3.晶闸管及其触发保护电路

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电力电子供电电路采用的电力电子器件有：
晶闸管（ Th ）
双极型晶体管（ BJT ）
场效应晶体管（ MOSFET ） 绝缘栅双极晶体管（ IGBT ） 场效应晶闸管（ MCT ） 现代的电力电子器件日益向全控化、高频化、复合
化、集成化和多功能化发展，新型的器件不断涌现，使
电力电子技术呈现日新月异，迅猛发展的状况。
要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流 降到接近于零的某一数值以下 。
20
五、晶闸管的主要参数
1. 电压定额
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。
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。
TS为同步变压器，TI1和TI2为脉冲变压器，R8、R9、VT2和R10、R11、 VT1构成电压放大电路，VD1和VD2为续流二极管，触发脉冲宽度取决于 电阻R7和电容C2，电位器RP1用于调节锯齿波斜率，电压Uc为移相控制 输入电压，电位器RP2用于调节锯齿波偏置电压。
33
3 . 2 . 3 晶闸管电路的保护环节
6
3 . 2 晶闸管及其触发、保护电路
• 3.2.1 晶闸管 • 3.2.1 晶闸管的触发电路 • 3.2.3 晶闸管电路的保护环节
7
PN结及其单向导电性
PN 结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层 1. PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
结晶体管自激振荡电路、单稳态触发电路和集成触
发电路等。
• 移相控制：功能是调节触发脉冲发生的时刻（即调 节控制角 α 的大小）。常用锯齿波与给定信号电压 进行比较来进行移相控制
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• 同步电路：功能是使触发脉冲每次产生的时刻，都能
准确地对应着主电路电压波形上的 α时刻。通常采用
的方法是把主电路的电压信号直接引入，或通过同步
主电路
单结晶体管触发电路的测试
①
②
④
③ ⑩
⒅
⑥
⑦ ⑧
⑨
⑾
⒂
⒀ ⒄
⑿
⑤
⒁
⒇
⒆
⒃
单结晶体管触发电路的测试
①
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④
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⒀ ⒄
⑿
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⒁
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⒆
⒃
单结晶体管触发电路的测试
• 1、将实验电路的电源进线端接到相应的电源上。（虚线部分在交流 电源单元上）（下同） • 2、用双综示波器Y1测量~50V的电压UT的数值与波形，用Y2测量15 V稳压管上的电压Uv（同步电压）的波形，并进行比较（注意： 以0点为两探头的公共端）； • 3、整定RP1与RP0，使RP2输出电压在0.5V～2.5V之间变化。 • 4、调节给定电位器RP2，使控制角α为60°左右。 • ①、测量单结晶体管V3（BT管）发射极电压（即电容C1上的电压UC1） 的电压波形。（以同步电压为参考波形）； • ②、测量V3输出电压波形U0；（即100Ω输出电阻上的电压） • ③、测量脉冲变压器TP两端输出的电压波形UG1或UG2； • ④、调节RP2观察触发脉冲移动情况（即控制角α调节范围；能否由 0°→180°？ • 注①：由于此电路的同步电压为近似梯形波，因此前、后均有死区， α调节范围一般为10°→170°左右，甚至更小一些。 • 注②：RP0整定最高速，RP1整定最低速，RP2调节速度。
3 . 2 . 2 晶闸管的触发电路
一、触发电路的组成
如前所述，晶闸管的导通需要有一个触发电路来提供 触发脉冲。触发电路大致可分成四个部分： 脉冲形成
移相控制
同步电路 脉冲功率放大 触发电路的组成参见图 。
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• 脉冲形成：是触发电路的核心，它的功能是产生一
定功率（一定的幅值与脉宽）的脉冲。常用的有单
1 可用三个二极管或两个三极管等效。
三、晶闸管导通关断实验
当晶闸管的阳极与阴极间加上正向
或反向电压时，总有PN结处于反
A阳 极
偏状态；因此，晶闸管也处于正向
或反向阻断状态。那么晶闸管在什 么条件下，才能从正向阻断状态转 变为正向导通状态呢?在什么条件 下又从导通状态恢复为阻断状态呢? 下面进行晶闸管的导通关断实验进 行分析
G
P1 N1 P2 N2
K
18
Q1、Q2双向开关
1. Q1于中间，Q2置于左、中、右，灯均灭； 2. Q1置于左，Q2置于左、中、右，灯均灭； 3. Q1置于右，Q2置于左、中，灯均灭； Q2置于右，灯亮
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灯亮后做实验: 扳动Q2 ， Q2置于中、左时，灯仍亮。 扳动Q1 ， Q1置于中、左时，灯灭。
阴极引线 ( b ) 面接触型
( d ) 符号
3.2.1 晶闸管
晶闸管（Thyristor）：晶体闸流管，可控硅 整流器（Silicon Controlled Rectifier——SCR）
1956年美国贝尔实验室发明了晶闸管。 1958年商业化。
1957 年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。
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 大通态电流上升率。
平板型晶闸管 外形及结构 螺栓型晶闸管
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晶闸管的散热片
自冷式
风冷式
水冷式
15
晶闸管的散热片
水冷式
风冷式
自冷式
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二.
