汽車電工電子技術(shù)第7章

1、第7章 晶閘管及其應(yīng)用 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.1 晶閘管 7.2 可控整流電路 7.3 晶閘管的觸發(fā)電路 7.4 晶閘管的保護(hù) 習(xí)題 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.1 晶 閘 管 7.1.1 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管又稱為可控硅（SCR）, 普通型晶閘管的外殼結(jié)構(gòu)主 要有兩種形式，一種是螺栓式，另一種是平板式，它們的外形 如圖7.1所示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.1 晶閘管的外形 (a) 螺栓式； (b) 平板式 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 晶閘管有3個(gè)電極：陽極A、陰極K和門極(控制極)G。在圖 7.1（a）中， 下端的螺栓是陽極A，使用時(shí)把螺栓固定在散熱 器上，上端有兩根引出線，粗的一根

2、是陰極 K，細(xì)的一根是控 制極G。在圖7.1（b）平板式晶閘管中，與晶閘管中間金屬環(huán) 連接的引線是控制極；離控制極較近的端面是陰極，較遠(yuǎn)的端 面是陽極。 晶閘管的內(nèi)部有一個(gè)由硅半導(dǎo)體材料做成的管心。管心是 一個(gè)圓形薄片，它是四層（ P1、N1、P2、N2）、三端（A、K、G） 器件。它有三個(gè) PN結(jié)，可以把中間的 N1和P2分為兩部分，可看 成是一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管，如圖7.2 所示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.2 晶閘管的結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.1.2 晶閘管的工作原理 1 反向阻斷實(shí)驗(yàn) 如圖7.3（a）所示，晶閘管有兩個(gè)回路： EA(

3、-)RLVT（A極-K極）EA(+) E G(+)RG開關(guān)SVT（G極-K極）EG(-) 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.3 （a） 反向阻斷； （b） 方向阻斷； （c） 觸發(fā)導(dǎo)通； （d） 切除觸發(fā)信號仍導(dǎo)通 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 前一回路稱為晶閘管的主電路，后一回路稱為晶閘管的控 制電路。由主電路可知，此時(shí)晶閘管的陽極電位低于陰極， 加在晶閘管上的電壓為反向電壓。在此狀態(tài)下，不論控制電路 是否接通，電燈HL均不亮，晶閘管不導(dǎo)通。此時(shí)稱晶閘管處于 反向阻斷狀態(tài)。 從晶閘管的結(jié)構(gòu)圖可見，當(dāng)晶閘管承受反向電壓時(shí)，對 J2 結(jié)來說雖為正向偏置，但對 J1和J3結(jié)則為反向偏置，它們的電 阻很大，晶

4、閘管只有極小的反向漏電流通過，所以晶閘管處于 阻斷狀態(tài)。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2. 正向阻斷實(shí)驗(yàn) 如圖7.3(b)所示，此時(shí)晶閘管雖承受正向偏壓，但控制 極未接通，電燈也不亮， 說明晶閘管未導(dǎo)通，晶閘管處于正 向阻斷狀態(tài)。在正向電壓作用下，雖然J1和J3結(jié)為正向偏置， 但J2結(jié)為反向偏置， 故晶閘管仍不能導(dǎo)通。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 3 觸發(fā)導(dǎo)通實(shí)驗(yàn) 觸發(fā)導(dǎo)通實(shí)驗(yàn) 如圖7.3（c）所示，把開關(guān)S合上，在控制極與陰極之間加 上適當(dāng)大小的正向觸發(fā)電壓UG。此時(shí)，電燈亮，晶閘管由阻斷 狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。 晶閘管導(dǎo)通后，即使斷開控制極電路開關(guān) S，電燈仍保持原亮度，這說明晶閘管一經(jīng)觸發(fā)導(dǎo)通， 控

5、制極 便失去了控制作用。一旦觸發(fā)導(dǎo)通以后，即使切除觸發(fā)信號， 晶閘管仍然導(dǎo)通(見圖7.3（d）)。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 由以上實(shí)驗(yàn)可知， 要使晶閘管導(dǎo)通必須同時(shí)具備下列兩個(gè) 條件： (1) 陽極A和陰極K之間施加正向電壓。 (2) 控制極G與陰極K之間施加正向觸發(fā)電壓。 為了說明晶閘管的工作原理，我們把四層結(jié)構(gòu)的晶閘管看 成由PNP和NPN型兩個(gè)晶體管連接而成，每一個(gè)晶體管的基極 與另一個(gè)晶體管的集電極相連，如圖7.4所示。陽極 A相當(dāng)于 PNP型晶體管V1的發(fā)射極， 陰極K相當(dāng)于NPN型晶體管V2的發(fā) 射極。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.4 把晶閘管看成由PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組

