晶闸管及其应用课件

第五章晶闸管（Thyristor）别名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）它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。体积小、重量轻、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）。特点应用领域：逆变整流（交流直流）斩波（直流交流）变频（交流交流）（直流直流）此外还可作无触点开关等一、工作原理1、结构A（阳极）P1P2N1三个PN结N2四层半导体K（阴极）G（控制极）符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK2、工作原理示意图APPNNNPGKigßigßßig工作原理分析KAGT1T2工作原理说明UAK0、UGK0时T1导通ib1=igiC1=ig=ib2ic2=ßib2=ig=ib1T2导通形成正反馈晶闸管迅速导通；T1进一步导通晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）；晶闸管导通后，UGK，去掉依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态；晶闸管截止的条件：（1）（2）晶闸管正向导通后，令其截止，必须减小UAK，或加大回路电阻，使晶闸管中电流的正反馈效应不能维持。结论晶闸管具有单向导电性（正晶闸管一旦导通，控制极失去作用。若使其关断，必须降低UAK或加大回路电阻，把阳极电流减小到维持电流以下。向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号）；正向特性：控制极开路时，随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U=UDSM时，晶闸管自动导通。正常工作时，UAK应小于UDSM。UDSM：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。特性说明U--阳极、阴极间的电压I--阳极电流反向特性：随反向电压的增加，反向漏电流稍有增加，当U=URSM时，反向极击穿。正常工作时，反向电压必须小于URSM。URSM：反向不重复峰值电压。UDRM：断态重复峰值电压。（晶闸管耐压值。一般取UDRM=80%UDSM。普通晶闸管UDRM为100V---3000V）URRM：反向重复峰值电压。（控制极断路时，可以重复作用在晶闸管上的反向重复电压。一般取URRM=80%URSM。普通晶闸管URRM为100V--3000V）ITAV：通态平均电流。（环境温度为40OC时,在电阻性负载、单相工频正弦半波、导电角不小于170o的电路中，晶闸管允许的最大通态平均电流。普通晶闸管ITAV为1A---1000A。）2、主要参数ITAV含义说明it2ITAVm0mTAVI)t(tdsinI21I主要参数（续）UTAV：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，晶闸管阳、阴两极间的电压平均值。一般为1V左右。）IH：维持电流。(在室温下，控制极开路、晶闸管被触发导通后，维持导通状态所必须的最小电流。一般为几十到一百多毫安。）UG、IG：控制极触发电压和电流。（在室温下，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、电流。一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。）晶闸管型号通态平均电压（UTAV）额定电压级别（UDRM）额定通态平均电流（ITAV）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K晶闸管电压、电流级别额定通态电流（ITAV）通用系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14种规格。额定电压（UDRM）通用系列为：1000V以下的每100V为一级，1000V到3000V的每200V为一级。通态平均电压（UTAV）等级一般用A~I字母表示，由0.4~1.2V每0.1V为一级。三、可控整流电路（一）单相半波可控整流电路1、电阻性负载电路及工作原理设u1为正弦波u20时，加上触发电压uG，晶闸管导通。且uL的大小随uG加入的早晚而变化；u20时，晶闸管不通，uL=0。故称可控整流。u1u2uTuLAGKRL（1）工作波形tu2tuGtuLtuT（2）：控制角：导通角输出电压及电流的平均值Uo=tdu212ttdsinu2212Io=2cos1U45.02（3）LORU2RLcos1U45.022、电感性负载（1）电路及工作原理设u1为正弦波DAuLGu1u2uTRKLu2正半周时晶闸管导通，u2过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一定时间内仍维持导通，失去单向导电作用。