第9章晶閘管電路與其應(yīng)用

第9章晶閘管電路與其應(yīng)用第一頁，共76頁。本章教學目標1、了解普通晶閘管的結(jié)構(gòu)、工作原理、伏安特性、主要參數(shù)，熟悉電路符號。2、了解雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、光控晶閘管工作原理、電路符號，了解溫控晶閘管工作原理。3、熟悉單相可控整流電路的工作原理，會對電路參數(shù)進行計算。4、了解單結(jié)晶體管的基本特性，熟悉單結(jié)晶體管觸發(fā)電路組成及其應(yīng)用。了解觸發(fā)二極管及其應(yīng)用。5、選學晶閘管應(yīng)用示例，固態(tài)繼電器原理、分類、主要特點、電路調(diào)試方法。第二頁，共76頁。9.1晶閘管結(jié)構(gòu)及工作原理晶閘管（Hhyristor）全稱硅晶體閘流管，又稱可控硅（Siliconcontrolledrectifier簡寫為SCR）。它于1957年問世后，因具有體積小、重量輕、抗震動、效率高、容量大、耐高壓、無火花、壽命長、可控性能好等優(yōu)點，在二十世紀六、七十年代獲得迅速發(fā)展，除器件本身性能不斷提高外，還派生出快速晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、逆導晶閘管、光控晶閘管、雙向晶閘管等，形成晶閘管系列。本書如不特別說明，所述晶閘管為普通晶閘管。

第三頁，共76頁。

9.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)、電路符號晶閘管有三個電極：陽極A，陰極K，門極(控制極)G，根據(jù)外形可把晶閘管分為螺栓式、平板式和小電流塑封式，外形圖如圖9.1.1所示，圖形符號如圖9.1.1（e）所示，晶閘管在電路中用文字符號“”、“”表示（舊標準中用字母“”表示）。

圖9.1.1晶閘管的外形與圖形符號

第四頁，共76頁。晶閘管是電力電子器件，工作時發(fā)熱量大，必須安裝散熱器。圖9.1.1（b）、（c）為螺栓式（中功率），使用時必須緊栓在散熱器上，它的螺旋端為陽極，另一較粗端為陰極，引線較細的為門極。圖9.1.1（d）為平板式，使用時由兩個彼此絕緣的散熱器把其緊夾在中間。冷卻方式有自然冷卻、強風冷卻、液體介質(zhì)循環(huán)冷卻等。

平板形晶閘管與散熱器

第五頁，共76頁。晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.1.2（a）所示，由P1-N1-P2-N2四層半導體通過一定工藝制造而成。其間形成三個PN結(jié)（J1、J2、J3結(jié)），分別從P1區(qū)引出陽極A，從P2區(qū)引出門極G，從N2區(qū)引出陰極K。晶閘管結(jié)構(gòu)示意圖如9.1.2（b）所示。

圖9.1.2晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）結(jié)構(gòu)示意圖

第六頁，共76頁。9.1.2晶閘管工作原理一、晶閘管的導通實驗晶閘管導通實驗電路如圖9.1.3所示。實驗步驟如下：

圖9.1.3晶閘管的導通實驗（a）晶閘管正偏但未加觸發(fā)電壓（b）晶閘管正偏加觸發(fā)電壓后導通（c）晶閘管正偏切斷觸發(fā)電壓仍導通

第七頁，共76頁。首先將晶閘管陽極A經(jīng)燈泡接陽極電源VAA的正端，陰極接VAA的負端，晶閘管正向偏置，開關(guān)S斷開，門極G不加觸發(fā)電壓UG（電池），如圖9.1.3（a）所示。此時燈不亮，說明晶閘管沒有導通。然后合上開關(guān)S，門極G加上正極觸發(fā)電壓UG，于是燈亮了，說明晶閘管已導通，如圖9.1.3（b）所示。最后，將開關(guān)S打開，切斷門極的觸發(fā)電壓UG，發(fā)現(xiàn)燈仍亮著，說明晶閘管維持導通，如圖9.1.3（c）所示。

進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，假若門極加的是負極性觸發(fā)電壓，則無論晶閘管正向偏置還是反向偏置（陽極接電源負端，陰極接電源正端），燈都不亮，說明晶閘管不能導通（稱之為關(guān)斷或阻斷）；假若門極加的是正極性電壓，而晶閘管反偏，燈也不會亮，說明晶閘管也不能導通。

第八頁，共76頁。二、晶閘管的工作原理上述晶閘管導通實驗，說明了晶閘管導通和關(guān)斷的外部條件，下面從晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析其工作原理。

