晶閘管及應(yīng)用

1、第八章第八章 晶閘管及應(yīng)用晶閘管及應(yīng)用基基 本本 要要 求求1 牢固掌握晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件牢固掌握晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件2 學(xué)會分析晶閘管整流電路和交流調(diào)壓電路學(xué)會分析晶閘管整流電路和交流調(diào)壓電路3 了解單結(jié)晶體管的元件特性及由其構(gòu)成的觸發(fā)電路了解單結(jié)晶體管的元件特性及由其構(gòu)成的觸發(fā)電路4 學(xué)會分析由單結(jié)晶體管構(gòu)成觸發(fā)電路的晶閘管整流電路學(xué)會分析由單結(jié)晶體管構(gòu)成觸發(fā)電路的晶閘管整流電路晶閘管是晶體閘流管的簡稱，也稱晶閘管是晶體閘流管的簡稱，也稱可控硅可控硅可控整流可控整流逆變逆變交流調(diào)壓交流調(diào)壓無觸點開關(guān)無觸點開關(guān)將直流將直流交流，可交流，可實現(xiàn)異步電動機的實現(xiàn)異步電動機的變頻調(diào)速變頻調(diào)速

2、代替閘刀開關(guān)通代替閘刀開關(guān)通/斷，斷，切換速度快，無火花切換速度快，無火花無噪音無噪音本章講解可控整流和交流調(diào)壓本章講解可控整流和交流調(diào)壓晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大功率器件晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來的大功率器件它有四層，三個結(jié)，三個引出極它有四層，三個結(jié)，三個引出極陽極陽極(A)，陰極，陰極(K), 控制極控制極(G)陽陽 極極陰陰 極極控制極控制極晶閘管外型晶閘管外型實驗實驗結(jié)結(jié) 果果晶閘管可看成有晶閘管可看成有PNP和和NPN型型兩個晶體管聯(lián)接而成兩個晶體管聯(lián)接而成晶閘管工作原理晶閘管工作原理原理原理1)晶閘管陽極晶閘管陽極A與陰極與陰極K之間加正向電壓之間加正向電壓，控，控

3、制極斷開，兩個三極管均無基極電流，晶閘制極斷開，兩個三極管均無基極電流，晶閘 管不導(dǎo)通。管不導(dǎo)通。2) 在控制極在控制極G與陰極與陰極K之間加正向電壓之間加正向電壓，當當IG到達一定數(shù)值，到達一定數(shù)值，T2首先導(dǎo)通：首先導(dǎo)通：IB2=IG，IC2= IB2= IG又：又： IB2=IC1, 隨后隨后T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，IC1與與IG一起進入一起進入T2的基極后再次放大。的基極后再次放大。該過程在極短時間內(nèi)連鎖循環(huán)進行，該過程在極短時間內(nèi)連鎖循環(huán)進行，晶閘管瞬間全部飽和導(dǎo)通。晶閘管瞬間全部飽和導(dǎo)通。等效電路等效電路3）晶閘管導(dǎo)通后晶閘管導(dǎo)通后，即使控制極與外界斷，即使控制極與外界斷 開，開，T2管的

4、基極電流管的基極電流IB2=IC1 IA，比，比IG 大，管子維持導(dǎo)通。大，管子維持導(dǎo)通。在導(dǎo)通后，要關(guān)斷晶閘管：在導(dǎo)通后，要關(guān)斷晶閘管：晶閘管導(dǎo)通后，控制極失去控制作用晶閘管導(dǎo)通后，控制極失去控制作用1）陽極電流）陽極電流IA減小到某一數(shù)值以下，減小到某一數(shù)值以下， 內(nèi)部連鎖狀態(tài)不能維持，管子截止。內(nèi)部連鎖狀態(tài)不能維持，管子截止。2) 切斷陽極電源切斷陽極電源3) 在陽極和陰極之間加反向電壓在陽極和陰極之間加反向電壓+1）晶閘管導(dǎo)通晶閘管導(dǎo)通必須同時具備兩個條件：必須同時具備兩個條件：陽極與陰極之陽極與陰極之間加正向電壓間加正向電壓控制極與陰極控制極與陰極之間加正向電壓之間加正向電壓可見可見

