第13讲晶闸管及可控整流电路

u1
u2
L
u2正半周时晶闸管导通，u2过零后，电感产生 反电动势。 由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内 仍维持导通，失去单向导电作用。
解决办法：加续流二极管D,加入D的目的就是消 除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断
17.4 单相半波可控整流电路
2) 带阻感负载的工作情况
阻感负载的特点：电感
u2
对电流变化有抗拒作用， 使得流过电感的电流不 发生突变。 讨论负载阻抗角 j 、触发 角 a 、晶闸管导通角 θ 的 关系。
b)
0
wt 1
p
2p
wt
ug
c) 0 ud + d) 0 id e) 0 +
wt

wt

wt
u
f)
VT
0
wt
图2-2 带阻感负载的 单相半波电路及其波形
续流二极管
17.5 单相半波可控整流电路
当u2过零变负时，VDR导通，
a)
ud为零，VT承受反压关断。
L 储存的能量保证了电流 id 在 L-R-VDR回路中流通，此过程
b)
u2 O ud c) O id Id O i VT e)
w t1
wt
wt
通常称为续流。
d) Id p-
数量关系(id近似恒为Id）
I dVT
wt
p+
p = Id 2p
(1) 电路及工作原理 uG
A u1 uT
G K
RL uL
u2
uG
(2) 工作波形(设u1为正弦波)
A u1 u2
G
u2
uT
K RL uL
t
uG uL uT
u2 > 0 时，加上触 发电压 uG ，晶闸 t 管导通 。且 uL 的大小随 uG 加入 的早晚而变化； t u2 < 0 时，晶闸 管不通，uL = 0 。 故称可控整流。
UA IA 正向 导通
URSMURRM
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
当反向电压达到反向击
穿电压后，可能导致晶 闸管发热损坏。
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
正向特性： 控制极开路时，随UAK的加大，阳极
电流逐渐增加。当U = UDSM（正向转折电压）
UGS>0时
UGS S
UDS
D
G N
UGS足够大时 （UGS>VT）感 应出足够多电子， 这里出现以电子 导电为主的N型 导电沟道。
N P
感应出电子
VT称为阈值电压
UGS S
UDS
D
G N P
UGS较小时，导 电沟道相当于电 阻将D-S连接起 来，UGS越大此 电阻越小。 N
UGS S
UDS
D
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
17.1 工作原理
1. 结构
PNPN四层半导体结构
A（阳极）
P1 N1 P2 三 个 PN 结 G（控制极）
四 层 半 导 体
N2
K（阴极）
2. 工作原理 符号
阳极
A P1
N1
A P G
N P N P N K
O u VT O
wt
wt
R
图2-4 单相半波带阻感负载 有续流二极管的电路及波形
17.5 单相半波可控整流电路
单相半波可控整流电路的特点
VT的 移相范围为180。
简单，但输出脉动大，变压器二次侧电流中含直流 分量，造成变压器铁芯直流磁化。
实际上很少应用此种电路。 分析该电路的主要目的建立起整流电路的基本概念。
G
UGK ig
T1
ig ß
(1)阳极A加反向电压，或不加 触发信号（即UGK= 0 ）。
K
A G K
(2)可控硅正向导通后，若令其关 断，必须减小UAK（或使UAK 反向），使可控硅中电流小于 某一最小电流IH （ IH称为维持 电流）
晶闸管的工作原理小结
（1）晶闸管具有单向导电性。 正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加 正的触发信号。 （2）晶闸管一旦导通，控制极便失去作用。
u2 (B) T2 A -
uG
uL
RL
u2 (A) D1
u2 + B
T1
T2 RL
D1
D2
T2 、D1导通， T1 、D2截止
T1、T2 --晶闸管
D1、D2 --晶体管
(2) 工作波形
u2
A + u2 B -
uL
T1
D1
T2
RL
t
D2
uG
uL
uT1


t
t
t
(3) 输出电压及电流的平均值
t


：控制角 ：导通角
2.1.1 单相半波可控整流电路
基本数量关系 首先，引入两个重要的基本概念： 触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施 加触发脉冲止的电角度 ,用表示,也称触发角或控制角。 导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度， 用θ表示 。
VT的 移相范围为180 通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相 位控制方式，简称相控方式。
反向击穿电压
URSM
额定 正向 平均 电流
I I
F
IH
UDRM
U U
正向转折 DSM 电压
URRM
2）电流定额 1.3.3
晶闸管的主要参数
通态平均电流 IT(AV）
——在环境温度为40C和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定 结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。标称其额定 电流的参数。
1 2p
p
（2-5）
f)
i VD
O
R
wt
p 2 I VT = I d ( w t ) = Id （2-6） d 2p g) p I dVD = Id （2-7） 2p 1 2p 2 p （2-8） I VD = I d ( w t ) = Id d 2p p 2p
R
反向重复峰值电压URRM
—— 在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在 器件上的反向峰值电压。
使用注意： 通常取晶闸管的 UDRM和URRM中较小 的标值作为该器件 的额定电压。 选用时，一般取额 定电压为正常工作 时晶闸管所承受峰 值电压2~3倍。
通态（峰值）电压UT
—— 晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流 时的瞬态峰值电压。
A
控制极
GLeabharlann Baidu
K 阴极
G
P2 N2 K
A P G N P N P N
ß ß ig
等效为由二个三极 管组成
A
RL
T2
UAK
G
UGK
T1
ig
ig ß
K
K
T1、T2都导通后，即使去掉UGK， T1、T2仍然导通
A
ß ß ig
RL
T
2
可控硅导通的条件： （1）阳极A加正电压 （2）控制极G加正的触发电压 UAK 可控硅截止的条件：
上升率。 ——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损坏。
(3) IF：额定正向平均电流： 通用系列为：
1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14种规格。
额定 正向 平均 电流
反向击穿电压
I I
F
URSM
IH
UDRM
U U
正向转折 DSM 电压
2. 单相全波可控整流电路
一、电阻性负载桥式可控整流电路
(1) 电路及工作原理
• u2 > 0的导通路径： A + u2 (A) T1 RL u2 B T1 T2 RL D2 uG
uL
u2 (B)
D2
D1
T1 、D2导通， T2 、D1截止
T1、T2 --晶闸管
D1、D2 --二极管
• u2 < 0的导通路径：
2. 主要参数
(1) UDRM：正向阻断电压
额定 正向 平均 电流
反向击穿电压
IF IH
I
URSM
U
UDRM
U
正向转折 DSM 电压
(2) URRM：反向峰值电压 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URRM = 80% URSM（反向击 穿电压）。普通晶闸管URRM为100V--3000V）
(3) 输出电压及电流的平均值
uL

