模擬電子技術第10章課件

1、第10章晶閘管電路10.1晶閘管的結構和工作原理晶閘管，也稱可控硅，是由四層半導體、三個PN結構成的一種大功率半導體器件，多用于可控整流、可控開關、調光、調壓、電機調速等電路。10.1.1晶閘管的電路符號和外形晶閘管的電路符號如圖10.1.1（a）所示，其中a稱為陽極，k稱為陰極，g稱為控制極（或稱門極）。工程上常用的晶閘管外形如圖10.1.1（b）、（c）、（d）所示。 圖10.1.1晶閘管的電路符號和外形（a）電路符號（b）螺栓式（c）平板式（d）小功率塑封式10.1.2晶閘管的結構和工作原理晶閘管的內部結構示意圖如圖10.1.2（a）所示，它由P型半導體和N型半導體交替相間的四層半導體材

2、料構成，分別為P1、N1、P2和N2，從而形成了三個PN結，分別為J1、J2和J3，故晶閘管也稱為四層半導體器件或PNPN器件。其中，P1區(qū)的引出線為陽極a，N2區(qū)的引出線為陰極k，P2區(qū)的引出線為控制極g。為了更好地理解晶閘管的工作原理，常將四層PNPN半導體分成兩部分，P1N1P2構成一只PNP型管，N1P2N2構成一只NPN型管，如圖10.1.2（b）所示；于是，晶閘管就可以等效為一對連接在一起的三極管電路，如圖10.1.2（c）所示。圖10.1.2晶閘管的結構示意圖和等效電路（a）結構示意圖（b）等效為兩只相連的BJT（c）等效電路晶閘管工作原理電路如圖10.1.3所示。其中，10.1

3、.3（a）為實際電路，10.1.3（b）為等效電路。晶閘管正常導通必須同時具備兩個條件：（1）陽極電路加正向電壓；（2）控制極電路加適當的正向電壓（工程上，控制極常加正觸發(fā)脈沖信號）。如圖10.1.2（a）所示，如果控制極不加電壓，無論在陽極與陰極之間加上何種極性的電壓，晶閘管內的三個PN結中，至少有一個結是反偏的，晶閘管不會導通，處于阻斷狀態(tài)。如圖10.1.3所示，當晶閘管陽極a和陰極k之間加正向電壓，控制g和陰極k之間加正向電壓時，在正向控制電壓vGK（又稱觸發(fā)信號）的作用下，若T2管的基極產生電流iB2，即為觸發(fā)信號電流iG，經T2放大后形成集電極電流iC22iB2；而T1管的基極電流i

4、B1iC22iB2，因此T1管的集電極電流iC112iB2；該電流又注入T2的基極，作為T2管的基極電流，再進一步進行上述放大過程，形成正反 饋，使兩只三極管在很短的時間內（一般不超過幾微秒）均進入飽和狀態(tài)，晶閘管完全導通，這個過程稱為晶閘管觸發(fā)導通。晶閘管一旦導通，控制極就失去控制作用，晶閘管依靠內部的正反饋始終維持在導通狀態(tài)。晶閘管導通后，陽極和陰極之間的正向導通壓降VF約為0.41.2V，電源電壓幾乎全部加在負載上；陽極電流iA因型號不同可達幾十幾千安。 圖10.1.3晶閘管的工作原理（a）實際電路（b）等效電路如何使晶閘管從導通狀態(tài)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)：如果降低陽極正向電壓，使陽極電流iA小于

5、維持電流IH（維持晶閘管導通所需最小的陽極電流，約幾十至一百多毫安），導致晶閘管不能維持正反饋過程時，晶閘管將被關斷，這種判斷稱為正向阻斷；如果在陽極和陰極之間加反向電壓，晶閘管也將關斷，這種關斷稱為反向阻斷。即，要使晶閘管從導通狀態(tài)變?yōu)樽钄酄顟B(tài)，則必須通過減小陽極電流或改變vAK電壓極性的方法來實現。綜上所述，晶閘管是一個可控的單向導電開關。與只有一個PN結的二極管相比，晶閘管的正向導通具有受控于控制極電流的可控性；與有兩個PN結的三極管相比，晶閘管對控制電流沒有放大作用。10.1.3晶閘管的伏安特性以晶閘管的控制極電流iG為參變量，陽極電流iA和陽極與陰極間的電壓vAK的關系稱為晶閘管的伏

