从模电到数电的电子技术课件-dz_chap10

(10-1)电子技术第十章晶闸管及其应用模拟电路部分(10-2)第十章晶闸管及其应用§10.1工作原理§10.2特性与参数§10.3可控整流电路§10.4触发电路§10.5单结管触发的可控整流电路§10.6晶闸管的其它应用§10.7晶闸管的保护及其它类型(10-3)别名：可控硅（SCR)（SiliconControlledRectifier）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。特点：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）。应用领域：•整流（交流直流）•逆变（直流交流）•变频（交流交流）•斩波（直流直流）此外还可作无触点开关等。晶闸管（Thyristor）(10-4)§10.1工作原理10.1.1结构A（阳极）P1P2N1三个PN结N2四层半导体K（阴极）G（控制极）(10-5)符号AKGGKP1P2N1N2APPNNNPAGK10.1.2工作原理示意图(10-6)APPNNNPGKigßigßßigKAGT1T2等效为由二个三极管组成(10-7)1.UAK0、UGK0时T1导通ig=ib1ic1=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igßigßßigKAGT1T22.晶闸管导通后，去掉UGK依靠正反馈，晶闸管仍维持导通状态。(10-8)(1)晶闸管开始工作时，UAK加反向电压，或不加触发信号（即UGK=0）。3.晶闸管截止的条件：(2)晶闸管正向导通后，令其截止的方法：igßigßßigKAGT1T2•减小UAK，使晶闸管中电流小于某一值IH。•加大回路电阻，使晶闸管中电流小于某一值IH时，正反馈效应不能维持。IH：最小维持电流(10-9)（1）晶闸管具有单向导电性。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。正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号。晶闸管的工作原理小结（2）晶闸管一旦导通，控制极失去作用。(10-10)§10.2特性与参数10.2.1特性UIURRMIHUDRMIFIG1=0AIG2IG3IG3IG2IG1正向反向U--阳极、阴极间的电压I--阳极电流URSM反向击穿电压导通后管压降约1V额定正向平均电流维持电流UDSM正向转折电压(10-11)正向特性：在阳极和阴极间加正向电压。UDSM：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。随UAK的加大，阳极电流逐渐增加。当U=UDSM时，PN结N1P2反向极击穿，晶闸管自动导通。正常工作时，UAK应小于UDSM。AP1P2N1N2KG若在G和K间加正向电压：UGK越大，则UDSM越小。控制极开路时：PN结P1N1、P2N2正向偏置，N1P2反向偏置，晶闸管截止。UGK足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。(10-12)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。AP1P2N1N2KG反向特性：在阳极和阴极间加反向电压。这时PN结P1N1、P2N2反向偏置，N1P2正向偏置，晶闸管截止。URSM：反向不重复峰值电压。(10-13)1.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---3000V10.2.2主要参数UIIHIF额定正向平均电流UDSM正向转折电压URSM反向击穿电压UDRM(10-14)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）2.URRM：反向重复峰值电压UIIHIF额定正向平均电流UDSM正向转折电压URSM反向击穿电压UDRMURRM(10-15)ITAV含义it2ITAVmmTAVIttdII0)(sin213.ITAV：通态平均电流环境温度为40。C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。）(10-16)额定通态平均电流即正向平均电流。通用系列为：1、5、10、20、30、50、100、200、300、400500、600、800、1000A等14种规格。UIIHIF额定正向平均电流UDSM正向转折电压URSM反向击穿电压UDRMURRM(10-17)4.UTAV：通态平均电压6.UG、IG：控制极触发电压和电流管压降。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。5.IH：最小维持电流在室温下，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。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1~5V，IG为几十到几百毫安。(10-18)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(10-19)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。(10-20)§10.3可控整流电路10.3.1单相半波可控整流电路一、电阻性负载1.电路及工作原理u1u2uTuLAGKRLuG(10-21)2.