項(xiàng)目九 晶閘管及其電路課件

9.1

晶閘管概述92.2晶閘管9.2.1

晶閘管結(jié)構(gòu)、符號與外形9.2.2

晶閘管的工作原理9.2.3晶閘管的伏安特性

及其主要參數(shù)9.2.4晶閘管的型號9.2.5普通型晶閘管質(zhì)量粗測9.3單相橋式半控整流電路9.4

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路9.4.1對觸發(fā)電路的要求9.4.2單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與特性9.4.3單結(jié)晶體管張弛振蕩器9.4.4單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路9.5

雙向晶閘管9.5.1雙向晶閘管9.5.2觸發(fā)二極管9.6其他晶閘管介紹

9.6.1光控晶閘管9.6.2溫控晶閘管9.6.3可關(guān)斷晶閘管9.6.4逆導(dǎo)晶閘管9.7晶閘管的應(yīng)用9.7.1交流調(diào)光臺燈的應(yīng)用電路9.7.2交流固態(tài)開關(guān)電路項(xiàng)目九晶閘管及其電路本章要點(diǎn):1.晶閘管結(jié)構(gòu)、符號、工作原理與伏安特性

2.單相橋式半控整流電路

3.單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理

4.雙向晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理本章難點(diǎn):

電阻性負(fù)載單相橋式半控整流電路工作原理項(xiàng)目九晶閘管及其電路9.1

晶閘管概述

晶閘管的特點(diǎn)是可以用弱信號控制強(qiáng)信號。從控制的觀點(diǎn)看，它的功率放大倍數(shù)很大，用幾十到一二百毫安電流，兩到三伏的電壓可以控制幾十安、千余伏的工作電流電壓，換句話說，它的功率放大倍數(shù)可以達(dá)到數(shù)十萬倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大，所以在許多晶體管放大器功率達(dá)不到的場合，它可以發(fā)揮作用。從電能的變化與調(diào)節(jié)方面看，它可以實(shí)現(xiàn)交流—直流、直流—交流、交流—交流、直流—直流以及變頻等各種電能的變換和大小的控制。9.2

晶閘管9.2.1

晶閘管結(jié)構(gòu)、符號與外形

晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖和圖形符號如圖9-2所示。它由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，其間形成三個(gè)PN結(jié)，引出三個(gè)電極，分別為陽極a、陰極k和控制極g。

圖9-1

晶閘管的外形圖圖9-2

晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和符號9.2.2

晶閘管的工作原理

為了說明晶閘管的工作原理，可將晶閘管等效地看成由PNP和NPN型兩個(gè)三極管連接而成，每個(gè)三極管基極與另一個(gè)三極管的集電極相連，如圖9-3所示，陽極a相當(dāng)于PNP型三極管T2的發(fā)射極，陰極k相當(dāng)于NPN型T1三極管的發(fā)射極。圖9-3

等效電路

按圖9-4所示電路圖連接，在晶閘管陽極a和陰極k之間加正向電壓，同時(shí)在控制極g和陰極k之間也加正向電壓時(shí)，則可使晶閘管導(dǎo)通。

控制極的作用只是使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，而導(dǎo)通后，控制極就失去了控制作用，所以控制極g又稱做門極。

陽極電流IA減少到小于某一數(shù)值IH時(shí)，晶閘管就不能維持正反饋過程而變?yōu)殛P(guān)斷，此時(shí)稱為正向阻斷，IH稱為維持電流；如果在陽極和陰極之間加反向電壓時(shí)，晶閘管亦不可導(dǎo)通，稱為反向阻斷。圖9-4晶閘管的導(dǎo)通原理

9.2.3

晶閘管的伏安特性及其主要參數(shù)1.晶閘管的伏安特性(1)

正向特性

當(dāng)U

>0時(shí)對應(yīng)的曲線稱正向特性。由圖-5可看出，晶閘管的正向特性可分為阻斷狀態(tài)OA段和導(dǎo)通狀態(tài)BC段兩個(gè)部分。(2)

反向特性

當(dāng)U<0時(shí)，對應(yīng)的曲線稱為反向特性晶閘管的反向特性與二極管相似，此時(shí)，晶閘管狀態(tài)與控制極上是否加觸發(fā)電壓無關(guān)。圖9-5

晶閘管的伏安特性9.2.3

晶閘管的伏安特性及其主要參數(shù)2.

