晶閘管及其工作原理

章晶閘管及其應用電路§6-1晶閘管§6-2晶閘管整流電路§6-4晶閘管的選擇和保護§6-5晶閘管的觸發(fā)電路§6-3負載對晶閘管整流的影響2021/5/91§6-1

晶閘管一、晶閘管的結構、符號PPNNA陽極K陰極G門極AKG晶閘管的結構晶閘管的符號2021/5/92晶閘管的導電特點：

（1）晶閘管具有單向導電特性（2）晶閘管的導通是通過門極控制的晶閘管導通的條件：（1）陽極與陰極間加正向電壓（2）門極與陰極間加正向電壓，這個電壓稱為觸發(fā)電壓。（以上兩個條件，必須同時滿足，晶閘管才能導通）導通后的晶閘管關斷的條件：（1）降低陽極與陰極間的電壓，使通過晶閘管的電流小于維持電流IH（2）陽極與陰極間的電壓減小為零（3）將陽極與陰極間加反向電壓（只要具備其中一個條件就可使導通的晶閘管關斷）二、晶閘管的工作特性2021/5/93（1）晶閘管一旦觸發(fā)導通，就能維持導通狀態(tài)，門極失去控制作用。要使導通的晶閘管關斷，必須減小陽極電流到維持電流IH以下。小結：

（2）晶闡管具有“可控”的單向導電特性，所以晶閘管又稱單向可控硅?！翱煽亍庇袃蓪雍x：一是晶閘管的導通是受門極控制的；二是導通的晶閘管關斷是受陽極與陰極間電壓控制的。由于門極所需的電壓、電流比較低（電路只有幾十至幾百毫安），而陽極A與陰極K可承受很大的電壓，通過很大的電流（電流可大到幾百安培以上），因此，晶闡管可實現(xiàn)弱電對強電的控制。2021/5/94三、晶閘管的主要參數(shù)斷態(tài)重復峰值電壓UDRM結溫為額定值，門極斷開，允許重復加在晶閘管A與K間的正向峰值電壓反向重復峰值電壓URRM結溫為額定值，門極斷開，允許重復加在晶閘管A與K間的反向峰值電壓通態(tài)平均電流IT（AV）在規(guī)定的環(huán)境溫度和散熱條件下，結溫為額定值，允許通過的工頻正弦半波電流的平均值通態(tài)平均電壓UT（AV）結溫穩(wěn)定，通過的工頻正弦半波額定的平均電流，晶閘管導通時，A與K間的電壓平均值，習慣上稱為導通時的管壓降維持電流IH在規(guī)定的環(huán)境溫度下，門極斷路時，維持晶閘管導通所必須的最小電流晶閘管由通到斷的臨界電流2021/5/95四、晶閘管的型號五、晶閘管的簡單測試2021/5/96§6-2晶閘管整流電路一、單相可控整流電路二、三相可控整流電路

晶閘管組成的整流電路可以在交流電壓不變的情況下，方便地改變直流輸出電壓的大小，即可控整流。2021/5/97一、單相可控整流電路1、單相半波可控整流電路ＶRL單相半波可控整流電路單相半波整流電路0ug0uLπ2πt1t2u2+u2+--uL+-iL（1）電路組成及工作原理t1t1t2t2u1u22021/5/980ug0uLπ2πt1t2t1t1t2t2αα控制角α——從晶閘管開始承受正向電壓到被觸發(fā)導通所對應的電角度。θθ導通角θ——晶閘管實際導通的角度。α+θ=π改變α的大小，即可改變輸出電壓uL的波形。α

越大，θ越小。把控制角α的變化范圍稱為移相范圍。單相半波可控整流電路的移相范圍為：0～π2021/5/99（2）主要參數(shù)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：電路簡單，調整方便缺點：輸出電壓脈動大，設備利用率低2021/5/910例6-1

