可控硅工作原理及應(yīng)用

1、(10-1)電子技術(shù)電子技術(shù)第十章第十章 晶閘管及其晶閘管及其應(yīng)用應(yīng)用模擬電路部分模擬電路部分(10-2)第十章第十章 晶閘管及其應(yīng)用晶閘管及其應(yīng)用10.1 工作原理工作原理10.2 特性與參數(shù)特性與參數(shù)10.3 可控整流電路可控整流電路10.4 觸發(fā)電路觸發(fā)電路10.5 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路10.6 晶閘管的其它應(yīng)用晶閘管的其它應(yīng)用10.7 晶閘管的保護及其它類型晶閘管的保護及其它類型(10-3)別名：別名：可控硅（可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一種是一種大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于70年代。它年

2、代。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴展到強電領(lǐng)域。域。 特點：特點：體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、 容量大（正容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 整流（交流整流（交流 直流）直流） 逆變（直流逆變（直流 交流）交流） 變頻（交流變頻（交流 交流）交流） 斬波（直流斬波（直流 直流）直流）此外還可作無觸點開關(guān)等。此外還可作無觸點開關(guān)等。晶閘管晶閘管（Thyristor）(10-4)10.1 工作原理工作原理10.1.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)A（陽極）（陽極）P1P

3、2N1三三 個個 PN結(jié)結(jié)N2四四 層層 半半 導(dǎo)導(dǎo) 體體K（陰極）（陰極）G（控制極）（控制極）(10-5)符號符號AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK10.1.2 工作原理工作原理示意圖示意圖(10-6)APPNNNPGKigigigKAGT1T2等效為由二個等效為由二個三極管組成三極管組成(10-7)1. UAK 0 、UGK0時時T1導(dǎo)通導(dǎo)通ig = ib1ic1 = ig = ib2ic2 =ib2 = ig = ib1T2 導(dǎo)通導(dǎo)通形成正反饋形成正反饋晶閘管迅速導(dǎo)通晶閘管迅速導(dǎo)通T1 進(jìn)一步導(dǎo)通進(jìn)一步導(dǎo)通igigigKAGT1T22. 晶閘管導(dǎo)通后，去掉晶閘管導(dǎo)通后，去掉

4、UGK依靠正反饋，晶閘管仍維持導(dǎo)通狀態(tài)。依靠正反饋，晶閘管仍維持導(dǎo)通狀態(tài)。(10-8)(1) 晶閘管開始工作時晶閘管開始工作時 ，UAK加加反向電壓，反向電壓，或不加觸發(fā)信號或不加觸發(fā)信號（即（即UGK = 0 ）。）。3. 晶閘管截止的條件：晶閘管截止的條件：(2) 晶閘管正向?qū)ê?，令其截止晶閘管正向?qū)ê螅钇浣刂沟姆椒ǎ旱姆椒ǎ篿gigigKAGT1T2 減小減小UAK，使晶閘管中電流小，使晶閘管中電流小于某一值于某一值IH。 加大回路電阻，使晶閘管中電加大回路電阻，使晶閘管中電流小于某一值流小于某一值IH時，正反饋效時，正反饋效應(yīng)不能維持。應(yīng)不能維持。IH：最小維持電流：最小維持電流

5、(10-9)（1）晶閘管具有單向?qū)щ娦?。）晶閘管具有單向?qū)щ娦?。若使其關(guān)斷，必須降低若使其關(guān)斷，必須降低 UAK 或加或加大回路電阻，把陽極電流減小到大回路電阻，把陽極電流減小到維持電流以下。維持電流以下。正向?qū)l件：正向?qū)l件：A、K間加正向電間加正向電壓，壓，G、K間加觸發(fā)信號。間加觸發(fā)信號。晶閘管的工作原理小結(jié)晶閘管的工作原理小結(jié)（2）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極失去作用。）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極失去作用。(10-10)10.2 特性與參數(shù)特性與參數(shù)10.2.1 特性特性UIURRMIHUDRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1正向正向反向反向U - 陽極、陰極間的電壓陽極、陰