D称为续流二极管,加入D的目的就是消除反电动势的影响。（2）工作波形（不加续流二极管）tu2tuGtuLtuT工作波形（加续流二极管后）tu2tuGtuTuLtiLAV（3）电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况）U0=tdu2122COS1U45.02Io负载中的电压及电流当LR时，ILAV在整个周期中可近似看做直流。LRUo（二）单相全波可控整流电路1、电阻性负载桥式可控整流电路（1）电路及工作原理u20的导通路径：u2(A)T1RLD2u2(B)T1、T2--晶闸管D1、D2--晶体管T1T2D1D2RLuLu2AB+-T2RLD1u2(A)u2(B)u20的导通路径：T1、T2--晶闸管D1、D2--晶体管T1T2D1D2RLuLu2AB+-（2）工作波形tu2tuGtuLtuT1输出电压及电流的平均值Uo=tdu12ttdsinu212Io=（3）2cos1U9.02LoRU2、电感性负载桥式可控整流电路u2T1T2D1D2DuLRL该电路加续流二极管后电路工作情况以及负载上的电流、电压和电阻性负载类似，请自行分析。两种常用可控整流电路的特点（1）电路特点u2TD2D1D4uLRLD3该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。晶闸管和负载上的电流相同。（2）T1T2D1D2u2uLRL电路特点该电路接入电感性负载时，D1、D2便起续流二极管作用。由于T1的阳极和T2的阴极相连，两管控制极必须加独立的触发信号。四、触发电路1、单结晶体管工作原理结构等效电路E（发射极）B2（第二基极）B1（第一基极）NPEB2B1RB2RB1管内基极体电阻PN结工作原理2B1B1BBBRRRUUABBUuEUA+UF=UP时PN结反偏，iE很小；uEUP时PN结正向导通,iE迅速增加。B2ERB1RB2B1AUBBiE--分压比(0.35~0.75)UP--峰点电压UF--PN结正向导通压降2、单结晶体管的特性和参数IEuEUVUPIVUV、IV--谷点电压、电流（维持单结管导通的最小电压、电流。）负阻区：UEUP后，大量空穴注入基区，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。UP--峰点电压（单结管由截止变导通所需发射极电压。）单结管符号EB2B1单结管重要特点UEUV时单结管截止；UEUP时单结管导通。小结3、单结晶体管振荡电路RR2R1CUucuOEB1ucttuouvup振荡波形2B1BRRU22B1B11RRRRRUIuE=uCUP时，单结管不导通，uo0。此时R1上的电流很小，其值为：振荡过程分析IR1R1、R2是外加的，不同于内部的RB1、RB2。前者一般取几十欧~几百欧；RB1+RB2一般为2~15千欧。uOR2R1RCUucE随电容的充电，uc逐渐升高。当uCUP时，单结管导通。然后电容放电，R1上便得到一个脉冲电压。R2R1RCUucEuOR2起温度补偿作用ucUpUvuoUp-UDUP、UV--峰点、谷点电压UD--PN结正向导通压降注意：R值不能选的太小，否则单结管不能关断，电路亦不能振荡。电容放电至ucuv时，单结管重新关断，使uo0。脉冲宽度的计算：11lnRCTTuoucupuvtw振荡周期的计算：VP1wUUlnCRt4、具有放大环节的可控整流电路放大环节调节过程：US（给定电压）T1管的uc1T2管的ic2电容充电速度加快触发脉冲前移uL脉冲变压器Ru2RE2R1RST1T2RE1RC1US五、晶闸管的保护晶闸管的过流、过压能力很差，是它的主要缺点。晶闸管的热容量很小，一旦过流，温度急剧上升，器件被烧坏。例如一只100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续0.02秒，否则将被烧坏；晶闸管承受过电压的能力极差，电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。正向电压超过转折电压时，会产生误导通，导通后的电流较大，使器件受损。过流保护快速熔断器：电路中加快速熔断器;加入方法如下图：过流继电器：在输出端装直流过电流继电器;过流截止电路：利用电流反馈减小晶闸管的导通角或停止触发，从而切断过流电路。保护措施~接在输出端接在输入端和晶闸管串联阻容吸收硒整流堆过压保护（利用电容吸收过压。即将过电压的能量变成电场能量储存到电容中，然后由电阻消耗掉。）（硒堆为非线性元件，过压后迅速击穿，其电阻减小，抑制过压冲击。）CRRCRC硒堆~第八章