普通晶閘管的內(nèi)部四層（P1-N1-P2-N2）結(jié)構(gòu)可以等效為兩個晶體三極管V2（PNP管）P1-N1-P2和V1（NPN管）N1-P2-N2互聯(lián)，如圖9.1.4所示。圖9.1.4晶閘管的工作原理（a）內(nèi)部結(jié)構(gòu)（b）等效電路

第九頁，共76頁。晶閘管在陽極-陰極施加正向電壓下，給門極注入一定功率的門極觸發(fā)電流iG，晶閘管內(nèi)部的晶體管V1進入放大狀態(tài)，形成集電極電流iC1，集電極電流iC1成為V2管的基極電流，促使晶體管V2發(fā)射極電流iA和集電極電流iC2增加，晶體管V2集電極電流iC2和門極觸發(fā)電流iG疊加，形成正反饋，促使晶體管V1快速進入飽和導通，產(chǎn)生更大的晶體管V1集電極電流iC1和晶體管V2集電極電流iC2，形成強烈正反饋過程，使兩個晶體管V2和V1完全飽和導通，晶體管V2形成較大的發(fā)射極電流iA，即晶閘管的陽極-陰極電流iAK，晶閘管從截止變?yōu)閷?，晶閘管正反饋過程為

第十頁，共76頁。當晶閘管導通后，由于晶閘管的正反饋過程的存在，即使晶閘管門極觸發(fā)電流iG消失，晶閘管仍然可以保持導通狀態(tài)，因此晶閘管門極觸發(fā)電流iG可以采用脈沖電流觸發(fā)。要使導通的晶閘管關(guān)斷，只有去掉門極觸發(fā)電流iG，同時減小晶閘管陽極陰極間電流iAK，當iAK小于一定值（即晶閘管的維持電流iH，此電流一般為mA級）時，晶閘管的正反饋過程受到破壞，不能重新建立時，晶閘管就由導通狀態(tài)變成截止狀態(tài)（阻斷狀態(tài)）。

第十一頁，共76頁。普通晶閘管器件具有如下特性：

（1）晶閘管具有正向阻斷特性，當外加正向電壓時管子還不能導通，晶閘管觸發(fā)導通的條件是陽極和陰極間須施加正向電壓UAK，門極對陰極施加一定功率的正向觸發(fā)電流iG脈沖。（2）晶閘管的關(guān)斷條件是陽極陰極間電流iAK小于晶閘管的維持電流iH，可采用降低陽極電源電壓，或增加陽極回路電阻的方法來實現(xiàn)。（3）晶閘管一旦觸發(fā)后，門極便失去控制作用，屬于半控型電力電子器件。（4）晶閘管在陽極陰極間施加正向電壓UAK時，可通過門極觸發(fā)電流iG來控制晶閘管的導通和關(guān)斷，當晶閘管施加反向電壓UAK時，無論門極觸發(fā)電流iG脈沖如何，晶閘管則完全處于關(guān)斷狀態(tài)，因而晶閘管具有單向?qū)щ娦浴?/p>

第十二頁，共76頁。9.1.3伏安特性及主要參數(shù)一、伏安特性晶閘管陽極陰極間施加的電壓UAK與流過其間電流IAK之間的關(guān)系稱為晶閘管的伏安特性，如圖9.1.5所示，它由第I象限正向特性區(qū)和第Ⅲ象限反向特性區(qū)組成。

圖9.1.5晶閘管的伏安特性

第十三頁，共76頁。第1象限為正向伏安特性，是晶閘管由正向阻斷狀態(tài)到正向?qū)顟B(tài)的特性，正向阻斷狀態(tài)的高阻區(qū)（高電壓、小電流），在不同的門極觸發(fā)電流IG作用下經(jīng)不同的轉(zhuǎn)折電壓UBO和負阻區(qū)（電流增加，電壓減?。?，到達正向?qū)顟B(tài)（低電壓，大電流）。正向?qū)ㄌ匦院鸵话愣艿恼驅(qū)ㄌ匦砸粯?，門極觸發(fā)電流IG越大，轉(zhuǎn)折電壓UBO越低。

第十四頁，共76頁。當IG=0時，晶閘管正向電壓UAK增大到轉(zhuǎn)折電壓UBO前，器件處于正向阻斷狀態(tài)，其正向漏電流隨UAK電壓增高而逐漸增大，當UAK達到UBO時管子將突然從阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)為導通狀態(tài)，導通后器件的特性與整流二極管正向伏安特性相似。當通入門極電流IG且足夠大時，正向轉(zhuǎn)折電壓降至極小，使晶閘管像整流二極管一樣，一加上正向陽極電壓就導通，這種導通稱為觸發(fā)導通。當已導通的管子的陽極電流IA減小到維持電流IH時，管子又從導通返回正向阻斷，晶閘管只能穩(wěn)定工作在阻斷與導通兩個狀態(tài)。

