1、9.1 晶闸管概述9.2 晶闸管9.2.1 晶闸管结构、符号与外形9.2.2 晶闸管的工作原理9.2.3 晶闸管的伏安特性 及其主要参数9.2.4 晶闸管的型号9.2.5 普通型晶闸管质量粗测9.3 单相桥式半控整流电路9.4 单结晶体管触发电路9.4.1 对触发电路的要求9.4.2 单结晶体管的结构与特性9.4.3 单结晶体管张弛振荡器9.4.4 单结晶体管同步触发电路9.5 双向晶闸管9.5.1 双向晶闸管9.5.2 触发二极管9.6 其他晶闸管介绍 9.6.1 光控晶闸管9.6.2 温控晶闸管9.6.3 可关断晶闸管9.6.4 逆导晶闸管9.7 晶闸管的应用9.7.1 交流调光台灯的应用
2、电路9.7.2 交流固态开关电路第第9章章 电力电子技术电力电子技术本章要点本章要点:1.晶闸管结构、符号、工作原理与伏安特性 2.单相桥式半控整流电路 3.单结晶体管结构与工作原理 4.双向晶体管结构与工作原理本章难点:电阻性负载和电感性负载的单相桥式半控整流电路工作原理第第9章章 晶闸管及其电路晶闸管及其电路9.1 晶闸管概述晶闸管概述 晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压，两到
3、三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压，换句话说，它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。由于换句话说，它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大，所以在许多晶体管放大器功元件的功率增益可以做得很大，所以在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流面看，它可以实现交流直流、直流直流、直流交流、交流交流、交流交流、交流、直流直流直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。晶闸管是半导体型功率器件，对超过极限参数运用很敏晶闸管是
4、半导体型功率器件，对超过极限参数运用很敏感，实际运用时应该注意留有较大电压、电流余量，并应尽感，实际运用时应该注意留有较大电压、电流余量，并应尽量解决好器件的散热问题。量解决好器件的散热问题。根据结构及用途的不同，晶闸管有很多类型，比较常用根据结构及用途的不同，晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸管等。可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸管等。9.2 晶闸管晶闸管9.2.1 晶闸管结构、符号与外形晶闸管结构、符号与外形 晶闸管的内部结构示意图
5、和图形符号如晶闸管的内部结构示意图和图形符号如图图9-2所示。它由所示。它由PNPN四层半导体构成，其间形成三个四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，结，引出三个电极，分别为阳极分别为阳极a、阴极阴极k和控制极和控制极g。图图9-1 晶闸管的外形图晶闸管的外形图 图图9-2 晶闸管的内部结构和符号晶闸管的内部结构和符号9.2.2 晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理 为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管等效地看成由为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管等效地看成由PNP和和NPN型两个三极管连接而成，每个三极管基极与另一个型两个三极管连接而成，每个三极管基极与另一个三极管的集电极相连，如
6、图三极管的集电极相连，如图9-3所示，阳极所示，阳极a相当于相当于PNP型三极型三极管管T2的发射极，阴极的发射极，阴极k相当于相当于NPN型型T1三极管的发射极。三极管的发射极。图图9-3 等效电路等效电路 按图按图9-4所示电路图连接，在晶闸管阳极所示电路图连接，在晶闸管阳极a和阴极和阴极k之之间加正向电压，同时在控制极间加正向电压，同时在控制极g和阴极和阴极k之间也加正向电之间也加正向电压时，则可使晶闸管导通。压时，则可使晶闸管导通。控制极的作用只是使晶闸管触发导通，而导通后，控控制极的作用只是使晶闸管触发导通，而导通后，控制极就失去了控制作用，所以控制极制极就失去了控制作用，所以控制极
