1、(10-1)电子技术电子技术第十章第十章 晶闸管及其晶闸管及其应用应用模拟电路部分模拟电路部分(10-2)第十章第十章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用10.1 10.1 工作原理工作原理10.2 10.2 特性与参数特性与参数10.3 10.3 可控整流电路可控整流电路10.4 10.4 触发电路触发电路10.5 10.5 单结管触发的可控整流电路单结管触发的可控整流电路10.6 10.6 晶闸管的其它应用晶闸管的其它应用10.7 10.7 晶闸管的保护及其它类型晶闸管的保护及其它类型(10-3)别名：别名：可控硅（可控硅（SCR)SCR)（S Silicon ilicon C Controll
2、ed ontrolled R Rectifierectifier）是是一种一种大功率半导体器件，出现于大功率半导体器件，出现于7070年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。展到强电领域。特点：特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、容量大（正容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。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
3、无触点开关等。晶闸管晶闸管（ThyristorThyristor）(10-4)10.1 10.1 工作原理工作原理10.1.1 10.1.1 结构结构A A（阳极）（阳极）P P1 1P P2 2N N1 1三三 个个 PN结结N N2 2四四 层层 半半 导导 体体K K（阴极）（阴极）G G（控制极）（控制极）(10-5)符号符号A AK KG GGKP1P2N1N2APPNNNPAGK10.1.2 10.1.2 工作原理工作原理示意图示意图(10-6)APPNNNPGKi ig gigiig gKAGT1T2等效为由二个等效为由二个三极管组成三极管组成(10-7)1.1.U UAKAK
4、0 0、U UGKGK00时时T1导通导通i ig g=i ib b1 1i ic c1 1=i ig g=i ib b2 2i ic c2 2 =i ib b2 2=i ig g=i ib b1 1T2 导通导通形成正反馈形成正反馈晶闸管迅速导通晶闸管迅速导通T1 进一步导通进一步导通igigigKAGT1T22.2.晶闸管导通后，去掉晶闸管导通后，去掉U UGKGK依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。(10-8)(1)(1)晶闸管开始工作时晶闸管开始工作时 ，U UAKAK加加反向电压，反向电压，或不加触发信号或不加触发信号（即（即U UGKGK=0 =0）
5、。）。3.3.晶闸管截止的条件：晶闸管截止的条件：(2)(2)晶闸管正向导通后，令其截晶闸管正向导通后，令其截止的方法：止的方法：igigigKAGT1T2 减小减小U UAKAK，使晶闸管中电流小，使晶闸管中电流小于某一值于某一值I IH H。加大回路电阻，使晶闸管中电加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值流小于某一值I IH H时，正反馈效时，正反馈效应不能维持。应不能维持。I IH H：最小维持电流：最小维持电流(10-9)（1 1）晶闸管具有单向导电性。）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低若使其关断，必须降低 U UAK AK 或加或加大回路电阻，把阳极电流减小到大回路电阻，把
6、阳极电流减小到维持电流以下。维持电流以下。正向导通条件：正向导通条件：A A、K K间加正向电间加正向电压，压，G G、K K间加触发信号。间加触发信号。晶闸管的工作原理小结晶闸管的工作原理小结（2 2）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。(10-10)10.2 10.2 特性与参数特性与参数10.2.1 10.2.1 特性特性UIURRMIHUDRMIFI IG G1 1=0A=0AI IG G2 2I IG G3 3IG3IG2IG1正向正向反向反向U-阳极、阴极间的电压阳极、阴极间的电压 I-阳极电流阳极电流URSM反向击穿电压反向击穿电压导通后管压降约导通
7、后管压降约1V1V额定正向额定正向平均电流平均电流维持电流维持电流UDSM正向转折电压正向转折电压(10-11)正向特性：正向特性：在阳极和阴极间加正向电压。在阳极和阴极间加正向电压。U UDSMDSM：断态不重复峰值电压：断态不重复峰值电压，又称正向，又称正向转折电压。转折电压。随随U UAKAK的加大，阳极电流逐渐增加。当的加大，阳极电流逐渐增加。当U U =U UDSMDSM时，时，PNPN结结N N1 1P P2 2反向极击穿，反向极击穿，晶闸管自动导通。正常工作时，晶闸管自动导通。正常工作时，U UAKAK应小于应小于 U UDSMDSM 。AP1P2N1N2KG若在若在G G和和K