6、極間的電壓 I - 陽極電流陽極電流URSM反向擊穿電壓反向擊穿電壓導(dǎo)通后管壓降約導(dǎo)通后管壓降約1V額定正向額定正向平均電流平均電流維持電流維持電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓正向轉(zhuǎn)折電壓(10-11)正向特性：正向特性： 在陽極和陰極間加正向電壓。在陽極和陰極間加正向電壓。UDSM：斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓：斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，又稱正向，又稱正向轉(zhuǎn)折電壓。轉(zhuǎn)折電壓。隨隨UAK的加大，陽極電流逐漸增加。當(dāng)?shù)募哟?，陽極電流逐漸增加。當(dāng)U = UDSM時，時，PN結(jié)結(jié)N1P2反向極擊穿，反向極擊穿，晶閘管自動導(dǎo)通。正常工作時，晶閘管自動導(dǎo)通。正常工作時， UAK應(yīng)小于應(yīng)小于 UDSM 。AP1P2N1N2KG若

7、在若在G和和K間加正向電壓：間加正向電壓：UGK越大，則越大，則UDSM越小。越小。控制極開路時：控制極開路時： PN結(jié)結(jié)P1N1、P2N2正向偏正向偏置，置，N1P2反向偏置，晶閘管截止。反向偏置，晶閘管截止。UGK足夠大時，正向特性與二極管的正向特性類似。足夠大時，正向特性與二極管的正向特性類似。(10-12)隨反向電壓的增加，反向漏電流隨反向電壓的增加，反向漏電流稍有增加，當(dāng)稍有增加，當(dāng) U = URSM 時，反向時，反向極擊穿。正常工作時，反向電壓極擊穿。正常工作時，反向電壓必須小于必須小于URSM。AP1P2N1N2KG反向特性：反向特性： 在陽極和陰極間加反向電壓。在陽極和陰極間加

8、反向電壓。這時這時PN結(jié)結(jié)P1N1、P2N2反向偏置，反向偏置，N1P2正向偏置，晶閘管截止。正向偏置，晶閘管截止。URSM ：反向不重復(fù)峰值電壓。：反向不重復(fù)峰值電壓。(10-13)1. UDRM：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓晶閘管耐壓值。一般取晶閘管耐壓值。一般取 UDRM = 80% UDSM 。普通晶閘管普通晶閘管UDRM 為為 100V-3000V10.2.2 主要參數(shù)主要參數(shù)UIIHIF額定額定正向正向平均平均電流電流UDSM正向轉(zhuǎn)折正向轉(zhuǎn)折電壓電壓URSM反向擊穿電壓反向擊穿電壓UDRM(10-14)控制極斷路時，可以重復(fù)作用在晶閘管上的反控制極斷路時，可以重復(fù)作用在晶閘管

9、上的反向重復(fù)電壓。一般取向重復(fù)電壓。一般取URRM = 80% URSM。普通晶。普通晶閘管閘管URRM為為100V-3000V）2. URRM：反向重復(fù)峰值電壓：反向重復(fù)峰值電壓UIIHIF額定額定正向正向平均平均電流電流UDSM正向轉(zhuǎn)折正向轉(zhuǎn)折電壓電壓URSM反向擊穿電壓反向擊穿電壓UDRMURRM(10-15)ITAV含義含義it 2 ITAVmmTAVIttdII0)(sin21 3. ITAV：通態(tài)平均電流：通態(tài)平均電流環(huán)境溫度為環(huán)境溫度為40。C時時,在在 電阻性負(fù)載、單相工頻電阻性負(fù)載、單相工頻 正弦半波、導(dǎo)電角不小于正弦半波、導(dǎo)電角不小于170o的電路中，晶閘管的電路中，晶閘管

10、允許的最大通態(tài)平均電流。普通晶閘管允許的最大通態(tài)平均電流。普通晶閘管 ITAV 為為1A-1000A。）。）(10-16)額定通態(tài)平均電流即正向平均電流。額定通態(tài)平均電流即正向平均電流。通用系列為：通用系列為：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等等14種規(guī)格。種規(guī)格。UIIHIF額定額定正向正向平均平均電流電流UDSM正向轉(zhuǎn)折正向轉(zhuǎn)折電壓電壓URSM反向擊穿電壓反向擊穿電壓UDRMURRM(10-17)4. UTAV ：通態(tài)平均電壓：通態(tài)平均電壓6. UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流：控制極觸發(fā)電壓和電流管壓降。在規(guī)定的條件下，通

11、過正弦半波平均管壓降。在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、電流時，晶閘管陽、 陰兩極間的電壓平均值。陰兩極間的電壓平均值。一般為一般為1V左右。左右。5. IH：最小維持電流：最小維持電流在室溫下，控制極開路、晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，在室溫下，控制極開路、晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般為幾十維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般為幾十到一百多毫安。到一百多毫安。在室溫下，在室溫下， 陽極電壓為直流陽極電壓為直流 6V 時，使晶閘管完時，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。一。一般般UG為為 15V，IG 為幾十

