晶閘管模擬電子技術(shù)

1、晶閘管模擬電子技術(shù)(10-2)第十章 晶閘管及其應(yīng)用10.1 工作原理10.2 特性與參數(shù)10.3 可控整流電路10.4 觸發(fā)電路10.5 單結(jié)管觸發(fā)的可控整流電路10.6 晶閘管的其它應(yīng)用10.7 晶閘管的保護(hù)及其它類型第1頁/共100頁(10-3)別名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）是一種大功率半導(dǎo)體器件，出現(xiàn)于70年代。它的出現(xiàn)使半導(dǎo)體器件由弱電領(lǐng)域擴(kuò)展到強(qiáng)電領(lǐng)域。 特點：體積小、重量輕、無噪聲、壽命長、 容量大（正向平均電流達(dá)千安、正向耐壓達(dá)數(shù)千伏）。應(yīng)用領(lǐng)域： 整流（交流 直流） 逆變（直流 交流） 變頻（交流 交流） 斬波（直流 直流）

2、此外還可作無觸點開關(guān)等。晶閘管（Thyristor）第2頁/共100頁(10-4)10.1.1 結(jié)構(gòu)A（陽極）P1P2N1三 個 PN結(jié)N2四 層 半 導(dǎo) 體K（陰極）G（控制極）10.1 工作原理工作原理第3頁/共100頁(10-5)符號AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK10.1.2 工作原理示意圖第4頁/共100頁(10-6)APPNNNPGKigigigKAGT1T2由二個三極管組成的電路等效第5頁/共100頁(10-7)G1.若只加UAK正向電壓，控制極不加觸發(fā)電壓，兩三極管均不能導(dǎo)通，即晶閘管不通。導(dǎo)通過程2.當(dāng)UAK 0且UGK0 時，晶閘管迅速導(dǎo)通。 UGK開始加入時

3、， T1首先導(dǎo)通， ib1 = ig、 iC1 = ib1 ； 然后T2導(dǎo)通， ib2= iC1 = ib1、ic2 = ib2 = ib1，此后T1進(jìn)一步導(dǎo)通，形成正反饋，A、k兩極間迅速導(dǎo)通。KAT1T2i b1ic2i c1i gi b2第6頁/共100頁(10-8)3.晶閘管導(dǎo)通后，去掉電壓UGK，依靠正反饋，晶閘管仍維持導(dǎo)通狀態(tài)；4.晶閘管截止的條件：晶閘管的A、K兩極間加反向電壓，或開始工作時就不加觸發(fā)信號（即令UGK = 0 ），晶閘管則不能導(dǎo)通；（1）（2）晶閘管正向?qū)ê?，欲令其截止，必須減小UAK，或加大回路電阻，致使晶閘管中的電流減小到維持電流（IH）以下，正反饋失效，晶

4、閘管截止。第7頁/共100頁(10-9)（1）晶閘管具有單向?qū)щ娦?。若使其關(guān)斷，必須降低 UAK 或加大回路電阻，把陽極電流減小到維持電流以下。正向?qū)l件：A、K間加正向電壓，G、K間加觸發(fā)信號。晶閘管的工作原理小結(jié)（2）晶閘管一旦導(dǎo)通，控制極失去作用。第8頁/共100頁(10-10)10.2.1 特性UIURRMIHUDRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1正向反向U - 陽極、陰極間的電壓 I - 陽極電流URSM反向擊穿電壓導(dǎo)通后管壓降約1V額定正向平均電流維持電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓10.2 特性與參特性與參數(shù)數(shù)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓第9頁/共100頁(10-11)正向特性：

