課題十三晶閘管及其應用

課題十三晶閘管及其應用第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五晶閘管（Silicon

ControlledRectifier）晶閘管是在晶體管基礎上發(fā)展起來的一種大功率半導體器件。它的出現(xiàn)使半導體器件由弱電領域擴展到強電領域。晶閘管也像半導體二極管那樣具有單向導電性，但它的導通時間是可控的，主要用于整流、逆變、調壓及開關等方面。

體積小、重量輕、效率高、動作迅速、維修簡單、操作方便、壽命長、容量大（正向平均電流達千安、正向耐壓達數千伏）。

優(yōu)點：第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五G控制極19.1

晶閘管19.1.1基本結構K陰極G陽極

AP1P2N1N2四層半導體晶閘管是具有三個PN結的四層結構,其外形、結構及符號如圖。(c)結構KGA(b)符號(a)外形晶閘管的外形、結構及符號三個

PN

結第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五P1P2N1N2K

GA晶閘管相當于PNP和NPN型兩個晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五

T1T219.1.2工作原理A在極短時間內使兩個三極管均飽和導通，此過程稱觸發(fā)導通。形成正反饋過程KGEA>0、EG>0EGEA+_R第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五晶閘管導通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導通狀態(tài)。19.2.2

工作原理GEA>0、EG>0KEA+_R

T1T2EGA形成正反饋過程第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五晶閘管導通的條件：

1.晶閘管陽極電路(陽極與陰極之間)施加正向電壓。

2.晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。

晶閘管導通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導通狀態(tài)。晶閘管關斷的條件：

1.必須使可控硅陽極電流減小,直到正反饋效應不能維持。

2.將陽極電源斷開或者在晶閘管的陽極和陰極間加反相電壓。第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉折電壓正向平均電流維持電流U19.1.3伏安特性第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.1.4主要參數UFRM:正向重復峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開路且正向阻斷情況下,允許重復加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM

=80%UB0

。普通晶閘管UFRM

為100V—3000V反向重復峰值電壓控制極開路時,允許重復作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM

=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000VURRM：第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五正向平均電流環(huán)境溫度為40C及標準散熱條件下，晶閘管處于全導通時可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。

IF：IFt2如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五UF:

通態(tài)平均電壓（管壓降）在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、陰極間的電壓平均值。

一般為1V左右。IH:

維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時，晶閘管維持導通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流室溫下，陽極電壓為直流6V時，使晶閘管完全導通所必須的最小控制極直流電壓、電流。一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五晶閘管型號及其含義導通時平均電壓組別共九級,用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P--普通晶閘管K--快速晶閘管S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.2

可控整流電路19.2.1單相半波可控整流

1.電阻性負載(1)

電路

u

>0時：若ug=0，晶閘管不導通，u

<0時:

晶閘管承受反向電壓不導通,

uo=0,uT=u，故稱可控整流?？刂茦O加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導通，uuoRL+–+uT+––Tio第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五(2)工作原理t12u

<

0時:

可控硅承受反向電壓不導通即：晶閘管反向阻斷加觸發(fā)信號，晶閘管承受正向電壓導通tOu

>0時:tO第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五tO接電阻負載時單相半波可控整流電路電壓、電流波形動畫控制角t1tOtOt22tO導通角(3)工作波形第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五2.電感性負載與續(xù)流二極管(1)電路

當電壓u過零后，由于電感反電動勢的存在，晶閘管在一段時間內仍維持導通，失去單向導電作用。uuoR+–+uT+––T?LeL?在電感性負載中,當晶閘管剛觸發(fā)導通時，電感元件上產生阻礙電流變化的感應電勢(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見波形)。第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五tOtOtOt1tOt22

2)工作波形(未加續(xù)流二極管)第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五uuoR+–+uT+––LTioDiou>0時：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時：

D正向導通,晶閘管承受反向電壓關斷,電感元件L釋放能量形成的電流經D構成回路(續(xù)流),負載電壓uo波形與電阻性負載相同(見波形圖)。3.電感性負載(加續(xù)流二極管)+–(1)電路第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iLttOtO2tO第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.2.2單相半控橋式整流電路1.

