1、第第1010章晶闸管电路章晶闸管电路10.1晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理晶闸管，也称可控硅，是由四层半导体、三个PN结构成的一种大功率半导体器件，多用于可控整流、可控开关、调光、调压、电机调速等电路。10.1.1晶闸管的电路符号和外形晶闸管的电路符号和外形晶闸管的电路符号如图10.1.1（a）所示，其中a称为阳极，k称为阴极，g称为控制极（或称门极）。工程上常用的晶闸管外形如图10.1.1（b）、（c）、（d）所示。图图10.1.110.1.1晶闸管的电路符号和外形晶闸管的电路符号和外形（a a）电路符号（）电路符号（b b）螺栓式（）螺栓式（c c）平板式（）平板式（d d）
2、小功率塑封式）小功率塑封式10.1.2晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理晶闸管的内部结构示意图如图10.1.2（a）所示，它由P型半导体和N型半导体交替相间的四层半导体材料构成，分别为P1、N1、P2和N2，从而形成了三个PN结，分别为J1、J2和J3，故晶闸管也称为四层半导体器件或PNPN器件。其中，P1区的引出线为阳极a，N2区的引出线为阴极k，P2区的引出线为控制极g。为了更好地理解晶闸管的工作原理，常将四层PNPN半导体分成两部分，P1N1P2构成一只PNP型管，N1P2N2构成一只NPN型管，如图10.1.2（b）所示；于是，晶闸管就可以等效为一对连接在一起的三极管电路，如
3、图10.1.2（c）所示。图图10.1.210.1.2晶闸管的结构示意图和等效电路晶闸管的结构示意图和等效电路（a a）结构示意图（）结构示意图（b b）等效为两只相连的）等效为两只相连的BJTBJT（c c）等效电路）等效电路晶闸管工作原理电路如图10.1.3所示。其中，10.1.3（a）为实际电路，10.1.3（b）为等效电路。晶闸管正常导通必须同时具备两个条件：（1）阳极电路加正向电压；（2）控制极电路加适当的正向电压（工程上，控制极常加正触发脉冲信号）。如图10.1.2（a）所示，如果控制极不加电压，无论在阳极与阴极之间加上何种极性的电压，晶闸管内的三个PN结中，至少有一个结是反偏的，
4、晶闸管不会导通，处于阻断状态。如图10.1.3所示，当晶闸管阳极a和阴极k之间加正向电压，控制g和阴极k之间加正向电压时，在正向控制电压vGK（又称触发信号）的作用下，若T2管的基极产生电流iB2，即为触发信号电流iG，经T2放大后形成集电极电流iC22iB2；而T1管的基极电流iB1iC22iB2，因此T1管的集电极电流iC112iB2；该电流又注入T2的基极，作为T2管的基极电流，再进一步进行上述放大过程，形成正反 馈，使两只三极管在很短的时间内（一般不超过几微秒）均进入饱和状态，晶闸管完全导通，这个过程称为晶闸管触发导通。晶闸管一旦导通，控制极就失去控制作用，晶闸管依靠内部的正反馈始终维
5、持在导通状态。晶闸管导通后，阳极和阴极之间的正向导通压降VF约为0.41.2V，电源电压几乎全部加在负载上；阳极电流iA因型号不同可达几十几千安。图图10.1.310.1.3晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理（a a）实际电路（）实际电路（b b）等效电路）等效电路如何使晶闸管从导通状态变为阻断状态：如果降低阳极正向电压，使阳极电流iA小于维持电流IH（维持晶闸管导通所需最小的阳极电流，约几十至一百多毫安），导致晶闸管不能维持正反馈过程时，晶闸管将被关断，这种判断称为正向阻断；如果在阳极和阴极之间加反向电压，晶闸管也将关断，这种关断称为反向阻断。即，要使晶闸管从导通状态变为阻断状态，则必须通过减