5、在陽極和陰極間加正向電壓。UDSM：斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓，又稱正向轉(zhuǎn)折電壓。隨UAK的加大，陽極電流逐漸增加。當(dāng)U = UDSM 時，PN結(jié)N1P2反向極擊穿，晶閘管自動導(dǎo)通。正常工作時， UAK應(yīng)小于UDSM 。AP1P2N1N2KG控制極開路時： PN結(jié)P1N1、P2N2正向偏置，N1P2反向偏置，晶閘管截止。若在G和K間加正向電壓：UGK 越大，則UDSM 越小。UGK 足夠大時，正向特性與二極管的正向特性類似。第10頁/共100頁(10-12)隨反向電壓的增加，反向漏電流稍有增加，當(dāng) U = URSM 時，反向極擊穿。正常工作時，反向電壓必須小于URSM。AP1P2N1N2KG反向特性：

6、 在陽極和陰極間加反向電壓。這時PN結(jié)P1N1、P2N2 反向偏置，N1P2正向偏置，晶閘管截止。URSM ：反向不重復(fù)峰值電壓。第11頁/共100頁(10-13)1. UDRM：斷態(tài)重復(fù)峰值電壓晶閘管耐壓值。一般取 UDRM = 80% UDSM 。普通晶閘管UDRM 為 100V-3000V10.2.2 主要參數(shù)UIIHUDSM正向轉(zhuǎn)折電壓URSMUDRM第12頁/共100頁(10-14)控制極斷路時，可以重復(fù)作用在晶閘管上的反向重復(fù)電壓。一般取URRM = 80% URSM。普通晶閘管URRM為100V-3000V）2. URRM：反向重復(fù)峰值電壓UIIHUDSMURSM反向擊穿電壓UR

7、RMUDRM第13頁/共100頁(10-15)ITAV含義it2ITAV)(dsin210mmTAVIttII 3. ITAV：通態(tài)平均電流環(huán)境溫度為40。C時,在 電阻性負(fù)載、單相工頻 正弦半波、導(dǎo)電角不小于170o的電路中，晶閘管允許的最大通態(tài)平均電流。普通晶閘管 ITAV 為1A-1000A。）第14頁/共100頁(10-16)額定通態(tài)平均電流即正向平均電流（IF）。通用系列為：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14種規(guī)格。UIIHIF額定正向平均電流UDSM正向轉(zhuǎn)折電壓URSM反向擊穿電壓UDRMURRM第15頁/共10

8、0頁(10-17)4. UTAV ：通態(tài)平均電壓6. UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流管壓降。在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、 陰兩極間的電壓平均值。一般為1V左右。5. IH：最小維持電流在室溫下，控制極開路、晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般為幾十到一百多毫安。在室溫下， 陽極電壓為直流 6V 時，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。一般UG為 15V，IG 為幾十到幾百毫安。第16頁/共100頁(10-18)晶閘管型號通態(tài)平均電壓（UAVT）額定電壓級別（UDRM）額定通態(tài)平均電流（ITAV）晶閘管類型P-普通晶閘管K-快速晶閘管S

9、-雙向晶閘管晶閘管K第17頁/共100頁(10-19)晶閘管電壓、電流級別：額定通態(tài)電流（ITAV）通用系列為1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A 等14種規(guī)格。額定電壓（UDRM）通用系列為：1000V以下的每100V為一級，1000V到3000V的每200V 為一級。通態(tài)平均電壓（UTAV）等級一般用 A I字母表示：由 0.4 1. 2V每 0.1V 為一級。第18頁/共100頁(10-20)10.3.1 單相半波可控整流電路一、電阻性負(fù)載1. 電路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG10.3 可控整流電路可控整流電路 u2

10、 0 時，加上觸發(fā)電壓 uG ，晶閘管導(dǎo)通 。且 uL 的大小隨 uG 加入的早晚而變化； u2 R 時， ILAV 在整個周期中可近似看做直流。第34頁/共100頁(10-36)4. 晶閘管的選擇晶閘管電壓 （1.5 2）U2M晶閘管電流 （1.5）57. 1TI(2) 晶閘管中的電流02d21tIILAVTLAVI360有效值:平均值:LAVTAVII360第35頁/共100頁(10-37)10.3.2 單相全波可控整流電路一、電阻性負(fù)載橋式可控整流電路T1、T2 -晶閘管D1、D2 -二極管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uG第36頁/共100頁(10-38)u2 0時的導(dǎo)通路徑（U