單相半波可控整流電路中，變壓器二次側電壓U2=120V，當控制角分別為0o、90o、120o、180o時，負載上的平均電壓分別是多少？解：α=0o時α=90o時α=120o時α=180o時改變控制角α的大小可改變輸出電壓的高低，移相范圍為：0o～180o2021/5/9112、單相半控橋式整流電路（1）電路組成及工作原理to23u2to23uLto23ugV3V4V2V1RLu2正半周單相整流電路單相可控整流電路αααθθωt<α時V1、V4正向阻斷，V2、V3反向阻斷uL=0ωt=α時V1、V4導通，V2、V3反向阻斷uL=u2ωt=π時V1、V4關斷uL=0+-+-uL+-iL負半周ωt<α時V2、V3反向阻斷，V1、V4正向阻斷uL=0ωt=α時V2、V3反向阻斷，V1、V4導通uL=u2ωt=π時V1、V4關斷uL=0單相橋式可控整流電路的移相范圍為：0～π2021/5/912（2）主要參數(shù)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：輸出電壓脈動小，設備利用率高缺點：元件多2021/5/913例6-2

一單相橋式可控整流電路，輸入電壓U2=220V，RL=5Ω，要求輸出電壓的范圍為0～150V，試求輸出的最大電流ILM和晶閘管的導通角范圍？解：輸出最大平均電流當輸出電壓為150V時查表得α≈60o晶閘管的導通角的范圍為2021/5/914V3V4V2V1RLu2V5用一只晶閘管的單相橋式可控整流電路V5在電路中不承受反向電壓，只要給晶閘管加上觸發(fā)信號，晶閘管即能導通，作用相當于接在負載電路中的一只開關。注意：1、整流電路之后不能接濾波電容2、晶閘管應選維持電流較大的管子特點：2021/5/915uL二、三相可控整流電路1、三相半波可控整流電路（1）電路組成及工作原理TRLL1L2L3UV1V2V3VW三相半波整流電路三相半波可控整流電路uLiLωt0ugαααθθθ各晶閘管控制角的起點均為各自的自然換相點當控制角為α時+-VUW2021/5/916uLωt0ugΘ=1200Θ=1200Θ=1200α=0°時,工作波形θ

=120°VUW輸出波形連續(xù)2021/5/917uLωt0ug600θθθα=60°時,工作波形600600θ

=90°θ

＜120°VUW輸出波形不連續(xù)2021/5/918uLωt0ug900θθα=90°時,工作波形900900θθ＜120°θ

=60°VUW2021/5/919小結:（1）改變觸發(fā)脈沖的時間，就能改變整流電路輸出電壓uL的大小：當α＝0°時，輸出波形同三相半波整流電路，輸出電壓最大，α增大，輸出電壓減小，α＝150°時，uL=0。（2）當α≤30°時，uL波形連續(xù)，（3）任一相對應晶閘管導通期間，其他晶閘管承受相應的線電壓。晶閘管關斷點均在下一個晶閘管被觸發(fā)導通時；當α＞30°時，uL波形斷續(xù)，晶閘管關斷點均在各自相電壓過θ=120°零處，θ<120°移相范圍是α＝0°～150°2021/5/920（2）主要參數(shù)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：較單相整流輸出電壓大小增大，脈動性減小，電源平衡性較好缺點：如直接接電網(wǎng)，會造成電網(wǎng)損耗；如由變壓器供電，鐵芯易發(fā)生直流磁化，使變壓器效率降低。2021/5/9212、三相半控橋式整流電路三相橋式整流電路L1L2L3TRLV1V2V3UVWV4V5V6三相半控橋式整流電路iL-ug0ωt（1）電路組成及工作原理自然換相點為各晶閘管控制角的起點當控制角為α時αααuL+2021/5/922ug0ωtα=0°時,工作波形輸出波形同三相橋式整流電路θθθθ=120°2021/5/923ug0ωt600α=60°時,工作波形600600θ=120°θθθ0°<α≤60°輸出波形連續(xù)2021/5/924ug0ωtα=90°時,工作波形900900900θθθθθ<120°θ=90°60°<α<180°輸出波形不連續(xù)2021/5/925小結:（1）改變觸發(fā)脈沖的時間，就能改變整流電路輸出電壓uL的大?。寒敠粒?°時，輸出波形同三相橋式整流電路，輸出電壓最大；α增大，輸出電壓減小，α＝180°時，uL=0。α＞60°時，波形斷續(xù)，（3）任一相對應晶閘管和二極管導通期間，其他晶閘管和二極管（2）當α≤60°時，波形連續(xù)，θ=120°θ<120°承受相應的線電壓。移相范圍為：α＝0°～180°2021/5/926思考：如果觸發(fā)脈沖在自然換相之前加入，輸出波形會發(fā)生什么現(xiàn)象？2021/5/927（2）主要參數(shù)計算輸出電壓的平均值負載電流平均值通過晶閘管的平均電流晶閘管承受的最大電壓（3）電路特點優(yōu)點：輸出電壓較高，脈動性較小，輸出電壓連續(xù)可調范圍寬。缺點：需用三只晶閘管，需三套觸發(fā)電路.2021/5/928§6-3負載類型對晶閘管整流的影響一、電感性負載的影響電感性負載：電動機的勵磁繞組，各種電感線圈。V3V4V2V1RLu2L0ug0uLV1V4V1V3V2V3V2V4當電源過零時,晶閘管不能及時關斷，使晶閘管導通時間延長。當控制角突然增大或觸發(fā)信號突然丟失時，整流整流續(xù)流續(xù)流V2V3整流正常工作失控現(xiàn)象電感性負載單相橋式可控整流電路1、正常工作2、失控現(xiàn)象使電路失控。晶閘管連續(xù)導通，而整流二極管交替導通2021/5/9293、加續(xù)流二極管后的工作V3V4V2V1RLu2LV5加續(xù)流二極管后的電路0ug0uLV1V4V5V2V3V5整流整流續(xù)流續(xù)流