6、安特性，即 晶閘管的伏安特性曲線如圖10.1.4所示。vAK0時的伏安特性稱為晶閘管的正向特性。從圖10.1.4所示的伏安特性曲線的正向特性看，當IG0，且正向電壓vAKVBO時，晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，雖然vAK逐漸增大，但由于晶閘管中有一個PN結處于反偏狀態(tài)，所以iA為很小的正向漏電流，曲線與二極管的反向特性類似，晶閘管呈現為很大的電阻，見圖10.1.4中曲線的OA段；當正向電壓vAK進一步增大到VBO時，晶閘管中間反偏的PN結將被擊穿，晶閘管由正向阻斷狀態(tài)突然導通，出現負阻特性，iA驟然增大、vAK迅速下降，見圖10.1.4中曲線的AB段，這種不是由控制極控制（IG0）的導通稱為誤導通，

7、這種導通方式很容易造成晶閘管因不可恢復性擊穿而損壞，使用中應當避免，使晶閘管從阻斷到導通的正向電壓vAK稱為正向轉折電壓VBO；在vAK0的同時，控制極所加的正向觸發(fā)電流IG越大，則對應的正向轉折電壓就越小，圖10.1.4中曲線的AB段左移。晶閘管正常工作時，其導通狀態(tài)是受控制極電流iG控制的。晶閘管導通后，陽極電流iA的大小受陽極回路中的電阻（通常為負載電阻）限制，正向導通壓降約為1V左右。 VAK0時的伏安特性稱為晶閘管的反向特性。從圖10.1.4所示的伏安特性曲線的反向特性看，晶閘管的反向特性與二極管的反向特性相似。當vAKVBR（反向擊穿電壓）時，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，iA為很小的反

8、向漏電流IR，見圖10.1.4中的OD段；當反向電壓增加到反向擊穿電壓VBR時，晶閘管的PN結被擊穿，反向電流急劇增加，這將造成晶閘管的永久性損壞。圖10.1.4晶閘管的伏安特性曲線10.1.4晶閘管的主要參數與型號1、額定正向平均電流IF：在環(huán)境溫度小于40和標準散熱條件下，允許連續(xù)通過晶閘管陽極的工頻（50Hz）正弦波半波電流的平均值。為留有安全余量，工程設計中一般取IF為正常工作平均電流的1.52倍。2、維持電流IH：在控制極開路且規(guī)定的環(huán)境溫度下，晶閘管維持導通時的最小陽極電流。當正向電流小于IH時，晶閘管將自動阻斷。3、控制極觸發(fā)電壓VG和觸發(fā)電流IG：室溫下，當vAK6V時，使晶閘

9、管從阻斷到完全導通所需的最小控制極直流電壓和電流。一般，VG為15V，IG為幾十至幾百毫安。4、正向重復峰值電壓VDRM：在控制極開路和晶閘管正向阻斷的條件下，允許重復作用在晶閘管上的最大正向電壓。一般VDRMVBO80%，VBO是晶閘管在IG0時的轉折電壓。5、反向重復峰值電壓VRRM：在控制極開路時，允許重復作用在晶閘管上的最大反向電壓。一般VRRMVBR80%。 6、通態(tài)平均電壓VF：指通過額定正向平均電流時，vAK的平均值。一般為0.41.2V。7、額定電壓VD：指加在晶閘管a、k間最大允許電壓，俗稱耐壓。按原機械工業(yè)部標準JB114475規(guī)定，我國生產的KP型普通系列晶閘管的型號及含

10、義表示如下：KP導通時平均電壓VF的組別（小于100A不標注），共9級，用字母AI表示0.41.2V，每級差0.1V。額定正向平均電流（A）普通型晶閘管額定電壓VD，為VDRM和VRRM中較小的一個，單位為100V。例如，KP5-7表示額定正向平均電流為5A，額定電壓（耐壓）為700V的晶閘管。表10.1.1列出了幾件普通晶閘管的主要參數。表10.1.1 幾種普通晶閘管的主要參數型號IF/AVD/V型號IF /AVD /V3CT1011100TCR15A15253CT1033100TCR15B15203CT10510100TCR151151002N387025100CR25A0525502N3