6、合 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.5 晶閘管的工作原理 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 如果晶閘管陽極加正向電壓E A，控制極加正向電壓EG(見圖 7.5)，那么晶體管 V2處于正向偏置，電壓 E G產(chǎn)生的控制極電流 就是V2的基極電流，由于 V2的放大作用，iC2 = 2iB2。而 iC2又是 晶體管V1的基極電流，V1的集電極電流iC1 = 1iC2 = 12iB2。 此電 流又流入V2基極， 再一次放大。 這樣循環(huán)下去，形成了強(qiáng)烈的 正反饋，使兩個(gè)晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通。這就是晶閘管的導(dǎo) 通過程，導(dǎo)通后的管壓降很小，即UAK1 V, 電源電壓幾乎全部 加在負(fù)載上，晶閘管中就流過負(fù)載電流, 即IA

7、 E A /R L。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 在晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子自身的反 饋?zhàn)饔脕砭S持，即使控制極電流 iG消失，晶閘管仍然處于導(dǎo)通 狀態(tài)。所以，控制極的作用僅僅是觸發(fā)一下晶閘管使其導(dǎo)通， 導(dǎo)通之后控制極就失去控制作用了。 所以觸發(fā)電壓常常是一個(gè) 具有一定幅度而存在時(shí)間很短的脈沖電壓。要想關(guān)斷晶閘管， 必須將陽極電流減小到使之不能維持正反饋過程，當(dāng)然也可以 將陽極電源切斷或者在晶閘管的陽極和陰極加上一個(gè)反向電壓。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.1.3 晶閘管的主要參數(shù)和型號 1） 正向阻斷峰值電壓UFRM 在控制極斷開和晶閘管正向阻斷的情況下，允許重復(fù)加 到晶閘管陽極與陰

8、極之間的正向峰值電壓。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2） 反向阻斷峰值電壓URRM 在控制極斷開的情況下，允許重復(fù)加到晶閘管陽極與陰極 之間的反向峰值電壓。 如果晶閘管的UFRM和URRM不相等，則取較小的那個(gè)電壓值， 作為該元件的額定電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，由于晶閘管的過載能 力較差，所以在選擇晶閘管的額定值時(shí)，需要留有一定的余量。 通常選額定電壓和額定電流是實(shí)際工作電壓和工作電流的2倍 左右。例如工作在交流有效值為220 V（峰值為311 V）的電路 中， 應(yīng)選用額定電壓為600 V的晶閘管。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 3） 額定正向平均電流IF 在環(huán)境溫度不超過40和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管的陽

9、極與陰極之間允許連續(xù)通過的工頻（ 50 Hz）正弦半波電流的 平均值。 需要指出，晶閘管的額定正向平均電流并不是一成不變的， 它與環(huán)境溫度、散熱條件、元件的導(dǎo)通角等因素有關(guān)。例如 100 A的元件，如不加風(fēng)冷，則只能用到其容量的 30左右。 此外，若晶閘管中流過的平均電流相同，則導(dǎo)通角越小，電 流的波形越尖，峰值越大，元件發(fā)熱越重。這時(shí)晶閘管所允許 通過的電流平均值必須適當(dāng)降低。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 4） 維持電流IH 在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷開的情況下，維持晶閘管繼 續(xù)導(dǎo)通所需要的最小陽極電流，稱為維持電流IH。當(dāng)晶閘管的 陽極電流小于此值時(shí)，晶閘管將自行關(guān)斷。IH一般為幾十至二 三百

10、毫安。 目前我國生產(chǎn)的普通型晶閘管的型號組成如下： 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 導(dǎo)通時(shí)正向平均電壓的組別，（小于 100A不 標(biāo)），共分九級，用 AI表示，A級為0.4V,I 級為1.2V 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.2 可控整流電路可控整流電路 7.2.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路 1.電阻性負(fù)載單相半波可控整流電路 電阻性負(fù)載單相半波可控整流電路 1） (1) u 2為正半波時(shí)，ua u b，晶閘管承受正向陽極電壓。 此 時(shí)若在門極加上正向觸發(fā)電壓，則晶閘管導(dǎo)通，電流 io流向： aVTR Lb。忽略管壓降 u T，則uo =u 2，io = u 2 /R L。當(dāng)u2的正 半波

11、電壓逐漸減少時(shí)，io也逐漸減少，當(dāng)u 2 0時(shí)，io0，晶閘 管關(guān)斷。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 (2）u 2為負(fù)半波時(shí)， u a u b, 晶閘管承受反向電壓，處于反 向阻斷狀況， u o0，u2的下一個(gè)周期情況與前述相同，重復(fù) 出現(xiàn)。 電路中各電壓、 電流波形圖如圖7.6(b)所示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.6 (a) 電路圖； (b) 波形圖 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2） 從晶閘管承受正向電壓起到晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)的空間電角 度稱為控制角，一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的范圍稱為導(dǎo)通角 ， 顯 然， - 。改變晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻就可以改變控制角 ，亦 即可以改變晶閘管的導(dǎo)通范圍，從而改變 u o。 的變

