第X章晶閘管電路及其應(yīng)用

1、1第五章第五章 晶閘管電路及其應(yīng)用晶閘管電路及其應(yīng)用 第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管晶閘管 第二節(jié)第二節(jié) 單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路 第三節(jié)第三節(jié) 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 第四節(jié)第四節(jié) 晶閘管的串并聯(lián)及其保護(hù)晶閘管的串并聯(lián)及其保護(hù)2第一節(jié)第一節(jié) 晶閘管晶閘管 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 工作原理工作原理 伏安特性伏安特性 主要參數(shù)主要參數(shù)3 晶閘管又稱可控硅（晶閘管又稱可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是）是一種一種大功率半導(dǎo)體器大功率半導(dǎo)體器件，它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到件，它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。強(qiáng)電領(lǐng)域。 晶閘管具有晶閘管具有

2、體積小、重量輕、無(wú)噪聲、壽體積小、重量輕、無(wú)噪聲、壽命長(zhǎng)、命長(zhǎng)、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）等特點(diǎn)。壓達(dá)數(shù)千伏）等特點(diǎn)。4螺旋式結(jié)構(gòu)螺旋式結(jié)構(gòu)平板式結(jié)構(gòu)平板式結(jié)構(gòu)5一、基本結(jié)構(gòu)一、基本結(jié)構(gòu)P1P2N1N2四四 層層 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體K（陰極）（陰極）G（控制極）（控制極）A（陽(yáng)極）（陽(yáng)極）三三 個(gè)個(gè) PN結(jié)結(jié)AKG符號(hào)符號(hào)6晶閘管不導(dǎo)通晶閘管不導(dǎo)通 無(wú)論控制極無(wú)論控制極G與陰極與陰極K之間是否加有電壓，晶閘之間是否加有電壓，晶閘管均不能導(dǎo)通。管均不能導(dǎo)通。二、工作原理二、工作原理P1P2N1N2N1P2AGK 控制極控制極G和陰極和陰極K之

3、間不加正之間不加正向電壓向電壓 陽(yáng)極陽(yáng)極A和陰極和陰極K加反向電壓加反向電壓反偏反偏反偏反偏 陽(yáng)極陽(yáng)極A和陰極和陰極K加正向電壓加正向電壓正偏正偏正偏正偏反偏反偏 控制極控制極G和陰極和陰極K之間加正向之間加正向電壓電壓 正向電壓足夠大時(shí)，三個(gè)正向電壓足夠大時(shí)，三個(gè)PN結(jié)都正偏，晶閘管導(dǎo)通。結(jié)都正偏，晶閘管導(dǎo)通。KAGVT1VT27KAGVT1VT2RLUGUAIG2IG2IG1正反饋正反饋 兩個(gè)晶體管進(jìn)兩個(gè)晶體管進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。 晶閘管導(dǎo)通后，晶閘管導(dǎo)通后， UAK0.61.2VC22GII C112B212G III 此時(shí)即使去掉控此時(shí)即使去掉控制極與陰極之間的制極與陰極

4、之間的電壓，由于本身的電壓，由于本身的正反饋?zhàn)饔镁чl管正反饋?zhàn)饔镁чl管仍能維持導(dǎo)通。仍能維持導(dǎo)通。控制極電壓控制極電壓UG的作用僅的作用僅僅是觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通僅是觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通 8晶閘管的晶閘管的導(dǎo)通條件導(dǎo)通條件為：為：陽(yáng)極和陰極間加正向電壓。陽(yáng)極和陰極間加正向電壓?？刂茦O和陰極間加正向觸發(fā)電壓?？刂茦O和陰極間加正向觸發(fā)電壓。陽(yáng)極電流不小于維持電流。陽(yáng)極電流不小于維持電流。陽(yáng)極陽(yáng)極A加反向電壓，或不加觸發(fā)信號(hào)。加反向電壓，或不加觸發(fā)信號(hào)。晶閘管正向?qū)ê螅袅钇潢P(guān)斷，必須減小晶閘管正向?qū)ê螅袅钇潢P(guān)斷，必須減小UA（或使（或使UA反向），使晶閘管中電流小于維反向），使晶閘管中電流小于維持電

