第11章晶闸管及其应用电路

晶闸管及其应用电路第11章晶闸管及其应用电路11.1晶闸管11.2单相控制整流电路11.3单结晶体管出发电路11.4双向晶闸管及其应用电路晶闸管及其应用电路11.1晶闸管11.1.1晶闸管的实物图及其性能演示1．外形及其符号晶闸管及其应用电路控制极g控制极g阴极k阳极a阳极a阴极kakgkgV(a)(b)(c)(d)akag图11.1(a)螺栓式；(b)平板式；(c)塑封式；(d)符号晶闸管及其应用电路2．类型可控硅按其容量有大、中、小功率管之分,一般认为电流容量大于50A为大功率管,5A以下则为小功率管,小功率可控硅触发电压为1V左右,触发电流为零点几到几毫安,中功率以上的触发电压为几伏到几十伏,电流几十到几百毫安。按其控制特性,有单向可控硅和双向可控硅之分。3．演示电路及操作过程1)演示电路电路的连接,如图11.2所示。晶闸管及其应用电路＋－UGGRSgka＋－UAA图11.2晶闸管连接图晶闸管及其应用电路(1)阳极与阴极之间通过灯泡接电源UAA。(2)控制极与阴极之间通过电阻R及开关S接控制电源(触发信号)UGG。2）操作过程及现象(1)S断开,UGK=0,UAA为正向,灯泡不亮,称之为正向阻断，如图11.3(a)所示。(2)S断开,UGK=0,UAA为反向,灯泡不亮,如图11.3(b)所示。(3)S合上,UGK为正向,UAA为反向,灯泡不亮,称之为反向阻断,如图11.3(c)所示。晶闸管及其应用电路＋－UGGRS＋－UAA(a)＋－UGGRS＋－UAA(b)＋－UGGRS＋－UAA(c)＋－UGGRS＋－UAA(d)晶闸管及其应用电路＋－UGGRS＋－UAA(e)＋－UGGRS＋－UAA(f)亮暗灭＋－UGGRS＋－UAA(g)＋－UGGRS＋－UAA(h)图11.3晶闸管工作示意图晶闸管及其应用电路(4)S合上,UGK为正向,UAA为正向,灯泡亮,称之为触发导通,如图11.3(d)所示。(5)在(4)基础上,断开S,灯泡仍亮,称之为维持导通,如图11.3(e)所示。(6)在(5)基础上,逐渐减小UAA,灯泡亮度变暗,直到熄灭,如图11.3(f)所示。(7)UGG反向,UAA正向,灯泡不亮,称之为反向触发,如图11.3(g)所示。(8)UGG反向,UAA反向,灯泡仍不亮,如图11.3(h)所示。晶闸管及其应用电路3）现象分析及结论(1)由图11.3(c)、(d)得出,晶闸管具有单向导电性。(2)由图(a)、(b)、(d)、(g)、(h)得出,只有在控制极加上正向电压的前提下,晶闸管的单向导电性才得以实现。(3)由图11.3(e)得出,导通的晶闸管即使去掉控制极电压,仍维持导通状态。(4)由图11.3(f)得出,要使导通的晶闸管关断,必须把正向阳极电压降低到一定值才能关断。晶闸管及其应用电路11.1.2晶闸管的内部结构及工作原理1．内部结构晶闸管的内部结构如图11.4(a)所示。由图可知，晶闸管由PNPN四层半导体构成,中间形成三个PN结:J1,J2,J3,由最外层的P1、N2分别引出两个电极称为阳极a和阴极k,由中间的P2引出控制极g。2．工作原理为了说明晶闸管的工作原理,可把四层PNPN半导体分成两部分,如图11.4(b)所示。P1,N1,P2组成PNP型管,N2,P2,N1组成NPN型管,这样,可控硅就好像是由一对互补复合的三极管构成的,其等效电路如图11.4(c)所示。晶闸管及其应用电路P1N1P2N2J1J2J3gkN2kP2N1gP1N1P2a－＋UGGRGkIGV2aIAV1IC1－＋UAARAg(a)(b)(c)aIC2图11.4(a)内部结构示意图；(b)分解两个晶体管；(c)等效电路晶闸管及其应用电路如果在控制极不加电压,无论在阳极与阴极之间加上何种极性的电压,管内的三个PN结中,至少有一个结是反偏的,因而阳极没有电流产生,当然就出现了图11.3(a)、(b)所示灯泡不亮的现象。