晶闸管的内部结构原理
A
阳极
晶闸管的结构 A
P1 P1 N1 G P2 J3 J1 N2 K N1 P2 G N2
J2
N2
晶闸管是PNPN四层半导体结构。
具有J1、J2、J3三个PN结。 K
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。
二极管的结构示意图
金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线
阳极引线 二氧化硅保护层
N 型硅
P 型硅
( a ) 点接触型
铝合金小球 N型硅
外壳
阴极引线 ( c ) 平面型
阳极引线 PN结 金锑合金 底座
阳极
D
阴极
的（或固定的）直流电压。如应用于电气机车、城市电车牵
引和电瓶叉车等方面。 （直→直） 交流调压电路：把交流电压变换为大小可调的（或固定的）
交流电压。如应用于灯光控制、温度控制等方面。 （交→交）
交流变频电路：把固定（或变化）频率的交流电变换为频率 可调的（或恒定的）交流电。如应用于变频电源（如中频加 热电源、高频加热电源）和变频调速等。 （交→交）
50V
15V
+
~
C5 470μF
VD2
VD3
V3
VD8 V4 + C1 + C2 100 47μF
V1
+
C4 100μF
0.047μF
TP V5
源自文库
2.4K + C3 47μF
VD7
VD6
100
触发电路 120V ~
100
10V ~ 0V ~
VT1 C7 100 VD9 0.1μF
VT2
Ud
C8 0.1uF VD10 VD11
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实验结论
当门极断开时，维持晶闸管导通所需要的最小阳极
电流叫维持电流 (IH)。
要使导通的晶闸管恢复阻断，可降低阳极电源Ea或
增大负载电阻，使阳极电流Ia<IH 或在阳极加上反
向电压，晶闸管就自行关断了。
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晶闸管正常工作时的特性总结如下：
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。 承受正向电压时，仅在门极有触发电流 的情况下晶闸管才能开通。 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。
4
逆变电路：把直流电压变换为频率固定（或可调）的交流
电压。若将此交流电送往交流电网，这称为“有源逆变”，
如高压直流输电、牵引机（或提升机）的电能回馈制动等。 若此交流电不送往电网，供给负载，则称为“无源逆变”，
如不间断电源（ UPS ）、高精度交流电源等。 （直→交）
无触点功率静态开关：接通或切断交流（或直流）电流通 路，用于取代接触器、继电器（又称固态接触器、固态继 电器）。
34
35
单结晶体管触发电路的测试
亚龙教仪
1K
单相桥式半控整流电路及单结晶体管触发电路
给定电压调节
RP0 4.7K RP2 4.7K RP1 1K RP2
15V
10V
Us
~
+
C6 47μF RP0
RP1 VD4 RP5
2K
给定电路
VD5
VD1
560
24K V2
RP5 22K
电压放大
6.8K
127V ~
变压器（或经过阻容移相电路）从主电路引入，来作
为触发同步信号
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• 脉冲功率放大：若触发驱动的晶闸管的容量较大，
则要求触发脉冲有较大的输出功率。若形成的脉冲
的功率不够大时，这时还要增加脉冲功率放大环节。
通常采用由复合管组成的射极输出器或采用强功率 触发脉冲电源
32
二、触发电路的工作原理
如今触发电路常采用集成电路。
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四、实验现象与结论：
阳极电压Ua反向时，无论 Ug为何种电压，晶闸管 都处于关断状态，灯不亮。
只有当阳极电压Ua和门极电压Ug同为正向电压时， 晶闸管才能导通，灯亮。
晶闸管导通后，无论 Ug为何种电压，晶闸管仍然 导通，门极就失去控制作用。 晶闸管在导通状态时，阳极电源Ea减小到接近零 时晶闸管关断，灯不亮。
开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时 代。
20世纪80年代以来，开始被全控型器件取代。
能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容 量的场合具有重要地位。
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一.