第十五頁，共76頁。第III象限反向特性區(qū)是晶閘管反向阻斷狀態(tài)，反映陽極電壓和陽極反向電流之間的關(guān)系，與一般二極管的反向阻斷特性類似，晶閘管加反向陽極電壓時，只流過很小的反向漏電流，當反向電壓升高到UBR時，管子反向擊穿，UBR稱為反向擊穿電壓。

第十六頁，共76頁。二、晶閘管的主要參數(shù)1.晶閘管的電壓參數(shù)

（1）正向轉(zhuǎn)折電壓UBO（Forwardbreakovervoltage）

在額定結(jié)溫（100A以上為115℃，50A以下為100℃）和門極開路的條件下，陽極和陰極間加正弦半波正向電壓使器件由阻斷狀態(tài)發(fā)生正向轉(zhuǎn)折變成導通狀態(tài)所對應(yīng)的電壓峰值。

（2）斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM（Blockingrecurrencepeakvoltage）

指門極開路，晶閘管結(jié)溫為額定值，允許重復(fù)施加在晶閘管上的正向峰值電壓。重復(fù)頻率為每秒50次，每次持續(xù)時間不大于10ms，其值為

UDRM=UBO—100V

第十七頁，共76頁。（3）反向轉(zhuǎn)折電壓UBR

就是反向擊穿電壓。

（4）反向重復(fù)峰值電壓URRM

指門極開路，晶閘管結(jié)溫為額定值，允許重復(fù)施加在晶閘管上的反向峰值電壓。

第十八頁，共76頁。（5）額定電壓UT

通常用UDRM和URRM中較小者，再取相應(yīng)于標準電壓等級中偏小的電壓值作為晶閘管的標稱額定電壓。在1000V以下，每100V一個等級；在1000~3000V，則是每200V一個等級。為了防止工作中的晶閘管遭受瞬態(tài)過電壓的損害，通常取電壓安全系數(shù)為2~3，例如器件在工作電路中可能承受到的最大瞬時值電壓為UTM，則取額定電壓UT=（2~3）UTM。

（6）通態(tài)正向平均電壓UF

在規(guī)定的環(huán)境溫度和標準散熱條件下，器件正向通過正弦半波額定電流時，其兩端的電壓降在一周期內(nèi)的平均值，又稱管壓降，其值在0.6~1.2V之間。

第十九頁，共76頁。2.晶閘管的電流參數(shù)

（1）通態(tài)平均電流IF

指在環(huán)境溫度為+40℃和規(guī)定的冷卻條件下，晶閘管元件在電阻性負載的單相工頻正弦半波電路中，導通角不小于170°。穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時，所允許的最大平均電流，并按標準取其整數(shù)值作為該元件的額定電流。反映晶閘管元件所允許的有效值電流，等于電流波形系數(shù)(電流波形系數(shù)Kf定義為電流有效值與電流平均值之比)和通態(tài)平均電流IF之乘積，例如一只額定電流IF＝100A的晶閘管，其允許的有效值電流為157A。

（2）維持電流IH（Holdingcurrent）

指在室溫和門極開路時，逐漸減小導通狀態(tài)下晶閘管的陽極電流，最后能維持晶閘管持續(xù)導通所必須的最小陽極電流，結(jié)溫越高，維持電流IH越小，晶閘管越難關(guān)斷。

第二十頁，共76頁。（3）掣住電流IL（Latchingcurrent）

指晶閘管觸發(fā)后，剛從正向阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)入導通狀態(tài)，在立刻撤出門極觸發(fā)信號后，能維持晶閘管導通狀態(tài)所需要的最小陽極電流。晶閘管的擎住電流IL通常是其維持電流的2~4倍。

第二十一頁，共76頁。3.晶閘管的控制極參數(shù)

(1)門極觸發(fā)電流IG（Gatetriggercurrent）

在室溫下，晶閘管施加6V的正向陽極電壓時，使元件從正向阻斷到完全導通所必須的最小門極電流。

(2)門極觸發(fā)電壓UG

指產(chǎn)生門極觸發(fā)電流IG所必須的最小門極電壓。

第二十二頁，共76頁。三、國產(chǎn)晶閘管的型號按國家有關(guān)部門規(guī)定，晶閘管的型號及其含義如下：

如KP100-12G表示額定電流為100A，額定電壓為1200V，管壓降（通態(tài)平均電壓）為1V的普通型晶閘管。

第二十三頁，共76頁。有的制造廠采用老型號3CT口/口。如3CT100/800表示額定電流為100A，額定電壓為800V的可控硅整流元件，即現(xiàn)在定名的晶閘管。3CTK為快速管，3CTS為雙向管。

