晶闸管的原理及应用

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20.1 晶闸管
20.1.1 基本结构
晶闸管是具有三个PN 晶闸管是具有三个PN 结的四层结构, 其外形、结的四层结构, 其外形、结构及符号如图。结构及符号如图。四层 A A 阳极
P1 N1 P2
三个
PN
结
G K
(a) 外形 (b) 符号
GG 控制极
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• 五、型号及含义
3 C T X / Y
额定电压（断态重复）额定电压（断态重复）
额定电流（额定平均通态电流）额定电流（额定平均通态电流）晶闸管 N型 3极
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晶闸管型号及其含义 K P 导通时平均电压组别共九级, 用字母A~I表示表示0.4~1.2V 共九级, 用字母A~I表示0.4~1.2V 额定电压,用百位或千位数表示取UFRM或URRM较小者额定正向平均电流(IF) 晶闸管类型）普通型（晶闸管类型） P--普通晶闸管 K--快速晶闸管 S --双向晶闸管晶闸管表示额定正向平均电流为如KP5-7表示额定正向平均电流为 ,额定电压为表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。。
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iB 2 = iG
K EA > 0、EG > 0 0、
20.2.2 工作原理
形成正反馈过程 A
β 2iG β 1
T1 G R
iG
E
G
βiG 2
iB 2
T2 EA
+ _
iC2 = β 2iG = iB1 iC 1 = β 1iC 2 = β1 β 2iG = iB 2
ωt1 :加触发信号，晶闸管承受正向电压导通加触发信号，晶闸管承受正向电压导通
uo = u , uT ≈ 0 。
u < 0 时: 可控硅承受反向电压不导通 uo = 0 , uT = u 。：晶闸管反向阻断即
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uo = 0, uT = u 。
u
O
(3)工作波形 (3)工作波形
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20.2 可控整流电路
20.2.1 单相半波可控整流
1. 电阻性负载 (1) 电路 ∼ + u – T + uT – io + RL uo –
u > 0 时： 0，晶闸管不导通不导通，若ug = 0，晶闸管不导通，uo = 0, uT = u 。控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压承受正向电压导控制极加触发信号，晶闸管承受正向电压导通，
L D
uo –
R
u> 0 时： D反向截止，不影响整流电路工作。反向截止，不影响整流电路工作。 u < 0时： 0时 D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元正向导通,晶闸管承受反向电压关断承受反向电压关断, 释放能量形成的电流经D构成回路(续流), ),负载件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压u 波形与电阻性负载相同(见波形图) 电压uo波形与电阻性负载相同(见波形图)。
IF
π 2π π 普通晶闸管I 普通晶闸管 F为1A — 1000A。。
ωt
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IH: 维持电流在规定的环境和控制极断路时，在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导通状态所必须的最小电流。通状态所必须的最小电流。一般I 一百多毫安。一般IH为几十 ~ 一百多毫安。 UF: 通态平均电压（管压降）通态平均电压（管压降）在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，在规定的条件下，通过正弦半波平均电流时，晶闸管阳、阴极间的电压平均值。晶闸管阳、阴极间的电压平均值。一般为1V左右左右。一般为1V左右。 UG、IG：控制极触发电压和电流室温下，阳极电压为直流6V时室温下，阳极电压为直流6V时，使晶闸管完全导通所必须的最小控制极直流电压、全导通所必须的最小控制极直流电压、电流。一般U 5V，为几十到几百毫安。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。
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• 二、可关断晶闸管（GTO）VS 可关断晶闸管（GTO）
K
G
当 UGK 正时接通，当 UGK 负时关断。
A
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•
特点 (1) 可由触发脉冲通断 (2) 关断比晶闸管快 (3) 控制功率IG大（比晶闸管）控制功率I 比晶闸管）
20.1.4 主要参数
UFRM: 正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）正向重复峰值电压（晶闸管耐压值）耐压值晶闸管控制极开路且正向阻断情况下控制极开路且正向阻断情况下, 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。晶闸管两端的正向峰值电压许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。一般取UFRM = 80% UB0 。一般取普通晶闸管普通晶闸管 UFRM 为100V — 3000V URRM：反向重复峰值电压控制极开路时,允许重复作用在晶闸管晶闸管元控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元件上的反向峰值电压。件上的反向峰值电压。一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管普通晶闸管 URRM为100V—3000V
晶闸管导通后，去晶闸管导通后，依靠正反馈，掉EG ，依靠正反馈，仍可维持导通状态。仍可维持导通状态。
iB 2 = iG
K EA > 0、EG > 0 0、
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晶闸管导通的条件：晶闸管导通的条件： 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。晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件： 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。