5、流。持電流。晶閘管的晶閘管的截止條件截止條件為：為：9UAKIAIHINIG=0UBO導(dǎo)通導(dǎo)通URO三、伏安特性三、伏安特性UIG1IG2IG增加增加導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓1V左右左右正向折正向折轉(zhuǎn)電壓轉(zhuǎn)電壓反向擊反向擊穿電壓穿電壓O10四、主要參數(shù)四、主要參數(shù) 通態(tài)平均電流通態(tài)平均電流IF：允許通過(guò)晶閘管陽(yáng)極的：允許通過(guò)晶閘管陽(yáng)極的工頻頻率正弦波半波電流的平均值。工頻頻率正弦波半波電流的平均值。 維持電流維持電流IH：在控制極開(kāi)路的情況下，晶：在控制極開(kāi)路的情況下，晶閘管維持導(dǎo)通時(shí)的最小陽(yáng)極電流。正向電流閘管維持導(dǎo)通時(shí)的最小陽(yáng)極電流。正向電流小于小于IH時(shí)，管子自動(dòng)阻斷。時(shí)，管子自動(dòng)阻斷。 觸發(fā)電

6、壓觸發(fā)電壓UG和觸發(fā)電流和觸發(fā)電流IG：晶閘管從阻斷：晶閘管從阻斷到完全導(dǎo)通所需要的最小的控制極直流電壓到完全導(dǎo)通所需要的最小的控制極直流電壓和電流。和電流。11 正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM：控制極開(kāi)路：控制極開(kāi)路的條件下，允許重復(fù)作用在晶閘管上的最大正的條件下，允許重復(fù)作用在晶閘管上的最大正向電壓。一般情況下向電壓。一般情況下UDRM UBO80%。 反向重復(fù)峰值電壓反向重復(fù)峰值電壓URRM ：控制極開(kāi)路的條：控制極開(kāi)路的條件下，允許重復(fù)作用在晶閘管上的最大反向電件下，允許重復(fù)作用在晶閘管上的最大反向電壓。一般情況下壓。一般情況下URRM UBO80%。 額定電壓額定電

7、壓UD：?。喝DRM和和URRM 中較小的一中較小的一個(gè)數(shù)值標(biāo)為器件的額定電壓。個(gè)數(shù)值標(biāo)為器件的額定電壓。12 通態(tài)平均電壓（管壓降）通態(tài)平均電壓（管壓降）UT(AV）:當(dāng)當(dāng)元件流過(guò)元件流過(guò)正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)定的額定結(jié)溫正弦半波的額定電流平均值和穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)，元件陽(yáng)極與陰極之間電壓降的平均值稱為時(shí)，元件陽(yáng)極與陰極之間電壓降的平均值稱為管壓降管壓降UT(AV） 。 管壓降越小，表明元件耗散功率越小，管子管壓降越小，表明元件耗散功率越小，管子質(zhì)量越好。質(zhì)量越好。13普通晶閘管型號(hào)命名普通晶閘管型號(hào)命名例如，例如，KP200KP2005E5E，表示該元件額定電流為，表示該元件額定電流

8、為200A200A，額定電壓為，額定電壓為500V500V，管壓降為，管壓降為0.70.70.8V0.8V的普通晶閘管。的普通晶閘管。14第二節(jié)第二節(jié) 單向橋式半控整流電路單向橋式半控整流電路 電阻性負(fù)載橋式可控整流電路電阻性負(fù)載橋式可控整流電路 電感性負(fù)載橋式可控整流電路電感性負(fù)載橋式可控整流電路15電爐、電焊及白熾燈等均屬于電阻性負(fù)載。電電爐、電焊及白熾燈等均屬于電阻性負(fù)載。電阻性負(fù)載的特點(diǎn)是：負(fù)載兩端電壓波形和流過(guò)阻性負(fù)載的特點(diǎn)是：負(fù)載兩端電壓波形和流過(guò)的電流波形相似，其電流、電壓均允許突變。的電流波形相似，其電流、電壓均允許突變。電阻性負(fù)載電阻性負(fù)載1617屬于此類負(fù)載的，工業(yè)上如電動(dòng)