第二十四頁，共76頁。9.1.4其他晶閘管一、雙向晶閘管（Bidirectionalthyristor）普通晶閘管只能單方向?qū)?。而雙向晶閘管在其門極G與主電極A間加上正向或反向觸發(fā)信號可使器件的兩個方向都能控制導通。它是由兩個反并聯(lián)的主晶閘管，一個作門極觸發(fā)用的晶閘管和一個晶體管構(gòu)成的N-P-N-P-N五層器件，可作為三端交流開關(guān)使用，故簡稱TRIAC。雙向晶閘管的這一特點使其作為控制元件，在工業(yè)控制和家用電器等領(lǐng)域內(nèi)得到極為廣泛的應(yīng)用。近年來，固態(tài)繼電器和接觸器的發(fā)展，為雙向晶閘管作為執(zhí)行元件開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

第二十五頁，共76頁。圖9.1.6為雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號和二象限標注的門極觸發(fā)特性。

圖9.1.6雙向晶閘管的結(jié)構(gòu)、符號和特性（a）結(jié)構(gòu)圖（b）電路符號（c）伏安特性

第二十六頁，共76頁。與普通晶閘管不同的是，雙向晶閘管有四個PN結(jié)，采用結(jié)型門極結(jié)構(gòu)，門極下面不僅有P型層，同時還有N型層，門極的極性可正可負，以便開通兩個反并聯(lián)的晶閘管；它是一種交流元件，其伏安特性是對稱的，在第一象限和第三象限都能導通，同時控制極可正可負，故有四種觸發(fā)方式，通常稱為I+、I-、III+、III-觸發(fā)。四種觸發(fā)方式的靈敏度各不相同，其中III+方式最低，因此，在實際應(yīng)用中只采用（I+、III-）和（I-、III-）兩組觸發(fā)方式。

第二十七頁，共76頁。二、可關(guān)斷晶閘管GTO（GateTurnOffThyristor）普通單、雙向晶閘管一旦觸發(fā)導通后，門極就失去了控制作用，不能控制晶閘管再關(guān)斷。門極關(guān)斷晶閘管具有在門極施加正脈沖可以使晶閘管觸發(fā)導通、施加負脈沖可以關(guān)斷晶閘管的功能。門極關(guān)斷晶閘管的圖形符號如圖9.1.7所示，門極關(guān)斷晶閘管具有工作頻率高、開關(guān)速度快、無觸點、耐壓高、門極關(guān)斷等特點，主要用于高壓直流開關(guān)、逆變器、高壓脈沖發(fā)生器、過電流保護等電路中。

圖9.1.7門極關(guān)斷晶閘管圖形符號

第二十八頁，共76頁。三、光控晶閘管利用光來觸發(fā)晶閘管導通的光控（Photocontrolled）晶閘管實際上是把光敏元件和雙向晶閘管做在一起的集成器件，電路符號如圖9.1.8所示，觸發(fā)晶閘管的光源有鎢絲燈泡、發(fā)光二極管等，光源和器件之間可以通過透鏡、棱鏡、光導纖維進行傳輸。

由于光控晶閘管的控制信號是光，觸發(fā)電路和主電路之間電氣上完全隔離，因此，光控晶閘管可用于符號識別、邏輯控制、相位控制、監(jiān)控等電路中，以及其它強電磁干擾的場合中。

圖9.1.8光控晶閘管的電路符號第二十九頁，共76頁。四、溫控晶閘管溫控（Thermalcontrolled）晶閘管是一種新型溫度敏感開關(guān)器件，它將溫度傳感器與控制電路結(jié)合為一體，輸出驅(qū)動電流大，可直接驅(qū)動繼電器等執(zhí)行部件或直接帶動小功率負荷。

溫控晶閘管的結(jié)構(gòu)與普通晶閘管的結(jié)構(gòu)相似（電路圖形符號也與普通晶閘管相同），也是由PNPN半導體材料制成的三端器件，但在制作時，溫控晶閘管中間的PN結(jié)中注入了對溫度極為敏感的成分（如氬離子），因此改變環(huán)境溫度，即可改變其特性曲線。第三十頁，共76頁。在溫控晶閘管的陽極A接上正電壓，在陰極K接上負電壓，在門極G和陽極A之間接入分流電阻，就可以使它在一定溫度范圍內(nèi)（通常為–40~+130℃）起開關(guān)作用。溫控晶閘管由斷態(tài)到通態(tài)的轉(zhuǎn)折電壓隨溫度變化而改變，溫度越高，轉(zhuǎn)折電壓值就越低。溫控晶閘管可用于溫度控制、溫度保護、溫度報警等場合。