12、到幾百毫安。為幾十到幾百毫安。(10-18)晶閘管型號晶閘管型號通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（UTAV）額定電壓級別（額定電壓級別（UDRM）額定通態(tài)平均電流額定通態(tài)平均電流（ITAV）晶閘管類型晶閘管類型P-普通晶閘管普通晶閘管K-快速晶閘管快速晶閘管S -雙向晶閘管雙向晶閘管晶閘管晶閘管K(10-19)晶閘管電壓、電流級別：晶閘管電壓、電流級別：額定通態(tài)電流（額定通態(tài)電流（ITAV）通用系列為）通用系列為1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等等14種規(guī)格。種規(guī)格。額定電壓（額定電壓（UDRM）通用系列為：）通用系列為：1000V以

13、下的每以下的每100V為一級，為一級，1000V到到3000V的的每每200V 為一級。為一級。通態(tài)平均電壓（通態(tài)平均電壓（UTAV）等級一般用）等級一般用 A I字母表示：字母表示：由由 0.4 1. 2V每每 0.1V 為一級。為一級。(10-20)10.3 可控整流電路可控整流電路10.3.1 單相半波可控整流電路單相半波可控整流電路一、電阻性負(fù)載一、電阻性負(fù)載1. 電路及工作原理電路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG(10-21)2. 工作波形工作波形(設(shè)設(shè)u1為正弦波為正弦波)tu2tuGtuLtuT ：控制角：控制角 ：導(dǎo)通角：導(dǎo)通角u2 0 時，加上觸時，加上觸發(fā)電壓發(fā)電壓

14、 uG ，晶閘，晶閘管導(dǎo)通管導(dǎo)通 。且。且 uL 的大小隨的大小隨 uG 加入加入的早晚而變化；的早晚而變化； u2 R 時，時， ILAV 在整在整個周期中可近似看做直流。個周期中可近似看做直流。(2) 晶閘管的中電流晶閘管的中電流0221tdIILAVTLAVI360平均值平均值:有效值有效值:LAVTAVII360(10-35)4. 晶閘管的選擇晶閘管的選擇晶閘管電壓晶閘管電壓 （1.5 2）U2M晶閘管電流晶閘管電流 （1.5）57. 1TI(10-36)10.3.2 單相全波可控整流電路單相全波可控整流電路一、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1. 電路及工作原

15、理電路及工作原理T1、T2 -晶閘管晶閘管D1、D2 -晶體管晶體管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uG(10-37)2. 工作波形工作波形tu2tuGtuLt uT1T1T2D1D2RLuLu2AB+-(10-38)3. 輸出電壓及電流的平均值輸出電壓及電流的平均值)(12tduULAV)(sin212ttdULLAVLAVRUI2cos19.02U(10-39)例：例：橋式可控整流電路中，橋式可控整流電路中，U2=220V，RL=3 ,可控硅可控硅控制角控制角 =15180 ，求輸，求輸出電壓平均值出電壓平均值UL的調(diào)節(jié)范的調(diào)節(jié)范圍，以及可控硅（包括二圍，以及可控硅（包括二極管）的電流

16、平均值的最極管）的電流平均值的最大值和承受的最大反向電大值和承受的最大反向電壓。壓。T1T2D1D2RLuLu2AB+-=191V， =15 =0V， =180 =191/3=64A承受的最高反向電壓承受的最高反向電壓:2cos19 . 02UULAVLLAVLAVRUIV31122UUDRM(10-40)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該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負(fù)載上的該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負(fù)載上的電流、電壓和電阻性負(fù)載類似，請自行分析。電流、電壓和電阻性負(fù)載類似，請自行分析。u2T1T2D1D2DuLRL(10-41)兩種常用可控整流電路

17、的特點兩種常用可控整流電路的特點電路電路特點特點1. 該電路只用一只晶閘管，且其該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。上無反向電壓。2. 晶閘管和負(fù)載上的電流相同。晶閘管和負(fù)載上的電流相同。電路一：電路一：u2TD2D1D4uLRLD3(10-42)T1T2D1D2u2uLRL電路電路特點特點1. 該電路接入電感性負(fù)載時，該電路接入電感性負(fù)載時，D1、D2 便便起續(xù)流二極管作用。起續(xù)流二極管作用。2. 由于由于T1的陽極和的陽極和T2的陰極相連，兩管控的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。制極必須加獨立的觸發(fā)信號。電路二：電路二：(10-43)思考思考T1T2D1D2RuLu2E+帶反

