电力电子学--晶闸管及其基本电路

半导体器件发展
集成电路方面 — —微电子学（弱电子学） 电力半导体器件方面 — —电力电子学（强电子学）
A. 电力电子学的任务
利用电力半导体器件（如：晶闸管）和线路来实现电 功率的变换和控制。
晶闸管（Silicon Controlled Rectifier简称SCR， 1957年）在弱电控制与之间起桥梁作用。
4) I H（维持电流）——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。
一般为几十mA ~ 一百多mA，其数值与温度成反比，如：
I H1 120 C
1 2
I
H
2
25 C
5. 型号及其含义（国产晶闸管）
3 CT
/
U DRM
IT 可控整流元件 N型硅材料 三个电极
例如：
3CT50/500（ IT 为50A， U DRM 为500V）；
——新型大功率半导体器件，也称可控硅。 1. 基本结构
1) 外形
• 螺栓形 螺栓一端是阳极A，另一端粗线是阴极K，细线是控制极（门极）G。
• 平板形 中间金属环是控制极G，远的一面是阳极A，近的一面是阴极K。
前者用于100A以下的元件，后者用于200A以上的元件 （散热效果好）。
2) 内部结构 ——它是PNPN四层三端元件。
KP5-7（K—晶闸管，P—普通型，额定电流5A，额定 电压700V）。
6. 判别管子的好坏 用万用表的欧姆档来判别管子的好坏。
表10.1 用万用表测试晶闸管各管脚之间的电阻
测试点 A—K
A—G
表内电池极性 顺向或逆向
同上
测量范围 R×1000
同上
测试结果
高电阻 （表针不动）
同上
K—G
顺向：G “+”,K “-” 逆向：G -”,K “+”
R×1 R×1
10 ~ 100 50 ~ 500
注意：当A—K间为高阻值，而K—G间逆向电阻大于顺向电 阻时，管子良好。
10.1.2 其它电力半导体器件
➢ 双向晶闸管 ➢ 可关断晶闸管 ➢ 功率晶体管 ➢ 整流二极管
1. 双向晶闸管（TRIAC）
l 特点 1) 三端子NPNPN元件； 2) 采用交流电源； 3) 相当于两只普通晶闸管反并联； 4) 双向控制，简化触发电路； 5) 成本低，可靠性好； 6) 主要应用于家用电器控制，调节交流电压。
5)晶闸管导通后（情况2），如果控制极 电压加反向电压，不论阳极电压是正或负， 电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。
说明：可用灯泡 代替电阻RL。
l 结论
1)晶闸管导通条件：阳极加正向电压，控制极也加正向 电压。
2)控制极只需加正触发脉冲电压。 3)具有可控单向导电性（正、反向阻断能力）。
l 导通原因
l 符号(如图所示)
l 工作原理 1) 门极无信号时， MT1、 MT2不导电。 2) 导通条件：① MT2"+" ， MT1"-"，G "+" ② MT2 "-"， MT1"+"，G "-"
1) 等效为PNP型和NPN型两个晶体管的组合。
2) 阳极和控制极均加正向电压时，I g 经 VT2 放大，集
电极电流为 2I g（ VT1 基极电流），又经 VT1放大， VT1 集电
极电流为g
VT2
基极电流），再次放大，循环往复，
直至导通为止（“触发导通过程”——微秒级）。
3) 晶闸管导通后， VT2 基极电流
“多少安的晶闸管”
➢ 正弦半波电流的平均值
IT
1
2
0
Im
sintd (
t)
Im
➢ 正弦半波电流的有效值
Ie
1
2
0
I
2 m
sin 2 td (t)
Im 2
➢ 波形系数
K Ie 1.57
IT 2
即
Ie 1.57IT
一般按
IT
(1.5 ~ 2) Ie 选晶闸管（
1.57
I
' e
——实际电流有效值）
维持电流
I
（
H
保
证
晶
闸
管
导
通
的
最
小
阳
极
电
流）——当电流小于 IH 时，从导通状态转化正向阻断
状态。
4) 反向阻断状态——阳极加反向电压时，反向漏
电流很小。当反向阳极电压增加到某一数值时，反向漏
电流
，这时对应的电压值称为
U
(反向不重复峰
RSM
值电压)或
U
(反向转折电压，反向击穿电压)。
BR
注：晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。
3) 符号（如图所示）
2. 工作原理
l 实验情况
1)晶闸管承受正向电压，开关S（控制极） 断开，此时电灯不亮，晶闸管关断。
2)在控制极与阴极之间再加上正向电压 （S接通），电灯发亮，晶闸管导通。
3)晶闸管承受反向电压，不论S是否接通， 电灯均不亮，晶闸管关断（阻断）。
4)晶闸管导通后（情况2），断开控制极 电压（控制极失去作用），电灯仍发亮，晶 闸管仍导通。
B. 晶闸管的优缺点
l 优点： 1) 功率放大倍数可达几十万倍； 2) 控制灵敏，反应快； 3) 损耗小，效率高； 4) 体积小，重量轻； 5) 改善了工作条件，维护方便。
l 缺点： 1) 过载能力弱； 2) 抗干扰能力差； 3) 导致电网电压波形畸变； 4) 控制电路比较复杂。
10.1 电力半导体器件 10.1.1 晶闸管（SCR）
4. 主要参数
1) UDRM（断态重复峰值电压）——在控制极断路和晶 闸管正向阻断时，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电 压，它比 U BO 小100V。
“多少伏的晶闸管”
2) U RRM（反向重复峰值电压）——在控制极断路时， 可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压，它比 UBR 小 100V。
3) IT（额定通态或正向平均电流，简称额定电流）— —在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通时，晶闸管 可以连续通过的工频正弦半波电流（在一个周期内）的平 均值。
比
I
（控制电流）大得多，故去掉
g
ug ，
晶闸管仍导通。
4) 阳极加反向电压，无放大作用，
晶闸管不导通；控制电压反向或未加
入，不产生起始
I
，
g
晶
闸
管也不导通
。
3.伏安特性
晶闸管的伏安特性——晶闸管的阳极电压与阳极电流 的关系。
1) 截止状态（正向阻断状态）——阳极加正向电压，门
极开路（ I g ＝0），电流很小，电阻很大，称为正向漏电流。
2) 导通状态——正向阳极电压上升到某一定值， I g ， 晶闸管突然变为导通状态。这时阳极电压称为断态不重复峰值
电压（
U
DSM
）或正向转折电压（
U
）。
BO
I
↑，
g
U
↓，晶闸管容易导通。
BO
注：在晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，使元件导通
的控制极最小电流（电压）称为触发电流（电压）。
3)