第三十一頁，共76頁。9.2單相可控整流電路生產(chǎn)與生活中大量需要電壓可調(diào)的直流電源，如電機調(diào)速、同步電機勵磁、電焊、電鍍等。用晶閘管組成的相控整流電路，可以方便地把交流電變換成大小可調(diào)的直流電，具有體積小、重量輕、效率高以及控制靈敏等優(yōu)點。在不影響工程計算精度的情況下，以下分析均把晶閘管、二極管看成理想器件，即導通時正向電壓降與關(guān)斷時的漏電流均忽略不計，管子的開通與關(guān)斷都是瞬時完成的。

第三十二頁，共76頁。9.2.1單相半波相控整流電路圖9.2.1（a）為單相半波相控整流電路（Single-phasehalfwavecontrollablerectifier），整流變壓器二次電壓有效值用U2表示，瞬時值用u2表示，負載上輸出電壓用uo表示。

圖9.2.1單相半波相控整流電路及波形（a）電路圖（b）波形圖

第三十三頁，共76頁。在u2正半周內(nèi)，晶閘管加上正向陽極電壓，但是管子觸發(fā)脈沖未出現(xiàn)之前的（0~α）管子無法導通，負載RL中沒有電流，負載兩端電壓uO=0，晶閘管VT承受u2電壓。當ωt=α時，晶閘管門極加上觸發(fā)脈沖uG，VT立即導通，電源電壓u2全部加在RL上（忽略晶閘管電壓降）。當管子導通到ωt=π時，u2降至零，晶閘管因流過它的電流隨著下降到零、小于管子的維持電流而關(guān)斷，此時iO、uO也為零。在u2負半周期間，VT因承受反壓而阻斷。直至下一個周期正半周，再加上觸發(fā)脈沖時，晶閘管再重新導通。當u2電壓的每一個周期都以恒定的α角加上觸發(fā)脈沖，負載RL上就能得到穩(wěn)定的缺α角半波電壓波形，這是一個單方向的脈動直流電壓，電流iO=uO/RL與uO波形相同，如圖9.2.1（b）所示。用示波器測量波形時要注意：①波形中垂直上跳或下跳的線段是顯示不出的；②要測量有直流分量的波形必須從示波器的直流測量端輸入且預(yù)先確定基準水平線位置。

第三十四頁，共76頁。在單相電路中，把晶閘管承受正壓起到觸發(fā)導通之間的電角度α稱為觸發(fā)延遲角（Controlangle），亦稱觸發(fā)角、控制角；晶閘管在一個周期內(nèi)導通的電角度用θ表示，稱為導通角。改變α的大小即改變觸發(fā)脈沖在每周期內(nèi)出現(xiàn)的時刻稱為移相，這種控制方式稱為相控。對單相半波電路而言，α移相范圍為0~π，對應(yīng)的θ在π~0范圍內(nèi)變化

α＋θ＝π

輸出端的直流電壓是以平均值來衡量的，UO(AV)是uO波形在一個周期內(nèi)面積的平均值，直流電壓表測得的即為此值，UO(AV)可由下式積分求得

第三十五頁，共76頁?？煽卣鬏敵鲭娏鞯钠骄禐?/p>

流過晶閘管的通態(tài)平均電流IF

由于電流iO也是缺角正弦半波，因此在選擇晶閘管、熔斷器、導線截面以及計算負載電阻RL的有功功率時必須按電流有效值計算。

第三十六頁，共76頁。電流波形的波形系數(shù)Kf定義為電流有效值與電流平均值之比

理論證明，當α=0時

第三十七頁，共76頁。9.2.2阻性負載單相橋式半控整流電路單相橋式半控整流電路如圖9.2.2（a）所示，RL為電熱絲、電鍍、電焊等電阻性負載。

圖9.2.2單相半控橋式整流電路及波形（a）電路圖（b）波形圖

第三十八頁，共76頁。在u2的正半周（圖中極性為上正下負時），VT2和VD1反向偏置而截止。VT1和VD2正向偏置，在VT1門極的觸發(fā)信號來到之前，ωt<α，VT1不導通，因此，負載中無電流流過。當ωt=α時，VT1觸發(fā)導通，當ωt=180O時，u2降為零，VT1阻斷。同樣，在u2的負半周，VT2和VD1正向偏置，當VT2的門極加上觸發(fā)信號后，VT2導通，直至ωt=360°，VT2阻斷，在這段時間內(nèi)VT1和VD2是反向偏置，故不導電。電路中各處波形如圖9.2.2（b）所示。