18、電動勢負(fù)載的可控整流電路帶反電動勢負(fù)載的可控整流電路1. 該電路的工作過程。該電路的工作過程。2. 畫出畫出uL、iL的工作波形。的工作波形。(10-44)10.4 觸發(fā)電路觸發(fā)電路10.4.1 單結(jié)晶體管工作原理單結(jié)晶體管工作原理結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)等效電路等效電路E（發(fā)射極）（發(fā)射極）B2（第二基極）（第二基極）B1（第一基極）（第一基極）NPEB2B1RB2RB1管內(nèi)基極管內(nèi)基極 體電阻體電阻PN結(jié)結(jié)(10-45)工作原理：工作原理：當(dāng)當(dāng)uE UA+UF = UP 時時PN結(jié)反偏，結(jié)反偏，iE很?。缓苄?；當(dāng)當(dāng) uE UP 時時PN結(jié)正向?qū)ńY(jié)正向?qū)? iE迅迅速增加。速增加。B2ERB1RB2B1

19、AUBBiE - 分壓比分壓比 (0.35 0.75)UP - 峰點電壓峰點電壓UF - PN結(jié)正向結(jié)正向 導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降BBBBBBBAURRRUU211(10-46)10.4.2 單結(jié)晶體管的特性和參數(shù)單結(jié)晶體管的特性和參數(shù)IEuEUVUPIVUV、IV -谷點電壓、電流谷點電壓、電流（維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小（維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小 電壓、電流。）電壓、電流。）負(fù)阻區(qū)負(fù)阻區(qū)UP- 峰點電壓峰點電壓（單結(jié)管由截止變導(dǎo)通（單結(jié)管由截止變導(dǎo)通 所需發(fā)射極電壓。）所需發(fā)射極電壓。） uEUP 時單結(jié)管導(dǎo)通時單結(jié)管導(dǎo)通(10-47)IEuEUVUPIV負(fù)阻區(qū)負(fù)阻區(qū)UEUP 后，大量空穴注入基區(qū)，管內(nèi)基

20、極體電阻后，大量空穴注入基區(qū)，管內(nèi)基極體電阻RB1 0，致使致使IE增加、增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。負(fù)阻區(qū)存在的原因負(fù)阻區(qū)存在的原因：EB2B1RB2RB1(10-48)單結(jié)管符號單結(jié)管符號EB2B1單結(jié)管重單結(jié)管重要特點要特點1. UEUP 時單結(jié)管導(dǎo)通。時單結(jié)管導(dǎo)通。(10-49)10.4.3 單結(jié)晶體管振蕩電路單結(jié)晶體管振蕩電路一、振蕩過程分析一、振蕩過程分析RR2R1CUuCuOEB1B2電路組成電路組成振蕩波形振蕩波形uCttuoUVUP(10-50)21BBRRU22111RRRRUIBBR1. uE = uC UP 時，單結(jié)管不導(dǎo)通，時，單結(jié)管不導(dǎo)通，uo

21、 0。IR1R1、R2是外加的，不同于內(nèi)是外加的，不同于內(nèi)部的部的RB1、RB2。前者一般取。前者一般取幾十歐幾十歐幾百歐；幾百歐； RB1+RB2一般為一般為215千歐。千歐。此時此時R1上的電流很小，其值為：上的電流很小，其值為：RR2R1CEuCuOEB1B2(10-51)2. 隨電容的隨電容的 充電，充電，uC逐漸升高。當(dāng)逐漸升高。當(dāng) uC UP 時，單結(jié)時，單結(jié)管導(dǎo)通，管導(dǎo)通， RB1 0 。然后電容通過。然后電容通過R1放電，放電，當(dāng)放電當(dāng)放電至至 uc UV 時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使 uo 0。R1上便上便得到一個脈沖電壓。得到一個脈沖電壓。R2起溫度補償作用起溫度補償作用UPUVUP-UFUP、UV- 峰點、谷點電壓峰點、谷點電壓UF -PN結(jié)正向?qū)▔航到Y(jié)正向?qū)▔航礒R2R1RCEuCuouCtuot(10-52)uCttuoUVUP振蕩波形：振蕩波形：R