6、小阳极电流或改变vAK电压极性的方法来实现。综上所述，晶闸管是一个可控的单向导电开关。与只有一个PN结的二极管相比，晶闸管的正向导通具有受控于控制极电流的可控性；与有两个PN结的三极管相比，晶闸管对控制电流没有放大作用。10.1.3晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性以晶闸管的控制极电流iG为参变量，阳极电流iA和阳极与阴极间的电压vAK的关系称为晶闸管的伏安特性，即 GG)(AKAIivfi晶闸管的伏安特性曲线如图10.1.4所示。vAK0时的伏安特性称为晶闸管的正向特性。从图10.1.4所示的伏安特性曲线的正向特性看，当IG0，且正向电压vAKVBO时，晶闸管处于正向阻断状态，虽然vAK逐渐增
7、大，但由于晶闸管中有一个PN结处于反偏状态，所以iA为很小的正向漏电流，曲线与二极管的反向特性类似，晶闸管呈现为很大的电阻，见图10.1.4中曲线的OA段；当正向电压vAK进一步增大到VBO时，晶闸管中间反偏的PN结将被击穿，晶闸管由正向阻断状态突然导通，出现负阻特性，iA骤然增大、vAK迅速下降，见图10.1.4中曲线的AB段，这种不是由控制极控制（IG0）的导通称为误导通，这种导通方式很容易造成晶闸管因不可恢复性击穿而损坏，使用中应当避免，使晶闸管从阻断到导通的正向电压vAK称为正向转折电压VBO；在vAK0的同时，控制极所加的正向触发电流IG越大，则对应的正向转折电压就越小，图10.1.
8、4中曲线的AB段左移。晶闸管正常工作时，其导通状态是受控制极电流iG控制的。晶闸管导通后，阳极电流iA的大小受阳极回路中的电阻（通常为负载电阻）限制，正向导通压降约为1V左右。VAK0时的伏安特性称为晶闸管的反向特性。从图10.1.4所示的伏安特性曲线的反向特性看，晶闸管的反向特性与二极管的反向特性相似。当vAKVBR（反向击穿电压）时，晶闸管处于反向阻断状态，iA为很小的反向漏电流IR，见图10.1.4中的OD段；当反向电压增加到反向击穿电压VBR时，晶闸管的PN结被击穿，反向电流急剧增加，这将造成晶闸管的永久性损坏。图图10.1.410.1.4晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的伏安特性曲线10.
9、1.4晶闸管的主要参数与型号晶闸管的主要参数与型号1、额定正向平均电流IF：在环境温度小于40和标准散热条件下，允许连续通过晶闸管阳极的工频（50Hz）正弦波半波电流的平均值。为留有安全余量，工程设计中一般取IF为正常工作平均电流的1.52倍。2、维持电流IH：在控制极开路且规定的环境温度下，晶闸管维持导通时的最小阳极电流。当正向电流小于IH时，晶闸管将自动阻断。3、控制极触发电压VG和触发电流IG：室温下，当vAK6V时，使晶闸管从阻断到完全导通所需的最小控制极直流电压和电流。一般，VG为15V，IG为几十至几百毫安。4、正向重复峰值电压VDRM：在控制极开路和晶闸管正向阻断的条件下，允许重
10、复作用在晶闸管上的最大正向电压。一般VDRMVBO80%，VBO是晶闸管在IG0时的转折电压。5、反向重复峰值电压VRRM：在控制极开路时，允许重复作用在晶闸管上的最大反向电压。一般VRRMVBR80%。6、通态平均电压VF：指通过额定正向平均电流时，vAK的平均值。一般为0.41.2V。7、额定电压VD：指加在晶闸管a、k间最大允许电压，俗称耐压。按原机械工业部标准JB114475规定，我国生产的KP型普通系列晶闸管的型号及含义表示如下：KP导通时平均电压VF的组别（小于100A不标注），共9级，用字母AI表示0.41.2V，每级差0.1V。额定正向平均电流（A）普通型晶闸管额定电压VD，为