认识晶闸管
小电流塑封式
晶闸管的外形
大电流平板式
小电流螺旋式
大电流螺旋式
图形符号 1-13
常用晶闸管的结构
晶闸管模块 KP螺旋式
P IF + –
外电场
N
多子在外电 场作用下定 向移动，形 成较大的正 向电流。
PN 结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。
2. PN 结加反向电压（反向偏置）
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
P
P接负、N接正
少子在外电场作用 下定向移动，形成 很小的反向电流。
+ + + + + + + + +
外电场
+ + +
+ + +
+ + +
N
–
+
IR
PN 结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
半导体二极管
14.3.1 基本结构（一个PN结） (a) 点接触型 结面积小、 结电容小、正 向电流小。用 于检波和变频 等高频电路。 (b)面接触型 结面积大、 正向电流大、 结电容大，用 于工频大电流 整流电路。
自动控制系统安装与调试
主讲人：朱培燕
第3章 电力电子供电电路
• 3 . 1 电力电子供电电路概述 • 3. 2 晶闸管及其触发、保护电路
2
3 . 1 电力电子供电电路概述
电力电子技术是以电力（供电）为对象的电子技术，它是利
用电力电子器件对电能的电压、电流、频率、相位和波形等
方面进行控制和变换的技术，它是横跨电力、电子和控制三 大学科的交叉学科，是当前发展极为迅速的学科之一。 当代许多高新技术，常与供电电路的电压、电流、频率和相 位等基本参数的转换与控制有关，而现代电力电子技术能够
实现对这些参数的精确控制与高效率的变换，因此电力电子
技术己成为现代科学技术、现代生产和现代生活中一门十分 重要的学科和技术
3
电力电子供电电路常用的类型
可控整流电路：把交流电压变换为可调的（或固定的）直流 电压。如应用于电解、电镀、直流电动机的调压调速，以及 高压输电等方面。（交→直） 直流斩波电路：把固定的（或变化的）直流电压变换为可调
维持电流 IH
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流。
擎住电流 IL
——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 。
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3、动态参数
——如果电流上升太快，可能造成局部过热而使晶闸管损 坏。
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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) 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 如KP5-7表示额定正向平均电流为5A,额定电压为700V。
21
实验结论
晶闸管象二极管一样，具有单向导电特性。 晶闸管不同于二极管，还具有正向导通的可控特 性。要使晶闸管正向导通必须在阳极加上正向电 压时，同时还在门极与阴极之间加上一定的正向 门极电压Ug才能导通，这就是晶闸管导通的必要 条件。 当晶闸管加上正向阳极电压后，门极加上适当的 正向门极电压，使晶闸管导通的过程称为触发。 晶闸管一旦触发导通后，门极就对它失去控制作 用，因此通常在门极只要加上一个正向脉冲电压 即可，称之为触发电压。门极无法控制晶闸管的 关断。
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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。
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。
2. 电流定额
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。 ——使用时应按有效值相等的原则来选取晶闸管。