11、87225400MCR38351252510.2單相可控整流電路與單結晶體管觸發(fā)電路10.2.1單相半波可控整流電路1、電路組成與工作原理帶電阻性負載的單相半波可控整流電路如圖10.2.1（a）所示。設 ，則圖10.2.1（a）所示電路中各點的電壓工作波形如圖10.2.1（b）所示。圖10.2.1電阻性負載的單相半波可控整流電路（a）整流電路（b）電壓工作波形在v2的正半周，晶閘管T承受正向電壓，但t在0期間，因vg0，晶閘管T的控制極未加觸發(fā)脈沖信號，所以T處于正向阻斷狀態(tài)，負載RL中的電流為零，負載兩端的輸出電壓vO0，v2全部作用晶閘管的陽極和陰極之間。在t時刻，晶閘管T在控制極正向觸發(fā)

12、脈沖信號vg的作用下開始導通。由于晶閘管T導通后的管壓降可忽略不計，因此t在晶閘管導通期間，輸出電壓與v2相似。當交流電壓v2過零值時，流過晶閘管的電流小于維持電流IH，晶閘管自行關斷，輸出電壓vO0。當交流電壓v2進入負半周時，晶閘管承受反向電壓，vAK0，無論控制極加或不加觸發(fā)脈沖信號，晶閘管均處于反向阻斷狀態(tài)，vO0。當下一個周期來臨時，電路重復上述過程。使晶閘管開始導通的角度稱為控制角，晶閘管導通的角度稱為導通角，。顯然，控制角越小，即導通角越大時，輸出電壓vO的平均值越大。由此可見，改變觸發(fā)脈沖vg的加入時刻，就可以改變晶閘管的導通角，也就改變了輸出電壓的平均值，從而實現了可控整流。

13、2、電路參數估算由圖10.2.1（b）所示電壓工作波形，輸出電壓的平均值為輸出電流的平均值為晶閘管承受的最大反向電壓為 VTM V2晶閘管中流過的平均電流就是輸出電流的平均值IO（AV）。10.2.2單相半控橋式整流電路1、電路組成與工作原理帶純電阻負載的單相半控橋式整流電路如圖10.2.2（a）所示。設 ，則圖10.2.2（a）所示電路中各點的電壓工作波形如圖10.2.2（b）所示。在v2的正半周，T1和D2承受正向電壓，但若控制極不加觸發(fā)脈沖，T1處于阻斷狀態(tài)，D2截止，不能導通。假設當t時，T1的控制極加上觸發(fā)脈沖vg，則T1導通，電流從v2的a端流出，經T1、RL和D2流回V2的b端。

14、由于晶閘管T和半導體二極管D導通時的管壓降很小，v2基本上都降落在RL上，因此可以認為vOv2。此時，T2和D1圖10.2.2電阻性負載單相半控橋式整流電路（a）整流電路（b）電壓工作波形承受反向電壓，處于阻斷和截止的狀態(tài)。當t180時，v20，T1阻斷、D2截止。在v2的負半周，T2和D1承受正向電壓，當T2的控制極加上觸發(fā)脈沖時，T2導通，電流從v2的b端出發(fā)，經T2、RL和D1流回v2的a端，直到t360，v20時，T2阻斷，D2截止。2、電路參數估算由圖10.2.2（b）所示電壓工作波形，有 晶閘管和半導體二極管承受的最大反向電壓均為 V2。流過晶閘管T和半導體二極管D的電流平均值 I

15、T（AV）ID（AV） IO（AV） 10.2.3單結晶體管觸發(fā)電路1、單結晶體管的結構、電路符號和等效電路單結晶體管的結構如圖10.2.3（a）所示。它是在一塊低摻雜的N型基片上利用擴散工藝制作一個高摻雜的P型區(qū)，使P區(qū)與N型基片之間形成一個PN結而構成的。P型區(qū)引出的電極稱為發(fā)射極e，N型基片的上下兩端各引出一個電極，下面的稱為第一基極b1，上面的稱為第二基極b2。單結晶體管有兩個基極，故也稱其為雙基極晶體管。 單結晶體管的電路符號如圖10.2.3（b）所示，單結晶體管的等效電路如圖10.2.3（c）所示。自PN結處的A點至兩個基極b1、b2之間的等效電阻分別為rb1和rb2，一般rbbr

