海南风光此课件及“海南风光”封面属清华大学唐庆玉创作，如发现剽窃，必究法律责任！晶闸管及其应用晶闸管及其应用 清华大学电机系电工学教研组唐庆玉编清华大学电机系电工学教研组唐庆玉编电工学与电工技术19.1 电力电子器件电力电子器件19.2 可控整流电路可控整流电路19.3 逆变电路逆变电路19.4 直流调压电路直流调压电路19.5 直流斩波电路直流斩波电路目目 录录电工学与电工技术别名：别名：可控硅（可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是是一种大功率半导体器件，出现于一种大功率半导体器件，出现于70年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩年代。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。展到强电领域。 特点：特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。应用领域：应用领域： 整流（交流整流（交流 直流）直流） 逆变（直流逆变（直流 交流）交流） 变频（交流变频（交流 交流）交流） 斩波（直流斩波（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。晶闸管晶闸管（Thyristor）电工学与电工技术17.1 工作原理工作原理1. 结构结构P1P2N1N2四四 层层 半半 导导 体体K（阴极）（阴极）G（控制极）（控制极）A（阳极）（阳极）PNPN四层半导体结构四层半导体结构三三 个个 PN结结电工学与电工技术符号符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK2. 工作原理工作原理阳极阳极阴极阴极控制极控制极电工学与电工技术APPNNNPGKigigigKAGT1T2等效为由二个三极等效为由二个三极管组成管组成UGKUAKT1、T2都导通后，即使去掉都导通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然导通仍然导通RL电工学与电工技术(1)阳极阳极A加反向电压，加反向电压，或不加或不加触发信号（即触发信号（即UGK= 0 ）。）。可控硅导通的条件：可控硅导通的条件：（1）阳极）阳极A加正电压加正电压 （2）控制极）控制极G加正的触发电压加正的触发电压可控硅截止的条件：可控硅截止的条件：(2)可控硅正向导通后，若令其关可控硅正向导通后，若令其关断，必须减小断，必须减小UAK（或使（或使UAK反反向），使可控硅中电流小于某向），使可控硅中电流小于某一最小电流一最小电流IH （ IH称为维持电称为维持电流）流）AigigigKGT1T2UAKRLUGKAKG电工学与电工技术（1）晶闸管具有单向导电性。）晶闸管具有单向导电性。若使其关断，必须降低若使其关断，必须降低 UAK 或加或加大回路电阻，把阳极电流减小到大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。维持电流以下。正向导通条件：正向导通条件：A、K间加正向电间加正向电压，压，G、K间加正的触发信号。间加正的触发信号。晶闸管的工作原理小结晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。电工学与电工技术17.2 特性与参数特性与参数1. 特性特性UIIHIFIG=0时时有有IG时时正向正向反向反向U - 阳极、阴极间的电压阳极、阴极间的电压 I - 阳极电流阳极电流UDSM正向转折电压正向转折电压截止截止导通导通导通后管压降约导通后管压降约1V额定正向额定正向平均电流平均电流维持电流维持电流URSM反向击穿电压反向击穿电压电工学与电工技术正向特性：正向特性： 控制极开路时，随控制极开路时，随UAK的加大，阳极的加大，阳极电流逐渐增加。当电流逐渐增加。当U = UDSM（正向转折电压）正向转折电压）时，晶闸管自动导通。正常工作时，时，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应小应小于于 UDSM 。反向特性：反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当有增加，当 U = URSM （反向击穿反向击穿电压）电压）时，时，反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。电工学与电工技术(1) UDRM：正向阻断电压：正向阻断电压晶闸管耐压值。一般取晶闸管耐压值。一般取 UDRM = 80% UDSM （正向（正向转折电压）。转折电压）。普通晶闸管普通晶闸管UDRM 为为 100V-3000V2. 