5、2）晶閘管的控制極晶閘管的控制極只有使晶閘管導(dǎo)通的作用，一旦導(dǎo)通只有使晶閘管導(dǎo)通的作用，一旦導(dǎo)通 就不再有控制作用，無論控制極對陰極有無電壓或反向就不再有控制作用，無論控制極對陰極有無電壓或反向 電壓，管子始終導(dǎo)通電壓，管子始終導(dǎo)通3）要使晶閘管阻斷要使晶閘管阻斷(截止截止), 必須切斷陽極電源或使陽極必須切斷陽極電源或使陽極 電壓反向或?qū)㈥枠O電壓減小到某一數(shù)值以下。電壓反向或?qū)㈥枠O電壓減小到某一數(shù)值以下。晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的伏安特性曲線晶閘管的導(dǎo)通和截止由陽極電壓晶閘管的導(dǎo)通和截止由陽極電壓U、電流、電流I及控制極電流及控制極電流IG決定，它們之間的關(guān)系用伏安特性曲線來表示。決定，它

6、們之間的關(guān)系用伏安特性曲線來表示。當晶閘管的陽極和陰極加正向電壓當晶閘管的陽極和陰極加正向電壓，控制極無電壓時，控制極無電壓時， J2反偏，因此只有很小電流，稱正向漏電流。反偏，因此只有很小電流，稱正向漏電流。 此時晶閘管截止，表現(xiàn)出很大的內(nèi)阻。此時晶閘管截止，表現(xiàn)出很大的內(nèi)阻。J2當正向電壓增加到某一數(shù)值當正向電壓增加到某一數(shù)值，漏電流突然增大，漏電流突然增大，晶閘管導(dǎo)通，可以通過很大的電流，而管壓降晶閘管導(dǎo)通，可以通過很大的電流，而管壓降僅僅1V左右。晶閘管由截止變?yōu)閷?dǎo)通所對應(yīng)的電左右。晶閘管由截止變?yōu)閷?dǎo)通所對應(yīng)的電壓壓UBO稱正向轉(zhuǎn)折電壓。稱正向轉(zhuǎn)折電壓。晶閘管導(dǎo)通后，晶閘管導(dǎo)通后，減小

7、正向壓降，減小正向壓降，正向電流減小，當減小到某一正向電流減小，當減小到某一數(shù)值，晶閘管又轉(zhuǎn)為阻斷。此時數(shù)值，晶閘管又轉(zhuǎn)為阻斷。此時對應(yīng)的最小電流稱維持電流對應(yīng)的最小電流稱維持電流IH當晶閘管的陽極陰極加反向電壓，當晶閘管的陽極陰極加反向電壓，特性與二極管相似，有很小的反特性與二極管相似，有很小的反向漏電流。加大反向電壓向漏電流。加大反向電壓,晶閘管晶閘管在反向轉(zhuǎn)折電壓在反向轉(zhuǎn)折電壓UBR處反向?qū)?。處反向?qū)?。當陽極電壓高于轉(zhuǎn)折電壓時，元件導(dǎo)通，但這種導(dǎo)通方法當陽極電壓高于轉(zhuǎn)折電壓時，元件導(dǎo)通，但這種導(dǎo)通方法容易造成元件不可恢復(fù)性擊穿，一般不采用。容易造成元件不可恢復(fù)性擊穿，一般不采用。當控

8、制極加正向電壓，當控制極加正向電壓，IG產(chǎn)生，特性曲線左移，正向轉(zhuǎn)折產(chǎn)生，特性曲線左移，正向轉(zhuǎn)折電壓降低電壓降低, 元件容易導(dǎo)通。元件容易導(dǎo)通。 IG越大，越大，UBO越低。越低?？煽卣麟娐房煽卣麟娐钒氩煽卣麟娐钒氩煽卣麟娐钒肟貥蚴秸麟娐钒肟貥蚴秸麟娐房煽?控控1）以晶閘管代替半波整流電路中的二極管）以晶閘管代替半波整流電路中的二極管特點特點半波可控整流電路半波可控整流電路2）晶閘管與）晶閘管與RL串聯(lián)，電路電流為串聯(lián)，電路電流為io，控制極施加，控制極施加 周期性正向脈沖電壓周期性正向脈沖電壓uG當當 t=0時時，電壓為電壓為0，uG為為0，晶閘管電流，晶閘管電流io=0當當