在生產(chǎn)實際中,一旦發(fā)生失控,導通的晶閘管將因過熱而損壞,為了防止失控現(xiàn)象的發(fā)生，必須采取預防措施——在負載兩端并聯(lián)一只續(xù)流二極管。ααθθ整流續(xù)流+-uL-+2021/5/930

當整流元件工作時，負載電流經(jīng)電源構成回路，當整流元件不工作時，負載中電流經(jīng)續(xù)流二極管構成回路。由以上分析可知：晶閘管的導通角為θ時，續(xù)流二極管的導通角為2π-2θ流過晶閘管和整流二極管的平均電流為：流過續(xù)流二極管的平均電流為：2021/5/931例6-3有一單相半控橋式整流電路，負載為直流電阻為5Ω的感性負載，輸入電壓U2=220V，試求控制角α=300時的輸出電壓，晶閘管中的電流平均值，續(xù)流二極管中的電流平均值。解：負載的平均電壓：負載的平均電流：流過晶閘管的平均電流：流過續(xù)流二極管的平均電流：2021/5/932二、反電動勢負載的影響V3V4V2V1u2E0uL0ugEαθ0iL當電源電壓u2>E時，加觸發(fā)信號，晶閘管才能導通反電動勢負載單相半控橋式整流電路當電源電壓等于E時，晶閘管關斷晶閘管導通角θ變小了，輸出電流幅值增大反電動勢負載的影響：采取的措施：在負載回路上串聯(lián)平波電感器，然后在其兩端再并一個續(xù)流二極管2021/5/933§6-4晶閘管的選擇和保護一、晶閘管的選擇二、晶閘管的保護2021/5/934一、晶閘管的選擇1、電壓等級的選擇2、電流等級的選擇2021/5/935例6-4

負載為純電阻性的單相半控橋式整流電路，輸出直流電流電壓為UL=0~60V，直流電流為0~10A，試計算晶閘管反向峰值電壓URM與It（AV），并選擇合適的晶閘管。解：由設輸出電壓最大（60V）時的控制角則考慮到整流器件上壓降等因素，U2取值比計算值高10%，故取晶閘管承受的反向峰值電壓晶閘管應取的反向峰值電壓2021/5/936通過晶閘管的最大平均電流晶閘管應取的通態(tài)平均電流可選用通態(tài)平均電流為10A，額定電壓為200V的KP10—2晶閘管。2021/5/937例6-5

一只接有續(xù)流二極管的單相半控橋式整流電路，RL=5Ω，輸入電壓U2=220V，晶閘管控制角α=60°。試計算（1）晶閘管承受的反向峰值電壓；（2）通過晶閘管的實際工作電流，并選擇合適的管型。解：（1）晶閘管承受的反向峰值電壓晶閘管應取的反向峰值電壓2021/5/938（2）通過晶閘管的實際工作電流輸出的直流電壓通過負載的平均電流導通角通過晶閘管的實際平均電流晶閘管應取的通態(tài)平均電流應選取通態(tài)平均電流為20A、額定電壓為600V的KP20—6晶閘管兩只。2021/5/939二、晶閘管的保護