主要参数主要参数UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UDSM正向转折正向转折电压电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRM电工学与电工技术控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取重复电压。一般取URRM = 80% URSM（反向击穿（反向击穿电压）。普通晶闸管电压）。普通晶闸管URRM为为100V-3000V）(2) URRM：反向峰值电压：反向峰值电压UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UDSM正向转折正向转折电压电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM电工学与电工技术 (3) IF：额定正向平均电流：额定正向平均电流：通用系列为：通用系列为：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等等14种规格。种规格。UIIHIF额定额定正向正向平均平均电流电流UDSM正向转折正向转折电压电压URSM反向击穿电压反向击穿电压UDRMURRM电工学与电工技术17.3 可控整流电路可控整流电路1. 单相半波可控整流电路单相半波可控整流电路(1) 电路及工作原理电路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG电工学与电工技术(2) 工作波形工作波形(设设u1为正弦波为正弦波)tu2tuGtuLtuT ：控制角：控制角 ：导通角：导通角u2 0 时，加上触时，加上触发电压发电压 uG ，晶闸，晶闸管导通管导通 。且。且 uL 的的大小随大小随 uG 加入的加入的早晚而变化；早晚而变化； u2 0的导通路径：的导通路径：u2 (A)T1RLD2u2 (B)T1、T2 -晶闸管晶闸管D1、D2 -二极管二极管T1T2D1D2RLuLu2AB+-T1 、D2导通，导通， T2 、D1截止截止 uG电工学与电工技术T2RLD1u2 (A)u2 (B) u2 0的导通路径：的导通路径：T1、T2 -晶闸管晶闸管D1、D2 -晶体管晶体管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uGT2 、D1导通，导通， T1 、D2截止截止 电工学与电工技术(2) 工作波形工作波形tu2tuGtuLt uT1T1T2D1D2RLuLu2AB+- 电工学与电工技术(3) 输出电压及电流的平均值输出电压及电流的平均值=pawp)(1LtduUL=pawwp)(sin212ttdULLLRUI= tuL 2 电工学与电工技术例：桥式可控整流电路中，例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3 ,可控硅控可控硅控制角制角 =15180 ，求输出电压，求输出电压平均值平均值Uo的调节范围，以及的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大平均值的最大值和承受的最大反向电压。反向电压。T1T2D1D2RLuLu2AB+-UL=191V， =15 =0V， =180 LLLRUI=191/3=64AUDRM=22U承受的最高反向电压承受的最高反向电压:=311V电工学与电工技术二、电感性负载桥式可控整流电路二、电感性负载桥式可控整流电路该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似。电流、电压和电阻性负载类似。u2T1T2D1D2DuLRL电工学与电工技术两种常用可控整流电路的特点两种常用可控整流电路的特点电路电路特点特点1. 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。2. 晶闸管和负载上的电流相同。晶闸管和负载上的电流相同。电路一：电路一：u2TD2D1D4uLRLD3电工学与电工技术T1T2D1D2u2uLRL电路电路特点特点1. 该电路接入电感性负载时，该电路接入电感性负载时，D1、D2 便便起续流二极管作用。起续流二极管作用。2. 由于由于T1的阳极和的阳极和T2的阴极相连，两管控的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。制极必须加独立的触发信号。电路二：电路二：电工学与电工技术17.4 触发电路触发电路1. 单结晶体管工作原理单结晶体管工作原理结构结构等效电路等效电路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）NPEB2B1RB2RB1管内基极管内基极 体电阻体电阻PN结结电工学与电工技术工作原理：工作原理：当当uE UP = UA+UF 时时PN结反偏，结反偏，iE很小；很小；当当 uE UP 时时PN结正向导通结正向导通, iE迅迅速增加。速增加。 - 分压比分压比 (0.35 0.75)UP - 峰点电压峰点电压UF - PN结正向结正向 导通压降导通压降 B2ERB1RB2B1AUBBiEuE电工学与电工技术2. 