOtOtOtuGuduabuact1iVT1uVT1uac 三相半波可控整流电路，电阻负载，三相半波可控整流电路，电阻负载，a=60=60 时的波形时的波形tttt=60u2uaubucOOOOuGudiVT1cos17.1cos263)(sin2321226562dUUttdUU当a=0时，Ud最大，为 。2d0d17.1UUU)6cos(1675.0)6cos(1223)(sin2321262dUttdUU整流电压平均值的计算整流电压平均值的计算a30时，负载电流连续，有：a30时，负载电
18、流断续，晶闸管导通角减小，此时有：负载电流平均值为 晶闸管承受的最大反向电压，为变压器二次线电压峰值，即晶闸管阳极与阴极间的最大正向电压等于变压器二次相电压的峰值，即RUIdd（2-20）222RM45.2632UUUU（2-21）22UUFM（2-22）三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 三相半波可控整流电路阻感负载时出现负电压，有些场合往往在负载两端并联一个续流二极管，以消除负半周的影响。三相半波可控整流电路还有一种共阳极组接法，其工作原理、电路波形及数量关系与共阴极组相同，但输出电压、电流极性相反。三相半波整流电路特点三相半波整流电路特点 优点1、整流所得波形平直（较单相而言）。2
19、、三相负载平衡。缺点1、变压器二次侧有直流分量通过。2、变压器利用率低。6-3 负载类型对晶闸管整流的影响负载类型对晶闸管整流的影响 一、感性负载的影响1）感性负载半控桥式整流电路 图6-31(a)是具有电感性负载的单相桥式半控整流电路。如前所述,在纯电阻负载的情况下,负载中的电流是断续的,当输入电压u2为零时,负载中的电流也减小为零,如图6-29(b)所示。但对于感性负载,情况就会发生变化。在u2的正半周内,由于ug1的触发作用,晶闸管V1与二极管V4同时导通。此时L的作用表现在减小晶闸管V1导通电流ia1的变化,如图6-31(b)io-t波形中的12段,波形幅度减小,比较平坦。u1u2V1
20、V2V3V4abuoR(a)Lu2ug0io t23 t00 t123ug1ug2ug3V4V3V3V4V4 t6 t5 t4 t3 t2 t1(b)图6-31 电感性负载半控桥式整流电路及波形 u1u2V1V2V3V4abuoR(a)L 其次,u2由正变负过零时,u2=0,ia1原要减小为零,但由于L两端要产生感应电动势,以阻止ia1的减小,故ia1并不为零。事实上,这时感应电动势的极性为下“+”上“-”,它加在二极管V3、V1 和R串联的电路两端,并使二极管V3的阳极具有正电位,晶闸管V1的阴极具有负电位,故晶闸管V1继续导通,电流路径是:L下“+”R 二极管V3 晶闸管V1 L上“-”u
21、1u2V1V2V3V4uoRLV5图 6-32 有续流二极管的感性负载 半控桥式整流电路 必须强调,在这种情况下,二极管V3代替了V4,并和晶闸管V1一起组成导通电路。因此,ia1继续流过负载,波形如图11.12(b)中io波形的23段所示。在u2负半周,ug2接入,使得晶闸管V2触发导通,晶闸管V1才因承受反向电压而关断。于是负载电流转换成为晶闸管V2的导通电流ia2,以后的过程与前相似。由图11.1(b)可以看出,二极管在电源电压过零时换相,可控硅在触发时换相,输出电流是连续不断的,出现可控硅在感性负载时的导通时间比阻性负载时的导通时间长的状态,对于这种情况,一般来说,整流器仍能正常工作,
22、但输出电压从零开始则不易调整,对控制角有严格限制的整流器也不易调整。2）加有续流二极管的半控桥式整流电路 由以上分析可知,产生失控现象的原因是流过晶闸管的电流ia1（或ia2）减小时,L两端产生下“+”上“-”的感应电动势。因此,要消除失控现象,就必须设法减小感应电动势。克服的方法是在整个负载并联一个二极管V5,它的正极接在感性负载的下端,负极接在其上端,如图11.1所示。一旦流过V1的电流ia1减小,致使L产生下正上负电动势时,二极管V5立即导通,将V1与V3串联电路短接,使晶闸管V1的阳极电压降为零,于是V1立即关断,由于V5为感性负载提供了一个放电回路,因而避免了感性负载的持续电流通过可
23、控硅,故V5称为续流二极管。加续流二极管后,其感性负载的输出电压uo的波形与纯电阻负载时相同,计算公式也一样,但负载电流的波形不同了。因电感阻碍电流变化的作用,使流过负载的电流不但可以连续,而且基本上维持不变;电感越大,电流io的波形越接近于一条水平线。思考思考T1T2D1D2RuLu2E+带反电动势负载的可控整流电路带反电动势负载的可控整流电路1.该电路的工作过程。该电路的工作过程。2.画出画出uL、iL的工作波形。的工作波形。6-4 晶闸管的选择和保护 一、晶闸管的选择 1、电压等级的选择 2、电流等级的选择RMRRMUU25.1)()()25.1(AVtAVTII二、二、晶闸管的保护晶闸
24、管的保护晶闸管承受过电压的能力极差：晶闸管承受过电压的能力极差：电压超过其反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。电流较大，使器件受损。晶闸管的主要缺点：晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。过流、过压能力很差。晶闸管的热容量很小：晶闸管的热容量很小：一旦过流，温度急剧上升，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。器件被烧坏。例如：一只例如：一只100A的晶闸管过电流为的晶闸管过电流为400A时，时，仅允许持续仅允许持续0.02秒，