8、 K间加正向电压：间加正向电压：U UGKGK越大，则越大，则U UDSMDSM越小。越小。控制极开路时：控制极开路时：PNPN结结P P1 1N N1 1、P P2 2N N2 2正向偏正向偏置，置，N N1 1P P2 2反向偏置，晶闸管截止。反向偏置，晶闸管截止。U UGKGK足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。(10-12)随反向电压的增加，反向漏电流随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当稍有增加，当 U U=U URSMRSM 时，反向时，反向极击穿。正常工作时，反向电压极击穿。正常工作时，反向电压必须小于必须小于U URSMRSM。
9、AP1P2N1N2KG反向特性：反向特性：在阳极和阴极间加反向电压。在阳极和阴极间加反向电压。这时这时PNPN结结P P1 1N N1 1、P P2 2N N2 2反向偏置，反向偏置，N N1 1P P2 2正向偏置，晶闸管截止。正向偏置，晶闸管截止。U URSMRSM ：反向不重复峰值电压。：反向不重复峰值电压。(10-13)1.1.U UDRMDRM：断态重复峰值电压：断态重复峰值电压晶闸管耐压值。一般取晶闸管耐压值。一般取 U UDRMDRM =80%=80%U UDSMDSM 。普通晶闸管普通晶闸管U UDRMDRM 为为 100V-3000V100V-3000V10.2.2 10.2
10、.2 主要参数主要参数UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UDSM正向转折正向转折电压电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRM(10-14)控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取向重复电压。一般取U URRMRRM=80%=80%U URSMRSM。普通晶。普通晶闸管闸管U URRMRRM为为100V-3000V100V-3000V）2.2.U URRMRRM：反向重复峰值电压：反向重复峰值电压UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UDSM正向转折正向转折电压电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM(10
11、-15)I ITAVTAV含义含义it 2 ITAVmmTAVIttdII0)(sin21 3.3.I ITAVTAV：通态平均电流：通态平均电流环境温度为环境温度为4040。C C时时,在在 电阻性负载、单相工频电阻性负载、单相工频 正弦半波、导电角不小于正弦半波、导电角不小于170170o o的电路中，晶闸的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管 I ITAVTAV 为为1A-1000A1A-1000A。）。）(10-16)额定通态平均电流即正向平均电流。额定通态平均电流即正向平均电流。通用系列为：通用系列为：1 1、5 5、1010、2020
12、、3030、5050、100100、200200、300300、400400500500、600600、800800、1000A 1000A 等等1414种规格。种规格。UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UDSM正向转折正向转折电压电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM(10-17)4.4.U UTAVTAV ：通态平均电压：通态平均电压6.6.U UG G、I IG G：控制极触发电压和电流：控制极触发电压和电流管压降。在规定的条件下，通过正弦半波平均管压降。在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、电流时，晶闸管阳、阴两极间的电压平均值。阴两极间的电压平均值
13、。一般为一般为1V1V左右。左右。5.5.I IH H：最小维持电流：最小维持电流在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。到一百多毫安。在室温下，在室温下，阳极电压为直流阳极电压为直流 6V 6V 时，使晶闸管完时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。一。一般般U UG G为为 15V15V，I IG G 为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。(10-18)晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压（通态平均电压（U
14、 UTAVTAV）额定电压级别（额定电压级别（U UDRMDRM）额定通态平均电流额定通态平均电流（I ITAVTAV）晶闸管类型晶闸管类型P-P-普通晶闸管普通晶闸管K-K-快速晶闸管快速晶闸管S-S-双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管K(10-19)晶闸管电压、电流级别：晶闸管电压、电流级别：额定通态电流（额定通态电流（I ITAVTAV）通用系列为）通用系列为1 1、5 5、1010、2020、3030、5050、100100、200200、300300、400400500500、600600、800800、1000A 1000A 等等1414种规格。种规格。额定电压（额定电压（U UDR