12、化范圍稱 為移相范圍，值的改變稱為移相。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 3）負(fù)載直流平均電壓Uo與平均電流Io 設(shè) tUu?sin2 22 ? 則負(fù)載上的直流平均電壓U o為 2 cos1 45. 0dsin2 2 1 22 o ? ? ? ? ? ? UttUU 式中，Uo為u o波形的平均值； U 2為電源有效電壓； 為控制角。 U o和 及u 2有關(guān)，若電源電壓給定后， U o只與 有關(guān)。當(dāng)0時(shí)， U o=0.45U2,為最大輸出直流平均電壓；當(dāng)=時(shí)，Uo0。 所以 的移相范圍為0，而U o在00.45U2范圍連續(xù)可調(diào)。 （7-1） 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 負(fù)載電流的平均值為 ? ? ? ?

13、? ? ? ? 2 cos1 45. 0 L 2 L o o ? R U R U I （7-2） 式中，Io為負(fù)載電流的平均值；U2為電源電壓有效值；RL為負(fù)載 電阻。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 4） (1） 晶閘管所承受的最大正反向電壓URM。 2RM 2U U? （7-3） (2） 流過晶閘管的電流平均值IT。 ? ? ? ? ? ? ? ? 2 cos1 45. 0 L 2 oT ? R U II （7-4） 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2. 電感性負(fù)載單相半波可控整流電路 實(shí)際電路中有許多負(fù)載是電感性負(fù)載，它們既含有電阻又 含有電感。 電感性負(fù)載單相半波可控整流電路如圖7.7所示。 第7章

14、晶閘管及其應(yīng)用 圖7.7 （a） 電路圖; (b) 波形圖 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 1） 當(dāng)u 2為正半波時(shí)，晶閘管 VT承受正向電壓 u 2，控制極未加 觸發(fā)脈沖時(shí)，晶閘管不導(dǎo)通， u o0。在t1時(shí)刻，晶閘管被觸 發(fā)導(dǎo)通，u 2加在負(fù)載上，uou2 。io只能逐漸增加， 因?yàn)殡姼蠰 的自感電動(dòng)勢阻礙io增加。當(dāng)u o達(dá)到最大值后又開始減少時(shí)， io 增大速度變慢，直至最大，再開始減少。當(dāng) io減少時(shí)，電感L的 自感電動(dòng)勢阻礙io減少。自感電動(dòng)勢的方向?qū)чl管來說是正方 向，所以，在t 2t3期間，雖然 u 2已變?yōu)樨?fù)， 但只要自感電 動(dòng)勢大于u 2，晶閘管就承受正向電壓而繼續(xù)導(dǎo)通， io繼

15、續(xù)減少， 但只要io不小于IH, 晶閘管就不關(guān)斷，u ou2。直至io I H, 晶閘管 才關(guān)斷，開始承受反向電壓， u o0。波形圖如圖7.7(b)所示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2） 由于電感L的存在，使負(fù)載電壓出現(xiàn)負(fù)值，平均電壓 U o減 少。所以必須采取一定措施，避免u o出現(xiàn)負(fù)值。為解決此問題， 可以在負(fù)載兩端并聯(lián)一個(gè)二極管，稱為續(xù)流二極管，其電路圖 及波形圖如圖7.8所示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.8 續(xù)流二極管的感性負(fù)載電路圖及波形圖 （a） 電路圖; (b) 波形圖 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.2.2 1. 單相半控橋式整流電路的組成 單相半波可控整流電路雖然有電路簡單、

16、調(diào)整方便、使用 元件少的優(yōu)點(diǎn)，但卻有整流電壓脈動(dòng)大、輸出電流小的缺點(diǎn)。 所以，經(jīng)常用的是單相橋式可控整流電路。單相橋式可控整流 電路分為半控橋式整流電路和全控橋式整流電路。如圖7.9所 示為兩種常用的單相半控橋式整流電路。在圖7.9（a）中， 采用兩個(gè)晶閘管和兩個(gè)二極管組成橋式電路；在圖 7.9（b）中， 采用四個(gè)二極管和一個(gè)晶閘管組成開關(guān)管式電路。如果在圖 7.9（a）中的四個(gè)晶體管都采用晶閘管，則稱為單相全控橋式 整流電路。但由于這種電路晶閘管較多，觸發(fā)電路較復(fù)雜， 成 本較高， 故不常采用。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.9 單相半控橋式整流電路 （a） 半控式； (b) 開關(guān)管式 第7