第三十九頁，共76頁。電阻性負載的橋式半控整流電路的輸出電壓平均值為

可控整流輸出電流平均值為

由式（9.2.6）可見，當觸發(fā)延遲角α從π到0方向變化時，可控整流輸出電壓平均值從零到0.9U2之間連續(xù)變化。

第四十頁，共76頁。晶閘管承受的最大正向、反向電壓和二極管承受的最大反向電壓均為通過晶閘管及整流二極管的平均電流為

第四十一頁，共76頁。在選擇晶閘管時要注意以下問題：（1）選擇晶閘管型號時，其主要額定指標為：正向阻斷峰值電壓UDRM、反向重復(fù)峰值電壓URRM和額定平均電流IF，需從可靠性、經(jīng)濟性及具體電路的具體要求合理地選擇。

（2）晶閘管所承受的電壓與所采用的整流電路形式及電壓有關(guān)。對于單相橋式半控整流電路來說，晶閘管承受的最大反向電壓按下式選擇

晶閘管正向阻斷峰值電壓UDRM和反向重復(fù)峰值電壓URRM按下式選取

第四十二頁，共76頁。（3）晶閘管實際應(yīng)用時的允許電流是要保證晶閘管不因過流使結(jié)溫超過允許值而損壞。晶閘管發(fā)熱所允許的電流值為有效值，為此要把晶閘管額定正向平均電流IF通過波形系數(shù)換算成額定正向電流有效值If。

正弦全波可控整流在導通角為180°的情況下

導通角為30°的情況下

一般情況晶閘管額定正向平均電流IF可用下式估算:

式中，Ifm為晶閘管可能流過最大電流有效值。

第四十三頁，共76頁。（4）二極管參數(shù)參照晶閘管選取。

【例9.2.1】在圖9.2.3的單相橋式可控整流電路中，負載電阻為10Ω，交流電壓U＝220V，觸發(fā)延遲角調(diào)節(jié)范圍為45°～180°，問：（1）直流輸出電壓可調(diào)節(jié)的范圍；（2）晶閘管兩端的最大反向電壓；（3）晶閘管承受的最大平均電流。

圖9.2.3例9.2.1圖

第四十四頁，共76頁。9.2.3電感性負載半波可控整流電路及續(xù)流二極管整流電路直流負載的感抗ωL和電阻RL的大小相比不可忽略時，這種負載稱為電感性負載。屬于此類負載的有：電機的勵磁線圈，輸出串接電抗器的負載等。整流電路帶電感性負載時的工作情況與帶電阻性負載時有很大不同，為便于分析，在電路中把電感L與電阻RL分開，如圖9.2.4（a）所示，其工作原理可按圖9.2.4（b）波形分段說明。

第四十五頁，共76頁。圖9.2.4帶電感性負載的單相半波可控整流電路及波形（a）電路圖（b）波形圖

第四十六頁，共76頁。0~ωt1（α）期間：晶閘管雖承受正電壓，但門極觸發(fā)脈沖尚未出現(xiàn)，管子阻斷，承受全部電源電壓。ωt1~ωt2期間：管子觸發(fā)導通，電源電壓全部加到負載。由于電感L的作用，負載電流iO只能從零開始逐漸增大，到ωt2時電流達到最大值為U2/RL。此期間電源不但向RL供給能量而且還供給L能量，使電感的磁場能量WL=0.5LiO增至最大值。ωt2~ωt3期間：由于iO開始下降，L中感應(yīng)電動勢eL改變方向阻礙電流下降，在ωt3時u2已降為零但晶閘管仍承受正壓而導通。ωt3~ωt4期間：電源電壓u2已由零變負使電流繼續(xù)下降，但只要保持eL大于u2值，管子仍受正壓繼續(xù)導通。當eL=u2時，管子電壓下降為零而關(guān)斷，iO降為零。此期間L中儲存的磁場能量釋放，一部分供給RL，另一部分返送電源（此時的u2<0而i>0電源吸收功率）。從ωt5開始重復(fù)上述過程。

第四十七頁，共76頁。由上述分析可見，電路串接電感后，iO的變化落后uO的變化，使電流的峰值下降，導通時間延長，負載端出現(xiàn)負電壓。L使電流波形平穩(wěn)，起到“平滑”的作用。在實際使用中，為了在負載RL上得到平穩(wěn)的直流，必須外接電感量很大的平波電抗器。由于電感的存在使負載電壓波形出現(xiàn)部分負電壓，電感L越大導通角θ也越大。當L增大使電壓波形的負面積接近正面積，即導通角θ=2π-2α時，不管α如何變化輸出電壓平均值UO總是很小，甚至出現(xiàn)晶閘管久久不能關(guān)斷的失控現(xiàn)象，使電路無法工作，這種情況必須嚴加防止，一般通過加接續(xù)流二極管來解決。