7、g又称做门极。又称做门极。阳极电流阳极电流IA减少到小于某一数减少到小于某一数值值IH时，晶闸管就不能维持正反馈时，晶闸管就不能维持正反馈过程而变为关断，此时称为正向阻过程而变为关断，此时称为正向阻断，断，IH称为维持电流；如果在阳极称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压时，晶闸管和阴极之间加反向电压时，晶闸管亦不可导通，称为反向阻断。亦不可导通，称为反向阻断。图图9-4 晶闸管的导通原理晶闸管的导通原理晶闸管的导通条件为：晶闸管的导通条件为：(1)在阳极和阴极间加正向电压。在阳极和阴极间加正向电压。(2)在控制极和阴极间加正向触发电压。在控制极和阴极间加正向触发电压。(3)阳极电流不小
8、于维持电流。阳极电流不小于维持电流。12.2.3 晶闸管的伏安特性及其主要参数晶闸管的伏安特性及其主要参数1.晶闸管的伏安特性(1)正向特性 当U 0时对应的曲线称正向特性。由图9-5可看出，晶闸管的正向特性可分为阻断状态OA段和导通状态BC段两个部分。(2)反向特性 当U0时，对应的曲线称为反向特性晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触发电压无关。图图9-5 晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性9.2.3 晶闸管的伏安特性及其主要参数晶闸管的伏安特性及其主要参数2.晶闸管的主要参数晶闸管的主要参数(1)正向重复峰值电压UDRM(2)反向重复峰值电压URRM (3)额定正
9、向平均电流IF(4)维持电流IH(5)触发电压UGG和触发电流IG 9.2.4 晶闸管的型号晶闸管的型号 目前我国生产的晶闸管的型号有两种表示方法，即KP系列和3CT系列。图图9-6 KP系列参数表示方式系列参数表示方式图图9-7 3CT系列参数表示方式系列参数表示方式 12.2.5 普通型晶闸管质量粗测普通型晶闸管质量粗测1.测量晶闸管内部的测量晶闸管内部的PN结结 晶闸管内部有三个PN结，这三个PN结的好坏直接影响晶闸管的质量。所以使用前，应该先对这三个PN结进行测量，测量方法如图9-8所示。图图9-8 晶闸管的测量晶闸管的测量2.测量晶闸管的关断状态测量晶闸管的关断状态 控制极控制极g和
10、阴极和阴极k之间只有一个之间只有一个PN结，利用结，利用PN结的单向结的单向导电特性，就可以用万用表的电阻挡对它进行测量。导电特性，就可以用万用表的电阻挡对它进行测量。晶闸管在反向连接时是不导通的，如果正向连接，晶闸管在反向连接时是不导通的，如果正向连接，但是没有控制电压，它也是不导通的。但是没有控制电压，它也是不导通的。3.测量晶闸管的触发能力测量晶闸管的触发能力图图9-9 测量小功率晶闸管的触发能力测量小功率晶闸管的触发能力 检查小功率晶闸管触发电路检查小功率晶闸管触发电路如图如图9-9所示。所示。-9.3 单相桥式半控整流电路单相桥式半控整流电路 可控整流电路是应用广泛的电能变换电路，其
11、可控整流电路是应用广泛的电能变换电路，其作用是将交流电变换成大小可调的直流电，作为直作用是将交流电变换成大小可调的直流电，作为直流用电设备的电源。将二极管桥式整流电路中的两流用电设备的电源。将二极管桥式整流电路中的两个二极管用两个晶闸管替换，就构成了半控桥式整个二极管用两个晶闸管替换，就构成了半控桥式整流电路。当电路带有电阻性负载和电感性负载时，流电路。当电路带有电阻性负载和电感性负载时，其工作情况是不同的。其工作情况是不同的。1.电阻性负载电阻性负载 当单相桥式半控整流电路的负载为纯电阻时，当单相桥式半控整流电路的负载为纯电阻时，称电阻性负载，其电路如图称电阻性负载，其电路如图9-10(a)
12、所示。所示。图图9-10 电阻性负载单相半控桥式整流电路及波形电阻性负载单相半控桥式整流电路及波形(1)电路原理电路原理 当电源电压当电源电压u2为正半周时，晶闸管为正半周时，晶闸管T1和二极管和二极管D2上为正向电压作用。在上为正向电压作用。在t1时刻，控制极上加触发时刻，控制极上加触发脉冲脉冲uG，使，使T1和和D2导通，负载导通，负载RL中流过输出电流中流过输出电流io，形成输出整流电压形成输出整流电压uo。此时，晶闸管。此时，晶闸管T2和二极管和二极管D1因承受反向电压而截止。因承受反向电压而截止。在在t2时刻，电源电压时刻，电源电压u2过过零，使零，使T1和和D2关断。关断。当电源电