11、G加入后）：u2 (A)T1RLD2u2 (B)T1T2D1D2RLuLu2AB+-1. 電路及工作原理uG第37頁/共100頁(10-39)T2RLD1u2 (A)u2 (B)u2 0時導(dǎo)通路徑：T1T2D1D2RLuLu2AB+-第38頁/共100頁(10-40)2. 工作波形tu2tuGtuLt uT1T1T2D1D2RLuLu2AB+-第39頁/共100頁(10-41)3. 輸出電壓及電流的平均值2)(d1tuULAV2)(dsin21ttULLAVLAVRUI2cos19.02U第40頁/共100頁(10-42)例：橋式可控整流電路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=1518

12、0，求輸出電壓平均值UL的調(diào)節(jié)范圍，以及可控硅（包括二極管）的電流平均值的最大值和承受的最大反向電壓。T1T2D1D2RLuLu2AB+-=191V， =15=0V， =180=191/3=64A承受的最高反向電壓:2cos19 . 02UULAVLLAVLAVRUIV31122UUDRM第41頁/共100頁(10-43)二、電感性負(fù)載橋式可控整流電路 該電路加續(xù)流二極管后電路工作情況以及負(fù)載上的電流、電壓和電阻性負(fù)載類似，請自行分析。u2T1T2D1D2DuLRL第42頁/共100頁(10-44)兩種常用可控整流電路的特點電路特點1. 該電路只用一只晶閘管，且其上無反向電壓。2. 晶閘管和負(fù)

13、載上的電流相同。電路一：u2TD2D1D4uLRLD3第43頁/共100頁(10-45)T1T2D1D2u2uLRL電路特點1. 該電路接入電感性負(fù)載時，D1、D2 便起續(xù)流二極管作用。2. 由于T1的陽極和T2的陰極相連，兩管控制極必須加獨立的觸發(fā)信號。電路二：第44頁/共100頁(10-46)思考T1T2D1D2RuLu2E+帶反電動勢負(fù)載的可控整流電路1. 該電路的工作過程。2. 畫出uL、iL的工作波形。第45頁/共100頁(10-47)10.4.1 單結(jié)晶體管工作原理結(jié)構(gòu)等效電路E（發(fā)射極）B2（第二基極）B1（第一基極）NPEB2B1RB2RB1管內(nèi)基極 體電阻PN結(jié)10.4 觸發(fā)

14、電路觸發(fā)電路第46頁/共100頁(10-48)工作原理：當(dāng)uE UA+UF = UP 時PN結(jié)反偏，iE很??；當(dāng) uE UP 時PN結(jié)正向?qū)? iE迅速增加。B2ERB1RB2B1AUBBiE - 分壓比 (0.35 0.75)UP - 峰點電壓UF - PN結(jié)正向 導(dǎo)通壓降BBBBBBBAURRRUU211第47頁/共100頁(10-49)10.4.2 單結(jié)晶體管的特性和參數(shù)IEuEUVUPIVUV、IV -谷點電壓、電流（維持單結(jié)管導(dǎo)通的最小 電壓、電流。）負(fù)阻區(qū)UP- 峰點電壓（單結(jié)管由截止變導(dǎo)通 所需發(fā)射極電壓。） uEUP 時單結(jié)管導(dǎo)通第48頁/共100頁(10-50)IEuEUV

