晶闸管及其应用

晶闸管(可控硅SCR) 晶闸管(可控硅SCR)
电工电子技术
晶闸管又称可控硅，是硅晶体闸流管的简称。 晶闸管又称可控硅，是硅晶体闸流管的简称。 一种大功率半导体器件 出现于70年代 大功率半导体器件， 年代。 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。 现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。利用 其整流可控特性可方便地对大功率电源进行控制和 变换。它具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、 变换。它具有体积小、重量轻、耐压高、容量大、 无噪声、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、 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）。 正向耐压达数千伏）。 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性， 也像半导体二极管那样具有单向导电性 晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性， 但它的导通时间是可控的（可控硅） 主要用于整 但它的导通时间是可控的（可控硅），主要用于整 逆变、调压及开关等方面 它有普通型、 等方面。 流、逆变、调压及开关等方面。它有普通型、双向 型和可关断型等。使用维护简单、控制灵敏等优点， 型和可关断型等。使用维护简单、控制灵敏等优点， 所以在生产上得到了广泛的应用。 所以在生产上得到了广泛的应用。
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3.工作原理 3.工作原理 UA1>UA2时，控制极相对于A2加 控制极相对于 相对于A 正脉冲， 正脉冲， 晶闸管正向导通，电流从A 晶闸管正向导通，电流从A1流 正向导通 向A2。 晶闸管反向导通，电流从A 流向A 晶闸管反向导通，电流从A2流向A1。 反向导通 A1 G A2
UA2>UA1时，控制极相对于A2加负脉冲， 控制极相对于A 脉冲，
K G V K A (a) G A
图图图图 图10-1
G G K A G A K
K
A (b) (2 K G
A P N P N P N K G
+ IA
P1 P2
A N1 T1 P2 N2 N1 T2
IG
IK _K
晶闸管相当于PNP NPN型两个晶体管的组合 晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合 PNP和
θ为晶闸管在一个周期内导通的范围，称为导通角。 为晶闸管在一个周期内导通的范围，称为导通角。 导通角
ωt
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4.输出电压及电流的平均值 4.输出电压及电流的平均值 π
1 1+ cosα Uο = ∫ 2U2 sinωt d(ωt) = 0.9U2 πα 2 UO IO = RL
1 UO = ∫ u2 dωt πα
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2.工作原理 2.工作原理 a
io
和二极管单相 + T2 T1 + + 桥式整流电路基 + u2 RL uo 本相同， 本相同，只是每 u1 – – 当T1或T2承受正 _ – D1 D2 向阳极电压， 向阳极电压，而 b 且在该晶闸管的 控制极上加上控 触发电压u 用尖脉冲电压， 触发电压uG用尖脉冲电压，由 制电压时， 制电压时，它才 专门电路提供。可通过改变α 专门电路提供。可通过改变α来调 开始导通。 开始导通。 节输出直流电压U 的大小。 节输出直流电压UO的大小。
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(4) 变频器 。 把某一频率的交流电变换成另一 变频器。 频率的交流电的设备称为变频器。例如, 频率的交流电的设备称为变频器。例如, 晶闸管中 频电源、 停电电源（ UPS） 频电源 、 停电电源 （ UPS ） 、 异步电动机变频调 速中均含有变频器。 速中均含有变频器。 (5) 无触点功率开关 。 用晶闸管可组成无触点功 无触点功率开关。 率开关取代接触器、继电器，适用于操作频繁的场合。 率开关取代接触器、继电器，适用于操作频繁的场合。 例如，可用于控制电动机的正反转和防爆、 例如 ， 可用于控制电动机的正反转和防爆 、 防火的 场合。 场合。 晶闸管包括普通晶闸管、双向晶闸管、 晶闸管包括普通晶闸管 、 双向晶闸管 、 速晶闸 可关断晶闸管、光控晶闸管和逆导晶闸管等。 管、可关断晶闸管、光控晶闸管和逆导晶闸管等。由 于普通晶闸管应用广泛，故本章着重介绍普通晶闸管。 于普通晶闸管应用广泛，故本章着重介绍普通晶闸管。
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3.工作波形 3.工作波形
u2
π+α
2πO uO为一个 α π 不完整的全 uG 波脉动电压， 波脉动电压， ωt O 它相当于从 uO 完整的脉动 ωt 电压上切去 α θ 前的一块。 了α前的一块。 α 越大，uO平均值越小。 α为在正向阳极作用下开始导通的 越大， 平均值越小。 角度，称为控制角 控制角。 =0即为交流开关。 即为交流开关 角度，称为控制角。 α =0即为交流开关。
晶闸管关断条件
1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈 正反馈效应 不能维持。 不能维持。 2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极 间加反相电压。 间加反相电压。