17、章 晶閘管及其應(yīng)用 在圖7.9（a）中，變壓器副邊電壓 u 2在正半周時(shí)， VT1和 VD2承受正向電壓。當(dāng)t時(shí)，如對晶閘管VT1引入觸發(fā)信號， 則VT1和VD2導(dǎo)通，電流的通路為 aVT1R LVD2b 這時(shí)，VT2和VD1承受反向電壓而截止。同樣在電壓u 2的負(fù)半周 時(shí)， VT2和VD1承受正向電壓。這時(shí)，如對晶閘管VT2引入觸發(fā) 信號， 則VT2和VD1導(dǎo)通，電流的通路為 bVT2R LVD1a 這時(shí)，VT1和VD2處于截止?fàn)顟B(tài)。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 當(dāng)整流電路為電阻性負(fù)載時(shí)，單相半控橋式整流電壓uo的 波形如圖7.10所示。顯然，與單相半波可控整流相比，其輸出 電壓的平均值應(yīng)增大一

18、倍， ? ? ? ? ? ? ? ? 2 cos1 9 . 0 2o ? UU （7-5） 輸出電流的平均值 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? L 2 L o o 2 cos1 9 . 0 R U R U I ? (7-6) 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.10 單相橋式可控整流的電壓波形圖 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 由上述可知，當(dāng)0，即180時(shí)，負(fù)載上的電壓最 大，即Uo =0.9U 2。改變觸發(fā)脈沖 u G的加入時(shí)刻，即改變控制 角大小，使晶閘管在不同的時(shí)刻導(dǎo)通，便可調(diào)節(jié)負(fù)載電壓 的平均值Uo， 從而實(shí)現(xiàn)可控整流。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 例7-1有一純阻性負(fù)載，要求單相半控橋式整流電路

19、對 負(fù)載提供可調(diào)的直流電壓平均值Uo為0100 V，電流Io為010 A，求變壓器副繞組的電壓有效值U2,并選擇晶閘管。 解設(shè)輸出的直流電壓平均值為100 V時(shí)，晶閘管全導(dǎo)通, 即180，0。由公式可求出可控整流電路的輸入交 流電壓有效值： )V(111 9 . 0 100 0.9 o 2 ? U U 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 實(shí)際上，晶閘管的最大導(dǎo)通角只有160170左右， 因此，要得到100 V的直流輸出電壓， 就必須在計(jì)算結(jié)果的基 礎(chǔ)上加大10左右，所以 U2=111(1+0.1)=122 (V) 晶閘管承受的最大反向電壓 )V(5 .17212222 2RM ?UU 第7章 晶閘管及其應(yīng)

20、用 )A(5 2 10 2 o T ? I I 二極管中流過的平均電流 )A(5 2 o TVD ? I II 按兩倍的余量選擇晶閘管，則可選用 KP型晶閘管，它的額 定正向平均電流為10 A，額定電壓為400 V即可。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 例7-2設(shè)負(fù)載電阻對可控整流電路的要求與上例相同， 為了減輕整流裝備的重量，縮小體積，不采用整流變壓器， 直接由電網(wǎng)的交流 220 V（有效值）電壓作為整流電路的輸入 電壓，求晶閘管最大導(dǎo)通角，并選擇晶閘管。 解當(dāng)輸出直流電壓平均值為 100 V時(shí)，導(dǎo)通角為，控 制角為， 根據(jù)公式得 ? ? ? ? ? ? ? ? 2 cos1 2209 . 0100

21、 ? 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 解得 2 , 99 1 cos? 最大導(dǎo)通角 2 ? 晶閘管所承受的最大反向電壓 )V(31122022 2RM ?UU 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2. 單相半控橋式整流電路的應(yīng)用可控硅整流充電機(jī) 如圖7.11所示是一臺(tái)8 kW可控硅移相調(diào)壓充電機(jī)。 由于 它采用移相調(diào)壓，故體積小、重量輕， 結(jié)構(gòu)合理， 使用方便 可靠， 比較適合汽車修理廠使用?，F(xiàn)將電氣原理介紹如下： 該充電機(jī)包括主整流電路、 觸發(fā)電路和控制電路三個(gè)部分。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.11 單相半控橋式充電機(jī)電器原理圖 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 1） 主整流電路是用兩個(gè)硅二極管、兩個(gè)可控硅元件組成的