11、VDRM和VRRM中较小的一个，单位为100V。例如，KP5-7表示额定正向平均电流为5A，额定电压（耐压）为700V的晶闸管。表10.1.1列出了几件普通晶闸管的主要参数。表表10.1.110.1.1 几种普通晶闸管的主要参数几种普通晶闸管的主要参数型号IF/AVD/V型号IF/AVD/V3CT1011100TCR15A15253CT1033100TCR15B15203CT10510100TCR151151002N387025100CR25A0525502N387225400MCR38351252510.2单相可控整流电路与单结晶体管触发电路单相可控整流电路与单结晶体管触发电路10.2.1单
12、相半波可控整流电路单相半波可控整流电路1、电路组成与工作原理带电阻性负载的单相半波可控整流电路如图10.2.1（a）所示。设 ，则图10.2.1（a）所示电路中各点的电压工作波形如图10.2.1（b）所示。tVvsin222图图10.2.110.2.1电阻性负载的单相半波可控整流电路电阻性负载的单相半波可控整流电路（a a）整流电路（）整流电路（b b）电压工作波形）电压工作波形在v2的正半周，晶闸管T承受正向电压，但t在0期间，因vg0，晶闸管T的控制极未加触发脉冲信号，所以T处于正向阻断状态，负载RL中的电流为零，负载两端的输出电压vO0，v2全部作用晶闸管的阳极和阴极之间。在t时刻，晶闸
13、管T在控制极正向触发脉冲信号vg的作用下开始导通。由于晶闸管T导通后的管压降可忽略不计，因此t在晶闸管导通期间，输出电压与v2相似。当交流电压v2过零值时，流过晶闸管的电流小于维持电流IH，晶闸管自行关断，输出电压vO0。当交流电压v2进入负半周时，晶闸管承受反向电压，vAK0，无论控制极加或不加触发脉冲信号，晶闸管均处于反向阻断状态，vO0。当下一个周期来临时，电路重复上述过程。使晶闸管开始导通的角度称为控制角，晶闸管导通的角度称为导通角，。显然，控制角越小，即导通角越大时，输出电压vO的平均值越大。由此可见，改变触发脉冲vg的加入时刻，就可以改变晶闸管的导通角，也就改变了输出电压的平均值，
14、从而实现了可控整流。2、电路参数估算由图10.2.1（b）所示电压工作波形，输出电压的平均值为2cos145.0)cos1(22)(dsin2212202)AV(OVVttVV输出电流的平均值为2cos145.0L2Lo(AV)O(AV)RVRVI晶闸管承受的最大反向电压为 VTM V2晶闸管中流过的平均电流就是输出电流的平均值IO（AV）。10.2.2单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路1、电路组成与工作原理带纯电阻负载的单相半控桥式整流电路如图10.2.2（a）所示。设 ，则图10.2.2（a）所示电路中各点的电压工作波形如图10.2.2（b）所示。在v2的正半周，T1和D2承受正向电
15、压，但若控制极不加触发脉冲，T1处于阻断状态，D2截止，不能导通。假设当t时，T1的控制极加上触发脉冲vg，则T1导通，电流从v2的a端流出，经T1、RL和D2流回V2的b端。由于晶闸管T和半导体二极管D导通时的管压降很小，v2基本上都降落在RL上，因此可以认为vOv2。此时，T2和D12tVvsin222图图10.2.210.2.2电阻性负载单相半控桥式整流电路电阻性负载单相半控桥式整流电路（a a）整流电路（）整流电路（b b）电压工作波形）电压工作波形承受反向电压，处于阻断和截止的状态。当t180时，v20，T1阻断、D2截止。在v2的负半周，T2和D1承受正向电压，当T2的控制极加上触