電路2.

工作原理

T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導通，電流的通路為T1、T2晶閘管D1、D2晶體管aRLD2T1b(1)電壓u

為正半周時io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b此時，T2和D1均承受反向電壓而截止。第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五io+–+–T1T2RLuoD1D2au+–b

T2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導通，電流的通路為(2)電壓u

為負半周時bRLD1T2a此時，T1和D2均承受反向電壓而截止。第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五ttOtO3.工作波形2tO第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五4.輸出電壓及電流的平均值第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五兩種常用可控整流電路電路特點該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2.晶閘管和負載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五電路特點

1.該電路接入電感性負載時，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。(2)19.2.3三相半波可控整流電路動畫2.由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。T1T2D1D2uuORL+-+-第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.3

晶閘管的保護

晶閘管承受過電壓、過電流的能力很差，這是它的主要缺點。

晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度急劇上升，可能將PN結燒壞，造成元件內部短路或開路。例如一只100A的晶閘管過電流為400A時，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過熱而損壞；

晶閘管耐受過電壓的能力極差，電壓超過其反向擊穿電壓時，即使時間極短，也容易損壞。若正向電壓超過轉折電壓時，則晶閘管誤導通，導通后的電流較大，使器件受損。第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.3.1

晶閘管的過流保護1.

快速熔斷器保護電路中加快速熔斷器。當電路發(fā)生過流故障時，它能在晶閘管過熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。與晶閘管串聯(lián)接在輸入端~接在輸出端快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五2.

過流繼電器保護3.

過流截止保護在輸出端(直流側)或輸入端(交流側)接入過電流繼電器，當電路發(fā)生過流故障時，繼電器動作，使電路自動切斷。在交流側設置電流檢測電路，利用過電流信號控制觸發(fā)電路。當電路發(fā)生過流故障時，檢測電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導通角減小或立即關斷。第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五2.

硒堆保護19.3.2

晶閘管的過壓保護1.阻容保護CR

利用電容吸收過壓。其實質就是將造成過電壓的能量變成電場能量儲存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRC硒堆保護(硒整流片)CR~RL晶閘管元件的阻容保護第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.4

單結晶體管觸發(fā)電路19.4.1單結晶體管結構及工作原理1.結構B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結N型硅片(a)示意圖單結晶體管結構示意圖及其表示符號(b)符號B2EB1第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五2.工作原理

UE<

UBB+UD=UP時PN結反偏，IE很?。籔N結正向導通,IE迅速增加。UE

UP時

–

分壓比(0.5~0.9)UP

–

峰點電壓UD–

PN結正向導通壓降B2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1測量單結晶體管的實驗電路由圖可求得第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五3.單結晶體管的伏安特性UV、IV(谷點電壓、電流):維持單結管導通的最小電壓、電流。

UP(峰點電壓)：

單結管由截止變導通

所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點電壓UV谷點電壓V負阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)負阻區(qū)：UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負阻。P第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五1.UE<UP時單結管截止；UE>UP時單結管導通，UE<UV時恢復截止。單結晶體管的特點B2EB12.單結晶體管的峰點電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關，外加電壓UBB或分壓比不同，則峰點電壓UP不同。3.不同單結晶體管的谷點電壓UV和谷點電流IV都不一樣。谷點電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五19.4.2單結晶體管觸發(fā)電路1.振蕩電路單結晶體管弛張振蕩電路單結晶體管弛張振蕩電路利用單結管的負阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調的振蕩電路。ugR2R1RUucE+C+__+_50100k3000.47F第三十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五ugR2R1RUuCE+C+__+_50100k3000.47F2.

振蕩過程分析設通電前uC=0。接通電源U,電容C經電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。

當uC

UP時,單結管導通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuCtugt電容放電至uC

Uv時，單結管重新關斷，使ug0。(a)(b)第三十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五注意：R值不能選的太小，否則單結管不能關斷，電路亦不能振蕩。upuv(c)電壓波形uCttugOO第三十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+19.4.3

單結管觸發(fā)的半控橋式整流電路1.電路第三十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期五2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2M