电电 子子 技技 术术晶闸管及其应用电力电子器件晶闸管及其应用课件第第1111章章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用11.1 11.1 晶闸管晶闸管11.2 11.2 可控整流电路可控整流电路11.4 11.4 晶闸管的保护晶闸管的保护11.3 11.3 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路11.5 11.5 应用举例应用举例返回返回后一页后一页前一页前一页电力电子器件晶闸管及其应用课件前一页前一页 后一页后一页本章要求本章要求1 1、了解晶闸管的基本结构、工作原、了解晶闸管的基本结构、工作原 理、特性和主要参数。理、特性和主要参数。2 2、理解可控整流电路的工作原理、理解可控整流电路的工作原理、 掌握电压平均值与控制角的关系。掌握电压平均值与控制角的关系。3 3、了解单结晶体管及其触发电路的、了解单结晶体管及其触发电路的 工作原理。工作原理。第第1111章章 晶闸管及其应用晶闸管及其应用返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管晶闸管（Silicon Controlled Rectifier） 一种可控单向导电开关（工作于开关状态一种可控单向导电开关（工作于开关状态下的大功率电子器件）出现于下的大功率电子器件）出现于7070年代。它的出年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域 。 体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命体积小、重量轻、效率高无噪声、寿命长、长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。压达数千伏）。 优点：优点：返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件 整流整流 （交流（交流直流）直流）逆变逆变 （直流（直流交流）交流）变频变频 （交流（交流交流）交流）斩波斩波 （直流（直流直流）直流）此外还可作无触点开关等此外还可作无触点开关等应用领域：应用领域：返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件11.1 11.1 晶闸管晶闸管11.1.1 可控硅的结构及工作原理可控硅的结构及工作原理 1. 结构及符号结构及符号 K 阴极阴极控制极控制极G阳极阳极 A符号符号K GAP1P2N1N2结构结构三三 个个 PN结结四四 层层 半半 导导 体体返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件PPNNNPAGKKAGVT2VT1内部等效电路内部等效电路P1P2N1N2K GA内部结构内部结构返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件2. 2. 工作原理工作原理KAGVT1VT2EA 0、EG 0 在极短时间内使在极短时间内使两个三极管均饱和两个三极管均饱和导通，此过程称触导通，此过程称触发导通。发导通。形成正反馈过程形成正反馈过程:EGEA返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件KAGVT1VT2晶闸管导通后，去晶闸管导通后，去掉掉EG ， 依靠正反依靠正反馈，仍可维持导通馈，仍可维持导通状态。状态。正反馈过程正反馈过程:2. 2. 工作原理工作原理EAEGEA 0、EG 0返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件：1、晶闸管阳极电路（阳极与阴极之间）施加、晶闸管阳极电路（阳极与阴极之间）施加 正向电压。正向电压。2、晶闸管控制电路（控制极与阴极之间）加、晶闸管控制电路（控制极与阴极之间）加 正向电压或正向脉冲（正向触发电压）。正向电压或正向脉冲（正向触发电压）。晶闸管导通后，控制极便失去作用。晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正依靠正反馈，反馈，可控硅仍可维持导通状态。可控硅仍可维持导通状态。返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： 晶闸管正向导通后，若要使其关断（截止）晶闸管正向导通后，若要使其关断（截止），必须使可控硅阳极电流减小，直到，必须使可控硅阳极电流减小，直到正反馈正反馈效应不能维持。效应不能维持。 当当EA下降到下降到 0 0 或电源断开时，可控硅自或电源断开时，可控硅自行关断行关断返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件11.1.2 晶闸管的伏安特性和主要参数晶闸管的伏安特性和主要参数1. 伏安特性伏安特性 URRMIHUFRMIG3IG2IG1UBR正向特性正向特性反向特性反向特性IG1=0AIG2IG3ABCUI0IFUBO返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件前一页前一页 后一页后一页2. 2. 主要参数主要参数UFRM：正向重复峰值电压正向重复峰值电压（晶闸管晶闸管耐压值）耐压值）晶闸管晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下, ,允允许重复加在许重复加在晶闸管晶闸管两端的正向峰值电压。两端的正向峰值电压。一般取一般取 UFRM = = 80% UB0 。普通普通晶闸管晶闸管 UFRM 为为 100 100V -3000 -3000VURRM：反向重复峰值电压反向重复峰值电压 控制极开路时控制极开路时, ,允许重复作用在允许重复作用在晶闸管晶闸管元元 件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。 一般取一般取 URRM = 80% = 80% UBR 普通普通晶闸管晶闸管 URRM为为100100V - 3000 - 3000V返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件IF含义说明含义说明正向平均电流正向平均电流环境温度为环境温度为4040O OC C及及标准散热条件下，标准散热条件下，晶闸晶闸管处于管处于全导通时全导通时可以连续通过的最大工频可以连续通过的最大工频半波电流的平均值。半波电流的平均值。普通可控硅普通可控硅IF为为1A 1000A1A 1000A。 IF：IFt2前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件U UF F: :通态平均电压通态平均电压（管压降）。（管压降）。 