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正向平均电流 IF ：
°
环境温度为40 标准散热条件下，环境温度为40 C及标准散热条件下，晶闸管处于全导通时全导通时可以连续通过的工频正弦管处于全导通时可以连续通过的工频正弦半波电流的平均值。半波电流的平均值。如果正弦半波电流的最大值为Im, 则 π 1 Im IF = ∫ Im sinωtd(ωt ) = π 2π 0 i
π
1 = ∫ 2U sinωt d(ωt ) 2π α 1+ 1+ cosα = 0.45U × 2 UO U 1 + cosα IO = = 0.45 × RL RL 2
由公式可知：由公式可知：
π
改变控制角α 可改变输出电压U 改变控制角α，可改变输出电压Uo。
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2) 工作波形(未加续流二极管) 工作波形( 续流二极管)
u
O
ug
ωt1 π
2π
ωt2
ωt ωt ωt
uO
uT
O O
O
α
θ
ωt
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3.电感性负载(加续流二极管) 3.电感性负载电感性负载( 续流二极管)
(1) 电路 + ∼ – T + + uT – u io – io +
uo = u , uT ≈ 0 。
u < 0 时: 晶闸管承受反向电压不导通, 晶闸管承受反向电压不导通承受反向电压不导通, uo = 0, uT = u ，故称可控整流。故称可控整流。
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(2) 工作原理 u
O
ug
O
ωt1 π
2π π
ωt ωt
u > 0时: 0 ~ ωt1, ug = 0 , 晶闸管不导通。 0时晶闸管不导通。
ug
ωt1 π
2π
ωt2
ωt ωt ωt
uO
O
uT
动画
O
导通角
O
ωt
α θ
控制角接电阻负载时单相半波可控整流电路电压、单相半波可控整流电路电压、电流波形
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(4)整流输出电压及电流的平均值 (4)整流输出电压及电流的平均值
1 UO = ∫ u dωt 2π α
2. 电感性负载与续流二极管
(1)电路 (1)电路 ∼ + u – T + uT – + uo –
⊕ L eL ⊕
R
在电感性负载中 ,当晶闸管刚触发导通时，电当晶闸管刚触发导通时，感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图) 感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形) 电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶过零后，由于电感反电动势的存在，维持导通，失去单向导电作用。闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。
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20.1.2 工作原理
形成正反馈过程 A
β 1β 2iG
T1 R
iG
G EG
iB2
β 2iG
T2 EA
+ _
iC2 = β 2iG = iB1 iC 1 = β 1iC 2 = β1 β 2iG = iB 2
在极短时间内使两个三极管均饱和导通，个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。此过程称触发导通。
N2
(c) 结构 K 阴极
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晶闸管的外形、晶闸管的外形、结构及符号
A P1 N1 G P2 N2 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
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晶闸管 ectifier）（Silicon Controlled Rectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。扩展到强电领域。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，主要用于整流、逆变、但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。调压及开关等方面。优点：优点：体积小、重量轻、效率高、动作迅速、体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简操作方便、寿命长、容量大（单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。达千安、正向耐压达数千伏）。
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20.1.3 伏安特性 ( I = f (U )曲线)
I IF
正向平均电流
+ _
IG2 > IG1 > IG0 IG2 IG1 IG0 U UFRM UBO U
维持电流
UBR URRM
IH o
反向转折电压
_
+
正向转折电压
正向特性
Hale Waihona Puke Baidu反向特性
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其它半导体器件
• 一、双向晶闸管（TRIAC）双向晶闸管（TRIAC）
MT2
符号代号: 代号: VS
G
MT1
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• 工作方式
当UG≠0时， UMT1 > UMT2 ;UGMT1>0或 MT1 MT2 GMT1 UMT2 > UMT1 ;UGMT1<0时，导通。导通。 MT2 MT1 GMT1 相当于两个可控硅反向并联工作，相当于两个可控硅反向并联工作，适用于交流电路的控制。用于交流电路的控制。
第20章晶闸管及其应用 20章
20.1 晶闸管 20.2 可控整流电路 20.3 晶闸管的保护 20.4 单结晶体管触发电路 20.5 应用举例
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第20章晶闸管及其应用 20章
本章要求 1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、特 1.了解晶闸管的基本结构、工作原理、了解晶闸管的基本结构性和主要参数。性和主要参数。 2. 理解可控整流电路的工作原理、掌握电理解可控整流电路的工作原理、压平均值与控制角的关系。压平均值与控制角的关系。 3. 了解单结晶体管及其触发电路的工作原理。