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晶闸管及其应用电工学本讲稿第一页，共五十三页本章要求本章要求1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特了解晶闸管的基本结构、工作原理、特 性和主要参数。性和主要参数。2.理解可控整流电路的工作原理、掌握电理解可控整流电路的工作原理、掌握电 压平均值与控制角的关系。压平均值与控制角的关系。3.了解单结晶体管及其触发电路的工作原了解单结晶体管及其触发电路的工作原 理。理。第第20章章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用本讲稿第二页，共五十三页晶闸管晶闸管（S Silicon Controlled ontrolled R Rectifierectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。扩展到强电领域。晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管也像半导体二极管那样具有也像半导体二极管那样具有也像半导体二极管那样具有也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的单向导电性，但它的单向导电性，但它的单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。调压及开关等方面。调压及开关等方面。调压及开关等方面。体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、作方便、寿命长、作方便、寿命长、作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐容量大（正向平均电流达千安、正向耐容量大（正向平均电流达千安、正向耐容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。压达数千伏）。压达数千伏）。压达数千伏）。优点：优点：本讲稿第三页，共五十三页G控制极控制极20.1 晶闸管晶闸管20.1.1 基本结构基本结构K 阴极阴极G阳极阳极 AP1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体 晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个晶闸管是具有三个PNPN结结的四层结构的四层结构,其外形、结构其外形、结构其外形、结构其外形、结构及符号如图。及符号如图。及符号如图。及符号如图。(c)(c)结构结构结构结构K GA(b)(b)符号符号符号符号(a)(a)外形外形外形外形晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号晶闸管的外形、结构及符号三三 个个PN 结结本讲稿第四页，共五十三页P1P2N1N2K GA晶闸管相当于晶闸管相当于晶闸管相当于晶闸管相当于PNPPNP和和NPNNPN型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合型两个晶体管的组合+KA T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK本讲稿第五页，共五十三页 T1T220.1.2 工作原理工作原理A 在极短时间内使两个在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此三极管均饱和导通，此过程称触发导通。过程称触发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程形成正反馈过程KGE EA 0 0、E EG G 0 0EGEA+_R本讲稿第六页，共五十三页 晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉E EGG，依靠正反馈，依靠正反馈，仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。20.2.2 工作原理工作原理GEA A 0、EG G 0 0KKEA+_R T1T2EGA形成正反馈过程形成正反馈过程本讲稿第七页，共五十三页晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1.晶闸管阳极电路晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间阳极与阴极之间)施加正向电压。施加正向电压。2.晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路晶闸管控制电路(控制极与阴极之间控制极与阴极之间)加正向电压加正向电压加正向电压加正向电压或正向脉冲或正向脉冲或正向脉冲或正向脉冲(正向触发电压正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，依靠正反馈，晶晶晶晶闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。闸管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件：1.必须使可控硅阳极电流减小必须使可控硅阳极电流减小,直到直到正反馈正反馈效应不能效应不能维持。维持。2.将阳极电源断开或者在晶闸管的将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间阳极和阴极间阳极和阴极间阳极和阴极间加反相电压。加反相电压。加反相电压。加反相电压。本讲稿第八页，共五十三页正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性URRMUFRMIG2 IG1 IG0 UBRIFUBO正向转折电压正向转折电压IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向转折电压反向转折电压反向转折电压反向转折电压正向平均电流正向平均电流维持电流维持电流维持电流维持电流U U20.1.3 伏安特性伏安特性本讲稿第九页，共五十三页20.1.4 主要参数主要参数UFRM:正向重复峰值电压（正向重复峰值电压（正向重复峰值电压（正向重复峰值电压（晶闸管晶闸管耐压值）耐压值）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,允许允许重复加在重复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取UFRM =80%UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为100V 3000V反向重复峰值电压反向重复峰值电压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：本讲稿第十页，共五十三页正向平均电流正向平均电流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：IF t 2 如果正弦半波电流的最大值为如果正弦半波电流的最大值为Im,则则普通晶闸管普通晶闸管IF为为1A 1000A。