在规定的条件下，通过正弦半波平均电流在规定的条件下，通过正弦半波平均电流 时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。 一般为一般为1V1V左右。左右。IH：维持电流维持电流 在室温下，控制极开路、晶闸管维持导通在室温下，控制极开路、晶闸管维持导通 状态所必须的最小电流。状态所必须的最小电流。 一般为几十到一百多毫安。一般为几十到一百多毫安。UG、IG：控制极触发电压和电流：控制极触发电压和电流 室温下，阳极电压为直流室温下，阳极电压为直流6V时，使时，使晶闸管晶闸管完完 全导通所必须的最小控制极直流电压、电流全导通所必须的最小控制极直流电压、电流 。 一一 般般UG为为1到到5V，IG为几十到几百毫安。为几十到几百毫安。前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管型号晶闸管型号通态平均电压（通态平均电压（UF）共九级）共九级 额定电压额定电压（UFRM或或URRM ）额定正向平均电流额定正向平均电流（IF）晶闸管类型晶闸管类型P-P-普通晶闸管普通晶闸管K-K-快速晶闸管快速晶闸管S-S-双向晶闸管双向晶闸管晶闸管晶闸管K前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管元件电压、电流级别晶闸管元件电压、电流级别额定正向平均电流额定正向平均电流IF通用系列为：通用系列为：1 1、5 5、1010、2020、3030、5050、100100、200200、300300、400400、500500、600600、800800、1000A 1000A 等等1414种种规格。规格。额定电压额定电压UFRM通用系列为：通用系列为：1000V1000V以下的每以下的每100V100V为一级，为一级，1000V1000V到到30003000V V的每的每200V 200V 为一级。为一级。通态平均电压（通态平均电压（U UF F）等级一般用）等级一般用A IA I字母字母表示，由表示，由 0.4 0.4 1. 2V1. 2V，每，每 0.1V 0.1V 为一级。为一级。前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件11.2 可控整流电路可控整流电路11.2.1 单相半波可控整流单相半波可控整流 1. 电阻性负载电阻性负载1) 1) 电路电路前一页前一页 后一页后一页 uuTuoRL+Tu 0 时：时：若若uG G = 0= 0，晶闸管晶闸管不导通，不导通，u 0 时时, 晶闸管晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通, , u0 0 = 0, = 0, uT T = = u ，故称可控整流。故称可控整流。控制极加触发信号，晶闸管控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压导导 通，通，返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件2）工作原理）工作原理t t1t0 2 u2 0 时时 加触发信号，加触发信号，晶闸管承受正向电压晶闸管承受正向电压导通导通返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件电压、电流波形电压、电流波形3) 导通角导通角控制角控制角 t t t t 0 t12 动画动画前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件4 4）输出电压及电流的平均值）输出电压及电流的平均值由公式可知：由公式可知：改变控制角改变控制角 ，可改变输出电压，可改变输出电压U0。前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件计算举例计算举例则则= 37.2V设设V前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件5）晶闸管的选择）晶闸管的选择电流的选择电流的选择 器件的损坏，取决于电流的热效应，而热器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，可控硅电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值而不能依据平均值（IF）。）。 电流波形为正弦半波的情况下，有效值与电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：平均值的区别计算如下：前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件平均值：平均值：有效值：有效值：平均值平均值 = 1.57有效值有效值 001.57301.66601.88902.221202.781503.991800不同不同 下有效值和平均值之比下有效值和平均值之比前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管电流选择步骤晶闸管电流选择步骤计算给定计算给定 下的下的 通态电流平均值通态电流平均值 ITAV查表（或计算）相应的电流有效值查表（或计算）相应的电流有效值 IT计算计算 IT对应的正弦半波电流平均值对应的正弦半波电流平均值 ITAV ( ITAV=)选晶闸管的额定值选晶闸管的额定值 ITAVK （K为保险系数）为保险系数）前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件晶闸管电压选择步骤晶闸管电压选择步骤 根据电源电压的峰值（根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反计算正、反向重复峰值电压。一般取：向重复峰值电压。一般取：UDRM = URRM =（1 .5 2）U2M其中其中1 .5 2为安全系数为安全系数 根据根据UDRM 、U URRM RRM 选取晶闸管电压的额定值选取晶闸管电压的额定值 前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件选晶闸管选晶闸管22.3 1.5 = 33.5 (A)UDRM = URRM =1 .5 = 233(V)可选用额定值为：可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管的晶闸管前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件2.2.电感性负载电感性负载1 1）电路及工作原理电路及工作原理 u u正半周时晶闸管导通，正半周时晶闸管导通，u u 过零后，由于电过零后，由于电 感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍 维持导通，失去单向导电作用。维持导通，失去单向导电作用。