UL
1 = 2p
u
p
p
p
2p
wt
L
dw t
1 cos = 0.45U 2 2
1 = 2p

2 U2 sin w td w t
IL
UL = RL
承受的最高反向电压:
uT
t
UDRM= 2U 2
电感性负载（如直流电动机的激磁线圈）
电路及工作原理 A uT G K – D + R uL
时，晶闸管自动导通。正常工作时， UAK应 小于 UDSM 。
反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍
有增加，当 U = URSM （反向击穿电压）时，
反向击穿。正常工作时，反向电压必须小于
URSM。
17.3
1）电压定额
晶闸管的主要参数
断态重复峰值电压UDRM
•
•
——在门极断路而结温为额定值时，允许重复 加在器件上的正向峰值电压。晶闸管耐压值。一 般取 UDRM = 80% UDSM （正向转折电压）。 普通晶闸管UDRM 为 100V---3000V
G N P
当UDS不太大 时，导电沟 道在两个N区 间是均匀的。
N
当UDS较大 时，靠近D 区的导电沟 道变窄。
UGS S
UDS
D
UDS增加，UGD=VT 时， 靠近D端的沟道被夹断， 称为予夹断。 ID
G N P
N
夹断后，即 使UDS 继续 增加，ID仍 呈恒流特性。
三、增强型N沟道MOS管的特性曲线 ID
晶闸管及其应用
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目
录
17.1 晶闸管工作原理 17.2 晶闸管特性与参数 17.3 可控整流电路 17.4 触发电路 17.5 单结管触发的可控整流电路 17.6 晶闸管的其它应用 17.7 晶闸管的保护及其它类型
晶闸管（Thyristor）
转移特性曲线
UGS 0
VT
输出特性曲线
ID
UGS>0
0
U DS
四、耗尽型N沟道MOS管的特性曲线
耗尽型的MOS管UGS=0时就有导电沟道，加反向 电压才能夹断。
ID 转移特性曲线
UGS VT 0
输出特性曲线
ID
UGS>0 UGS=0 UGS<0
0 U DS
17.3 可控整流电路
1. 单相半波可控整流电路
UA IA 正向 导通
URSMURRM
IH O
IG2
IG1 IG=0 UDRM Ubo +UA UDSM
随着门极电流幅值的增大， 正向转折电压降低。 晶闸管本身的压降很小， 在1V左右。
雪崩 击穿
-IA
图1-8 晶闸管的伏安特性
IG2>IG1>IG
17.2 晶闸管的基本特性
（2）反向特性
反向特性类似二极管的 反向特性。 反向阻断状态时，只有 极小的反相漏电流流过。
URRM
§17.5 场效应晶体管
场效应管与双极型晶体管不同，它是多子 导电，输入阻抗高，温度稳定性好。
场效应管有两种: 结型场效应管JFET 绝缘栅型场效应管MOS
二、MOS管的工作原理
以N 沟道增强型为例 UGS=0时 UGS S
UDS
D
ID=0
对应截止区
G N P
N
D-S 间相当于 两个反接的 PN结
1.3.3 3）动态参数
晶闸管的主要参数
除开通时间tgt和关断时间tq外，还有：
断态电压临界上升率du/dt
——指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通
态转换的外加电压最大上升率。
——电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通 。
通态电流临界上升率di/dt
——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流
• 逆变（直流 交流）
• 斩波（直流 直流）
此外还可作无触点开关等。
1.3.1 晶闸管的结构与工作原理
A K P1 G A A G a) N1 P2 N2 K b) c) K
G
K
J1 J2 J3
G
A
图1-6 晶闸管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号
外形有螺栓型和平板型两种封装。 有三个联接端。 螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧 密联接且安装方便。 平板型晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。
别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier） 是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展到强电领 域。
特点：体积小、重量轻、无噪声、寿命长、 容量大（正 向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。 应用领域：
• 整流（交流 直流） • 变频（交流 交流）
若使其关断，必须降低 UAK 或加 大回路电阻，把阳极电流减小到 维持电流以下。
（3）承受反向电压时，不论门极是否有触发
电流，晶闸管都不会导通
17.2 晶闸管的基本特性
1） 静态特性 （1）正向特性
IG=0时，器件两端施加正 向电压，只有很小的正向 漏电流，为正向阻断状态。 正向电压超过正向转折电 压Ubo，则漏电流急剧增大， 器件开通。
——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。
维持电流 IH 擎住电流 IL
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
——晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后， 能维持导通所需 的最小电流。对同一晶闸管来说，通常IL约为IH的2~4倍。
浪涌电流ITSM
——指由于电路异常情况引起的并使结温超过额定结温的不重复性 最大正向过载电流 。