16、发脉冲时，T2导通，电流从v2的b端出发，经T2、RL和D1流回v2的a端，直到t360，v20时，T2阻断，D2截止。2、电路参数估算由图10.2.2（b）所示电压工作波形，有 2cos19.02cos122)(dsin212202)AV(OVVttVV2cos19.0L2Lo(AV)O(AV)RVRVI晶闸管和半导体二极管承受的最大反向电压均为 V2。流过晶闸管T和半导体二极管D的电流平均值 IT（AV）ID（AV）IO（AV）10.2.3单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路1、单结晶体管的结构、电路符号和等效电路单结晶体管的结构如图10.2.3（a）所示。它是在一块低掺杂的N型基片上利用
17、扩散工艺制作一个高掺杂的P型区，使P区与N型基片之间形成一个PN结而构成的。P型区引出的电极称为发射极e，N型基片的上下两端各引出一个电极，下面的称为第一基极b1，上面的称为第二基极b2。单结晶体管有两个基极，故也称其为双基极晶体管。221单结晶体管的电路符号如图10.2.3（b）所示，单结晶体管的等效电路如图10.2.3（c）所示。自PN结处的A点至两个基极b1、b2之间的等效电阻分别为rb1和rb2，一般rbbrb1rb2215k，若在b2、b1间加上电源电压Vbb，且发射极e开路时，A点的电位为式中称为单结晶体管的分压比，其数值与单结晶体管的结构有关，是管子的主要参数，一般在0.30.9
18、之间。单结晶体管的外形如图10.2.3（d）所示。bbbbb1bbAVrrVV图图10.2.310.2.3单结晶体管的结构、符号、等效电路与外形单结晶体管的结构、符号、等效电路与外形（a a）结构（）结构（b b）电路符号（）电路符号（c c）等效电路（）等效电路（d d）外形）外形2、单结晶体管的伏安特性单结晶体管伏安特性的测试电路如图10.2.4（a）所示，在Vbb一定的情况下，发射极电流iE与eb1结压降vEB1之间的函数关系，即单结晶体管的伏安特性曲线 ，如图10.2.4（b）所示。常数bb)(EB1EVvfi图图10.2.410.2.4单结晶体管的伏安特性曲线单结晶体管的伏安特性曲线
19、（a a）测量等效电路（）测量等效电路（b b）伏安特性曲线）伏安特性曲线当外加电压vEB1由零逐渐增大，vBE1VP，VpVbbVD（on）时，单结晶体管内PN结的正向压降小于正向导通压降VD（on），iE电流很小，单结晶体管工作在截止状态，rb1呈现很大的电阻，称为截止区，如图10.2.4（b）中的FP段所示。在FP段的G点vEB1VA，PN结零偏，iE0。当vEB1VP时，单结晶体管随即导通，iE迅速增大，由于从P区向N区大量注入空穴，从而使rb1急剧减小，也减小，PN结两端的正向电压又增加，iE更大，这一正反馈过程使vEB1因rb1的减小而减小，即iE增大时，vEB1反而减小，呈现负阻
20、效应，称为负阻区，如图10.2.4（b）中的PV段所示。在PV段的P点，vEB1VP，iEIP，VP称为峰点电压，相对应的电流IP称为峰点电流。由前面分析可知 VPVAVD（on）VbbVD（on）Vbb当vEB1降到最低后，iE再增加，vEB1也有所增加，单结晶体管进入饱和区，工作在饱和导通状态，如图10.2.4（b）中的VB段所示。负阻区与饱和区的分界点V称为谷点，该点的电压VV称为谷点电压，相对应的电流IV称为谷点电流。晶闸管导通后，当vEB1VV时，单结晶体管又会重新截止，故VV是维持晶闸管导通的最小发射极电压。3、单结晶体管振荡电路由单结晶体管构成的典型振荡电路如图10.2.5（a）