13、压当电源电压u2为负半周时，为负半周时，T2和和D1上加正向电上加正向电压。在压。在t3时刻，控制极加触发脉冲，使时刻，控制极加触发脉冲，使T2和和D1导通，导通，在在负载负载RL上有上有io和和uo，直到，直到t4时刻时刻u2过零时关断。此过零时关断。此时，时，T1和和D2截止。电阻性负载半控整流电路的工作截止。电阻性负载半控整流电路的工作波形图如图波形图如图9-10(b)所示。所示。(2)电路的计算电路的计算 输出电压的平均值输出电压的平均值:O2212=2sin()d=(1+cos)UUttUO21+cos=0.92UU(9-1)输出电流的平均值输出电流的平均值:OOL=UIR(9-2)
14、晶闸管晶闸管T和二极管和二极管D中流过的电流平均值中流过的电流平均值:TDO1=2III (9-3)晶闸管所承受的最高正向电压和二极管所承受的最高反向电压均为o=30 120=o=150 60 【例例9-1】电阻负载的单向半控桥式整流电路如图电阻负载的单向半控桥式整流电路如图9-10所示。所示。若变压器副方电压有效值若变压器副方电压有效值U2=200V，负载电阻，负载电阻RL=20，当导通，当导通角角 时，可得控制角时，可得控制角,O21+cos1+cos=0.9=0.9200=16845V22UUOOL16840=8.42.25A20UIRTmDmOm1=4.2A2IIITRMDRM2=2=
15、283VUUU 根据以上数据查手册，可选用根据以上数据查手册，可选用KP10-5型晶闸管，型晶闸管，并相应地选择并相应地选择ZP10-5型硅整流二极管型硅整流二极管。2.电感性负电感性负载载 若整流电路的负载为直流电动机的励磁线圈或其他各若整流电路的负载为直流电动机的励磁线圈或其他各种电感线圈时，则构成电感性负载的半控桥式整流电路，种电感线圈时，则构成电感性负载的半控桥式整流电路，如如图图9-11(a)所示，图中与负载并联的二极管所示，图中与负载并联的二极管D称为续流二称为续流二极管，将电感性负载等效成电阻极管，将电感性负载等效成电阻R和电感和电感L两部分。两部分。图图9-11 电感性负载半控
16、桥式整流电路及波形电感性负载半控桥式整流电路及波形 9.4 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路 要使晶闸管导通，除了加正向阳极电压外，还必须在控要使晶闸管导通，除了加正向阳极电压外，还必须在控制极和阴极之间加触发电压。提供触发电压的电路称为触发制极和阴极之间加触发电压。提供触发电压的电路称为触发电路。触发电路的种类很多，常用的有单结晶体管触发电路、电路。触发电路的种类很多，常用的有单结晶体管触发电路、阻容移相触发电路、集成触发电路以及晶体管触发电路等。阻容移相触发电路、集成触发电路以及晶体管触发电路等。本节重点介绍单结晶体管触发电路。本节重点介绍单结晶体管触发电路。9.4.1 对触发电路的要
17、求对触发电路的要求(1)应能提供足够大的触发功率。应能提供足够大的触发功率。(2)触发脉冲应有足够的宽度。触发脉冲应有足够的宽度。(3)为了保证触发时间准确，要求触发脉冲具有陡峭上升沿。为了保证触发时间准确，要求触发脉冲具有陡峭上升沿。(4)触发脉冲应与主电路的交流电源同步。触发脉冲应与主电路的交流电源同步。(5)触发脉冲应能在足够宽的范围内平稳地移相。触发脉冲应能在足够宽的范围内平稳地移相。9.4.2 单结晶体管的结构与特性单结晶体管的结构与特性1.单结晶体管的外形符号与结构单结晶体管的外形符号与结构 图图9-12 N型单结晶体管型单结晶体管 图9-12所示为单结晶体管的外形图。可以看出，它
18、的外形与普通三极管相似，具有三个电极，但不是三极管，而是具有三个电极的二极管，管内只有一个PN结，所以称之为单结晶体管。三个电极中，一个是发射极，两个是基极，所以也称为双基极二极管。2.单结晶体管的伏安特性单结晶体管的伏安特性图9-13(a)为测试单结晶体管伏安特性的试验电路。图9-13(b)为单结晶体管的伏安特性曲线，可将其分为三个区域。图图9-13 单结晶体管的伏安特性曲线单结晶体管的伏安特性曲线 结论：结论：当单结晶体管的发射结电压UeUp时，管子导通；若导通后，UeUv时，管子又恢复到截止状态。9.4.3 单结晶体管张弛振荡器单结晶体管张弛振荡器 利用单结晶体管的负阻特性可构成自激振荡
19、电路，产生控制脉冲，用以触发晶闸管，如图9-14(a)所示，其波形如图9-14(b)所示。图图9-14 张驰振荡电路图及波形图张驰振荡电路图及波形图9.4.4 单结晶体管同步触发电路单结晶体管同步触发电路 振荡的电路的输出可作为触发脉冲，但必须使它与主电路同步，以保证在每个周期内整流电路的控制角相等。单结晶体管同步触发可控整流电路如图9-15(a)所示，图中下半部分为主回路，是一单相半控桥式整流电路。上半部分为单结晶体管触发电路。电路中各点波形如图9-15(b)所示。(a)电路图(b)波形图图图9-15 单结晶体管同步触发电路单结晶体管同步触发电路9.5 双向晶闸管双向晶闸管 双向晶闸管是在普