第四十八頁，共76頁。圖9.2.5有續(xù)流二極管帶電感性負載半波可控整流電路（a）電路圖（b）波形圖

第四十九頁，共76頁。有了續(xù)流二極管，負載上的電流波形也平直多了。因為晶閘管阻斷以后，電感中自感電動勢使續(xù)流二極管VD導通，負載電流被二極管所續(xù)流，晶閘管不再有因自感電動勢使其在該關(guān)斷時不關(guān)斷的情況發(fā)生。所以iO在整個周期內(nèi)幾乎連續(xù)不變，設(shè)晶閘管導通角為θ，負載電流平均值為IO(AV)，則晶閘管平均電流為（θ/360°）IO(AV)，續(xù)流二極管平均電流為[（360°-θ）/360°]IO(AV)

。值得注意的是，續(xù)流二極管的極性不能接反，否則會引起電源短路事故。同理，對于圖9.2.2（a）的單相橋式可控整流電路，若采用電感性負載，則在RL兩端必須并接一個續(xù)流二極管，以提高輸出電壓的平均值，以使電路正常工作。

第五十頁，共76頁。9.3觸發(fā)電路向晶閘管門極提供觸發(fā)信號的電路稱為觸發(fā)電路，本節(jié)介紹單結(jié)晶體管及其觸發(fā)電路、觸發(fā)二極管等。

當晶閘管處于正向電壓時，在觸發(fā)信號作用下，管子開始導通。一般采用脈沖電壓作為門極的觸發(fā)信號。第五十一頁，共76頁。9.3.1對晶閘管觸發(fā)電路的要求對觸發(fā)電路的基本要求如下：（1）觸發(fā)脈沖發(fā)出的時刻，必須與主回路電源電壓的相位有一定對應(yīng)的觸發(fā)延遲角關(guān)系。這稱之為同步。觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的移相范圍。（2）觸發(fā)脈沖信號能提供足夠大的電壓和電流，應(yīng)符合晶閘管對觸發(fā)信號的要求。一般觸發(fā)電壓為4~10V。（3）觸發(fā)脈沖的上升前沿要陡，以保證觸發(fā)時間的準確性，最好在10μs以下。（4）觸發(fā)脈沖要有足夠的寬度.由于晶閘管開通時間約為6μs，故觸發(fā)脈沖寬度最好為20~50μs，最小不低于6μs。對電感性負載，脈沖還應(yīng)加寬。（5）在觸發(fā)脈沖發(fā)送之前，觸發(fā)電路的輸出電壓應(yīng)小于0.15~0.2V。必要時，可在門極加-1~-2V電壓，以提高抗干擾能力，避免誤觸發(fā)。

第五十二頁，共76頁。9.3.2單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)與特性一、單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)單結(jié)晶體管（Unijunctiontransistor，縮寫UJT）示意性結(jié)構(gòu)如圖9.3.1（a）所示

圖9.3.1單結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)、等效電路、圖形符號、引腳（a）結(jié)構(gòu)（b）等效電路（c）圖形符號（d）引腳

第五十三頁，共76頁。在一塊高電阻率的N型硅半導體基片上，引出兩個電極，第一基極b1與第二基極b2，這兩個基極之間的電阻Rbb稱為基區(qū)電阻約2～12kΩ。在兩基極之間，靠近b2極處設(shè)法摻入P型雜質(zhì)引出電極稱為發(fā)射極e。所以它是一種特殊的半導體器件，有三個引出端，只有一個PN結(jié)，故稱單結(jié)晶體管，其等效電路、符號與管腳如圖9.3.1（b）、（c）、（d）所示，Rb1、Rb2分別為e極與b1、b2之間電阻。其中Rb1的阻值會隨發(fā)射極電流IE的變化而變化，可等效成一個可變電阻。

圖9.3.1（b）中Rb1上的分壓

UA=UBB×Rb1/（Rb1+Rb2）=ηUBB

式中，η是單結(jié)晶體管的一個重要參數(shù)，稱為分壓比

第五十四頁，共76頁。二、單結(jié)晶體管的特性曲線若在b1和b2之間加一個正向偏壓UBB，如圖9.3.2（a）所示，調(diào)節(jié)UDD使UE改變，發(fā)射極電流IE隨之變化，圖9.3.2（b）是UE和IE相應(yīng)變化的伏安特性曲線。