9、 t=0 t1時時(不含不含 t1點點)，電壓為正，但電壓為正，但uG為為0,晶閘管正向阻斷，晶閘管正向阻斷，電流電流io=0當當 t= t1 時時(含含 t1點點)，電壓為正，控制極電壓在電壓為正，控制極電壓在 t1點出現(xiàn)點出現(xiàn),晶閘管導(dǎo)通條件具備，正向?qū)?，晶閘管導(dǎo)通條件具備，正向?qū)?，產(chǎn)生電流產(chǎn)生電流io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，uG消失，晶閘管仍然有導(dǎo)通電流消失，晶閘管仍然有導(dǎo)通電流io存在存在當當 t= 2 時時，電源電壓反向，不論電源電壓反向，不論uG是否存在是否存在,晶閘管晶閘管反向阻斷，反向阻斷，io=0晶閘管在正向電壓下的阻斷范圍稱為晶閘

10、管在正向電壓下的阻斷范圍稱為控制角控制角 晶閘管在正向電壓下的導(dǎo)通范圍稱為晶閘管在正向電壓下的導(dǎo)通范圍稱為導(dǎo)通角導(dǎo)通角 + =180負載電壓負載電壓uo的平均值的平均值與交流電壓與交流電壓 的有效值的關(guān)系為：的有效值的關(guān)系為：UO=1/2 2Usin td( t)=0.45U(1+cos )/2當當 =0時時， =180, UO=0.45U, 晶閘管全導(dǎo)通晶閘管全導(dǎo)通當當 = 180時，時， =0, UO=0, 晶閘管全阻斷晶閘管全阻斷負載電流的平均值負載電流的平均值為：為：IO=UO/RL= 0.45U(1+cos )/2RL半控橋式全波整流電路半控橋式全波整流電路電路與二極管橋式全波整流電

11、路相似電路與二極管橋式全波整流電路相似在在u正半周，當有正半周，當有uG出現(xiàn)：出現(xiàn)：u+T1RLD2u在在u負半周，當有負半周，當有uG出現(xiàn)：出現(xiàn)：u T2RLD1u+負載上有相同負載上有相同方向電流通過方向電流通過+在在u正半周，當無正半周，當無uG出現(xiàn)：出現(xiàn)：T1截至，截至，uo,io為零為零無論正負半周，無論正負半周，RL上均有電流通過，上均有電流通過，負載電壓平均值為半波時的一倍負載電壓平均值為半波時的一倍UO=0.9U(1+cos )/2負載電流平均值為半波時的一倍負載電流平均值為半波時的一倍IO=UO/RL= 0.9U(1+cos )/2RL交流調(diào)壓電路交流調(diào)壓電路晶閘管交流調(diào)壓電

12、路可代替調(diào)壓變壓器，廣泛用于調(diào)節(jié)晶閘管交流調(diào)壓電路可代替調(diào)壓變壓器，廣泛用于調(diào)節(jié)電阻爐溫度，交流電機轉(zhuǎn)速，舞臺燈光調(diào)節(jié)。電阻爐溫度，交流電機轉(zhuǎn)速，舞臺燈光調(diào)節(jié)。電電 路路+分析分析當當u為正半周為正半周：T1承受正向電壓承受正向電壓, T2承受反向電承受反向電壓壓,在在 t1時刻，時刻， T1導(dǎo)通導(dǎo)通當當u為負半周為負半周：T2承受正向電壓承受正向電壓, T2承受反向電承受反向電壓壓,在在 t2時刻，時刻， T2導(dǎo)通導(dǎo)通+如此循環(huán)如此循環(huán)電壓電壓u變化一周變化一周,負載電壓負載電壓uo和和io也變化一周，但不是也變化一周，但不是正正弦波。只要改變弦波。只要改變u uG1G1,u,uG2G2出現(xiàn)

