晶闸管及其应用讲解

晶闸管及其应用课程目标1 了解晶闸管结构，掌握晶闸管导通、关断条件2 掌握可控整流电路的工作原理及分析3 理解晶闸管的过压、过流保护4 掌握晶闸管的测量、可控整流电路的调试和测量课程内容1 晶闸管的结构及特性2 单相半波可控整流电路3 单相半控桥式整流电路4 晶闸管的保护5 晶闸管的应用实例6 晶闸管的测量、可控整流电路的调试和测量学习方法从了解晶闸管的结构、特性出发，掌握晶闸管的可控整流应用，掌握晶闸管的过压和过流保护方式，结合实物和实训掌握晶闸管管脚及好坏的判断，通过应用实例，了解晶闸管的典型应用。

课后思考1晶闸管导通的条件是什么？导通时，其中电流的大小由什么决定？晶闸管阻断时，承受电压的大小由什么决定？2为什么接电感性负载的可控整流电路的负载上会出现负电压？而接续流二极管后负载上就不出现负电压了，又是为什么？3 如何用万用表判断晶闸管的好坏、管脚？4 如何选用晶闸管？晶闸管的结构及特性一、晶闸管外形与符号：图5.1.1 符号图5.1.2 晶闸管导通实验电路图为了说明晶闸管的导电原理，可按图5.1.2所示的电路做一个简单的实验。

（1）晶闸管阳极接直流电源的正端，阴极经灯泡接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。

控制极电路中开关S断开(不加电压)，如图5.1.2(a)所示，这时灯不亮，说明晶闸管不导通。

（2）晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，控制极相对于阴极也加正向电压，如图5.1.2(b)所示.这时灯亮，说明晶闸管导通。

（3）晶闸管导通后，如果去掉控制极上的电压，即将图5.1.2(b)中的开关S断开，灯仍然亮，这表明晶闸管继续导通，即晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。

（4）晶闸管的阳极和阴极间加反向电压如图5.1.2(C)，无论控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。

（5）如果控制极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。

从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：(1) 晶闸管阳极电路加正向电压；(2) 控制极电路加适当的正向电压(实际工作中,控制极加正触发脉冲信号)。

二、伏安特性图5.1.3 晶闸管的伏安特性曲线晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压U、阳极电流I及控制极电流I G决定的，而这几个量又是互相有联系的。

在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线。

图5.1.3所示的伏安特性曲线是在I G=0的条件下作出的。

当晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压时，由于控制极未加电压，晶闸管内只有很小的电流流过，这个电流称为正向漏电流。

这时，晶闸管阳极和阴极之间表现出很大的内阻，处于阻断(截止)状态，如图5.1.3第一象限中曲线的下部所示。

当正向电压增加到某一数值时，漏电流突然增大，晶闸管由阻断状态突然导通。

晶闸管导通后，就可以通过很大电流，而它本身的管压降只有1V左右，因此特性曲线靠近纵轴而且陡直。

晶闸管由阻断状态转为导通状态所对应的电压称为正向转折电压U BO。

在晶闸管导通后，若减小正向电压，正向电流就逐渐减小。

当电流小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维持电流I H。

当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时（控制极仍不加电压），其伏安特性与二极管类似，电流也很小，称为反向漏电流。

当反向电压增加到某一数值时，反向漏电流急剧增大，使晶闸管反向导通，这时所对应的电压称为反向转折电压U BR。

从图5.1.3的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时元件将导通。

但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。

晶闸管的正常导通受控制极电流I G的控制。

为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。

当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流I G，晶闸管就容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移。

控制极电流愈大，正向转折电压愈低，如图5.1.4所示。

实际规定，当晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，能使元件导通的控制极最小电流（电压）称为触发电流（电压）。

由于制造工艺上的问题，同一型号的晶闸管的触发电压和触发电流也不尽相同。

如果触发电压太低，则晶闸管容易受干扰电压的作用而造成误触发；如果太高，又会造成触发电路设计上的困难。

因此，规定了在常温下各种规格的晶闸管的触发电压和触发电流的范围。

例如对KP50型的晶闸管，触发电压和触发电流分别为≤3.5V和8~150mA。

图5.1.4 控制极电流对晶闸管转折电压的影响三、主要参数为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。

晶闸管的主要参数有以下几项：（1）正向重复峰值电压U FRM在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用符号U FRM 表示。

按规定此电压为正向转折电压的80%。

（2）反向重复峰值电压U RRM就是在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压，用符号U RRM 表示。

按规定此电压为反向转折电压的80%。

（3）正向平均电流I F在环境温度不大于40o C 和标准散热及全导通的条件下，晶闸管通过的工频正弦半波电流（在一个周期内的）平均值，称为正向平均电流I F ，简称正向电流。