圖9.3.2單結(jié)晶體管的特性（a）實驗電路（b）特性曲線

第五十五頁，共76頁。當UE=0時，Rb1電阻上的電壓URb1使等效的二極管VD截止，只有很小的反向電流IEO存在，單結(jié)晶體管處于截止區(qū)。在UE提高至UE≥ηUBB+UD時(UD為等效二極管導通電壓)，二極管VD導通，IE明顯增大，當IE繼續(xù)增大時，等效電阻Rb1阻值下降，導致分壓比η下降，UA值下降，二極管VD正向偏壓增加，進一步使Rb1減小，這一正反饋過程結(jié)果使UE電壓反而下降，產(chǎn)生了如圖所示的負阻特性，P點處的電壓UP稱為單結(jié)晶體管的峰點（Peakpoint）電壓，相對應(yīng)的IP稱為峰點電流，這是使器件導通所需的最小電流。

由上述分析可知

UP＝ηUBB+UD

第五十六頁，共76頁。在UE降低至谷點（valleypoint）后，IE增加，UE也有所增加，器件進入飽和區(qū)，谷點電壓UV是維持單結(jié)晶體管導通的最小發(fā)射極電壓，在UE<UV時，器件又重新截止，一般UV為2~5V。單結(jié)晶體管的型號有BT3X，例如BT31、BT33、BT35等。

第五十七頁，共76頁。9.3.3單結(jié)晶體管自激振蕩電路利用單結(jié)晶體管的負阻特性可組成自激振蕩電路，產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖，其電路如圖9.3.3（a）所示。

圖9.3.3單結(jié)晶體管振蕩電路與波形（a）電路圖（b）波形圖

第五十八頁，共76頁。R2為溫度補償電阻，R1為負載電阻，當加上直流電壓U后，一路經(jīng)R2、R1在單結(jié)晶體管兩個基極之間按分壓比η分壓；另一路通過Re對電容C充電，發(fā)射極電壓Ue等于電容兩端電壓Uc，按指數(shù)曲線漸漸上升，如圖9.3.3（b）所示。當Uc<Up時，管子e、b1之間處于截止狀態(tài)。隨著Uc值的增大，電容電壓Uc充到剛開始大于Up的瞬間，管子eb1間的電阻突然變?。ń禐?0歐左右）而開始導通。電容上的電荷通過eb1迅速向電阻R1放電。由于放電回路電阻很小，放電時間很短，所以在R1上得到很窄的尖脈沖。當Uc小于谷點電壓Uv時，管子從導通又轉(zhuǎn)為截止，電容C又開始充電，電路不斷振蕩，在電容上形成鋸齒波電壓，在R1上輸出前沿很陡的尖脈沖。uC、uG波形如圖9.3.3（b）所示。

第五十九頁，共76頁。振蕩頻率為改變Re可方便地改變振蕩頻率。

第六十頁，共76頁。9.3.4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路應(yīng)用示例圖9.3.4單相半控橋式單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形第六十一頁，共76頁。9.3.4單結(jié)晶體管觸發(fā)電路應(yīng)用示例圖9.3.4單相半控橋式單結(jié)晶體管觸發(fā)電路及波形第六十二頁，共76頁。9.3.5觸發(fā)二極管及其應(yīng)用簡介雙向二極管（DIAC）又稱為觸發(fā)二極管，在觸發(fā)雙向晶閘管的控制電路中得到廣泛的應(yīng)用，雙向二極管（DIAC）是由二極管的交流（AC）開關(guān)而得名。DIAC使用在從交流電源直接得到觸發(fā)脈沖的電路中，特別是它具有雙向?qū)ΨQ翻轉(zhuǎn)電壓特性的優(yōu)點。DIAC的基本結(jié)構(gòu)如圖9.3.5（a）所示，它具有PNP（或NPN）三層對稱的結(jié)構(gòu)。它的伏安特性如圖9.3.5（c）所示，圖中給出了對稱的翻轉(zhuǎn)電壓（通常為20～40V）。

第六十三頁，共76頁。圖9.3.5雙向二極管的結(jié)構(gòu)、符號和伏安特性（a）基本結(jié)構(gòu)（b）符號（c）伏安特性

第六十四頁，共76頁。用觸發(fā)二極管和雙向晶閘管組成的簡易調(diào)光電路如圖9.3.6所示，該電路可用作家用電扇調(diào)速和臺燈調(diào)光控制。

圖9.3.6簡易調(diào)光電路

第六十五頁，共76頁。當調(diào)節(jié)電位器RP時，便可改變RC時