13、的時刻，即：控制角出現(xiàn)的時刻，即：控制角 ，就可改變負載上電壓就可改變負載上電壓u uo o和電流和電流i io o的有效值的大小。的有效值的大小?？梢娍梢娯撦d電壓負載電壓UL的有效值為的有效值為：UL= （ 2Usin t）2d t=U sin2 /2 +( - )/ 負載電流負載電流IL的有效值為的有效值為：IL=UL/RL要使晶閘管導(dǎo)通，除在陽極和陰極之間加正向電壓，還要要使晶閘管導(dǎo)通，除在陽極和陰極之間加正向電壓，還要在控制極和陰極之間加正向觸發(fā)電壓。在控制極和陰極之間加正向觸發(fā)電壓。產(chǎn)生觸發(fā)電壓的電路稱為產(chǎn)生觸發(fā)電壓的電路稱為觸發(fā)電路觸發(fā)電路目前常用的是目前常用的是單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

14、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。單結(jié)晶體管單結(jié)晶體管符號符號單結(jié)晶體管有三個極，外型類似普通小功率三極管單結(jié)晶體管有三個極，外型類似普通小功率三極管N型硅片的一側(cè)引出兩個極型硅片的一側(cè)引出兩個極,B1稱第一基極稱第一基極,B2稱第二基極；稱第二基極；結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)雙基極二極管雙基極二極管等效電路等效電路硅片另一側(cè)靠近硅片另一側(cè)靠近B2處有一個處有一個PN結(jié)，從此處引出電極結(jié)，從此處引出電極E稱發(fā)射極。稱發(fā)射極。因有兩個基極，單結(jié)晶體管又稱因有兩個基極，單結(jié)晶體管又稱特性分析特性分析單結(jié)晶體管兩個基極之間呈電阻性，稱單結(jié)晶體管兩個基極之間呈電阻性，稱基極電阻基極電阻RBB，其值為幾千歐。，其值為幾千歐。第一基極與

15、發(fā)射極之間的電阻為第一基極與發(fā)射極之間的電阻為RB1，隨電流，隨電流IE的增大而的增大而減小，當減小，當IE為為0，RB1為幾千歐，當為幾千歐，當IE為為20mA左右，左右，其為幾十歐。其為幾十歐。第二基極與發(fā)射極之間的電阻為第二基極與發(fā)射極之間的電阻為RB2，數(shù)值恒定。，數(shù)值恒定。發(fā)射結(jié)具有單向?qū)щ娦?，以二極管發(fā)射結(jié)具有單向?qū)щ娦?，以二極管D表示表示等效電路等效電路伏安特性曲線伏安特性曲線在兩個基極之間加正向電壓在兩個基極之間加正向電壓UBB當發(fā)射極電壓為當發(fā)射極電壓為0：UA=RB1UBB/(RB1+RB2)= UBB 稱分壓系數(shù)稱分壓系數(shù)(分壓比分壓比)，一般為，一般為0.30.9，是單

16、結(jié)晶體管，是單結(jié)晶體管的重要參數(shù)的重要參數(shù)提高發(fā)射極電壓提高發(fā)射極電壓UE：當當UEUA,PN結(jié)反偏結(jié)反偏,IE幾乎為幾乎為0RB1呈高阻，單結(jié)晶體管呈高阻，單結(jié)晶體管截止截止。當當UE升高到一定值升高到一定值，PN結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射極電流結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射極電流IE增大，增大，電壓電壓UE的最大值稱為峰點電壓的最大值稱為峰點電壓UP，與之對應(yīng)的電流，與之對應(yīng)的電流稱峰點電流稱峰點電流IPUP=UA+UD= UBB+UDUD為二極管正向壓降，約為二極管正向壓降，約0.6VPN結(jié)導(dǎo)通后，結(jié)導(dǎo)通后，RB1迅速減小，迅速減小，E與與B1之間的電壓之間的電壓UE下下降，這段曲線的動態(tài)電阻降，這段曲線的動態(tài)電阻UE