15、UPIV負(fù)阻區(qū)UEUP 后，大量空穴注入基區(qū)，管內(nèi)基極體電阻RB1 0，致使IE增加、UE反而下降，出現(xiàn)負(fù)阻。負(fù)阻區(qū)存在的原因：EB2B1RB2RB1第49頁/共100頁(10-51)單結(jié)管符號EB2B1單結(jié)管重要特點1. UEUP 時單結(jié)管導(dǎo)通。第50頁/共100頁(10-52)10.4.3 單結(jié)晶體管振蕩電路一、振蕩過程分析RR2R1CUuCuOEB1B2電路組成振蕩波形uCttuoUVUP第51頁/共100頁(10-53)21BBRRU22111RRRRUIBBR1. uE = uC UP 時，單結(jié)管不導(dǎo)通，uo 0。IR1R1、R2是外加的，不同于內(nèi)部的RB1、RB2。前者一般取幾十歐

16、幾百歐； RB1+RB2一般為215千歐。此時R1上的電流很小，其值為：RR2R1CEuCuOEB1B2第52頁/共100頁(10-54)2. 隨電容的 充電，uC逐漸升高。當(dāng) uC UP 時，單結(jié)管導(dǎo)通， uo=UP-UF。然后電容通過R1放電，當(dāng)放電至 uc UV 時，單結(jié)管重新關(guān)斷，使 uo0。R1上便得到一個脈沖電壓。R2起溫度補(bǔ)償作用UPUVUP-UFUP、UV- 峰點、谷點電壓UF -PN結(jié)正向?qū)▔航礒R2R1RCEuCuouCtuot第53頁/共100頁(10-55)uCttuoUVUPVCUu)0 (*二、振蕩周期與脈沖寬度的計算TtwT振蕩周期；tw 脈沖寬度。設(shè)T1=T-

17、twuC上升階段：RCtVVCUEUue )(PVUEUERCTln1t=T1時，uC=UPEuC)(RC第54頁/共100頁(10-56)PVUEUERCTln111lnln1RCUEUERCTPV因為UV UT2時，控制極相對于T2加正脈沖，晶閘管正向?qū)ǎ娏鲝腡1流向T2。UT2UT1時，控制極相對于T2加 負(fù)脈沖，晶閘管反向?qū)?，電流從T2流向T1。雙向晶閘管內(nèi)部工作原理的詳細(xì)分析，請參閱有關(guān)資料。T1T2G第89頁/共100頁(10-91)二、可關(guān)斷晶閘管GTO-Gata Turn Off thyristor可關(guān)斷晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通與普通晶閘管相同。不同之處在于：普通晶閘管的關(guān)斷不能

18、控制，只能靠減小陽極電壓或工作電流來實現(xiàn)。普通晶閘管屬半控器件；而可關(guān)斷晶閘管可在控制極上加負(fù)觸發(fā)信號將其關(guān)斷，因此它屬全控器件。 晶閘管的類型較多，不一一介紹。第90頁/共100頁(10-92)第十章 結(jié)束電子技術(shù)模擬電路部分第91頁/共100頁(10-93)4. UTAV ：通態(tài)平均電壓6. UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流管壓降。在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、 陰兩極間的電壓平均值。一般為1V左右。5. IH：最小維持電流在室溫下，控制極開路、晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般為幾十到一百多毫安。在室溫下， 陽極電壓為直流 6V 時，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。一般UG為 15V，IG 為幾十到幾百毫安。第92頁/共100頁(10-94)4. UTAV ：通態(tài)平均電壓6. UG、IG：控制極觸發(fā)電壓和電流管壓降。在規(guī)定的條件下，通過正弦半波平均電流時，晶閘管陽、 陰兩極間的電壓平均值。一般為1V左右。5. IH：最小維持電流在室溫下，控制極開路、晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通后，維持導(dǎo)通狀態(tài)所必須的最小電流。一般為幾十到一百多毫安。在室溫下， 陽極電壓為直流 6V 時，使晶閘管完全導(dǎo)通所必須的最小控制極直流電壓、電流 。一般UG為 15V，IG 為幾十到幾百毫安。第93頁/共100頁(10-95)4. 晶閘