20、通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。双向晶闸管广泛用于工业、交通、家电领域、实现交流调压、交流调速、交流开关、舞台调光和台灯调光等多种功能。此外，它还被用在固态继电器和固态接触电路中。9.5.1 双向晶闸管双向晶闸管1.结构与外型符号结构与外型符号图图9-16 双向晶闸管的结构与符号双向晶闸管的结构与符号 图图9-17 小功率双向晶闸管外形小功率双向晶闸管外形 2.双向晶闸管的伏安特性双向晶闸管的伏安特性 它具有比较对称的正反向伏安特它具有比较对称的正反向伏安特性。第一象限的曲线表明，性。第一象限的曲线表明，T2极
21、电压极电压高于高于T1极电压，我们称正向电压，用极电压，我们称正向电压，用U21表示。第三象限的曲线表明表示。第三象限的曲线表明，T1极极的电压高于的电压高于T2极电压，我们称为反向极电压，我们称为反向电压，用电压，用U12表示。表示。双向晶闸管只用一个控制极，就双向晶闸管只用一个控制极，就可以控制它的正向导通和反向导通了。可以控制它的正向导通和反向导通了。双向晶闸管不管它的控制极电压极性双向晶闸管不管它的控制极电压极性如何，它都可以被触发导通，这个特如何，它都可以被触发导通，这个特点是普通晶闸管所没有的。点是普通晶闸管所没有的。图图9-18 双向晶闸管的伏安特性双向晶闸管的伏安特性9.5.2
22、 触发二极管触发二极管 触发二极管是双向触发二极管的简称，亦称二端交流器触发二极管是双向触发二极管的简称，亦称二端交流器件，它与双向晶闸管同时问世。触发二极管的结构简单，价件，它与双向晶闸管同时问世。触发二极管的结构简单，价格低廉，常用来触发双向晶闸管，构成过电压保护电路、定格低廉，常用来触发双向晶闸管，构成过电压保护电路、定时器等。时器等。双向触发二极管的电路符号如图双向触发二极管的电路符号如图9-19所示，文字符号用所示，文字符号用T表示。它属表示。它属于三层构造、具有对称性的二端半导于三层构造、具有对称性的二端半导体器件。体器件。图图9-19 双向触发二极管符号双向触发二极管符号9.6
23、其他晶闸管介绍其他晶闸管介绍9.6.1 光控晶闸管光控晶闸管 光控晶闸管也称光控晶闸管也称GK型光开关管，是一种光敏器件。通常型光开关管，是一种光敏器件。通常晶闸管有三个电极：控制极晶闸管有三个电极：控制极G、阳极、阳极A和阴极和阴极C。而光控晶闸。而光控晶闸管由于其控制信号来自光的照射，没有必要再引出控制极，管由于其控制信号来自光的照射，没有必要再引出控制极，所以只有两个电极所以只有两个电极(阳极阳极A和阴极和阴极C)。但它的结构与普通晶闸。但它的结构与普通晶闸管一样，是由四层管一样，是由四层PNPN器件构成的。器件构成的。光控晶闸管具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性光控晶闸管具有很强的
24、抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输输电电(HDC)、静止无功功率补偿、静止无功功率补偿(SVC)等领域。等领域。9.6.2 温控晶闸管温控晶闸管 温控晶闸管是一种新型温度敏感开关器件，它将温度温控晶闸管是一种新型温度敏感开关器件，它将温度传感器与控制电路结合为一体，输出驱动电流大，可直接驱传感器与控制电路结合为一体，输出驱动电流大，可直接驱动继电器等执行部件或直接带动小功率负荷。动继电器等执行部件或直接带动小功率负荷。温控晶闸管的结构与普通晶闸管的结构相似温控晶闸管的结构与普通晶闸管的结构相似(电路
25、图形电路图形符号也与普通晶闸管相同符号也与普通晶闸管相同)，也是由，也是由PNPN半导体材料制成的半导体材料制成的三端器件，但在制作时，温控晶闸管中间的三端器件，但在制作时，温控晶闸管中间的PN结中注入了结中注入了对温度极为敏感的成分对温度极为敏感的成分(如氩离子如氩离子)，因此改变环境温度，即，因此改变环境温度，即可改变其特性曲线。可改变其特性曲线。9.6.3 可可关断晶闸管关断晶闸管 可关断晶闸管可关断晶闸管(Gate Turn-Off Thyristor，GTO)亦亦称称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。时晶闸
