晶閘管及其應(yīng)用電工學(xué)

晶閘管及其應(yīng)用電工學(xué)第1頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本章要求1.了解晶閘管的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、特性和主要參數(shù)。2.理解可控整流電路的工作原理、掌握電壓平均值與控制角的關(guān)系。3.了解單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路的工作原理。第20章晶閘管及其應(yīng)用第2頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管（Silicon

ControlledRectifier）

晶閘管是在晶體管基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種大功率半導(dǎo)體器件。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。

晶閘管也像半導(dǎo)體二極管那樣具有單向?qū)щ娦?，但它的?dǎo)通時(shí)間是可控的，主要用于整流、逆變、調(diào)壓及開(kāi)關(guān)等方面。

體積小、重量輕、效率高、動(dòng)作迅速、維修簡(jiǎn)單、操作方便、壽命長(zhǎng)、容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。

優(yōu)點(diǎn)：第3頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月G控制極20.1

晶閘管20.1.1基本結(jié)構(gòu)K陰極G陽(yáng)極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖。(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(hào)(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)三個(gè)

PN

結(jié)第4頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月P1P2N1N2K

GA晶閘管相當(dāng)于PNP和NPN型兩個(gè)晶體管的組合+KA

T2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK第5頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

T1T220.1.2工作原理A在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過(guò)程KGEA>0、EG>0EGEA+_R第6頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。20.2.2

工作原理GEA>0、EG>0KEA+_R

T1T2EGA形成正反饋過(guò)程第7頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管導(dǎo)通的條件：

1.晶閘管陽(yáng)極電路(陽(yáng)極與陰極之間)施加正向電壓。

2.晶閘管控制電路(控制極與陰極之間)加正向電壓或正向脈沖(正向觸發(fā)電壓)。

晶閘管導(dǎo)通后，控制極便失去作用。

依靠正反饋，晶閘管仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。晶閘管關(guān)斷的條件：

1.必須使可控硅陽(yáng)極電流減小,直到正反饋效應(yīng)不能維持。

2.將陽(yáng)極電源斷開(kāi)或者在晶閘管的陽(yáng)極和陰極間加反相電壓。第8頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月正向特性反向特性URRMUFRMIG2>IG1>IG0UBRIFUBO正向轉(zhuǎn)折電壓IHoUIIG0IG1IG2+_+_反向轉(zhuǎn)折電壓正向平均電流維持電流

U20.1.3伏安特性第9頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.1.4主要參數(shù)UFRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開(kāi)路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM

=80%UB0

。普通晶閘管UFRM

為100V—3000V反向重復(fù)峰值電壓控制極開(kāi)路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM

=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000VURRM：第10頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月正向平均電流環(huán)境溫度為40

C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。

IF：IF

t

2

如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。第11頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月UF:

通態(tài)平均電壓（管壓降）在規(guī)定的條件下，通過(guò)正弦半波平均電流時(shí)，晶閘管陽(yáng)、陰極間的電壓平均值。一般為1V左右。IH:

維持電流在規(guī)定的環(huán)境和控制極斷路時(shí)，晶閘管維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般IH為幾十~一百多毫安。UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流室溫下，陽(yáng)極電壓為直流6V時(shí)，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流。一般UG為1到5V，IG為幾十到幾百毫安。第12頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月晶閘管型號(hào)及其含義導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級(jí),用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類型）P--普通晶閘管K--快速晶閘管S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。第13頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.2

可控整流電路20.2.1單相半波可控整流

1.電阻性負(fù)載(1)

電路

u

>0時(shí)：若ug=0，晶閘管不導(dǎo)通，u

<0時(shí):

晶閘管承受反向電壓不導(dǎo)通,

uo=0,uT=u，故稱可控整流。控制極加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通，

uuoRL+–+uT+––Tio第14頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)工作原理

t1

2u

<

0時(shí):

可控硅承受反向電壓不導(dǎo)通即：晶閘管反向阻斷加觸發(fā)信號(hào)，晶閘管承受正向電壓導(dǎo)通

tOu

>0時(shí):

tO第15頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

tO接電阻負(fù)載時(shí)單相半波可控整流電路電壓、電流波形

動(dòng)畫控制角

t1

tO

tO

t22

tO導(dǎo)通角(3)工作波形第16頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(4)整流輸出電壓及電流的平均值由公式可知：改變控制角，可改變輸出電壓Uo。第17頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.電感性負(fù)載與續(xù)流二極管(1)電路

當(dāng)電壓u過(guò)零后，由于電感反電動(dòng)勢(shì)的存在，晶閘管在一段時(shí)間內(nèi)仍維持導(dǎo)通，失去單向?qū)щ娮饔谩?/p>

uuoR+–+uT+––T

?LeL?在電感性負(fù)載中,當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電感元件上產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電勢(shì)(極性如圖)，電流不能躍變，將由零逐漸上升(見(jiàn)波形)。第18頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

tO

tO

tO

t1

tO

t22

2)工作波形(未加續(xù)流二極管)第19頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

uuoR+–+uT+––LTioDiou>0時(shí)：

D反向截止，不影響整流電路工作。u

<0時(shí)：

D正向?qū)?晶閘管承受反向電壓關(guān)斷,電感元件L釋放能量形成的電流經(jīng)D構(gòu)成回路(續(xù)流),負(fù)載電壓uo波形與電阻性負(fù)載相同(見(jiàn)波形圖)。3.電感性負(fù)載(加續(xù)流二極管)+–(1)電路第20頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(3)工作波形(加續(xù)流二極管)iL

t

tO

tO

2

tO第21頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.2.2單相半控橋式整流電路1.