17、/IE為負值，稱為為負值，稱為負阻區(qū)負阻區(qū)電壓電壓UE的最低點稱谷點電壓的最低點稱谷點電壓UV，當當UEUV，單結(jié)晶體管關(guān)斷，單結(jié)晶體管關(guān)斷。IE再增大，再增大，UE僅略有增大，單結(jié)晶體管進入僅略有增大，單結(jié)晶體管進入飽和區(qū)飽和區(qū)?？梢娍梢姰敭擴E=UP時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，時，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，呈低阻態(tài)呈低阻態(tài)當當UEUV時，單結(jié)晶體管關(guān)斷，時，單結(jié)晶體管關(guān)斷，呈高阻態(tài)呈高阻態(tài)單結(jié)晶體管振蕩電路單結(jié)晶體管振蕩電路注意注意R1，R2為外接電阻為外接電阻C為外接電容為外接電容 單結(jié)管單結(jié)管E,B1間電阻突然減小，電容上的電荷通間電阻突然減小，電容上的電荷通 過過R1放電，放電速度取決于放電，放電速度

18、取決于RC1，因為，因為R1R，放電迅，放電迅 速，放電電流在速，放電電流在R1上形成尖脈沖。上形成尖脈沖。工作原理工作原理接通電源接通電源,電容充電電容充電,電壓電壓uc上升上升,上升速度取決于上升速度取決于RC的的值值,當當uCuP,單結(jié)晶體管截止單結(jié)晶體管截止2) 當當uC=uP, 3) 當當uC降到谷點電壓降到谷點電壓uV,單結(jié)管關(guān)斷。此后重復(fù)上述過程。單結(jié)管關(guān)斷。此后重復(fù)上述過程。 在在R1上形成一系列尖脈沖。上形成一系列尖脈沖。這種周而復(fù)始的自動充放電過程稱為這種周而復(fù)始的自動充放電過程稱為振蕩振蕩通過電路振蕩在電容器上形成鋸齒波，在通過電路振蕩在電容器上形成鋸齒波，在R1上形成尖

19、脈沖上形成尖脈沖尖脈沖出現(xiàn)的時間可通過改變尖脈沖出現(xiàn)的時間可通過改變 R 的值來調(diào)節(jié)的值來調(diào)節(jié)R大，電容充電慢，大，電容充電慢，到達到達uP的時間長，脈沖出現(xiàn)時間晚的時間長，脈沖出現(xiàn)時間晚R小，電容充電快，小，電容充電快，到達到達uP的時間短，脈沖出現(xiàn)時間早的時間短，脈沖出現(xiàn)時間早移移 相相單結(jié)晶體管振蕩電路可用于半控整流電路中單結(jié)晶體管振蕩電路可用于半控整流電路中,構(gòu)成觸發(fā)電路。構(gòu)成觸發(fā)電路。主電路：單相橋式半控整流電路主電路：單相橋式半控整流電路觸發(fā)電路：由單結(jié)晶體管振蕩器組成觸發(fā)電路：由單結(jié)晶體管振蕩器組成為將觸發(fā)電路產(chǎn)生的尖為將觸發(fā)電路產(chǎn)生的尖脈沖按一定周期準時送脈沖按一定周期準時送至主電路，使晶閘管按至主電路，使晶閘管按周期導(dǎo)通，周期導(dǎo)通，必須使晶閘必須使晶閘管陽極電壓起始時刻與管陽極電壓起始時刻與電容器充電起始時刻保電容器充電起始時刻保持一致。持一致。變壓器變壓器Tr：同步同步同同步步即即:觸發(fā)電路過零時刻與主電路過零時刻保持一致觸發(fā)電路過零時刻與主電路過零時刻保持一致,稱稱“同步同步”同步作用由變壓器完成同步作用由變壓器完成,u1對主電路供電對主電路供電,u2對觸發(fā)電路供電對觸發(fā)電路供電,u1和和u2同相，保證同步。同相，保證同步。Tr又稱又稱“同步變壓器同步變壓器”實際上主電路與觸發(fā)電路只要接在同一電網(wǎng)上可保持同相實際