本讲稿第十一页，共五十三页UF:通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为一般为一般为一般为1V1V左右。左右。左右。左右。IH:维持电流维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导 通状态所必须的最小电流。通状态所必须的最小电流。通状态所必须的最小电流。通状态所必须的最小电流。一般一般IH为几十为几十为几十为几十 一百多毫安。一百多毫安。一百多毫安。一百多毫安。UGG、I IGG：控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流6V6V时，使晶闸管完时，使晶闸管完时，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 。一般一般一般一般UGG为为1到到5V，IGG为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。本讲稿第十二页，共五十三页晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义晶闸管型号及其含义 导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别导通时平均电压组别共九级共九级共九级共九级,用字母用字母用字母用字母AI表示表示表示表示0.41.2V0.41.2V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)（晶闸管类型）（晶闸管类型）P-普通晶闸管普通晶闸管K-快速晶闸管快速晶闸管S-双向晶闸管双向晶闸管 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。本讲稿第十三页，共五十三页20.2 可控整流电路可控整流电路20.2.1 单相半波可控整流单相半波可控整流 1.电阻性负载电阻性负载(1)电路电路 u 0 0 时：时：时：时：若若若若ug g g g=0=0=0=0，晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管不导通，不导通，u u 0 时时时时:晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通承受反向电压不导通承受反向电压不导通,u uo o=0,=0,=0,=0,uT T=u u，故称可控整流。故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压导导 通，通，uuoRL+uT+Tio本讲稿第十四页，共五十三页(2)工作原理工作原理 t1 2 u u 0时时:tO本讲稿第十五页，共五十三页 tO 接电阻负载时接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形单相半波可控整流电路电压、电流波形 动画动画控制角控制角 t1 tO tO t22 tO导通角导通角(3)工作波形工作波形工作波形工作波形本讲稿第十六页，共五十三页(4)(4)整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值整流输出电压及电流的平均值由公式可知：由公式可知：改变控制角改变控制角，可改变输出电压，可改变输出电压Uo。本讲稿第十七页，共五十三页2.电感性负载与续流二极管电感性负载与续流二极管(1)电路电路电路电路 当电压当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。uuoR+uT+TLeL 在电感性负载中在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电感当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图极性如图极性如图极性如图)，电流，电流，电流，电流不能跃变，将由零逐渐上升不能跃变，将由零逐渐上升不能跃变，将由零逐渐上升不能跃变，将由零逐渐上升(见波形见波形)。本讲稿第十八页，共五十三页 tO tO tO t1 tO t22 2)工作波形工作波形(未未未未加加续流二极管续流二极管续流二极管续流二极管)本讲稿第十九页，共五十三页 uuoR+uT+LTioDiou 0 0 0 0时时：D D反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。u 0时：时：D正向导通正向导通,晶闸管晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断,电感元件电感元件L释放能量形成的电流经释放能量形成的电流经D构成回路构成回路(续流续流),),负载电负载电压压uo o波形与电阻性负载相同波形与电阻性负载相同(见波形图见波形图)。3.电感性负载电感性负载(加加续流二极管续流二极管)+(1)电路电路本讲稿第二十页，共五十三页(3)工作波形工作波形工作波形工作波形(加续流二极管加续流二极管)iL t tO tO 2 tO本讲稿第二十一页，共五十三页20.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路1.1.电路电路电路电路2.2.工作原理工作原理 T1 1和和和和D2 2承受正向承受正向承受正向承受正向电压。电压。电压。电压。T1控制极加触发控制极加触发电压电压,则则T1 1和和D2 2导导通，通，电流的通路为电流的通路为T1、T2 晶闸管晶闸管D1、D2晶体管晶体管aRLD2T1b(1)电压电压u u 为正半周为正半周为正半周为正半周时时时时io+T1T2RLuoD1D2a u+b此时，此时，此时，此时，T T2和和D1 1均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。本讲稿第二十二页，共五十三页io+T1T2RLuoD1D2a u+b T2和和D D1 1承受正向承受正向承受正向承受正向电压。电压。电压。电压。T2 2控制极加触发控制极加触发电压电压,则则则则T T2 2和和D1导导通，通，通，通，电流的通路为电流的通路为(2)(2)电压电压电压电压u 为负半周为负半周时时bRLD1T2a此时，此时，此时，此时，T1和和和和D D2均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。