15、MDRM）通用系列为：）通用系列为：1000V1000V以下的每以下的每100V100V为一级，为一级，1000V1000V到到3000V3000V的的每每200V 200V 为一级。为一级。通态平均电压（通态平均电压（U UTAVTAV）等级一般用）等级一般用 A IA I字母表示：字母表示：由由 0.4 1.2V0.4 1.2V每每 0.1V 0.1V 为一级。为一级。(10-20)10.3 10.3 可控整流电路可控整流电路10.3.1 10.3.1 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路一、电阻性负载一、电阻性负载1.1.电路及工作原理电路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG(1
16、0-21)2.2.工作波形工作波形(设设u u1 1为正弦波为正弦波)tu2tuGtuLtuT ：控制角：控制角 ：导通角：导通角u u2 2 0 0 时，加上时，加上触发电压触发电压 u uG G ，晶，晶闸管导通闸管导通 。且。且 u uL L 的大小随的大小随 u uG G 加入加入的早晚而变化；的早晚而变化；u u2 2 0 R R 时，时，I ILAV LAV 在整个在整个周期中可近似看做直流。周期中可近似看做直流。(2)(2)晶闸管的中电流晶闸管的中电流0221tdIILAVTLAVI360平均值平均值:有效值有效值:LAVTAVII360(10-35)4.4.晶闸管的选择晶闸管的
17、选择晶闸管电压晶闸管电压 （1.5 21.5 2）U U2 2MM晶闸管电流晶闸管电流 （1.51.5）57.1TI(10-36)10.3.2 10.3.2 单相全波可控整流电路单相全波可控整流电路一、电阻性负载桥式可控整流电路一、电阻性负载桥式可控整流电路1.1.电路及工作原理电路及工作原理T T1 1、T T2 2-晶闸管晶闸管D D1 1、D D2 2-晶体管晶体管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uG(10-37)2.2.工作波形工作波形tu2tuGtuLt uT1T1T2D1D2RLuLu2AB+-(10-38)3.3.输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值)(12tduUL
18、AV)(sin212ttdULLAVLAVRUI2cos19.02U(10-39)例：例：桥式可控整流电路中，桥式可控整流电路中，U U2 2=220V=220V，R RL L=3=3,可控硅可控硅控制角控制角=15180=15180，求输，求输出电压平均值出电压平均值U UL L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=64=191/3=64A A承受的最高反向电压承受的最高反向电压:2cos19
19、.02UULAVLLAVLAVRUIV31122UUDRM(10-40)二、电感性负载桥式可控整流电路二、电感性负载桥式可控整流电路该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。u2T1T2D1D2DuLRL(10-41)两种常用可控整流电路的特点两种常用可控整流电路的特点电路电路特点特点1.1.该电路只用一只晶闸管，且其该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。上无反向电压。2.2.晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。电路一：电路一：u2TD2D1D4uLR
20、LD3(10-42)T T1 1T T2 2D D1 1D D2 2u u2 2u uL LR RL L电路电路特点特点1.1.该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D D1 1、D D2 2 便起续流二极管作用。便起续流二极管作用。2.2.由于由于T T1 1的阳极和的阳极和T T2 2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。电路二：电路二：(10-43)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1.1.该电路的工作过程。该电路的工作过程。2.2.画出画出u uL L、i iL L的
21、工作波形。的工作波形。(10-44)10.4 10.4 触发电路触发电路10.4.1 10.4.1 单结晶体管工作原理单结晶体管工作原理结构结构等效电路等效电路E（发射极）（发射极）B2（第二基极）（第二基极）B1（第一基极）（第一基极）NPEB2B1RB2RB1管内基极管内基极 体电阻体电阻PN结结么么么么方面 Sds绝对是假的(10-46)工作原理：工作原理：当当u uE E U UA A+U UF F=U UP P 时时PNPN结反偏，结反偏，i iE E很小；很小；当当 u uE E U UP P 时时PNPN结正向导通结正向导通,i iE E迅迅速增加。速增加。B2ERB1RB2B1