電路2.

工作原理

T1和D2承受正向電壓。T1控制極加觸發(fā)電壓,則T1和D2導(dǎo)通，電流的通路為T1、T2

晶閘管D1、D2

晶體管aRLD2T1b(1)電壓u

為正半周時(shí)io+–+–T1T2RLuoD1D2a

u+–b此時(shí)，T2和D1均承受反向電壓而截止。第22頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月io+–+–T1T2RLuoD1D2a

u+–b

T2和D1承受正向電壓。T2控制極加觸發(fā)電壓,則T2和D1導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRLD1T2a此時(shí)，T1和D2均承受反向電壓而截止。第23頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

t

tO

tO3.工作波形2

動(dòng)畫

tO第24頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.輸出電壓及電流的平均值第25頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月兩種常用可控整流電路電路特點(diǎn)該電路只用一只晶閘管，且其上無(wú)反向電壓。2.晶閘管和負(fù)載上的電流相同。(1)uTD2D1D4u0RLD3+-+-第26頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電路特點(diǎn)

1.該電路接入電感性負(fù)載時(shí)，D1、D2

便起續(xù)流二極管作用。(2)20.2.3三相半波可控整流電路動(dòng)畫2.由于T1的陽(yáng)極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨(dú)立的觸發(fā)信號(hào)。T1T2D1D2uuORL+-+-第27頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.2.4三相橋式半控整流電路2.工作原理1.電路動(dòng)畫u2a2

u2bu2ct1t2uoT

T1RLuoD3

T2T3D2D1io

cbau++––第28頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.3

晶閘管的保護(hù)

晶閘管承受過(guò)電壓、過(guò)電流的能力很差，這是它的主要缺點(diǎn)。

晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過(guò)電流時(shí)，溫度急劇上升，可能將PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開(kāi)路。例如一只100A的晶閘管過(guò)電流為400A時(shí)，僅允許持續(xù)0.02秒，否則將因過(guò)熱而損壞；

晶閘管耐受過(guò)電壓的能力極差，電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí)，即使時(shí)間極短，也容易損壞。若正向電壓超過(guò)轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，則晶閘管誤導(dǎo)通，導(dǎo)通后的電流較大，使器件受損。第29頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.3.1

晶閘管的過(guò)流保護(hù)1.

快速熔斷器保護(hù)電路中加快速熔斷器。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，它能在晶閘管過(guò)熱損壞之前熔斷，切斷電流通路，以保證晶閘管的安全。與晶閘管串聯(lián)接在輸入端~接在輸出端快速熔斷器接入方式有三種，如下圖所示。第30頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.

過(guò)流繼電器保護(hù)3.

過(guò)流截止保護(hù)在輸出端(直流側(cè))或輸入端(交流側(cè))接入過(guò)電流繼電器，當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，繼電器動(dòng)作，使電路自動(dòng)切斷。在交流側(cè)設(shè)置電流檢測(cè)電路，利用過(guò)電流信號(hào)控制觸發(fā)電路。當(dāng)電路發(fā)生過(guò)流故障時(shí)，檢測(cè)電路控制觸發(fā)脈沖迅速后移或停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使晶閘管導(dǎo)通角減小或立即關(guān)斷。第31頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.

硒堆保護(hù)20.3.2

晶閘管的過(guò)壓保護(hù)1.阻容保護(hù)CR

利用電容吸收過(guò)壓。其實(shí)質(zhì)就是將造成過(guò)電壓的能量變成電場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存到電容中，然后釋放到電阻中消耗掉。RCRC硒堆保護(hù)(硒整流片)CR~RL晶閘管元件的阻容保護(hù)第32頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.4

單結(jié)晶體管觸發(fā)電路20.4.1單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及工作原理1.結(jié)構(gòu)B2第二基極B1N歐姆接觸接觸電阻P發(fā)射極E第一基極PN結(jié)N型硅片(a)示意圖單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖及其表示符號(hào)(b)符號(hào)B2EB1第33頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.工作原理

UE<

UBB+UD=UP時(shí)PN結(jié)反偏，IE很??；PN結(jié)正向?qū)?IE迅速增加。UE

UP時(shí)

–分壓比(0.5~0.9)UP

–峰點(diǎn)電壓UD–

PN結(jié)正向?qū)▔航礏2B1UBBEUE+_+_RP+_+_等效電路RB1RB2AUBBEUE+_RP+_+_B2B1測(cè)量單結(jié)晶體管的實(shí)驗(yàn)電路由圖可求得第34頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.單結(jié)晶體管的伏安特性UV、IV(谷點(diǎn)電壓、電流):維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小電壓、電流。