16、b1rb2215k，若在b2、b1間加上電源電壓Vbb，且發(fā)射極e開路時，A點的電位為式中稱為單結晶體管的分壓比，其數值與單結晶體管的結構有關，是管子的主要參數，一般在0.30.9之間。單結晶體管的外形如圖10.2.3（d）所示。圖10.2.3單結晶體管的結構、符號、等效電路與外形（a）結構（b）電路符號（c）等效電路（d）外形2、單結晶體管的伏安特性單結晶體管伏安特性的測試電路如圖10.2.4（a）所示，在Vbb一定的情況下，發(fā)射極電流iE與eb1結壓降vEB1之間的函數關系，即單結晶體管的伏安特性曲線 ，如圖10.2.4（b）所示。圖10.2.4單結晶體管的伏安特性曲線（a）測量等效電路（

17、b）伏安特性曲線當外加電壓vEB1由零逐漸增大，vBE1VP，VpVbbVD（on）時，單結晶體管內PN結的正向壓降小于正向導通壓降VD（on），iE電流很小，單結晶體管工作在截止狀態(tài)，rb1呈現很大的電阻，稱為截止區(qū)，如圖10.2.4（b）中的FP段所示。在FP段的G點vEB1VA，PN結零偏，iE0。當vEB1VP時，單結晶體管隨即導通，iE迅速增大，由于從P區(qū)向N區(qū)大量注入空穴，從而使rb1急劇減小，也減小，PN結兩端的正向電壓又增加，iE更大，這一正反饋過程使vEB1因rb1的減小而減小，即iE增大時，vEB1反而減小，呈現負阻效應，稱為負阻區(qū)，如圖10.2.4（b）中的PV段所示。在

18、PV段的P點，vEB1VP，iEIP，VP稱為峰點電壓，相對應的電流IP稱為峰點電流。由前面分析可知 VPVAVD（on）VbbVD（on）Vbb當vEB1降到最低后，iE再增加，vEB1也有所增加，單結晶體管進入飽和區(qū)，工作在飽和導通狀態(tài)，如圖10.2.4（b）中的VB段所示。負阻區(qū)與飽和區(qū)的分界點V稱為谷點，該點的電壓VV稱為谷點電壓，相對應的電流IV稱為谷點電流。晶閘管導通后，當vEB1VV時，單結晶體管又會重新截止，故VV是維持晶閘管導通的最小發(fā)射極電壓。 3、單結晶體管振蕩電路由單結晶體管構成的典型振蕩電路如圖10.2.5（a）所示，其中BT33C的rbb36k，0.450.75，V

19、V4V，IV1.5mA，利用其工作在負阻區(qū)的負阻效應，可產生用以觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)脈沖信號。圖10.2.5單結晶體管振蕩電路（a）振蕩電路（b）電壓波形電路開始工作時，電容C上的電壓為零，vE0，單結晶體管處于截止狀態(tài)，電源Vbb通過RE對C充電，vE按指數規(guī)律上升。當vEVP時，單結晶體管導通并進入負阻區(qū)，電容C通過單結晶體管的發(fā)射結和RB1迅速放電，將有一個很大的放電電流在RB1上產生一個脈沖電壓，vo有一個上跳沿脈沖電壓輸出。由于單結晶體管導通后的rb1阻值很小，且RB1的阻值也較小，所以C放電的過程很快，vE按指數規(guī)律迅速下降，vo產生一個上跳沿后也即按此規(guī)律迅速下降。當vEVV時，單結

20、晶體管截止，電容C又開始充電。如此，周而復始形成振蕩，即從RB1兩端輸出周期性的尖峰脈沖信號vo，電路的工作電壓波形如圖10.2.5（b）所示。由于C放電時間T1的時間常數（rb1RB1）C遠小于充電的時間T2的時間常數REC，故尖峰脈沖信號的振蕩周期TT2。依據一階RC充放電電路暫態(tài)過程的三要素公式，有 當單結晶體管選定以后，改變RE或C的數值即可改變輸出尖峰脈沖信號周期的大小。而改變RB1的數值可以調節(jié)尖峰脈沖信號的脈沖寬度，一般情況下取RB1（50100）。4、單結晶體管同步觸發(fā)電路單結晶體管同步觸發(fā)單相半控橋式整流電路如圖10.2.6（a）所示。圖中采用了一個同步變壓器Tr，變壓器的一