21、所示，其中BT33C的rbb36k，0.450.75，VV4V，IV1.5mA，利用其工作在负阻区的负阻效应，可产生用以触发晶闸管的触发脉冲信号。图图10.2.510.2.5单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路（a a）振荡电路（）振荡电路（b b）电压波形）电压波形电路开始工作时，电容C上的电压为零，vE0，单结晶体管处于截止状态，电源Vbb通过RE对C充电，vE按指数规律上升。当vEVP时，单结晶体管导通并进入负阻区，电容C通过单结晶体管的发射结和RB1迅速放电，将有一个很大的放电电流在RB1上产生一个脉冲电压，vo有一个上跳沿脉冲电压输出。由于单结晶体管导通后的rb1阻值很小，且RB1的
22、阻值也较小，所以C放电的过程很快，vE按指数规律迅速下降，vo产生一个上跳沿后也即按此规律迅速下降。当vEVV时，单结晶体管截止，电容C又开始充电。如此，周而复始形成振荡，即从RB1两端输出周期性的尖峰脉冲信号vo，电路的工作电压波形如图10.2.5（b）所示。由于C放电时间T1的时间常数（rb1RB1）C远小于充电的时间T2的时间常数REC，故尖峰脉冲信号的振荡周期TT2。依据一阶RC充放电电路暂态过程的三要素公式，有 11ln0lnlnEBBBBBBEPBBVBBE2CRVVVCRVVVVCRTT11ln1ECRf当单结晶体管选定以后，改变RE或C的数值即可改变输出尖峰脉冲信号周期的大小。
23、而改变RB1的数值可以调节尖峰脉冲信号的脉冲宽度，一般情况下取RB1（50100）。4、单结晶体管同步触发电路单结晶体管同步触发单相半控桥式整流电路如图10.2.6（a）所示。图中采用了一个同步变压器Tr，变压器的一次侧与主电源电路接至同一个交流电源，二次侧电压经桥式整流和稳压管DZ削波限幅后，得到一个高度为vZ的梯形波电压vB，作为单结晶体管触发电路的电源电压，电路工作电压波形如图10.2.6（b）所示。当主电路电源过零时，梯形波vB也过零点，也就是单结晶体管触发电路的电源电压(VBB)等于零，由式（10.2.8）可知，此时峰点电压VP也接近于零，如果这时电容C上还有残余电荷，则将通过RB1
24、迅速将电荷泄放，以使电容C从下一个半周期重新从零开始充电，从而保证了每个半周期触发电路输出的第一个尖峰脉冲距过零时刻的角一致，即保证了触发电路和主电路的同步。从图10.2.6（a）中可以看出，在主电路交流电源的半个周期内，触发电路可能产生若干个尖峰脉冲，但是其中只有第一个尖峰脉冲信号作用于两个晶闸管T1、T2的控制极上能起触发的作用，使承受正向电压的一只晶闸管导通。调节充电回路中RP的大小，可改变控制角的大小，以达到调节输出直流电压的目的。图图10.2.610.2.6单结晶体管同步触发单相半控桥式整流电路单结晶体管同步触发单相半控桥式整流电路（a a）电路图（）电路图（b b）工作电压波形图）
25、工作电压波形图【例例10.2.1】单结晶体管触发的单相半控桥式整流电路如图10.2.6（a）所示，设单结晶体管的分压比0.6，试求：（1）控制角的移相范围；（2）输出直流电压Vo（AV）的调节范围。解解：（1）如图10.2.6（a）所示，由式（10.2.9）可求得触发脉冲的最小周期和最大周期分别为 s4.3ms s8.6ms)6.011ln1047.01010(11ln63minEminCRT)6.011ln1047.01020(11ln63maxEmaxCRT交流电源频率f1为50Hz，周期T1为20ms，对应的电角度为360，则所以，控制角的移相范围为77.4154.8。（2）如图10.2