单结晶体管的特性和参数单结晶体管的特性和参数iEuEUVUPIVUV、IV -谷点电压、电流谷点电压、电流（维持单结管导通的最小（维持单结管导通的最小 电压、电流。）电压、电流。）UP- 峰点电压峰点电压（单结管由截止变导通（单结管由截止变导通 所需发射极电压。）所需发射极电压。）B2ERB1RB2B1AUBBiEuE uEUP 时单结管导通时单结管导通电工学与电工技术EB2B1NP单单结结晶晶体体管管符符号号单结晶体管符号单结晶体管符号电工学与电工技术3. 单结晶体管振荡电路单结晶体管振荡电路uCttuouvuP振荡波形振荡波形RR2R1CUuCuOEB1B2(1) 电路组电路组成成电工学与电工技术(a) uE = uC UP 时，单结管不导通，时，单结管不导通，uo 0。(2)振荡过程分析振荡过程分析IR1R1、R2是外加的，不同于内是外加的，不同于内部的部的RB1、RB2。前者一般取。前者一般取几十欧几十欧几百欧；几百欧； RB1+RB2一般为一般为215千欧。千欧。此时此时R1上的电流很小，其值为：上的电流很小，其值为：RR2R1CUuCuOEB1B2电工学与电工技术(b) 随电容的随电容的 充电，充电，uC逐渐升高。当逐渐升高。当 uC UP 时，单结时，单结管导通。然后电容放电，管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。上便得到一个脉冲电压。R2起温度补偿作用起温度补偿作用UPUVUP、UV- 峰点、谷点电压峰点、谷点电压ER2R1RCUuCuOuCtuot(c) 电容放电至电容放电至 uc uv时，时，单结管重新关断，使单结管重新关断，使 uo 0。电工学与电工技术17.5 单结管触发的可控整流电路单结管触发的可控整流电路一、电路一、电路u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3触触发发电电路路主主电电路路电工学与电工技术二、波形关系二、波形关系u2uabUZucb削削 波波整整 流流UZau2RbcDZUZ整流稳压电路部分整流稳压电路部分电工学与电工技术UZ削削 波波ucbudbUPUVueb电容充、放电电容充、放电UP-UD触触 发发 脉脉 冲冲UZR1R2RPCuccdeDZb 单结晶体管电路部分单结晶体管电路部分电工学与电工技术u3uL输出电压输出电压ueb触发脉冲触发脉冲 可控硅桥式整流电路部分可控硅桥式整流电路部分u3T1T2D1D2uLRLbeueb电工学与电工技术1. 单结管触发的可控整流电路中，主电路和触单结管触发的可控整流电路中，主电路和触发电路为什么接在同一个变压器上？发电路为什么接在同一个变压器上？问题讨论问题讨论u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3电工学与电工技术2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管触发电路中，整流后为什么加稳压管？u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3电工学与电工技术3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围（即控制角作用？其移相范围（即控制角 的变化范的变化范围）有多大？围）有多大？ueb触发脉冲触发脉冲 2 电工学与电工技术4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？输出电压如何调节，其大小如何计算？u1R2R1aRPCucu2RbcdeDZT1T2D1D2uLRLu3电工学与电工技术1. 单结管触发的可控单结管触发的可控整流电路中，主电整流电路中，主电路和触发电路为什路和触发电路为什么接在同一个变压么接在同一个变压器上？器上？保证主电路和触发电保证主电路和触发电路的电源电压同时过路的电源电压同时过零（即两者同步），零（即两者同步），使电容在每半个周期使电容在每半个周期均从零开始充电，从均从零开始充电，从而保证每半个周期的而保证每半个周期的第一个触发脉冲出现第一个触发脉冲出现的时刻相同（即的时刻相同（即 角角一样）一样），以使输出平，以使输出平均电压不变。均电压不变。u2uab整整 流流ucb削削 波波UZudbu3ueb uL电工学与电工技术2. 触发电路中，整流后为什么加稳压管？触发电路中，整流后为什么加稳压管？稳压管的作用是：稳压管的作用是：将整流将整流后的电压变成梯形后的电压变成梯形（即削波），使单结（即削波），使单结管两端电压稳定在稳管两端电压稳定在稳压管的稳压值上，从压管的稳压值上，从而保证单结管产生的而保证单结管产生的脉冲幅度和每半个周脉冲幅度和每半个周期产生第一脉冲的时期产生第一脉冲的时间，不受交流电源电间，不受交流电源电压变化的影响。压变化的影响。UZR1R2RPCuccdeDZbudbUPUVueb 电工学与电工技术3. 