汽车电工电子技术第7章97360

第7章 晶闸管及其应用
第7章 晶闸管及其应用
7.1 晶闸管 7.2 可控整流电路 7.3 晶闸管的触发电路 7.4 晶闸管的保护 习题
第7章 晶闸管及其应用
7.1 晶 闸 管
7.1.1 晶闸管的结构 晶闸管又称为可控硅（SCR）, 普通型晶闸管的外壳结构主
要有两种形式，一种是螺栓式，另一种是平板式，它们的外形 如图7.1所示。
第7章 晶闸管及其应用 图7.4 把晶闸管看成由PNP和NPN型两个晶体管的组合
第7章 晶闸管及其应用 图7.5 晶闸管的工作原理
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如果晶闸管阳极加正向电压EA，控制极加正向电压EG(见图 7.5)，那么晶体管V2处于正向偏置，电压EG产生的控制极电流 就是V2的基极电流，由于V2的放大作用，iC2=β2iB2。而iC2又是 晶体管V1的基极电流，V1的集电极电流iC1=β1iC2=β1β2iB2。 此电 流又流入V2基极， 再一次放大。 这样循环下去，形成了强烈的 正反馈，使两个晶体管很快达到饱和导通。这就是晶闸管的导 通过程，导通后的管压降很小，即UAK≈1 V, 电源电压几乎全部 加在负载上，晶闸管中就流过负载电流, 即IA≈EA/RL。
第7章 晶闸管及其应用 负载电流的平均值为
IoU RL o 0.45 U RL 21c2os
（7-2）
式中，Io为负载电流的平均值；U2为电源电压有效值；RL为负载
电阻。
第7章 晶闸管及其应用 4） (1） 晶闸管所承受的最大正反向电压URM。
URM 2U2
（7-3）
(2） 流过晶闸管的电流平均值IT。
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2）
由于电感L的存在，使负载电压出现负值，平均电压Uo减 少。所以必须采取一定措施，避免uo出现负值。为解决此问题， 可以在负载两端并联一个二极管，称为续流二极管，其电路图 及波形图如图7.8所示。
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图7.8 续流二极管的感性负载电路图及波形图 （a） 电路图; (b) 波形图
第7章 晶闸管及其应用 7.1.2 晶闸管的工作原理
1． 反向阻断实验 如图7.3（a）所示，晶闸管有两个回路：
EA(-)→RL→VT（A极-K极）→EA(+)
EG(+)→RG→开关S→VT（G极-K极）→EG(-)
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图7.3 （a） 反向阻断； （b） 方向阻断； （c） 触发导通； （d） 切除触发信号仍导通
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(2）u2为负半波时，ua<ub, 晶闸管承受反向电压，处于反 向阻断状况，uo＝0，u2的下一个周期情况与前述相同，重复 出现。
电路中各电压、 电流波形图如图7.6(b)所示。
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图7.6
(a) 电路图； (b) 波形图
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2）
从晶闸管承受正向电压起到晶闸管触发导通时的空间电角 度称为控制角α，一个周期内导通的范围称为导通角θ ， 显 然，θ＝π-α。改变晶闸管的触发时刻就可以改变控制角α，亦 即可以改变晶闸管的导通范围，从而改变uo。α的变化范围称 为移相范围，α值的改变称为移相。
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7.1.3 晶闸管的主要参数和型号
1） 正向阻断峰值电压UFRM
在控制极断开和晶闸管正向阻断的情况下，允许重复加 到晶闸管阳极与阴极之间的正向峰值电压。
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2） 反向阻断峰值电压URRM
在控制极断开的情况下，允许重复加到晶闸管阳极一回路称为晶闸管的主电路，后一回路称为晶闸管的控 制电路。由主电路可知，此时晶闸管的阳极电位低于阴极， 加在晶闸管上的电压为反向电压。在此状态下，不论控制电路 是否接通，电灯HL均不亮，晶闸管不导通。此时称晶闸管处于 反向阻断状态。
从晶闸管的结构图可见，当晶闸管承受反向电压时，对J2 结来说虽为正向偏置，但对J1和J3结则为反向偏置，它们的电 阻很大，晶闸管只有极小的反向漏电流通过，所以晶闸管处于 阻断状态。
ITIo0.45 U RL 21c2os
（7-4）
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2. 电感性负载单相半波可控整流电路 实际电路中有许多负载是电感性负载，它们既含有电阻又 含有电感。 电感性负载单相半波可控整流电路如图7.7所示。
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图7.7
（a） 电路图; (b) 波形图
晶闸管的内部有一个由硅半导体材料做成的管心。管心是 一个圆形薄片，它是四层（P1、N1、P2、N2）、三端（A、K、G） 器件。它有三个PN结，可以把中间的N1和P2分为两部分，可看 成是一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管，如图7.2 所示。
第7章 晶闸管及其应用 图7.2 晶闸管的结构示意图和图形符号
这时，VT2和VD1承受反向电压而截止。同样在电压u2的负半周 时， VT2和VD1承受正向电压。这时，如对晶闸管VT2引入触发 信号， 则VT2和VD1导通，电流的通路为
b→VT2→RL→VD1→a