26、.6（a）所示，依式（10.2.4）可得 V9.4V V120.6V所以，输出直流电压VO（AV）的调节范围为9.4V120.6V。10.3双向晶闸管及其应用双向晶闸管及其应用10.3.1双向晶闸管的结构与伏安特性双向晶闸管的结构与伏安特性双向晶闸管的结构、电路符号如图10.3.1（a）、（b）所示。双向晶闸管有三个电极，一个是控制极g，另外两个统称为主电极，分别用a2和a1表示。如图10.3.1（a）所示，主电极a2同时跨接在P1区和N4区，主电极a1同时跨接在P2区和N2区，控制极g同时跨接在P2区和N3区。因此，双向晶闸管可以看成是由P1N1P2N2构成的正向晶4.77360203.43
27、601minminTT8.154360206.83601maxmaxTT)28.154cos12209.0(2cos19.0max2min)AV(OVV)24.77cos12209.0(2cos19.0min2max)AV(OVV闸管和由P2N1P1N4构成的反向晶闸管并联构成，并且用同一个控制极g来控制。双向晶闸管的伏安特性曲线如图10.3.1（c）所示。通常触发电压加在控制极g与主电极a1之间，触发电压可正可负，即可双向触发。相对于正向晶闸管其伏安特性曲线画在第一象限，相对于反向晶闸管其伏安特性曲线画在第三象限。只要主电极a1、a2之间加有一定大小的电压，不论正负，再有一定大小的触发电压，
28、也不论正负，双向晶闸管即可导通。工程上一般取a2、a1极间加正向电压，g极加正向触发电压，管子导通，伏安特性曲线在第一象限和a2、a1极间加反向电压，g极加反向触发电压，管子导通，伏安特性曲线在第三象限的两种工作模式。10.3.2双向触发二极管双向触发二极管双向触发二极管，又称触发二极管，具有双向对称的正反转折电压VBO，可从交流电源直接为双向晶闸管提供触发电压，在触发双向晶闸管的控制电路中得到了广泛的应用。双向触发二极管的电路符图图10.3.1双向晶闸管的结构、电路符号与伏安特性曲线双向晶闸管的结构、电路符号与伏安特性曲线（a）结构（）结构（b）电路符号（）电路符号（c）伏安特性曲线）伏安特
29、性曲线号和伏安特性曲线如图10.3.2所示。当双向触发二极管两端电压的绝对值小于转折电压VBO时，器件呈现高阻状态；当双向触发二极管两端电压超过转折电压VBO值时，器件导通进入负阻状态。双向触发二极管的VBO值大致分为2060V、100150V和200250V三个等级。10.3.3双向晶闸管应用举例双向晶闸管应用举例用双向晶闸管和双向触发二极管构成的多功能电子调节器的电原理图如图10.3.3所示。电子调节器的应用很广，可用于家庭、会议室等场所的白炽灯调光，也可用于电风扇的无级调速和电热器具的连图图10.3.2双向触发二极管的电路符号和伏安特性曲线双向触发二极管的电路符号和伏安特性曲线（a）电路
30、符号（）电路符号（b）伏安特性曲线）伏安特性曲线续调温等用途。如图10.3.3所示，调节RP可改变C2的充电时间常数，以改变双向触发二极管到达转折电压VBO的时间，即改变双向晶闸管的控制角，使负载RL两端电压的大小随之改变，从而达到调速、调光或调温的目的。双向晶闸管可根据负载功率的大小选用，如选用3CTS2，其正向平均电流IF2A，VDRM4001000V，可满足300W负载的需要。双向触发二极管若选用3CTS2，其转折电压VBO2640V。C1、L为滤波电路，以抑制高频干扰。图图10.3.310.3.3300W300W多功能调节器多功能调节器本章小结本章小结1、单向晶闸管的导通条件是除了要在阳极a和阴极k之间加正偏电压外，同时还必须在控制极g加适当大小的正向触发电压。当晶闸管触发导通后，触发信号就失去了控制作用，当阳极电流小于晶闸管的维持电流IH时，晶闸管才重新阻断。2、改变晶闸管的控制角大小，可控制晶闸管整流电路输出电压平均值的大小，对于电阻性负载的单相半波可控整流电路有 ，对于电阻性负载的单相半控桥式整流电路 。3、双向晶闸管是正、反向都能控制导通的一种双向可控整流元件。2cos145.02)AV(OVV2cos19.02)AV(OVV