一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用一系列触发脉冲中，为什么只有第一个起作用？其移相范围（即控制角？其移相范围（即控制角 的变化范围）有多的变化范围）有多大？大？根据单结管的特性，它一旦触发导通，在根据单结管的特性，它一旦触发导通，在阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发阳极电压足够大的条件下，即使去掉触发信号，仍能维持导通状态。因此，每半个信号，仍能维持导通状态。因此，每半个周期中只有一个触发脉冲起作用。周期中只有一个触发脉冲起作用。电工学与电工技术触发脉冲移相范围的计算触发脉冲移相范围的计算f电源电压的频率电源电压的频率R2R1aRPCucu2RbcdeDZudet 电工学与电工技术4. 输出电压如何调节，其大小如何计算？输出电压如何调节，其大小如何计算？RP 电容充电速度变慢电容充电速度变慢 uL电压的调节电压的调节电压的计算电压的计算UL电工学与电工技术17.6 晶闸管的其他应用晶闸管的其他应用拨盘式密码锁控制电路拨盘式密码锁控制电路123456789101112拨盘拨盘开锁开锁继电器继电器按钮按钮UCCJT3T2T1SD1D2R电工学与电工技术工作原理工作原理根据晶闸管的特性分析可知，根据晶闸管的特性分析可知，开锁时三个晶闸管的工作顺开锁时三个晶闸管的工作顺序应该是：序应该是：T1T2T3。否。否则则T3或或T2将因阳极和阴极间将因阳极和阴极间加不上电压而不导通，继电加不上电压而不导通，继电器线圈不通电，锁打不开。器线圈不通电，锁打不开。 1. 开锁时晶闸管工作情况开锁时晶闸管工作情况UCCT3T2T1JD1D2T1导通时导通时的路径的路径T1导通时的路径如图中导通时的路径如图中虚线，此时发光管虚线，此时发光管D2导导通，给出指示信号。通，给出指示信号。电工学与电工技术锁锁打打开开2. 开锁过程开锁过程根据开锁根据开锁时三只晶闸管时三只晶闸管导通顺序的要导通顺序的要求以及求以及 图中图中连线，可知开连线，可知开锁过程如下：锁过程如下：拨盘拨至拨盘拨至10T2导通导通按下按下ST3导通导通拨盘拨至拨盘拨至2按下按下S拨盘拨至拨盘拨至7按下按下ST1导通导通123456789101112UCCJT3T2T1SD1D2R电工学与电工技术此密码锁的此密码锁的开锁密码是：开锁密码是：7-10-2结论结论 改换密码号的办法：变更拨盘和晶闸管控制极改换密码号的办法：变更拨盘和晶闸管控制极的连线。的连线。电工学与电工技术 防止长期按下按钮以拨动拨盘而自动开锁的办防止长期按下按钮以拨动拨盘而自动开锁的办法：将拨盘中的某几个点接地。使拨盘转到该法：将拨盘中的某几个点接地。使拨盘转到该点时，按钮按下后通过电阻（点时，按钮按下后通过电阻（R）支路产生较）支路产生较大分流，使晶闸管中的电流降低到最小维持电大分流，使晶闸管中的电流降低到最小维持电流以下，迫使其关断。从而防止琐被打开。流以下，迫使其关断。从而防止琐被打开。 123456789101112UCCJT3T2T1SD1D2R电工学与电工技术17.7 晶闸管的保护及其它类型晶闸管的保护及其它类型1. 晶闸管的保护晶闸管的保护晶闸管承受过电压的能力极差，晶闸管承受过电压的能力极差，电压超过其反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。导通后的电流较大，使器件受损。晶闸管的主要缺点：晶闸管的主要缺点：过流、过压能力很差。过流、过压能力很差。晶闸管的热容量很小晶闸管的热容量很小，一旦过流，温度急剧上，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。升，器件被烧坏。例如：一只例如：一只100A的晶闸管过电流为的晶闸管过电流为400A时，时，仅允许持续仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；秒，否则将被烧坏；电工学与电工技术一、过流保护措施一、过流保护措施快速熔断器：快速熔断器：电路中加快速熔断器。电路中加快速熔断器。过流继电器：过流继电器：在输出端装直流过电流继电器。在输出端装直流过电流继电器。过流截止电路：过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的利用电流反馈减小晶闸管的 导通角或停止触发，从而切断过流电路。导通角或停止触发，从而切断过流电路。 接在接在输出端输出端 接在接在输入端输入端和晶闸和晶闸管串联管串联电工学与电工技术阻容吸收阻容吸收硒整流堆硒整流堆二、过压保护二、过压保护：利用电容吸收过压。即将过电压利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。中，然后由电阻消耗掉。：硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。其电阻减小，抑制过压冲击。硒硒堆堆RCRRCC电工学与电工技术