9、機(jī)的勵(lì)磁線圈、屬于此類負(fù)載的，工業(yè)上如電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁線圈、輸出串接平波電抗器（輸出串接平波電抗器（Filter Reacter）的負(fù)載）的負(fù)載等。電感性負(fù)載不同于電阻性負(fù)載，為了便于等。電感性負(fù)載不同于電阻性負(fù)載，為了便于分析，通常電阻與電感分開(kāi)。分析，通常電阻與電感分開(kāi)。電感性負(fù)載電感性負(fù)載1819為了使為了使 過(guò)零變負(fù)時(shí)能過(guò)零變負(fù)時(shí)能及時(shí)地關(guān)斷晶閘管，使及時(shí)地關(guān)斷晶閘管，使 波形不出現(xiàn)負(fù)值，又能給波形不出現(xiàn)負(fù)值，又能給電感線圈電感線圈 提供續(xù)流的提供續(xù)流的旁路，可以在整流輸出端旁路，可以在整流輸出端并聯(lián)二極管如圖所示。由并聯(lián)二極管如圖所示。由于該二極管是為電感負(fù)載于該二極管是為電感負(fù)載在晶閘

10、管關(guān)斷時(shí)提供續(xù)流在晶閘管關(guān)斷時(shí)提供續(xù)流回路，故將此二極管簡(jiǎn)稱回路，故將此二極管簡(jiǎn)稱續(xù)流管，用續(xù)流管，用VD表示。表示。2ududL20一、電阻性負(fù)載橋式可控整流電路一、電阻性負(fù)載橋式可控整流電路VH1VH2VD1VD2RLuou1. 電路分析電路分析u正半周正半周() a() b()電流方向電流方向L12abVHVDR 負(fù)半周負(fù)半周() a() b()L21baVHVDRab觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖uG引入控制極引入控制極VH1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD2導(dǎo)通導(dǎo)通uouVH2導(dǎo)通、導(dǎo)通、VD1導(dǎo)通導(dǎo)通+uou+212. 工作波形工作波形tutuGtuot uVT1 OOOO23223. 參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算o1=2

11、sind()UUtt 1cos0.92U 整流輸出電壓平均值整流輸出電壓平均值 輸出電流平均值輸出電流平均值ooLL1 cos 0.92UUIRR 2U二極管和晶閘管承受的最高反相電壓為二極管和晶閘管承受的最高反相電壓為23二、電感性負(fù)載橋式可控整流電路二、電感性負(fù)載橋式可控整流電路uVH1VH2VD1VD2VD3uoRLL 加續(xù)流二極加續(xù)流二極管管VD3后電路工后電路工作情況以及負(fù)載作情況以及負(fù)載上電壓和電阻性上電壓和電阻性負(fù)載類似。負(fù)載類似。 整流器件不導(dǎo)通時(shí)，由于電感儲(chǔ)能，經(jīng)續(xù)流整流器件不導(dǎo)通時(shí)，由于電感儲(chǔ)能，經(jīng)續(xù)流二極管，負(fù)載上的電流仍然存在。二極管，負(fù)載上的電流仍然存在。 感性負(fù)載上

12、的電流接近水平的直線。感性負(fù)載上的電流接近水平的直線。24第三節(jié)第三節(jié) 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 單結(jié)晶體管觸發(fā)電路單結(jié)晶體管觸發(fā)電路 集成觸發(fā)電路集成觸發(fā)電路25一、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路一、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的條件：晶閘管由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通的條件： 在陽(yáng)極和陰極間加上正向電壓在陽(yáng)極和陰極間加上正向電壓 在控制極和陰極間加上觸發(fā)信號(hào)在控制極和陰極間加上觸發(fā)信號(hào) 觸發(fā)信號(hào)的要求：觸發(fā)信號(hào)的要求： 觸發(fā)脈沖要有足夠的功率觸發(fā)脈沖要有足夠的功率 觸發(fā)脈沖要有一定的寬度觸發(fā)脈沖要有一定的寬度 觸發(fā)脈沖必須與主電路同步觸發(fā)脈沖必須與主電路同步 觸發(fā)脈沖要有一定的相移范圍觸發(fā)脈沖要有一定的相移范圍2

13、61. 單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)和特性b2（第二基極第二基極）b1（第一基極第一基極）NPPN結(jié)結(jié)e (發(fā)射極發(fā)射極)eb2b1結(jié)結(jié) 構(gòu)構(gòu)符符 號(hào)號(hào)27ieueUVUPIVIPO單結(jié)晶體管的伏安特性單結(jié)晶體管的伏安特性eb2b1ueUbbieb1接負(fù)接負(fù)、b2接接正正 e與與b1間呈高阻態(tài)間呈高阻態(tài) 當(dāng)當(dāng)ueUbb時(shí)時(shí) e與與b1間呈低阻態(tài)間呈低阻態(tài)28UV、IV - 谷點(diǎn)電壓、電流谷點(diǎn)電壓、電流維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。 UP 、IP - 峰點(diǎn)電壓、電流峰點(diǎn)電壓、電流 單結(jié)管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。單結(jié)管由截止變導(dǎo)通所需發(fā)射極電壓。 u