22、單 相橋式整流電路，并由220 V單相交流電直接供電，不設(shè)置整 流變壓器， 以提高輸出直流電壓。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2） 觸發(fā)電路是典型的單結(jié)晶體管移相觸發(fā)電路。三極管V1的 基極電壓是通過控制電路來改變的。從同步變壓器 8 V一側(cè)繞 組來的交流電經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后，加在電阻器RP上，調(diào)節(jié) RP， 改變?nèi)龢O管的基極與發(fā)射極之間的電壓，達(dá)到移相調(diào)壓 的目的。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 3) 在觸發(fā)電路中，還設(shè)置了電容器C2，它的作用是，當(dāng)三極 管V1的基極發(fā)射極之間電壓升高時(shí)， V1導(dǎo)通，觸發(fā)電路的直 流電通過R3，V1向電容器C1充電。如果充電速度加快 ,電容器C1 兩端的電壓上升速度就

23、加快，輸出脈沖就提前，晶體管將提前 導(dǎo)通而使充電電壓提高。設(shè)置了電容器C2之后，可以使相位角 后移6左右，保證在充電電壓低時(shí)也能很好地觸發(fā)。 使用時(shí)，應(yīng)首先將電位器RP調(diào)到阻值最小處，接上蓄電池， 再接交流電源，指示燈亮。調(diào)節(jié)RP使輸出的直流電壓達(dá)到需要 的數(shù)值。 充電完畢后，先將電位器RP的阻值回調(diào)至最小，再切 斷交流電源， 最后卸下蓄電池。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 在使用可控硅移相調(diào)壓充電機(jī)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1） 在充電電壓低于蓄電池電動(dòng)勢一定值時(shí)，還會(huì)出 現(xiàn)充電電流，這是因?yàn)榭煽毓璩潆姍C(jī)輸出的是短脈沖電壓， 而電壓表測量的是平均電壓。 （2） 在實(shí)際充電時(shí)可控硅充電機(jī)的功率選擇應(yīng)盡可

24、能 接近實(shí)際需要的功率，以便可控硅能在較大的導(dǎo)通角下工作。 （3） 充電機(jī)輸出導(dǎo)線應(yīng)選用截面積較大的導(dǎo)線，避免 發(fā)熱損壞。一般按輸出電流的有效值來選擇線徑， 并有一定 的余量。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.3 晶閘管的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)電路 7.3.1 單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管 單結(jié)晶體管又稱為雙基極二極管，它有一個(gè)發(fā)射極和兩個(gè) 基極。圖7.12是單結(jié)晶體管的外形、結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號。 把一塊高電阻率的（輕摻雜的） N型硅片，焊接在縫寬為 0.25 mm的鍍金陶瓷片上。鍍金陶瓷片的兩個(gè)部分，即為單結(jié)晶體管 的兩個(gè)基極，分別稱為第一基極 B1和第二基極B2。在兩個(gè)基極 之間靠近B2處的N型硅片上

25、摻入P型雜質(zhì)，并引出一個(gè)鋁質(zhì)電極， 這個(gè)電極就是發(fā)射極E。于是在發(fā)射極與硅片的交界處形成一個(gè) PN結(jié)。單結(jié)晶體管的發(fā)射極與任一基極之間都存在著單向?qū)щ?性。當(dāng)發(fā)射極不與電路接通時(shí)，基極 B2和B1之間約有312 k 的電阻，單結(jié)晶體管可用圖7.13的等效電路來表示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.12 （a） 外形； (b) 結(jié)構(gòu)示意圖； （c） 圖形符號（箭頭指向第一基極） 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.13 單結(jié)晶體管的等效電路 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 單結(jié)晶體管工作時(shí)，需要在兩個(gè)基極上加電壓UBB，且B2接 正極，B1接負(fù)極。在發(fā)射極不加電壓時(shí)，r B1兩端分得的電壓為 B B B B

26、1B B B 2B1B 1B 1B U r r U rr r U? ? ? （7-7） 式中, 稱為單結(jié)晶體管的分壓比，用表示。因此 BB 1B r r BB1B UU? 分壓比是單結(jié)晶體管的一個(gè)重要參數(shù)，其值與單結(jié)晶體 管結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在 0.50.8之間。對某一單結(jié)晶體管而言， 是一常數(shù)。 （7-8） 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 在發(fā)射極E與第一基極B 1之間，加上可調(diào)的控制電壓 U E， 并使E極接可調(diào)電源的正極， B 1接負(fù)極。當(dāng) U E U B1時(shí)，PN結(jié)被 反向偏置，等效電路中的二極管截止，此時(shí)E、B 1極之間呈現(xiàn)高 電阻。當(dāng)控制電壓上升到 U E =U B1UV（UV為PN結(jié)的正向電