晶閘管的主要參數(shù)(1)

正向重復(fù)峰值電壓UDRM

(2)

反向重復(fù)峰值電壓URRM

(3)

額定正向平均電流IF

(4)

維持電流IH

(5)

觸發(fā)電壓UGG和觸發(fā)電流IG

9.2.4

晶閘管的型號

目前我國生產(chǎn)的晶閘管的型號有兩種表示方法，即KP系列和3CT系列。圖9-6KP系列參數(shù)表示方式圖9-73CT系列參數(shù)表示方式2.測量晶閘管的關(guān)斷狀態(tài)

控制極g和陰極k之間只有一個(gè)PN結(jié)，利用PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦?，就可以用萬用表的電阻擋對它進(jìn)行測量。

晶閘管在反向連接時(shí)是不導(dǎo)通的，如果正向連接，但是沒有控制電壓，它也是不導(dǎo)通的。3.測量晶閘管的觸發(fā)能力圖9-9

測量小功率晶閘管的觸發(fā)能力

檢查小功率晶閘管觸發(fā)電路如圖9-9所示。

-9.3

單相橋式半控整流電路

可控整流電路是應(yīng)用廣泛的電能變換電路，其作用是將交流電變換成大小可調(diào)的直流電，作為直流用電設(shè)備的電源。將二極管橋式整流電路中的兩個(gè)二極管用兩個(gè)晶閘管替換，就構(gòu)成了半控橋式整流電路。當(dāng)電路帶有電阻性負(fù)載和電感性負(fù)載時(shí)，其工作情況是不同的。1.

電阻性負(fù)載

當(dāng)單相橋式半控整流電路的負(fù)載為純電阻時(shí)，稱電阻性負(fù)載，其電路如圖9-10(a)

所示。圖9-10

電阻性負(fù)載單相半控橋式整流電路及波形(2)

電路的計(jì)算輸出電壓的平均值:

(12-1)輸出電流的平均值:(12-2)

晶閘管T和二極管D中流過的電流平均值:(12-3)

晶閘管所承受的最高正向電壓和二極管所承受的最高反向電壓均為9.4

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路

要使晶閘管導(dǎo)通，除了加正向陽極電壓外，還必須在控制極和陰極之間加觸發(fā)電壓。提供觸發(fā)電壓的電路稱為觸發(fā)電路。觸發(fā)電路的種類很多，常用的有單結(jié)晶體管觸發(fā)電路、阻容移相觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路以及晶體管觸發(fā)電路等。本節(jié)重點(diǎn)介紹單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。9.4.1

對觸發(fā)電路的要求(1)

應(yīng)能提供足夠大的觸發(fā)功率。

(2)

觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的寬度。

(3)

為了保證觸發(fā)時(shí)間準(zhǔn)確，要求觸發(fā)脈沖具有陡峭上升沿。

(4)

觸發(fā)脈沖應(yīng)與主電路的交流電源同步。

(5)

觸發(fā)脈沖應(yīng)能在足夠?qū)挼姆秶鷥?nèi)平穩(wěn)地移相。

9.4.2

單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與特性1.

單結(jié)晶體管的外形符號與結(jié)構(gòu)

圖9-11N型單結(jié)晶體管

圖9-11所示為單結(jié)晶體管的外形圖?？梢钥闯?，它的外形與普通三極管相似，具有三個(gè)電極，但不是三極管，而是具有三個(gè)電極的二極管，管內(nèi)只有一個(gè)PN結(jié)，所以稱之為單結(jié)晶體管。三個(gè)電極中，一個(gè)是發(fā)射極，兩個(gè)是基極，所以也稱為雙基極二極管。9.4.3

單結(jié)晶體管振蕩器

利用單結(jié)晶體管的負(fù)阻特性可構(gòu)成自激振蕩電路，產(chǎn)生控制脈沖，用以觸發(fā)晶閘管，如圖12-14(a)所示，其波形如圖9-13(b)所示。圖9-13

張馳振蕩電路圖及波形圖9.4.4

單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路

振蕩的電路的輸出可作為觸發(fā)脈沖，但必須使它與主電路同步，以保證在每個(gè)周期內(nèi)整流電路的控制角相等。

單結(jié)晶體管同步觸發(fā)可控整流電路如圖12-15(a)所示，圖中下半部分為主回路，是一單相半控橋式整流電路。上半部分為單結(jié)晶體管觸發(fā)電路。電路中各點(diǎn)波形如圖12-15(b)所示。

(a)電路圖(b)波形圖圖9-14

單結(jié)晶體管同步觸發(fā)電路9.5.1

雙向晶閘管1.

