晶闸管及其电路

9.1晶闸管概述92.2晶闸管9.2.1晶闸管结构、符号与外形9.2.2晶闸管的工作原理9.2.3晶闸管的伏安特性及其主要参数9.2.4晶闸管的型号9.2.5普通型晶闸管质量粗测9.3单相桥式半控整流电路9.4单结晶体管触发电路9.4.1对触发电路的要求9.4.2单结晶体管的结构与特性9.4.3单结晶体管张弛振荡器9.4.4单结晶体管同步触发电路9.5双向晶闸管9.5.1双向晶闸管9.5.2触发二极管9.6其他晶闸管介绍9.6.1光控晶闸管9.6.2温控晶闸管9.6.3可关断晶闸管9.6.4逆导晶闸管9.7晶闸管的应用9.7.1交流调光台灯的应用电路9.7.2交流固态开关电路项目九晶闸管及其电路本章要点:1.晶闸管结构、符号、工作原理与伏安特性2.单相桥式半控整流电路3.单结晶体管结构与工作原理4.双向晶体管结构与工作原理本章难点:电阻性负载单相桥式半控整流电路工作原理项目九晶闸管及其电路9.1晶闸管概述晶闸管的特点是可以用弱信号控制强信号。从控制的观点看，它的功率放大倍数很大，用几十到一二百毫安电流，两到三伏的电压可以控制几十安、千余伏的工作电流电压，换句话说，它的功率放大倍数可以达到数十万倍以上。由于元件的功率增益可以做得很大，所以在许多晶体管放大器功率达不到的场合，它可以发挥作用。从电能的变化与调节方面看，它可以实现交流—直流、直流—交流、交流—交流、直流—直流以及变频等各种电能的变换和大小的控制。晶闸管是半导体型功率器件，对超过极限参数运用很敏感，实际运用时应该注意留有较大电压、电流余量，并应尽量解决好器件的散热问题。根据结构及用途的不同，晶闸管有很多类型，比较常用的有普通晶闸管、高频晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、无控制晶闸管、光控晶闸管和热敏晶闸管等。9.2晶闸管9.2.1晶闸管结构、符号与外形晶闸管的内部结构示意图和图形符号如图9-2所示。它由PNPN四层半导体构成，其间形成三个PN结，引出三个电极，分别为阳极a、阴极k和控制极g。图9-1晶闸管的外形图图9-2晶闸管的内部结构和符号9.2.2晶闸管的工作原理为了说明晶闸管的工作原理，可将晶闸管等效地看成由PNP和NPN型两个三极管连接而成，每个三极管基极与另一个三极管的集电极相连，如图9-3所示，阳极a相当于PNP型三极管T2的发射极，阴极k相当于NPN型T1三极管的发射极。图9-3等效电路按图9-4所示电路图连接，在晶闸管阳极a和阴极k之间加正向电压，同时在控制极g和阴极k之间也加正向电压时，则可使晶闸管导通。控制极的作用只是使晶闸管触发导通，而导通后，控制极就失去了控制作用，所以控制极g又称做门极。阳极电流IA减少到小于某一数值IH时，晶闸管就不能维持正反馈过程而变为关断，此时称为正向阻断，IH称为维持电流；如果在阳极和阴极之间加反向电压时，晶闸管亦不可导通，称为反向阻断。图9-4晶闸管的导通原理晶闸管的导通条件为：(1)在阳极和阴极间加正向电压。(2)在控制极和阴极间加正向触发电压。(3)阳极电流不小于维持电流。9.2.3晶闸管的伏安特性及其主要参数1.晶闸管的伏安特性(1)正向特性当U0时对应的曲线称正向特性。由图-5可看出，晶闸管的正向特性可分为阻断状态OA段和导通状态BC段两个部分。(2)反向特性当U0时，对应的曲线称为反向特性晶闸管的反向特性与二极管相似，此时，晶闸管状态与控制极上是否加触发电压无关。图9-5晶闸管的伏安特性9.2.3晶闸管的伏安特性及其主要参数2.晶闸管的主要参数(1)正向重复峰值电压UDRM(2)反向重复峰值电压URRM(3)额定正向平均电流IF(4)维持电流IH(5)触发电压UGG和触发电流IG9.2.4晶闸管的型号目前我国生产的晶闸管的型号有两种表示方法，即KP系列和3CT系列。图9-6KP系列参数表示方式图9-73CT系列参数表示方式.2.5普通型晶闸管质量粗测1.