27、壓 降， 在室溫時(shí)UV約為0.67 V）時(shí)，PN結(jié)正向?qū)ā＿@時(shí)就有大 量的空穴由發(fā)射極的P區(qū)注入到與第一基極相連接的N區(qū)，使這 一區(qū)域的導(dǎo)電性增強(qiáng)。因而E、B1極之間的電阻突然大幅度地減 小， r B1中出現(xiàn)一個(gè)較大的脈沖電流。使 E、B1極之間由截止突 然變?yōu)閷?dǎo)通所需的控制電壓，稱為單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓，用 U P表示。 顯然， U P =U BB +U V。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 單結(jié)晶體管導(dǎo)通后，E、B1極之間的電阻急劇下降，雖然 這時(shí)IE較大，但I(xiàn)B1與r B1的乘積仍不大，A點(diǎn)的電位較低，即使 控制電壓調(diào)節(jié)到低于峰點(diǎn)電壓 UP以下，單結(jié)晶體管仍繼續(xù)導(dǎo) 通。 直到控制電壓降低到某一

28、值，使PN結(jié)再次反偏時(shí)，單結(jié) 晶體管才截止。使單結(jié)晶體管的E、B1極之間由導(dǎo)通突然變?yōu)?截止， 發(fā)射極所加的較低電壓稱為單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓， 用UV表示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 綜上所述，單結(jié)晶體管具有下列幾個(gè)重要特點(diǎn)： （1）單結(jié)晶體管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)。當(dāng)加在它控制極（即發(fā) 射極）上的電壓達(dá)到峰點(diǎn)電壓時(shí)， 單結(jié)晶體管由截止突然變 為異通。導(dǎo)通后，當(dāng)加在控制極上的電壓下降到谷點(diǎn)電壓時(shí)， 單結(jié)晶體管突然由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂?第7章 晶閘管及其應(yīng)用 （2） 不同的單結(jié)晶體管有不同的UP和UV值。同一個(gè)單結(jié) 晶體管，若所加的UBB不同，它的UP和UV也有所不同。例如型 號為BT33B的單結(jié)晶體管，若U

29、BB=20 V, 則UP12.8 V，UV3 V。 若UBB=10 V，則UP6.7 V，UV2.6 V。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 （3） 單結(jié)晶體管的發(fā)射極與第一基極的電阻r B1是一個(gè) 隨發(fā)射極電流而改變的電阻。在單結(jié)晶體管未導(dǎo)通時(shí)，發(fā)射 極電流很小，r B1是一個(gè)高電阻。導(dǎo)通后，隨著發(fā)射極電流的 增大，就有大量的空穴注入到第一基極的 N區(qū)，致使r B1急劇 下降。而r B2則是一個(gè)與發(fā)射極電流無關(guān)的電阻。所以，在單 結(jié)晶體管的等效電路中, r B1用可變電阻表示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.3.2 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 在電源接通之前，晶體管觸發(fā)電路中電容器 C上的電壓

30、u C 為零。接通電源后，它就經(jīng) R P、r向電容器充電，電容器兩端 電壓按指數(shù)曲線上升，當(dāng)u C升高到等于單結(jié)晶體管峰點(diǎn)電壓UP 時(shí)，由于電容器兩端電壓就是加在單結(jié)晶體管的發(fā)射極 E和第 一基極B 1之間的, 因而使單結(jié)晶體管導(dǎo)通，電阻 r B1就急劇減小 （約20 ），電容器向R 1放電。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.14 單結(jié)晶體管的弛張振蕩電路 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 由于R 1取得較小，放電很快，因而放電電流在 R 1上形成一 個(gè)脈沖電壓，如圖7.15所示。由于電阻R P +R 取得較大，當(dāng)電容 器的電壓下降到單結(jié)晶體管谷點(diǎn)電壓時(shí)，電源經(jīng)過電阻 R P和R 所供給的電壓小于單結(jié)晶體

31、管的谷點(diǎn)電壓，于是單結(jié)晶體管截 止。電源再次經(jīng) R P和R向電容器 C充電，重復(fù)上述過程。于是 在R 1上就形成一個(gè)接一個(gè)的觸發(fā)脈沖。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.15 （a） 周期為T時(shí)； (b) 周期為T時(shí) 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 在觸發(fā)電路中， R P +R 的值不能太小，否則在單結(jié)晶體管 導(dǎo)通之后，電源經(jīng)過R P和R所供給的電流較大，使單結(jié)晶體管 的電流不能降到谷點(diǎn)電流之下，電容器的電壓始終大于谷點(diǎn)電 壓， 造成單結(jié)晶體管不能截止的直通現(xiàn)象。選用谷點(diǎn)電流大 一些的管子，可以減少這種現(xiàn)象。 當(dāng)然，R P +R 的值也不能太 大， 否則充電太慢， 在整流的半個(gè)周期內(nèi)電容器充不到峰點(diǎn) 電壓