14、EUP 時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通292. 單結(jié)晶體管的弛張振蕩電路單結(jié)晶體管的弛張振蕩電路tuR1UVUPRR1CEuCuR1eb1b2uCtOO30u1u2uZuCR2RRfxR1RWuWC3. 同步振蕩電路同步振蕩電路整流整流 削波削波 弛張振弛張振蕩電路蕩電路觸發(fā)觸發(fā)脈沖脈沖31u2uZUZuWuR1TOOOtttuC 改變電容改變電容C的充放電速度的充放電速度,可以改觸發(fā)變可以改觸發(fā)變脈沖周期脈沖周期T。32第四節(jié)第四節(jié) 晶閘管的串并聯(lián)及其保護(hù)晶閘管的串并聯(lián)及其保護(hù) 晶閘管的串并聯(lián)晶閘管的串并聯(lián) 晶閘管的過(guò)載保護(hù)電路晶閘管的過(guò)載保護(hù)電路33一、晶閘管的串、并聯(lián)一、晶閘管的串、并聯(lián)1.

15、晶閘管的并聯(lián)應(yīng)用晶閘管的并聯(lián)應(yīng)用 晶閘管并聯(lián)可以分流。晶閘管并聯(lián)可以分流。VH1VH2RR 串電阻均流串電阻均流 電路簡(jiǎn)單，但電阻消耗電路簡(jiǎn)單，但電阻消耗功率，對(duì)動(dòng)態(tài)均流不起作功率，對(duì)動(dòng)態(tài)均流不起作用，只適用于小功率。用，只適用于小功率。34 串電抗均流串電抗均流VH1VH2 對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均流都對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)均流都起作用。起作用。 晶閘管不宜直接并聯(lián)，晶閘管不宜直接并聯(lián)，因特性不同容易造成分流因特性不同容易造成分流不均，從而燒壞器件。不均，從而燒壞器件。352. 晶閘管的串聯(lián)應(yīng)用晶閘管的串聯(lián)應(yīng)用 晶閘管串聯(lián)可以分壓。晶閘管串聯(lián)可以分壓。 晶閘管不宜直接串聯(lián)，因特性不同容易晶閘管不宜直接串聯(lián)，因特

16、性不同容易造成分壓不均，從而擊穿器件。造成分壓不均，從而擊穿器件。 通常在晶閘管通常在晶閘管兩端并聯(lián)電阻和阻兩端并聯(lián)電阻和阻容器件。容器件。36二、晶閘管的過(guò)載保護(hù)二、晶閘管的過(guò)載保護(hù)晶閘管的主要缺點(diǎn)：過(guò)電流、過(guò)電壓能力很差。晶閘管的主要缺點(diǎn)：過(guò)電流、過(guò)電壓能力很差。1. 晶閘管的過(guò)電流保護(hù)晶閘管的過(guò)電流保護(hù)晶閘管產(chǎn)生過(guò)流的原因晶閘管產(chǎn)生過(guò)流的原因: 負(fù)載短路或過(guò)載負(fù)載短路或過(guò)載 電路中某一晶閘管擊穿或短路，造成其電路中某一晶閘管擊穿或短路，造成其它器件過(guò)流它器件過(guò)流 觸發(fā)電路不正常觸發(fā)電路不正常37 設(shè)置快速熔斷器設(shè)置快速熔斷器 FURFUFU 在輸出端設(shè)置過(guò)流繼電器及快速開(kāi)關(guān)在輸出端設(shè)置過(guò)流繼電器及快速開(kāi)關(guān) 整流觸發(fā)脈沖相移保護(hù)整流觸發(fā)脈沖相移保護(hù) 利用過(guò)電流的信號(hào)，把觸發(fā)脈沖移后，從利用過(guò)電流的信號(hào)，把觸發(fā)脈沖移后，從而減小晶閘管的而減小晶閘管的 導(dǎo)通角或停止觸發(fā)。導(dǎo)通角或停止觸