22、AUBBiE -分压比分压比 (0.35 0.75)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BBBBBBBAURRRUU211(10-47)10.4.2 10.4.2 单结晶体管的特性和参数单结晶体管的特性和参数IEuEUVUPIVUV、IV-谷点电压、电流谷点电压、电流（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。）负阻区负阻区UP-峰点电压峰点电压（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。）u uE E U UP P 时单结管导通时单结管导通(10-48)IEuEUVUPIV负阻区负阻区U UE E U UP
23、 P 后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻R RB B1 1 0 0，致使致使I IE E增加、增加、U UE E反而下降，出现负阻。反而下降，出现负阻。负阻区存在的原因：负阻区存在的原因：EB2B1RB2RB1(10-49)单结管符号单结管符号EB2B1单结管重单结管重要特点要特点1.1.U UE E U UP P 时单结管导通。时单结管导通。(10-50)10.4.3 10.4.3 单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路一、振荡过程分析一、振荡过程分析RR2R1CUuCuOEB1B2电路组成电路组成振荡波形振荡波形uCttuoUVUP(10-51)21BB
24、RRU22111RRRRUIBBR1.1.u uE E=u uC C U UP P 时，单结管不导通，时，单结管不导通，u uo o 0 0。IR1R R1 1、R R2 2是外加的，不同于内是外加的，不同于内部的部的R RB B1 1、R RB B2 2。前者一般取。前者一般取几十欧几十欧 几百欧；几百欧；R RB B1 1+R RB B2 2一般为一般为215215千欧。千欧。此时此时R R1 1上的电流很小，其值为：上的电流很小，其值为：RR2R1CEuCuOEB1B2(10-52)2.2.随电容的随电容的 充电，充电，u uC C逐渐升高。当逐渐升高。当 u uC C U UP P 时
25、，单结时，单结管导通，管导通，R RB B1 1 0 0 。然后电容通过。然后电容通过R R1 1放电，放电，当放电当放电至至 u uc c U UV V 时，单结管重新关断，使时，单结管重新关断，使 u uo o 0 0。R R1 1上上便得到一个脉冲电压。便得到一个脉冲电压。R R2 2起温度补偿作用起温度补偿作用UPUVUP-UFU UP P、U UV V-峰点、谷点电压峰点、谷点电压U UF F-PNPN结正向导通压降结正向导通压降ER2R1RCEuCuouCtuot(10-53)uCttuoUVUP振荡波形：振荡波形：RR2R1CEuCuOEB1B2(10-54)uCttuoUVUP
26、VCUu)0(*二、振荡周期与脉冲宽度的计算二、振荡周期与脉冲宽度的计算TtwT T振荡周期；振荡周期；t tw w 脉冲宽度。脉冲宽度。设设T T1 1=T T-t twwu uC C上升阶段：上升阶段：RCtVVCeUEUu)(PVUEUERCTln1t t=T T1 1时，时，u uC C=U UP PEuC)(RC(10-55)PVUEUERCTln111lnln1RCUEUERCTPV因为因为U UV V U UT T2 2时，时，控制极相对于控制极相对于T T2 2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T T1 1流向流向T T2 2。U UT T2 2
27、U UT T1 1时，时，控制极相对于控制极相对于T T2 2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T T2 2流向流向T T1 1。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(10-88)二、可二、可关关断晶闸管断晶闸管GTOGTO-G Gata ata T Turn urn O Off thyristorff thyristor可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不相同。不同之处在于：普通晶闸管的关断不能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来能控制，只能靠减小阳极电压或工作电流来实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶实现。普通晶闸管属半控器件；而可关断晶闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，闸管可在控制极上加负触发信号将其关断，因此它属全控器件。因此它属全控器件。晶闸管的类型较多，不一一介绍。晶闸管的类型较多，不一一介绍。(10-89)第十章第十章 结束结束电子技术电子技术模拟电路部分模拟电路部分