UP(峰點(diǎn)電壓)：

單結(jié)管由截止變導(dǎo)通

所需發(fā)射極電壓。IpIVoIEUEUP峰點(diǎn)電壓UV谷點(diǎn)電壓V負(fù)阻區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)負(fù)阻區(qū)：UE>UP后，大量空穴注入基區(qū)，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。P第35頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.UE<UP時(shí)單結(jié)管截止；UE>UP時(shí)單結(jié)管導(dǎo)通，UE<UV時(shí)恢復(fù)截止。單結(jié)晶體管的特點(diǎn)B2EB12.單結(jié)晶體管的峰點(diǎn)電壓UP與外加固定電壓UBB及分壓比

有關(guān)，外加電壓UBB或分壓比

不同，則峰點(diǎn)電壓UP不同。3.不同單結(jié)晶體管的谷點(diǎn)電壓UV和谷點(diǎn)電流IV都不一樣。谷點(diǎn)電壓大約在2~5V之間。常選用

稍大一些，UV稍小的單結(jié)晶體管，以增大輸出脈沖幅度和移相范圍。第36頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.4.2單結(jié)晶體管觸發(fā)電路1.振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路單結(jié)晶體管弛張振蕩電路利用單結(jié)管的負(fù)阻特性及RC電路的充放電特性組成頻率可調(diào)的振蕩電路。ugR2R1RUucE+C+__+_50

100k

300

0.47F第37頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ugR2R1RUuCE+C+__+_50

100k

300

0.47F2.

振蕩過(guò)程分析設(shè)通電前uC=0。接通電源U,電容C經(jīng)電阻R充電。電容電壓uC逐漸升高。

當(dāng)uC

UP時(shí),單結(jié)管導(dǎo)通,電容C放電,R1上得到一脈沖電壓。UpUvUp-UDuC

tug

t電容放電至uC

Uv時(shí)，單結(jié)管重新關(guān)斷，使ug0。(a)(b)第38頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月注意：R值不能選的太小，否則單結(jié)管不能關(guān)斷，電路亦不能振蕩。upuv(c)電壓波形uC

t

tugOO第39頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月主電路觸發(fā)電路u1+RLR1R2RPCRuZT1D1D2T2u2+–uC++–RuL+ug+u+

20.4.3

單結(jié)管觸發(fā)的半控橋式整流電路1.電路第40頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.工作原理(1)整流削波U2M削波UZRu2+–+–uo+–uZ整流U2M

tOZ

tO

tO第41頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)觸發(fā)電路UP-UDR1R2RPCuc+Rug+uZ+

t

tUvUpRLT1D1D2T2uL+(3)輸出電壓uLOOUZ

tO

tO第42頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月問(wèn)題討論1.單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路中，主電路和觸發(fā)電路為什么接在同一個(gè)變壓器上？

目的：保證主電路和觸發(fā)電路的電源電壓同時(shí)過(guò)零(即兩者同步)，使電容在每半個(gè)周期均從零開(kāi)始充電，從而保證每半個(gè)周期的第一個(gè)觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻相同(即角一樣)以使輸出平均電壓不變。2.觸發(fā)電路中，整流后為什么加穩(wěn)壓管？

穩(wěn)壓管的作用：是將整流后的電壓變成梯形(即削波)，使單結(jié)管兩端電壓穩(wěn)定在穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值上，從而保證單結(jié)管產(chǎn)生的脈沖幅度和每半個(gè)周期產(chǎn)生第一脈沖的時(shí)間，不受交流電源電壓變化的影響。第43頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.一系列觸發(fā)脈沖中，為什么只有第一個(gè)起作用？如何改變控制角？根據(jù)晶閘管的特性，它一旦觸發(fā)導(dǎo)通，在陽(yáng)極電壓足夠大的條件下，即使去掉觸發(fā)信號(hào)，仍能維持導(dǎo)通狀態(tài)。因此，每半個(gè)周期中只有第一個(gè)觸發(fā)脈沖起作用。改變充電時(shí)間常數(shù)即可改變控制角。控制角變化的范圍稱為移相范圍。4.電壓的調(diào)節(jié)R

電容充電速度變慢

uL第44頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單結(jié)晶體管觸發(fā)電路T1+U1RE1-CT2RC1RE2R2T3T4D1D2DZR輸出脈沖可以直接從電阻R1引出(如前圖)，也可通過(guò)脈沖變壓器輸出。由于晶閘管控制極與陰極間允許的反向電壓很小，為了防止反向擊穿，在脈沖變壓器副邊串聯(lián)二極管D1,可將反向電壓隔開(kāi)，而并聯(lián)D2，可將反向電壓短路。第45頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月使用脈沖變壓器的觸發(fā)電器第46頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20.5

應(yīng)用舉例1.電瓶充電機(jī)電路R1~AVR2R4R3RPDDZTC+_待充電瓶T1該電瓶充電機(jī)電路使用元件較少，線路簡(jiǎn)單，具有過(guò)充電保護(hù)、短路保護(hù)和電瓶短接保護(hù)。第47頁(yè)，課件共53頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月工作原理

R2

、RP、

C

、T1