26、管能自行关断。它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，还它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，还具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。关器件。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。9.6.4 逆导晶闸管逆导晶闸管 逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT)在普通晶闸管的阳极在普通晶闸管的阳极A与与阴极阴极K之间之间反向并联了一只二极管反向并联了一只二极管(制作于同一管制作于同一管芯中芯中)。逆导晶闸管较普通
27、晶闸管的工作频率高，关逆导晶闸管较普通晶闸管的工作频率高，关断时间短、误动作小，可广泛应用于超声波电路、断时间短、误动作小，可广泛应用于超声波电路、电磁灶、开关电源、电子镇流器、超导磁能储存电磁灶、开关电源、电子镇流器、超导磁能储存系统等领域。系统等领域。9.7 晶闸管的应用晶闸管的应用9.7.1 交流调光台灯的应用电路交流调光台灯的应用电路图图9-20 调光台灯应用电路调光台灯应用电路图图9-21 双向晶闸管交流调压波形图双向晶闸管交流调压波形图 电路的工作原理：触发电路由两节电路的工作原理：触发电路由两节RC移相网络和双向二极移相网络和双向二极管管T2组成。当电容组成。当电容C1上的电压达
28、到双向二极管上的电压达到双向二极管T2的正向转折电的正向转折电压时导通，此时负载压时导通，此时负载RL上得到相应的正半波交流电压。在电上得到相应的正半波交流电压。在电源电压过零瞬间，晶闸管电流小于维持电流源电压过零瞬间，晶闸管电流小于维持电流IH而自动关断。当而自动关断。当电源电压电源电压U为上负下正时，电源对为上负下正时，电源对C1反向充电，反向充电，C1上的电压为上的电压为下正上负，当下正上负，当C1上的电压达到双向二极管上的电压达到双向二极管T1的反向转折电压时，的反向转折电压时，T1导通，给双向晶闸管的控制极一个反向触发脉冲导通，给双向晶闸管的控制极一个反向触发脉冲UG，晶闸，晶闸管由
29、管由T1向向T2方向导通，负载方向导通，负载RL上得到相应的负半波交流电压。上得到相应的负半波交流电压。9.7.1 交流调光台灯的应用电路交流调光台灯的应用电路9.7.2 交流固态开关电路交流固态开关电路 晶闸管具有可控单向导电性，其特性类似于开关，因此很晶闸管具有可控单向导电性，其特性类似于开关，因此很容易组成直流开关。而交流开关的特点是晶闸管在正半周承受容易组成直流开关。而交流开关的特点是晶闸管在正半周承受正向电压时触发导通，而它的关断则利用电源负半周加于管子正向电压时触发导通，而它的关断则利用电源负半周加于管子上的反向电压来实现，在电路过零时关断。上的反向电压来实现，在电路过零时关断。近
30、年来，新发展的一种固态开关近年来，新发展的一种固态开关(固态继电器或固态接触器固态继电器或固态接触器)是一种固体组件，内部电路如图是一种固体组件，内部电路如图9-22所示。所示。1、2为输入端，相为输入端，相当于继电器的线圈端当于继电器的线圈端；3、4为输出端，相当于继电器的一对触为输出端，相当于继电器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。点，与负载串联后接到交流电源上。固态开关采用环氧树脂封装，具有体积小，工作频率高，适合固态开关采用环氧树脂封装，具有体积小，工作频率高，适合用于频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃环境中。用于频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃环境中。图图9-22 固态开关电路图固态开关电路图 适当选取适当选取R2和和R3的比值，使交流电源在接近零值区域（的比值，使交流电源在接近零值区域（25V)内，有输入信号时内，有输入信号时T2才截止，无输入信号时才截止，无输入信号时T2饱和导通，开关受饱和导通，开关受USK控制正常工作，具有零电压开关性质。即交流电压在零值附控制正常工作，具有零电压开关性质。即交流电压在零值附近导通，这样的输出波形既无机械触点的颤动，又无移相触发的近导通，这样的输出波形既无机械触点的颤动，又无移相触发的射频干扰。射频干扰。