如果在晶闸管ak之间接入正向阳极电压UAA后,在控制极加入正向控制电压UGG,V1管基极便产生输入电流IG,经V1管放大,形成集电极电流IC1=β1UG,IC1又是V2管的基极电流,同样经过V2的放大,产生集电极电流IC2=β1β2IG,IC2又作为V1的基极电流再进行放大。如此循环往复,形成正反馈过程,晶闸管的电流越来越大,内阻内阻急剧下降,管压降减小,晶闸管及其应用电路直至晶闸管完全导通。这时晶闸管ak之间的正向压降约为0.6～1.2V。因此流过晶闸管的电流IA由外加电源UAA和负载电阻RA决定,即IA≈UAA/RA。由于管内的正反馈,使管子导通过程极短,一般不超过几微秒。图11.3(d)的演示就是证明。晶闸管一旦导通,控制极就不再起控制作用,不管UGG存在与否,晶闸管仍将导通。若要导通的管子关断,则只有减小UAA,直至切断阳极电流,使之不能维持正反馈过程,如图11.3(f)所示。在反向阳极电压作用下,两只三极管均处于反向电压,不能放大输入信号,所以晶闸管不导通。晶闸管及其应用电路11.1.3晶闸管的伏安特性曲线及其主要参数1．晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性如图11.5所示。以下分别讨论其正向特性和反向特性。1）正向特性(1)正向阻断状态。若控制极不加信号,即IG=0,阳极加正向电压UAA,晶闸管呈现很大电阻,处于正向阻断状态,如图中OA段。晶闸管及其应用电路反向阻断D反向击穿正向阻断OCBA正向转折电压不稳定状态IG=0IFiAIG增加正向导通UFuAKUBRUBO图11.5晶闸管的伏安特性晶闸管及其应用电路(2)负阻状态。当正向阳极电压进一步增加到某一值后,J2结发生击穿,正向导通电压迅速下降,出现了负阻特性,见曲线AB段,此时的正向阳极电压称之为正向转折电压,用UBO表示。这种不是由控制极控制的导通称为误导通,晶闸管使用中应避免误导通产生。在晶闸管阳极与阴极之间加上正向电压的同时,控制极所加正向触发电流IG越大,晶闸管由阻断状态转为导通所需的正向转折电压就越小,伏安特性曲线向左移。晶闸管及其应用电路(3)触发导通状态。晶闸管导通后的正向特性如图中BC段,与二极管的正向特性相似,即通过晶闸管的电流很大,而导通压降却很小,约为1V左右。2）反向特性(1)反向阻断状态。晶闸管加反向电压后,处于反向阻断状态,如图中OD段,与二极管的反向特性相似。晶闸管及其应用电路(2)反向击穿状态。当反向电压增加到UBR时,PN结被击穿,反向电流急剧增加,造成永久性损坏。2．晶闸管的主要参数1）电压定额(1)正向转折电压UBO。(2)正向阻断重复峰值电压UVM。(3)反向重复峰值电压URM。(4)通态平均电压UF。(5)额定电压UD。晶闸管及其应用电路3．电流定额1)额定正向平均电流IF2)维持电流IH4．控制极定额1)控制极触发电压UG和触发电流IG2)控制极反向电压UGR晶闸管及其应用电路11.1.4晶闸管的型号国产晶闸管的型号有两种表示方法,即KP系列和3CT系列。额定通态平均电流的系列为1、5、10、20、30、50、100、200、300、400、500、600、900、1000(A)等14种规格。额定电压在1000V以下的,每100V为一级;1000V到3000V的每200V为一级,用百位数或千位及百位数组合表示级数。晶闸管及其应用电路KP系列表示参数的方式如图11.6所示。其通态平均电压分为9级,用A～I各字母表示0.4～1.2V的范围,每隔0.1V为一级。－额定电压UD级别额定通态平均电流IFP普通反向阻断型K闸流特性通态平均电压UF组别(小于100A不标)图11.6KP系列参数表示方式晶闸管及其应用电路例如,型号为KP200-10D,表示IF=200A、UD=1000V、UF=0.7V的普通型晶闸管。3CT系列表示参数的方式如图11.7所示。特性参数分类BT35B耗散功率500mW三个电极特种管半导体图11.73CT系列参数表示方式晶闸管及其应用电路11.1.5普通晶闸管质量粗测1．