测量晶闸管内部的PN结晶闸管内部有三个PN结，这三个PN结的好坏直接影响晶闸管的质量。所以使用前，应该先对这三个PN结进行测量，测量方法如图9-8所示。图9-8晶闸管的测量2.测量晶闸管的关断状态控制极g和阴极k之间只有一个PN结，利用PN结的单向导电特性，就可以用万用表的电阻挡对它进行测量。晶闸管在反向连接时是不导通的，如果正向连接，但是没有控制电压，它也是不导通的。3.测量晶闸管的触发能力图9-9测量小功率晶闸管的触发能力检查小功率晶闸管触发电路如图9-9所示。-9.3单相桥式半控整流电路可控整流电路是应用广泛的电能变换电路，其作用是将交流电变换成大小可调的直流电，作为直流用电设备的电源。将二极管桥式整流电路中的两个二极管用两个晶闸管替换，就构成了半控桥式整流电路。当电路带有电阻性负载和电感性负载时，其工作情况是不同的。1.电阻性负载当单相桥式半控整流电路的负载为纯电阻时，称电阻性负载，其电路如图9-10(a)所示。图9-10电阻性负载单相半控桥式整流电路及波形(1)电路原理当电源电压u2为正半周时，晶闸管T1和二极管D2上为正向电压作用。在t1时刻，控制极上加触发脉冲uG，使T1和D2导通，负载RL中流过输出电流io，形成输出整流电压uo。此时，晶闸管T2和二极管D1因承受反向电压而截止。在t2时刻，电源电压u2过零，使T1和D2关断。当电源电压u2为负半周时，T2和D1上加正向电压。在t3时刻，控制极加触发脉冲，使T2和D1导通，在负载RL上有io和uo，直到t4时刻u2过零时关断。此时，T1和D2截止。电阻性负载半控整流电路的工作波形图如图9-10(b)所示。(2)电路的计算输出电压的平均值:O21+cos=0.92UU(12-1)输出电流的平均值:OOL=UIR(12-2)晶闸管T和二极管D中流过的电流平均值:TDO1==2III(12-3)晶闸管所承受的最高正向电压和二极管所承受的最高反向电压均为9.4单结晶体管触发电路要使晶闸管导通，除了加正向阳极电压外，还必须在控制极和阴极之间加触发电压。提供触发电压的电路称为触发电路。触发电路的种类很多，常用的有单结晶体管触发电路、阻容移相触发电路、集成触发电路以及晶体管触发电路等。本节重点介绍单结晶体管触发电路。9.4.1对触发电路的要求(1)应能提供足够大的触发功率。(2)触发脉冲应有足够的宽度。(3)为了保证触发时间准确，要求触发脉冲具有陡峭上升沿。(4)触发脉冲应与主电路的交流电源同步。(5)触发脉冲应能在足够宽的范围内平稳地移相。9.4.2单结晶体管的结构与特性1.单结晶体管的外形符号与结构图9-11N型单结晶体管图9-11所示为单结晶体管的外形图。可以看出，它的外形与普通三极管相似，具有三个电极，但不是三极管，而是具有三个电极的二极管，管内只有一个PN结，所以称之为单结晶体管。三个电极中，一个是发射极，两个是基极，所以也称为双基极二极管。2.单结晶体管的伏安特性图9-12(a)为测试单结晶体管伏安特性的试验电路。图9-12(b)为单结晶体管的伏安特性曲线，可将其分为三个区域。图9-12单结晶体管的伏安特性曲线结论：当单结晶体管的发射结电压Ue≥Up时，管子导通；若导通后，UeUv时，管子又恢复到截止状态。9.4.3单结晶体管振荡器利用单结晶体管的负阻特性可构成自激振荡电路，产生控制脉冲，用以触发晶闸管，如图12-14(a)所示，其波形如图9-13(b)所示。图9-13张驰振荡电路图及波形图9.4.4单结晶体管同步触发电路振荡的电路的输出可作为触发脉冲，但必须使它与主电路同步，以保证在每个周期内整流电路的控制角相等。单结晶体管同步触发可控整流电路如图12-15(a)所示，图中下半部分为主回路，是一单相半控桥式整流电路。上半部分为单结晶体管触发电路。电路中各点波形如图12-15(b)所示。(a)电路图(b)波形图图9-14单结晶体管同步触发电路9.5双向晶闸管双向晶闸管是在普通晶闸管的基础上发展起来的，它不仅能代替两只反极性并联的晶闸管，而且仅用一个触发电路，是目前比较理想的交流开关器件。