結(jié)構(gòu)與外型符號圖9-15

雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)與符號圖9-16小功率雙向晶閘管外形9.5.2

觸發(fā)二極管

觸發(fā)二極管是雙向觸發(fā)二極管的簡稱，亦稱二端交流器件，它與雙向晶閘管同時(shí)問世。觸發(fā)二極管的結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，常用來觸發(fā)雙向晶閘管，構(gòu)成過電壓保護(hù)電路、定時(shí)器等。

雙向觸發(fā)二極管的電路符號如圖9-17所示，文字符號用T表示。它屬于三層構(gòu)造、具有對稱性的二端半導(dǎo)體器件。圖9-17

雙向觸發(fā)二極管符號9.6

其他晶閘管介紹.6.1

光控晶閘管

光控晶閘管也稱GK型光開關(guān)管，是一種光敏器件。通常晶閘管有三個(gè)電極：控制極G、陽極A和陰極C。而光控晶閘管由于其控制信號來自光的照射，沒有必要再引出控制極，所以只有兩個(gè)電極(陽極A和陰極C)。但它的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管一樣，是由四層PNPN器件構(gòu)成的。

光控晶閘管具有很強(qiáng)的抗干擾能力、良好的高壓絕緣性能和較高的瞬時(shí)過電壓承受能力，因而被應(yīng)用于高壓直流輸電(HDC)、靜止無功功率補(bǔ)償(SVC)等領(lǐng)域。9.6.3可關(guān)斷晶閘管

可關(guān)斷晶閘管(GateTurn-OffThyristor，GTO)亦稱門控晶閘管。其主要特點(diǎn)為，當(dāng)門極加負(fù)向觸發(fā)信號時(shí)晶閘管能自行關(guān)斷。

它既保留了普通晶閘管耐壓高、電流大等優(yōu)點(diǎn)，還具有自關(guān)斷能力，使用方便，是理想的高壓、大電流開關(guān)器件。

大功率可關(guān)斷晶閘管已廣泛用于斬波調(diào)速、變頻調(diào)速、逆變電源等領(lǐng)域，顯示出強(qiáng)大的生命力。9.6.4逆導(dǎo)晶閘管

逆導(dǎo)晶閘管(RCT)在普通晶閘管的陽極A與陰極K之間反向并聯(lián)了一只二極管(制作于同一管芯中)。

逆導(dǎo)晶閘管較普通晶閘管的工作頻率高，關(guān)斷時(shí)間短、誤動作小，可廣泛應(yīng)用于超聲波電路、電磁灶、開關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器、超導(dǎo)磁能儲存系統(tǒng)等領(lǐng)域。9.7晶閘管的應(yīng)用12.7.1

交流調(diào)光臺燈的應(yīng)用電路圖9-18

調(diào)光臺燈應(yīng)用電路圖9-19

雙向晶閘管交流調(diào)壓波形圖

電路的工作原理：觸發(fā)電路由兩節(jié)RC移相網(wǎng)絡(luò)和雙向二極管T2組成。當(dāng)電容C1上的電壓達(dá)到雙向二極管T2的正向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載RL上得到相應(yīng)的正半波交流電壓。在電源電壓過零瞬間，晶閘管電流小于維持電流IH而自動關(guān)斷。當(dāng)電源電壓U為上負(fù)下正時(shí)，電源對C1反向充電，C1上的電壓為下正上負(fù)，當(dāng)C1上的電壓達(dá)到雙向二極管T1的反向轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，T1導(dǎo)通，給雙向晶閘管的控制極一個(gè)反向觸發(fā)脈沖UG，晶閘管由T1向T2方向?qū)?，?fù)載RL上得到相應(yīng)的負(fù)半波交流電壓。9.7.1

交流調(diào)光臺燈的應(yīng)用電路9.7.2

交流固態(tài)開關(guān)電路

晶閘管具有可控單向?qū)щ娦?，其特性類似于開關(guān)，因此很容易組成直流開關(guān)。而交流開關(guān)的特點(diǎn)是晶閘管在正半周承受正向電壓時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，而它的關(guān)斷則利用電源負(fù)半周加于管子上的反向電壓來實(shí)現(xiàn)，在電路過零時(shí)關(guān)斷。

近年來，新發(fā)展的一種固態(tài)開關(guān)(固態(tài)繼電器或固態(tài)接觸器)是一種固體組件，內(nèi)部電路如圖9-20所示。1、2為輸入端，相當(dāng)于繼電器的線圈端；3、4