测量可控硅内部的PN结可控硅的内部有三个PN结,这三个PN结的好坏直接影响可控硅的质量。所以使用可控硅之前,应该先对这三个PN结进行测量。测量方法如图11.8所示。晶闸管及其应用电路黑agk红kaggak(a)(b)(c)图11.8晶闸管及其应用电路2．测量可控硅的关断状态可控硅在反向连接时是不导通的,如果可控硅正向连接,但是没有控制电压,它也是不导通的。在这两种情况下,可控硅中间没有电流流过,属于关断状态。把万用表置在R×1k(或R×10k)挡,黑表棒接可控硅的阳极a,红表棒接阴极k,可控硅属于正向连接,表上显示的电阻应很大,把两根表棒对换后,再分别接可控硅的阳极和阴极,使可控硅处于反向连接状态,表上显示的电阻仍然应该很大,如图11.8(c)所示。晶闸管及其应用电路3．测量可控硅的触发能力检查小功率晶闸管触发电路如图11.9所示。万用表置于R×1(或R×10)挡。测量分两步进行:第一步,先断开开关S,此时晶闸管尚未导通,测出的电阻值应是无穷大。然后合上开关,将控制极与阳极接通,使控制极电位升高,这相当于加上正触发信号,因此晶闸管导通,此时,其电阻值为几欧至几十欧。第二步,再把开关断开,若阻值不变,证明晶闸管质量良好。晶闸管及其应用电路R×1－+RoEKP1～KP5kgSa红黑图11.9检查小功率晶闸管的触发能力晶闸管及其应用电路图中的开关可用一根导线代替,导线的一端固定在阳极上,另一端搭在控制极上时相当于开关闭合。本方法仅适用于检查KP1～KP5等小功率晶闸管或小功率快速晶闸管。对于大功率晶闸管,因其通态压降较大,加之R×1挡提供的阳极电流低于维持电流IH,所以晶闸管不能完全导通,在开关断开时晶闸管会随时之关断。此时,可采用双表法,把两只万用表的R×1(Ω)挡串联起来使用,得到3V电源电压。具体检测步骤同小功率晶闸管。晶闸管及其应用电路11.2单相可控整流电路11.2.1单相半波可控整流电路1．电路组成用晶闸管替代单相半波整流电路中的二极管就构成了单相半波可控整流电路,如图11.10（a）所示。＋u1－Tru2＋－＋－uV＋－uoRL晶闸管及其应用电路图11.10u2U22t1t2ttaa0ug0uo、io0uoioUottauV0U22－(b)图11.10单相半波整流电路及波形晶闸管及其应用电路2．工作原理设u2=U2sinωt。电路各点的波形如图11.10(b)所示。在u2正半周,晶闸管承受正向电压,但在0~ωt1期间,因控制极未加触发脉冲,故不导通,负载RL没有电流流过,负载两端电压uo=0,晶闸管承受u2全部电压。在ωt1=α时刻,触发脉冲加到控制极,晶闸管导通,由于晶闸管导通后的管压降很小,约1V左右,与u2的大小相比可忽略不计,因此在ωt1～π期间,负载两端电压与u2相似,并有相应的电流流过。2晶闸管及其应用电路当交流电压u2过零值时,流过晶闸管的电流小于维持电流,晶闸管便自行关断,输出电压为零。当交流电压u2进入负半周时,晶闸管承受反向电压,无论控制极加不加触发电压,可控硅均不会导通,呈反向阻断状态,输出电压为零。当下一个周期来临时,电路将重复上述过程。入控制极电压ug使晶闸管开始导通的角度α称为控制角,θ=π－α称为导通角,如图11.１０（b）所示。显然,控制角α越小,导通角θ就越大,当α=0时,导通角θ=π,称为全导通。α的变化范围为0～π。晶闸管及其应用电路由此可见,改变触发脉冲加入时刻就可以控制晶闸管的导通角,负载上电压平均值也随之改变,α增大,输出电压减小,反之,α减小,输出电压增加,从而达到可控整流的目的。3．输出直流电压和电流由图11.10（b）可知,负载电压uo是正弦半波的一部分,在一个周期内,其平均值为)cos1(22)(sin22122UttdUUao晶闸管及其应用电路当α=0,θ=π时,晶闸管全导通,相当于二极管单相半波整流电路,输出电压平均值最大可至0.45U2,当α=π,θ=0时,晶闸管全阻断,UO=0。负载电流的平均值为2)c