设设u u为正弦波为正弦波uo o uuT TR RL L+前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件 2 2）工作波形）工作波形uGuLtu2tttuT 前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件电感性负载电感性负载（加（加续流二极管）续流二极管）1）电路及工作原理）电路及工作原理u 0 0 时：时： D反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。u 0 时：时： D正向导通正向导通, ,晶闸管晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断, ,L L释放能量形成的电流经释放能量形成的电流经D构成回路（续流），构成回路（续流），负载电压负载电压uo o波形与电阻性负载相同。波形与电阻性负载相同。uo o uuT TR RL L+D前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件2）工作波形（加续流二极管后）工作波形（加续流二极管后） tu2 tuG tuTuL t0 t1 2 iL前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件20.2.2 单相半控桥式整流电路单相半控桥式整流电路1. 1. 电路电路2. 2. 工作原理工作原理u2 (A)VT1RLu2 (B)VD2+T1、T2 -晶闸管晶闸管D1、D2 -晶体管晶体管T1T2D1D2RLuouAB+u 0 0 ：给给T T1 1控制极加触发控制极加触发电压后电流的通路：电压后电流的通路：前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件u2 (B)u2 (A)动画动画VT2RLVD1前一页前一页 后一页后一页T T1 1、T T2 2 -晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管D D1 1、D D2 2 - -晶体管晶体管晶体管晶体管A AB BT T1 1T T2 2D D1 1D D2 2R RL Luo ou+-+ u 0 0 时，给时，给 T T2 2控制极加触发电控制极加触发电压后电流的通路：压后电流的通路：返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件2）工作波形工作波形 tu2 tuG tuL t uT1前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件3 3）输出电压及电流的平均值）输出电压及电流的平均值前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件两种常用可控整流电路两种常用可控整流电路电路电路特点特点该电路只用一只晶闸管，且其该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。上无反向电压。晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。前一页前一页 后一页后一页1）uTD2D1D4u0RLD3+-+-返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件电路电路特点特点 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，V VD D1 1、VDVD2 2 便起续流二极管作用。便起续流二极管作用。由于由于VTVT1 1的阳极和的阳极和V VT T2 2的阴极相连，两的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。管控制极必须加独立的触发信号。2）前一页前一页 后一页后一页20.2.3 三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路动画动画T1T2D1D2uu0RL+-+-返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件11.2.4 三相桥式半控整流电路三相桥式半控整流电路前一页前一页 后一页后一页2 2. 工作原理工作原理1 1. 电路电路动画动画0u2a2 u2bu2ct1t2TT1RLu0D3T2T3D2D1i00cbau2+-+返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件11.3 11.3 触发电路触发电路11.3.1 单结晶体管结构及工作原理单结晶体管结构及工作原理1. 1. 结构结构管内基极管内基极 体电阻体电阻EB2B1RB2RB1等效电路等效电路E（发射极）（发射极）B2（第二基极）（第二基极）B1（第一基极）（第一基极）PNPN结结内部结构内部结构欧姆接触欧姆接触前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件2. 工作原理工作原理UAUE UP后，后，大量空穴注入基区，大量空穴注入基区，致使致使IE增加、增加、UE反反而下降，出现负阻。而下降，出现负阻。IE0UE前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件单结管符号单结管符号B2EB1UEUP时单结管导通，时单结管导通，UEUV时恢复截止。时恢复截止。小结小结单结管特性单结管特性前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件11.3.2 单结晶体管触发电路单结晶体管触发电路1. 振荡电路振荡电路RR2R1CUucuOEB1 利用单结管的负利用单结管的负阻特性及阻特性及RC电路电路的充放电特性组的充放电特性组成频率可调的振成频率可调的振荡电路荡电路前一页前一页 后一页后一页返回返回电力电子器件晶闸管及其应用课件2. 2. 振荡过程分析振荡过程分析uE = uC UA2UA1UA2时，时，晶闸管晶闸管相对于相对于A2A2加正脉冲，加正脉冲，晶闸管晶闸管正向导通，电流从正向导通，电流从A1A1流向流向A2A2。UA2UA1UA2UA1时，时，控制极相对于控制极相对于A2A2加加负脉冲，负脉冲，晶闸管晶闸管反向导通，电流从反向导通，电流从A2A2流向流向A1A1。A1A2G返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件交流调压电路交流调压电路 RCVTu双向二极管：双向二极管：只要在其两端只要在其两端加上一定数值加上一定数值的正或负电压的正或负电压即可使其导通。即可使其导通。双向二极管双向二极管返回返回前一页前一页 后一页后一页电力电子器件晶闸管及其应用课件