25、否则将被烧坏；秒，否则将被烧坏；RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护 硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。高电压过后，硒堆阻减小，抑制过压冲击。高电压过后，硒堆可恢复到击穿前的状态。可恢复到击穿前的状态。与晶闸与晶闸管串联管串联接在接在输入输入端端接在接在输出输出端端NPPN结结N型硅片型硅片EB2B1工作原理：工作原理：当当uE UA+UF=UP 时时PN结反偏，结反偏，iE很小；很小；当当 uE UP 时时PN结正向导通结正向导通,iE迅迅速增加。速增加。B2ERB1RB2B1A
26、UBBiE -分压比分压比 (0.3 0.9)UP-峰点电压峰点电压UF-PN结正向结正向 导通压降导通压降BBBBBBBAURRRUU2113.维持单结管导通的最小维持单结管导通的最小 电压、电流。电压、电流。单结管由截止变导通单结管由截止变导通 所需发射极电压所需发射极电压。IpIVV截止区截止区P 3.不同单结晶体管的谷点电压不同单结晶体管的谷点电压谷点电流谷点电流都都 不一样。谷点电压大约在不一样。谷点电压大约在2 5V之间。常选用之间。常选用 稍大一些，稍大一些，稍小的单结晶体管，以增大输稍小的单结晶体管，以增大输 出脉冲幅度和移相范围。出脉冲幅度和移相范围。EB2B1振荡过程分析振
27、荡过程分析RR2R1CUuCuOEB1B2电路组成电路组成振荡波形振荡波形uCttuoUVUP21BBRRU22111RRRRUIBBR1）uE=uC UT2时，时，控制极相对于控制极相对于T2加正脉冲，晶闸加正脉冲，晶闸管正向导通，电管正向导通，电流从流从T1流向流向T2。UT2UT1时，时，控制极相对于控制极相对于T2加加 负负脉冲，晶闸管脉冲，晶闸管反向导通，电流从反向导通，电流从T2流向流向T1。双向晶闸管内部工作原理的详细分析，双向晶闸管内部工作原理的详细分析，请参阅有关资料。请参阅有关资料。T1T2G 2 用万用表检测双向晶闸管电极与触发能力用万用表检测双向晶闸管电极与触发能力 1
28、）判定T2极 由图11.23(a)可见,G极与T1极靠近,距T2极较远。因此,G、T1之间的正、反向电阻很小。在用R1挡测任意两脚之间的电阻时,只有G、T1之间显现低阻,正、反电阻仅为几十欧。而T2、G和T2、T1之间的正、反向电阻均为无穷大。这表明,如果测出某脚和其它两脚都不通,这肯定是T2极。2）区分G极与T1极 (1)找出T2极之后,首先假定剩下两脚中某一脚为T1极,另一脚为G极。(2)把黑表笔接T1极,红表笔接T2极,电阻为无穷大。接着用红表笔尖把T2 与G短路并给G加上负触发信号,电阻值应为10左右(见图11.25(a),证明管子已经导通,导通方向为T1T2。再将红表笔尖与G极脱开（
29、但仍接T2）,如果临时性阻值保持不变,这表明管子在触发之后能维持导通状态(见图11.25(b)。(3)把红表笔接T1极,黑表笔接T2极,然后使T2与G短路,给G极加上正触发信号,电阻值仍为10 左右,与G极脱开后若阻值不变,则说明管子经触发后,在T2T1方向上也能维持导通状态,因此具有双向触发性质。由此证明上述假定正确。否则是假定与实际不符,需重新作出假定,重复以上测量。显然,在识别G、T1的过程中,也就检查了双向晶闸管的触发能力。T1T2GGT1T2R1R1(a)(b)图11.2 5区分G极和T1极的方法 1.4.3 交流调光台灯的应用电路交流调光台灯的应用电路 图11.27是调光台灯的应用
30、电路,图11.28为它的工作波形图。下面分析电路的工作原理。RL220 V，25 W68 k1.5 kR1V22CTSV13CT101C20.22 F/160 V220 VSuR2470 kRPC10.22 F/160 VR347 kGT2T1 图 11.27 调光台灯应用电路 u0uo0uL0 t t t(a)(b)图 11.28 双向晶闸管交流调压波形图 触发电路由两节RC移相网络及双向二极管V2组成。当电源电压u为上正下负时,电源电压通过RP和R1向C1充电,当电容C1上的电压达到双向二极管V2的正向转折电压时,V2突然转折导通,给双向晶闸管的控制极一个正向触发脉冲uG,V1由T2向T1
31、方向导通,负载RL上得到相应的正半波交流电压(见图11.28(c)。在电源电压过零瞬间,晶闸管电流小于维持电流IH而自动关断。当电源电压u为上负下正时,电源对C1反向充电,C1上的电压为下正上负,当C1上的电压达到双向二极管V1的反向转折电压时,V1导通,给双向晶闸管的控制极一个反向触发脉冲uG,晶闸管由T1向T2方向导通,负载RL上得到相应的负半波交流电压。输出电压的调节是通过改变可变电阻RP的阻值,达到改变电容C1充电的时间常数的目的,也就改变了触发脉冲出现的时刻,使双向晶闸管的导通角(图11.28(c)受到控制,达到交流调压的目的。在图11.27 中,还设置了R2C2移相网络,它与RP、R1、C1一起构成两节移相网络,这样移相范围可接近180,使负载电压可从零伏开始调起,即灯光可从全暗逐渐调亮。