普通晶閘管承受過壓過流的能力很差，在使用中，除了需有充分的的余地外，還要采取一定的保護措施。1、過電壓保護由于晶閘管電路中含有電感元件（如變壓器、電抗線圈等）變壓器一次側拉閘整流裝置直流側切斷開關晶閘管由導通轉變?yōu)樽钄嗟入姼芯€圈上都會產(chǎn)生很高的電動勢，使晶閘管承受很高的電壓（過電壓）。（1）產(chǎn)生過電壓的原因及后果原因：后果：過電壓即使作用時間很短，也可使晶閘管誤導通，甚至被擊穿損壞。2021/5/940（2）過壓保護的方法1）阻容吸收電路RLRLRL交流側保護直流側保護直接保護2021/5/9412）壓敏電阻保護RUL1L2L3RURUL1L2L3單相電路中的接法三相電路中的Y形接法三相電路中的△形接法

壓敏感電阻是一種非線性電阻,它具有正反向相同的很陡的電壓電流特性。正常工作時，壓敏電阻沒有擊穿，通過很小的電流；當有電壓超過其額定電壓時，可通過高達數(shù)千安的放電電流，之后又恢復正常。2021/5/9422、過電流保護（1）過流產(chǎn)生的原因及后果原因：負載過載短路其他晶閘管擊穿觸發(fā)電路使晶閘管誤觸發(fā)后果：晶閘管的熱容量較小，當發(fā)生過電流時，溫度升高，若超過允許值，晶閘管會損壞。（2）過流保護的作用

一旦有過電流產(chǎn)生威脅晶閘管時，能在允許時間內快速地將過電流切斷，以防晶閘管損壞。2021/5/943（3）保護方法FUFUFUFURLFURLFURLFU交流側保護直流側保護直接保護采用快速熔斷器進行保護熔斷速度很快2021/5/944§6-5晶閘管的觸發(fā)電路觸發(fā)電路：為晶閘管提供觸發(fā)信號的電路對觸發(fā)電路的要求：與主電路同步能平穩(wěn)移相，且有足夠的移相范圍脈沖前沿陡，且有足夠的幅值與脈寬穩(wěn)定性與抗擾性能好觸發(fā)電路的分類：單結晶體管觸發(fā)電路和集成觸發(fā)電路2021/5/945一、單結晶體管觸發(fā)電路1、單結晶體管（1）單結晶體管的結構、符號EB1B2V一個PN結三個電極：單結晶體管一個發(fā)射極，兩個基極雙基極二極管結構符號EB2B1ARB2RB1VD等效電路2021/5/946（2）單結晶體管的伏安特性曲線EB2B1ARB2RB1VDUEUBB++--VPIVIPUVUP截止區(qū)負阻區(qū)飽和區(qū)uEiE0η—分壓比，其值一般為0.3~0.9當UE<UA時，PN結反向截止，單結晶體管截止當UE≥UA時，PN結正向導通，IE顯著增加，RB1迅速減小，UE下降——負阻特性管子由截止區(qū)進入負阻區(qū)的臨界點——峰點，用P表示峰點電壓：峰點電流：IP當UE下降至谷點時，谷點電壓為UV，谷點電流為IV過了V點后，管子又恢復正向特性。隨IE增大，UE略有增大——飽和區(qū)UP是管子由截止轉導通的臨界點工作區(qū)UV是維持管子導通的臨界點最小發(fā)射極電壓2021/5/947單結晶體管的工作特點：

當發(fā)射極電壓等于峰點電壓UP時，單結晶體管導通。導通后，發(fā)射極電壓UE減小，當發(fā)射極電壓減小到谷點電壓UV時，管子又由導通轉變?yōu)榻刂?。單結晶體管的型號：BT31、BT33、BT35等。其中，B——半導體，T——特種管，3——3個電極，第四個數(shù)字——耗散功率，分別為100mW、300mW、500mW。（3）單結晶體管管腳的辨別2021/5/9482、單結晶體管振蕩電路UBBCRERPR2R1EB2B1V單結晶體管振蕩電路tuR10充電充電充電放電放電放電tuE0UPUV+-

接通電源后，UBB經(jīng)RP、RE給電容C充電，uC按指數(shù)規(guī)律增