通常所说多少安的晶闸管，就是指这个电流。

如果正弦半波电流的最大值为I m ，则πωωππmm I t td I ==⎰)(sin 21I 0F然而，这个电流值并不是一成不变的，晶闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每个周期的导电次数等因素的影响。

（4）维持电流I H在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流I H 。

当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。

单相半波可控整流电路把不可控的单相半波整流电路中的二极管用晶闸管代替，就成为单相半波可控整流电路。

下面将分析这种可控整流电路在接电阻性负载和电感性负载时的工作情况。

一、阻性负载图5.1.5 接电阻性负载的单相半波可控整流电路图5.1.5是接电阻性负载的单相半波可控整流电路，负载电阻为R L。

从图可见，在输入交流电压u的正半周时，晶闸管T承受正向电压，如图5.1.6（a）。

假如在t1时刻给控制极加上触发脉冲如图5.1.6（b），晶闸管导通，负载上得到电压。

当交流电压u下降到接近于零值时，晶闸管正向电流小于维持电流而关断。

在电压u原负半周时，晶闸管承受反向电压，不可能导通，负载电压和电流均为零。

在第二个正半周内，再在相应的t2时刻加入触发脉冲，晶闸管再行导通。

这样，在负载R L上就可以得到如图5.1.6.（c）所示的电压波形。

图5.1.6（d）所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压，其最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值2U。

图5.1.6 接电阻性负载时单相半波可控整流电路的电压与电流波形显然，在晶闸管承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的输入时刻（移相），负载上得到的电压波形就随着改变，这样就控制了负载上输出电压的大小。

图5.1.6是接电阻性负载时单相半波可控整流电路的电压与电流的波形。

晶闸管在正向电压下不导通的电角度为控制角（又称移相角），用α表示，而导通的电角度则称为导通角，用θ表示如图5.1.6.（c ）。

很显然，导通角θ愈大，输出电压愈高。

整流输出电压的平均值可以用控制角表示，即 ⎰=πωωπ00)(sin 221t td U U)cos 1(22a U +=π2cos 145.0a U +⋅= （5.1）从式（5.1）看出，当α=0时（θ=180o）晶闸管在正半周全导通，U O =0.45U ，输出电压最高，相当于不可控二极管单相半波整流电压。

若α=180o ，U 0 =0，这时θ=0，晶闸管全关断。

根据欧姆定律，电阻负载中整流电流的平均值为 2cos 145.000a R U R U I L L +⋅== (5.2)此电流即为通过晶闸管的平均电流。

二、电感性负载与续流二极管上面所讲的是接电阻性负载的情况，实际上遇到较多的是电感性负载，象各种电机的励磁绕组、各种电感线圈等，它们既含有电感，又含有电阻。

有时负载虽然是纯电阻的，但串了电感线圈等，它们既含有电感，又含有电阻。

有时负载虽然是纯电阻的，但串了电感滤波器后，也变为电感性的了。

整流电路接电感性负载和接电阻性负载的情况大不相同。

图5.1.7接电感性负载的可控整流电路电感性负载可用串联的电感元件L 和电阻元件R 表示（图5.1.7）。

当晶闸管刚触发导通时，电感元件中产生阻碍电流变化的感应电动势（其极性在图5.1.7中为上正下负），电路中电流不能跃变，将由零逐渐上升如图5.1.8 (a)，当电流到达最大值时，感应电动势为零，而后电流减小，电动势e L 也就改变极性，在图5.1.7中为下正上负。

此后，在交流电压u 到达零值之前，e L 和u 极性相同，晶闸管当然导通。

即使电压u 经过零值变负之后，只要e L 大于u ，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通，如图5.1.8 (a)。

只要电流大于维持电流时，晶闸管不能关断，负载上出现了负电压。

当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能关断，并且立即承受反向电压，如图5.1.8 (b)所示。

综上可见，在单相半波可控整流电路接电感性负载时，晶闸管导通角θ将大于（180o-α）。

负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占的比重就愈大，整流输出电压和电流的平均值就愈小。

为了使晶闸管在电源电压u 降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。

我们可以在电感性负载两端并联一个二极管D来解决上述出现的问题，如图5.1.9。

当交流电压u过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势e L产生的电流经过这个二极管形成回路。

因此这个二极管称为续流二极管。

图5.1.8 接电感性负载时单相半波可控整流电路的电压与电流波形图5.1.9电感性负载并联续流二极管这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。

负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。

单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。

较常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥，其电路如图5.1.20所示。

电路与单相不可控桥式整流电路相似，只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。

在变压器副边电压u的正半周（a端为正）时，T1和D2承受正向电压。

这时如对晶闸管T1引入触发信号，则T1和D2导通，电流的通路为a→T1→R L→D2→b图5.1.20电阻性负载的单相半控桥式整流电路这时T2和D1都因承受反向电压而截止。