均承受反向电压而截止。本讲稿第二十三页，共五十三页 t tO tO3.3.工作波形工作波形2 动画动画 tO本讲稿第二十四页，共五十三页4.输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值本讲稿第二十五页，共五十三页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2.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)uTD2D1D4u0RLD3+-+-本讲稿第二十六页，共五十三页电路电路特点特点 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)20.2.3 20.2.3 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三相半波可控整流电路动画动画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+-+-本讲稿第二十七页，共五十三页20.2.4 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路2.2.工作原理工作原理1 1.电路电路动画动画u2a2 u2bu2ct1t2oT T T1 1RLuoD D3 3 T T2 2T T3 3D D2 2D D1 1io cbau+本讲稿第二十八页，共五十三页20.3 晶闸管的保护晶闸管的保护 晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它晶闸管承受过电压、过电流的能力很差，这是它的主要缺点。的主要缺点。晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流，一旦发生过电流时，温度急剧上升，可能将时，温度急剧上升，可能将PNPN结烧坏，造成元件内部结烧坏，造成元件内部短路或开路。例如一只短路或开路。例如一只100A的的晶闸管晶闸管过电流为过电流为400A400A时，时，仅允许持续仅允许持续0.020.02秒，否则将因过热而损坏；秒，否则将因过热而损坏；晶闸管耐受晶闸管耐受晶闸管耐受晶闸管耐受过电压的能力极差，过电压的能力极差，过电压的能力极差，过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，时间极短，也容易损坏。若正向电压超过转折电压时，则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。则晶闸管误导通，导通后的电流较大，使器件受损。本讲稿第二十九页，共五十三页20.3.1 晶闸管的过流保护晶闸管的过流保护1.快速熔断器保护快速熔断器保护 电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它电路中加快速熔断器。当电路发生过流故障时，它能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保能在晶闸管过热损坏之前熔断，切断电流通路，以保证晶闸管的安全。证晶闸管的安全。与晶闸与晶闸管串联管串联接在输接在输入端入端接在输接在输出端出端快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。快速熔断器接入方式有三种，如下图所示。本讲稿第三十页，共五十三页2.过流继电器保护过流继电器保护过流继电器保护过流继电器保护3.过流截止保护过流截止保护 在输出端在输出端(直流侧直流侧)或输入端或输入端或输入端或输入端(交流侧交流侧交流侧交流侧)接入过电流继电接入过电流继电接入过电流继电接入过电流继电器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切器，当电路发生过流故障时，继电器动作，使电路自动切断。断。断。断。在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控在交流侧设置电流检测电路，利用过电流信号控制触发电路。制触发电路。当电路发生过流故障时，当电路发生过流故障时，检测电路控制触检测电路控制触发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管发脉冲迅速后移或停止产生触发脉冲，从而使晶闸管导通角减小或立即关断。导通角减小或立即关断。本讲稿第三十一页，共五十三页2.2.硒堆保护硒堆保护硒堆保护硒堆保护20.3.2 晶闸管的过压保护晶闸管的过压保护1.1.阻容保护阻容保护C CR 利用电容吸收过压。利用电容吸收过压。其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电的能量变成电场能量储存到电容中，然后释放到电阻中消耗掉。阻中消耗掉。RCRC 硒堆保护硒堆保护(硒整流片硒整流片)C CRRL晶闸管元件晶闸管元件的阻容保护的阻容保护本讲稿第三十二页，共五十三页20.4 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路20.4.1 单结晶体管结构及工作原理单结晶体管结构及工作原理1.1.1.1.结构结构B B2 2第二基极第二基极第二基极第二基极B B1 1N欧姆接触欧姆接触欧姆接触欧姆接触接触电阻接触电阻接触电阻接触电阻P发射极发射极发射极发射极E E第一基极第一基极第一基极第一基极PN结结N型硅片型硅片(a)(a)示意图示意图示意图示意图单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号单结晶体管结构示意图及其表示符号(b)(b)符号符号符号符号B B2 2E EB B1 1本讲稿第三十三页，共五十三页2.工作原理工作原理工作原理工作原理 U UE E UP P后，后，后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。P本讲稿第三十五页，共五十三页1.U UE U UP P时单结管导通，时单结管导通，时单结管导通，时单结管导通，UE UA2A2时，时，控制极控制极控制极控制极相对于相对于相对于相对于A2加正脉冲，加正脉冲，晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管正向导通，电流从正向导通，电流从A1 1流向流向A A2 2。UA2U UA1A1时，时，时，时，控制极相对于控制极相对于控制极相对于控制极相对于A2加加加加负负脉冲，脉冲，晶闸管晶闸管反向导通，电流从反向导通，电流从A2 2流向流向流向流向A1 1。A1A2G本讲稿第五十二页，共五十三页交流调压电路交流调压电路 双向二极管：双向二极管：双向二极管：双向二极管：只要在其两端加上只要在其两端加上一定数值的正或负一定数值的正或负电压即可使其导通。电压即可使其导通。RC Tu+_ _双向二极管双向二极管本讲稿第五十三页，共五十三页