双向晶闸管广泛用于工业、交通、家电领域、实现交流调压、交流调速、交流开关、舞台调光和台灯调光等多种功能。此外，它还被用在固态继电器和固态接触电路中。9.5.1双向晶闸管1.结构与外型符号图9-15双向晶闸管的结构与符号图9-16小功率双向晶闸管外形9.5.2触发二极管触发二极管是双向触发二极管的简称，亦称二端交流器件，它与双向晶闸管同时问世。触发二极管的结构简单，价格低廉，常用来触发双向晶闸管，构成过电压保护电路、定时器等。双向触发二极管的电路符号如图9-17所示，文字符号用T表示。它属于三层构造、具有对称性的二端半导体器件。图9-17双向触发二极管符号9.6其他晶闸管介绍.6.1光控晶闸管光控晶闸管也称GK型光开关管，是一种光敏器件。通常晶闸管有三个电极：控制极G、阳极A和阴极C。而光控晶闸管由于其控制信号来自光的照射，没有必要再引出控制极，所以只有两个电极(阳极A和阴极C)。但它的结构与普通晶闸管一样，是由四层PNPN器件构成的。光控晶闸管具有很强的抗干扰能力、良好的高压绝缘性能和较高的瞬时过电压承受能力，因而被应用于高压直流输电(HDC)、静止无功功率补偿(SVC)等领域。9.6.2温控晶闸管温控晶闸管是一种新型温度敏感开关器件，它将温度传感器与控制电路结合为一体，输出驱动电流大，可直接驱动继电器等执行部件或直接带动小功率负荷。温控晶闸管的结构与普通晶闸管的结构相似(电路图形符号也与普通晶闸管相同)，也是由PNPN半导体材料制成的三端器件，但在制作时，温控晶闸管中间的PN结中注入了对温度极为敏感的成分(如氩离子)，因此改变环境温度，即可改变其特性曲线。9.6.3可关断晶闸管可关断晶闸管(GateTurn-OffThyristor，GTO)亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，还具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。9.6.4逆导晶闸管逆导晶闸管(RCT)在普通晶闸管的阳极A与阴极K之间反向并联了一只二极管(制作于同一管芯中)。逆导晶闸管较普通晶闸管的工作频率高，关断时间短、误动作小，可广泛应用于超声波电路、电磁灶、开关电源、电子镇流器、超导磁能储存系统等领域。9.7晶闸管的应用12.7.1交流调光台灯的应用电路图9-18调光台灯应用电路图9-19双向晶闸管交流调压波形图电路的工作原理：触发电路由两节RC移相网络和双向二极管T2组成。当电容C1上的电压达到双向二极管T2的正向转折电压时导通，此时负载RL上得到相应的正半波交流电压。在电源电压过零瞬间，晶闸管电流小于维持电流IH而自动关断。当电源电压U为上负下正时，电源对C1反向充电，C1上的电压为下正上负，当C1上的电压达到双向二极管T1的反向转折电压时，T1导通，给双向晶闸管的控制极一个反向触发脉冲UG，晶闸管由T1向T2方向导通，负载RL上得到相应的负半波交流电压。9.7.1交流调光台灯的应用电路9.7.2交流固态开关电路晶闸管具有可控单向导电性，其特性类似于开关，因此很容易组成直流开关。而交流开关的特点是晶闸管在正半周承受正向电压时触发导通，而它的关断则利用电源负半周加于管子上的反向电压来实现，在电路过零时关断。近年来，新发展的一种固态开关(固态继电器或固态接触器)是一种固体组件，内部电路如图9-20所示。1、2为输入端，相当于继电器的线圈端；3、4为输出端，相当于继电器的一对触点，与负载串联后接到交流电源上。固态开关采用环氧树脂封装，具有体积小，工作频率高，适合用于频繁工作或潮湿、有腐蚀性以及易燃环境中。图9-20固态开关电路图适当选取R2和R3的比值，使交流电源在接近零值区域（±25V)内，有输入信号时T2才截止，无输入信号时T2饱和导通，开关受USK控制正常工作，具有零电压开关性质。即交流电压在零值附近导通，这样的输出波形既无机械触点的颤动