11.2 晶闸管应用
11.2.1 可控整流
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3.直流调压（直流斩波）： 3.直流调压（直流斩波）： 直流调压 U为直流电压，晶闸 为直流电压， 管的阳极电压始终大于 零，当t＝0时，加上正 向控制电压， 向控制电压，晶闸管导 通 ， u o≈ U ； 当 t ＝ t w 时 ， 加上反向控制电压， 加上反向控制电压，晶 闸管截止， ≈0。 闸管截止，uo ≈0。
晶闸管导通条件
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1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间) 电压。 电压。 2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间) 电压或正向脉冲(正向触发电压) 电压或正向脉冲(正向触发电压)。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 晶闸管导通后，控制极便失去作用。 依靠正反 晶闸管仍可维持导通状态。 馈，晶闸管仍可维持导通状态。
π
11.2.2 双向晶闸管及其交流调压
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双向晶闸管和普通晶闸管一样， 双向晶闸管和普通晶闸管一样，也有塑料封装 螺栓型和平板压接型等几种不同的结构。 型、螺栓型和平板压接型等几种不同的结构。塑料 封装型元件的电流容量只有几安培，目前， 封装型元件的电流容量只有几安培，目前，台灯调 家用风扇调速多用此种形式， 光、家用风扇调速多用此种形式，螺栓式电流容量 为几十安培， 为几十安培，大功率双向晶闸管元件都是平板压接 型结构。 型结构。 A2 第二电极 1.特点 特点： 1.特点： 相当于两个晶闸管反向并 两者共用一个控制极。 联，两者共用一个控制极。 控制极 G A1 2.符号 符号： 2.符号： 通过控制电压的控制可实现双向导通。 通过控制电压的控制可实现双向导通。第一电极
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晶闸管的主要用途有： 晶闸管的主要用途有： (1) 可控整流。把交流电变换为大小可调的直流 可控整流。 电称为可控整流。例如，直流电动机调压调速， 电称为可控整流 。 例如 ，直流电动机调压调速 ，电 解、电镀电源均可采用可控整流供电。 电镀电源均可采用可控整流供电。 (2) 有源逆变。有源逆变是指把直流电变换成与 有源逆变。 电网同频率的交流电，并将电能返送给交流电源。 电网同频率的交流电，并将电能返送给交流电源。例 目前采用的高压输电工程， 如, 目前采用的高压输电工程，将三相交流电先变换 成高压直流电，再进行远距离的输送，到目的地后， 成高压直流电，再进行远距离的输送，到目的地后， 再利用有源逆变技术把直流电变成与当地电网同频率 的交流电供给用户。 的交流电供给用户。 (3) 交流调压。 交流调压是指把不变的交流电压 交流调压。 变换成大小可调的交流电压。例如，用于灯光控制、 变换成大小可调的交流电压。例如，用于灯光控制、 温度控制及交流电动机的调压调速。 温度控制及交流电动机的调压调速。
四
P1 N1 P2
三 个
PN
结
GG 控制极
G K
(a) 外形 (b) 符号
N2
(c) 结构 K 阴极
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晶闸管是用硅材料制成的半导体器件，它有三 晶闸管是用硅材料制成的半导体器件， 种结构形式： 螺栓式、平板式和塑料封装式。平板 种结构形式： 螺栓式、平板式和塑料封装式。 式又分为风冷平板式和水冷平板式。 式又分为风冷平板式和水冷平板式。
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4.交流调压电路 4.交流调压电路
在电源电压正半 ωt=α时 周，ωt=α时，加控 制电压， 制电压，晶闸管导 通；电源电压为零 时截止；在电源电 时截止； 压负半周， 压负半周， ωt=π ＋α时，加控制电 压，晶闸管导 通……
A2 ～
A1
＋
G
uo
－
uo
O α
π
α
2π π
α
ωt
11.2.3 可关断晶闸管及其直流调压
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1.特点： 1.特点： 特点 可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。 可关断晶闸管的触发导通与普通晶闸管相同。 不同之处在于：普通晶闸管在导通后， 不同之处在于：普通晶闸管在导通后，控制极不再 起作用，只有在阳极电压为零时， 起作用，只有在阳极电压为零时，晶闸管才会关断 截止）。 ）。而可关断晶闸管 （截止）。而可关断晶闸管 A 在uA＞0, uG＞0时，由截止变为导通 ，而在uA＞0, uG＜0时，即加负脉冲 而在u 控制电压时， 控制电压时，晶闸管由由导通变为截 G 止。 K 2.符号 符号： 2.符号：
在实际生产中，很多设备需要大小可调的直流电， 在实际生产中，很多设备需要大小可调的直流电， 例如， 电解、电镀、电焊等设备。 例如， 电解、电镀、电焊等设备。由晶闸管组成的 可控整流电路可以把交流电变成直流电， 可控整流电路可以把交流电变成直流电，达到直流 io 电源输出电压可调的目的。 电源输出电压可调的目的。 a 1.电路 1.电路 + T2 T1 + 两桥臂为晶闸管， 两桥臂为晶闸管， + + u2 另两个为二极管， RL uo 另两个为二极管， u1 – – 故为单相半控桥式 _ – D1 D2 整流电路。 整流电路。 b