这时，VT1和VD2处于截止状态。
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当整流电路为电阻性负载时，单相半控桥式整流电压uo的
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4） 维持电流IH
在规定的环境温度和控制极断开的情况下，维持晶闸管继
续导通所需要的最小阳极电流，称为维持电流IH。当晶闸管的 阳极电流小于此值时，晶闸管将自行关断。IH一般为几十至二
三百毫安。
目前我国生产的普通型晶闸管的型号组成如下：
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导通时正向平均电压的组别，（小于100A不 标），共分九级，用A~I表示，A级为0.4V,I 级为1.2V
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3）负载直流平均电压Uo与平均电流Io
设
u2 2U2si nt
则负载上的直流平均电压Uo为
U o 2 1 π π2 U 2sitn dt 0 .4U 2 5 1 c 2o（s7-1）
式中，Uo为uo波形的平均值；U2为电源有效电压；α为控制角。 Uo和α及u2有关，若电源电压给定后，Uo只与α有关。当α＝0时， Uo=0.45U2,为最大输出直流平均电压；当α=π时，Uo＝0。 所以α 的移相范围为0～π，而Uo在0～0.45U2范围连续可调。
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由以上实验可知， 要使晶闸管导通必须同时具备下列两个 条件：
(1) 阳极A和阴极K之间施加正向电压。
(2) 控制极G与阴极K之间施加正向触发电压。
为了说明晶闸管的工作原理，我们把四层结构的晶闸管看 成由PNP和NPN型两个晶体管连接而成，每一个晶体管的基极 与另一个晶体管的集电极相连，如图7.4所示。阳极A相当于 PNP型晶体管V1的发射极， 阴极K相当于NPN型晶体管V2的发 射极。
如果晶闸管的UFRM和URRM不相等，则取较小的那个电压值， 作为该元件的额定电压。在实际应用中，由于晶闸管的过载能 力较差，所以在选择晶闸管的额定值时，需要留有一定的余量。 通常选额定电压和额定电流是实际工作电压和工作电流的2倍 左右。例如工作在交流有效值为220 V（峰值为311 V）的电路 中， 应选用额定电压为600 V的晶闸管。
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在晶闸管导通之后，它的导通状态完全依靠管子自身的反 馈作用来维持，即使控制极电流iG消失，晶闸管仍然处于导通 状态。所以，控制极的作用仅仅是触发一下晶闸管使其导通， 导通之后控制极就失去控制作用了。 所以触发电压常常是一个 具有一定幅度而存在时间很短的脉冲电压。要想关断晶闸管， 必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈过程，当然也可以 将阳极电源切断或者在晶闸管的阳极和阴极加上一个反向电压。
波形如图7.10所示。显然，与单相半波可控整流相比，其输出
电压的平均值应增大一倍，
Uo 0.9U21c2os
（7-5）
输出电流的平均值
Io
Uo RL
0.9U212cRoLs
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1）
当u2为正半波时，晶闸管VT承受正向电压u2，控制极未加 触发脉冲时，晶闸管不导通，uo＝0。在ωt1时刻，晶闸管被触 发导通，u2加在负载上，uo＝u2 。io只能逐渐增加， 因为电感L 的自感电动势阻碍io增加。当uo达到最大值后又开始减少时，io 增大速度变慢，直至最大，再开始减少。当io减少时，电感L的 自感电动势阻碍io减少。自感电动势的方向对晶闸管来说是正方 向，所以，在ωt2～ωt3期间，虽然u2已变为负， 但只要自感电 动势大于u2，晶闸管就承受正向电压而继续导通，io继续减少， 但只要io不小于IH, 晶闸管就不关断，uo＝u2。直至io<IH, 晶闸管 才关断，开始承受反向电压， uo＝0。波形图如图7.7(b)所示。
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图7.1 晶闸管的外形 (a) 螺栓式； (b) 平板式
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晶闸管有3个电极：阳极A、阴极K和门极(控制极)G。在图 7.1（a）中， 下端的螺栓是阳极A，使用时把螺栓固定在散热 器上，上端有两根引出线，粗的一根是阴极K，细的一根是控 制极G。在图7.1（b）平板式晶闸管中，与晶闸管中间金属环 连接的引线是控制极；离控制极较近的端面是阴极，较远的端 面是阳极。
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7.2 可控整流电路
7.2.1 单相半波可控整流电路
1. 电阻性负载单相半波可控整流电路
1）
(1) u2为正半波时，ua>ub，晶闸管承受正向阳极电压。 此 时若在门极加上正向触发电压，则晶闸管导通，电流io流向： a→VT→RL→b。忽略管压降uT，则uo=u2，io= u2/RL。当u2的正 半波电压逐渐减少时，io也逐渐减少，当u2 ＝0时，io＝0，晶闸 管关断。
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2. 正向阻断实验
如图7.3(b)所示，此时晶闸管虽承受正向偏压，但控制 极未接通，电灯也不亮， 说明晶闸管未导通，晶闸管处于正 向阻断状态。在正向电压作用下，虽然J1和J3结为正向偏置， 但J2结为反向偏置， 故晶闸管仍不能导通。