32、， 管子就不能導(dǎo)通。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 為了可靠地觸發(fā)晶閘管，通常要求觸發(fā)脈沖的功率為 0.52 W，電壓幅值為410 V，寬度在10 s以上。單結(jié)晶 體管觸發(fā)電路輸出的脈沖電壓的寬度，主要取決于電容器放電 的時(shí)間常數(shù)=RC。如選用C=0.11 F，R150100 ，就 可得到數(shù)十微秒的脈沖寬度。脈沖電壓的幅度決定于直流電源 電壓和單結(jié)晶體管的分壓比。如電源電壓為 20 V，單結(jié)晶體管 的分壓比為0.5，則在單結(jié)晶體管導(dǎo)通時(shí)，電容器上的電壓為 10 V，除去管壓降外，在R1上可獲得幅度為78 V的輸出脈沖 電壓，符合晶閘管的觸發(fā)要求。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 觸發(fā)電路中的 R 2是作溫度

33、補(bǔ)償用的。因?yàn)樵诜妩c(diǎn)電壓 U P =U BB +U V的式中，分壓比 不隨溫度變化，而U V則隨溫度 的上升而下降，所以峰點(diǎn)電壓也隨溫度的上升而下降。這就 引起觸發(fā)電路的工作不穩(wěn)定。當(dāng)接入 R 2后，UBB是由穩(wěn)壓電源 的電壓U經(jīng)R 2、RBB、R1分壓而得的，而阻值 R BB隨溫度上升而 增大正溫度系數(shù)，因此在溫度上升后，R BB 增大，電流 IB =U/(R 2 +R BB +R 1)就減小，在R2和R1上壓降也減小, UBB就增大 一些，于是補(bǔ)償了UV因溫度上升而下降的值，從而使峰點(diǎn)電 壓UP保持不變。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.3.3 觸發(fā)電路與主電路的連接 圖7.16所示為全波橋式

34、可控整流電路，觸發(fā)脈沖是由單 結(jié)晶體管振蕩電路產(chǎn)生的。電路元件的作用簡述如下。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.16 觸發(fā)電路與主電路的連接 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 1） 負(fù)載R L所在的電路稱為主電路，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的是觸發(fā)電 路。由于兩種電路所要求的電壓往往不同，故采用變壓器 Tr。 Tr的另一個(gè)重要作用是使u 1、u2同相，從而使觸發(fā)電路的過零 時(shí)刻與主電路的過零時(shí)刻保持一致， 即所謂“同步”。 圖7.17為主電路和觸發(fā)電路的電壓波形。由圖可以看出， 晶閘管VT1和VT2分別在每個(gè)周期中第一個(gè)尖脈沖電壓到來時(shí) 導(dǎo)通， 它們的控制角不變，即 1 = 2。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.17 觸

35、發(fā)電路和主電路的電壓波形 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2） 穩(wěn)壓管VDZ的作用是削波穩(wěn)壓 ,即把電壓uo的頂部削掉， 使uo穩(wěn)定在U2,并使波形變成梯形波，如圖 7.17所示。這樣， 當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，單結(jié)晶體管輸出脈沖的幅度以及每半周中 產(chǎn)生的第一個(gè)脈沖（后面的脈沖與觸發(fā)無關(guān)）的時(shí)間不受影響。 同時(shí)， 削波以后可以增大移相范圍和降低單結(jié)晶體管所承受 的峰值電壓。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 3） 電位器R P的電阻值與電容 C的充電時(shí)間有關(guān)。例如，當(dāng)R P 的數(shù)值增大時(shí)，電容電壓u C上升慢，半個(gè)周期中第一個(gè)尖脈沖 來得遲，控制角加大，導(dǎo)通角減小，電壓u L的平均值就小， 因此R P是調(diào)壓電位器。

36、第7章 晶閘管及其應(yīng)用 4） 電阻R 2的作用是補(bǔ)償溫度變化對單結(jié)晶體管峰值電壓 U P的 影響。當(dāng)溫度升高時(shí)，結(jié)電壓UD略有減小，但單結(jié)晶體管的電 阻R BB隨溫度升高而略有增大。串聯(lián)電阻 R 2以后，若 R BB增大， 按照分壓原理， U BB 隨之增大，因此 U BB的增大補(bǔ)償了 U D的減 小， 使UP基本穩(wěn)定。R 2一般取200600 。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.4 晶閘管的保護(hù)晶閘管的保護(hù) 晶閘管的熱容量很小， 一旦發(fā)生過電流，溫度就會(huì)急劇 上升而導(dǎo)致PN結(jié)燒壞。晶閘管發(fā)生過電流的原因主要有：負(fù) 載兩端短接或過載；某個(gè)晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的 過電流；觸發(fā)電路工作的不正