21、次側與主電源電路接至同一個交流電源，二次側電壓經橋式整流和穩(wěn)壓管DZ削波限幅后，得到一個高度為vZ的梯形波電壓vB，作為單結晶體管觸發(fā)電路的電源電壓，電路工作電壓波形如圖10.2.6（b）所示。當主電路電源過零時，梯形波vB也過零點，也就是單結晶體管觸發(fā)電路的電源電壓(VBB)等于零，由式（10.2.8）可知，此時峰點電壓VP也接近于零，如果這時電容C上還有殘余電荷，則將通過RB1迅速將電荷泄放，以使電容C從下一個半周期重新從零開始充電，從而保證了每個半周期觸發(fā)電路輸出的第一個尖峰脈沖距過零時刻的角一致，即保證了觸發(fā)電路和主電路的同步。從圖10.2.6（a）中可以看出，在主電路交流電源的半個周

22、期內，觸發(fā)電路可能產生若干個尖峰脈沖，但是其中只有第一個尖峰脈沖信號作用于兩個晶閘管T1、T2的控制極上能起觸發(fā)的作用，使承受正向電壓的一只晶閘管導通。調節(jié)充電回路中RP的大小，可改變控制角的大小，以達到調節(jié)輸出直流電壓的目的。圖10.2.6單結晶體管同步觸發(fā)單相半控橋式整流電路（a）電路圖（b）工作電壓波形圖【例10.2.1】單結晶體管觸發(fā)的單相半控橋式整流電路如圖10.2.6（a）所示，設單結晶體管的分壓比0.6，試求：（1）控制角的移相范圍；（2）輸出直流電壓Vo（AV）的調節(jié)范圍。解：（1）如圖10.2.6（a）所示，由式（10.2.9）可求得觸發(fā)脈沖的最小周期和最大周期分別為 s4.

23、3ms s8.6ms交流電源頻率f1為50Hz，周期T1為20ms，對應的電角度為360，則所以，控制角的移相范圍為77.4154.8。（2）如圖10.2.6（a）所示，依式（10.2.4）可得 V9.4V V120.6V所以，輸出直流電壓VO（AV）的調節(jié)范圍為9.4V120.6V。10.3雙向晶閘管及其應用10.3.1雙向晶閘管的結構與伏安特性雙向晶閘管的結構、電路符號如圖10.3.1（a）、（b）所示。雙向晶閘管有三個電極，一個是控制極g，另外兩個統(tǒng)稱為主電極，分別用a2和a1表示。如圖10.3.1（a）所示，主電極a2同時跨接在P1區(qū)和N4區(qū)，主電極a1同時跨接在P2區(qū)和N2區(qū)，控制極

24、g同時跨接在P2區(qū)和N3區(qū)。因此，雙向晶閘管可以看成是由P1N1P2N2構成的正向晶閘管和由P2N1P1N4構成的反向晶閘管并聯(lián)構成，并且用同一個控制極g來控制。雙向晶閘管的伏安特性曲線如圖10.3.1（c）所示。通常觸發(fā)電壓加在控制極g與主電極a1之間，觸發(fā)電壓可正可負，即可雙向觸發(fā)。相對于正向晶閘管其伏安特性曲線畫在第一象限，相對于反向晶閘管其伏安特性曲線畫在第三象限。只要主電極a1、a2之間加有一定大小的電壓，不論正負，再有一定大小的觸發(fā)電壓，也不論正負，雙向晶閘管即可導通。工程上一般取a2、a1極間加正向電壓，g極加正向觸發(fā)電壓，管子導通，伏安特性曲線在第一象限和a2、a1極間加反向電壓，g極加反向觸發(fā)電壓，管子導通，伏安特性曲線在第三象限的兩種工作模式。10.3.2雙向觸發(fā)二極管雙向觸發(fā)二極管，又稱觸發(fā)二極管，具有雙向對稱的正反轉折電壓VBO，可從交流電源直接為雙向晶閘管提供觸發(fā)電壓，在