37、?；蚴芨蓴_，使晶閘管誤觸發(fā)而 引起過電流等等。表7-1 為KP系列晶閘管在風(fēng)冷條件下所容許 的過電流倍數(shù)和過載時(shí)間的關(guān)系。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 表7-1 晶閘管的過載特性 過載時(shí)間 0.02s 5s 5min KP10 5 2 1.25 KP20 5 2 1.25 KP50 5 2 1.25 KP100 4.5 2 1.25 過 載 電 流 倍 數(shù) KP200 4.5 2 1.25 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 1.快速熔斷器 快速熔斷器 普通熔斷器由于熔斷時(shí)間長，用來保護(hù)晶閘管很可能在晶 閘管已燒壞但熔斷器還沒有融斷時(shí)，這樣就起不了保護(hù)作用。 因此，晶閘管的保護(hù)必須采用專門的快速熔斷器?？焖偃?/p>

38、斷器 的內(nèi)部裝有銀質(zhì)熔絲或熔斷片。由于銀質(zhì)熔絲的導(dǎo)熱性好， 熱容量小，它與普通的熔絲相比，在相同的過電流倍數(shù)下， 它的熔斷時(shí)間要短得多。以 RS3型快速熔斷器為例，當(dāng)熔絲通 過5倍的額定電流時(shí)，其熔斷時(shí)間小于0.02 s。所以，只要選擇 正確，當(dāng)電路中出現(xiàn)過電流時(shí)，銀質(zhì)熔絲就可能在晶閘管損壞 之前已被熔斷， 起到保護(hù)作用。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.18 快速熔斷器的接入方式 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 快速熔斷器的接入方式有三種（見圖7.18）： （1） 接在輸出（負(fù)載）端。這種接法對輸出回路的過載 或短路起保護(hù)作用，但對元件本身故障引起的過電流不起保 護(hù)作用。 （2）與元件串聯(lián)。這種接法可

39、以對元件本身的故障進(jìn)行 保護(hù)。 （3） 接在交流輸入端。這種接法可以同時(shí)對輸出端短路 和元件短路實(shí)行保護(hù)，但是熔斷器熔斷后，不能立即判斷是什 么故障。 以上三種接法中，前兩種接法一般需要同時(shí)采用；對有些 電路，甚至三種接法需同時(shí)采用。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 必須指出，熔絲的額定電流是按有效值計(jì)算的，而晶閘管 的額定電流是按平均值計(jì)算的。由于工頻半波正弦電流（ 180）的有效值是其平均值的 1.57倍，所以額定正向平均電 流為10 A的晶閘管， 可以通過15 A的直流電流。因此，IF10 A的晶閘管應(yīng)選配15 A的快速熔絲來保護(hù)。 快速熔斷器的型號有RLS、 RS3等幾種。 第7章 晶閘管及其

40、應(yīng)用 2. 過電流繼電器 在輸出端（直流側(cè)）裝直流過電流繼電器，或在輸入端 （交流側(cè)）經(jīng)電流互感器接入較靈敏的過電流繼電器，都可 在發(fā)生過電流故障時(shí)起保護(hù)作用。這種保護(hù)措施對過載是有 效的，但是在發(fā)生短路故障時(shí)， 由于過電流繼電器的動(dòng)作時(shí) 間較長，故對元件不能實(shí)現(xiàn)有效保護(hù)。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 7.4.2 晶閘管的過電壓保護(hù)晶閘管的過電壓保護(hù) 1. 1） 阻容吸收元件可以并聯(lián)在整流裝置的交流側(cè)（輸入端）、 直流側(cè)（輸出端）或元件側(cè)，如圖7.19所示。 阻容保護(hù)是利用電容器吸收過電壓，即實(shí)質(zhì)就是將造成電 壓的能量變成電場能量儲(chǔ)存到電容器中，然后釋放到電阻中消 耗掉。 這是過電壓保護(hù)的基本方法。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 圖7.19 阻容吸收元件與硒堆保護(hù) 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2) 硒堆XR（硒整流片）是一種非線性電阻元件，具有較陡的 反向特性。 當(dāng)硒堆上電壓超過某一數(shù)值后，它的電阻迅速減 小，而且可以通過較大的電流，把過電壓能量消耗在非線性電 阻上而硒堆并不損壞。硒堆可以單獨(dú)使用，也可以和阻容元 件并聯(lián)使用， 如圖7.19所示。 第7章 晶閘管及其應(yīng)用 2.晶閘管過電壓保護(hù)的實(shí)例 晶閘管過電壓保護(hù)的實(shí)例 圖7.20所示是