工作波形(设u1为正弦波)tu2tuGtuLtuT：控制角：导通角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。u1u2uTuLAGKRLuG(10-22)晶闸管承受的最高反向电压:tuT22UUDRM(10-23)3.输出电压及电流的平均值tduULav221ttdusin2212LLAVLavRUI2cos145.02U(10-24)4.晶闸管的选择器件的损坏，取决于电流的热效应，而热效应与电流的有效值相关。因此电路设计中，晶闸管电流的选择，必须依据电流的有效值，而不能依据平均值（ITAV）。电流波形为正弦半波的情况下，有效值与平均值的区别计算如下：(1)电流的选择(10-25)平均值：πIttdIπImπmTAV0)(sin21有效值：2)()sin(2102mmTItdtII平均值=1.57有效值TAVTII0°1.5730°1.6660°1.8890°2.22120°2.78150°3.99180°0不同下有效值和平均值之比：(10-26)晶闸管电流选择步骤：1.计算给定下的通态电流平均值ITAV2.查表（或计算）相应的电流有效值IT57.1TTAVII'3.计算IT对应的正弦半波电流平均值I'TAV5.选晶闸管的电流额定值)(.4为保险系数KKI'TAV(10-27)(2)晶闸管电压选择步骤•根据电源电压的峰值（U2M）,计算正、反向重复峰值电压。一般取：UDRM=URRM=（1.5~2）U2M其中1.5~2为安全系数•根据UDRM、URRM选取晶闸管电压的额定值。(10-28)5.晶闸管的功率因数在半波可控整流电路中，由于输出信号为非正弦，即使是电阻性负载，功率因数也不等于1。其值为：式中：IL=IT例：设=60°，则：LAVLII88.1338.02LAVUULAVLAVLIUR代入上式得：635.0cos222cosURIIURISPLLLLLL2cos145.02UULAV(10-29)计算举例则260cos111045.0LAVU设60,2LRVsin21102tuA6.1822.37LAVI=37.2V(10-30)选晶闸管A18.6TAVIA3518.61.88TIA3.2257.135TAVI'22.3×1.5=33.5(A)21105.1RRMDRMUU=233(V)可选用额定值为：300V、50A的晶闸管(10-31)二、电感性负载1.电路及工作原理设u1为正弦波Du2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。GAuLu1u2uTRKL解决办法：加续流二极管D，用于消除反电动势的影响，使晶闸管在u2过零时关断。(10-32)2.工作波形tu2tuGtuLtuTGAuLu1u2uTRKL(1)不加续流二极管(10-33)(2)加续流二极管tu2tuGtuTuLtiLAVDGAuLu1u2uTRKL(10-34)3.电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况）tduULAV2212145.02COSULLAVLAVRUI(1)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。(2)晶闸管的中电流0221tdIILAVTLAVI360平均值:有效值:LAVTAVII360(10-35)4.晶闸管的选择晶闸管电压（1.5~2）U2M晶闸管电流（1.5）×57.1TI(10-36)10.3.2单相全波可控整流电路一、电阻性负载桥式可控整流电路1.电路及工作原理T1、T2--晶闸管D1、D2--晶体管T1T2D1D2RLuLu2AB+-uG(10-37)2.工作波形tu2tuGtuLtuT1T1T2D1D2RLuLu2AB+-(10-38)3.输出电压及电流的平均值)(12tduULAV)(sin212ttdULLAVLAVRUI2cos19.02U(10-39)例：桥式可控整流电路中，U2=220V，RL=3,可控硅控制角=15~180，求输出电压平均值UL的调节范围，以及可控硅（包括二极管）的电流平均值的最大值和承受的最大反向电压。T1T2D1D2RLuLu2AB+-=191V，=15=0V，=180=191/3=64A承受的最高反向电压:2cos19.02UULAVLLAVLAVRUIV31122UUDRM(10-40)二、电感性负载桥式可控整流电路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。u2T1T2D1D2DuLRL(10-41)两种常用可控整流电路的特点电路特点1.该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。2.晶闸管和负载上的电流相同。电路一：u2TD2D1D4uLRLD3(10-42)T1T2D1D2u2uLRL电路特点1.该电路接入电感性负载时，D1、D2便起续流二极管作用。2.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。电路二：(10-43)T1T2D1D2RuLu2E+–带反电动势负载的可控整流电路1.该电路的工作过程。2.画出uL、iL的工作波形。(10-44)§10.4触发电路10.4.1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(10-45)工作原理：当uEUA+UF=UP时PN结反偏，iE很小；当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BBBBBBBAURRRUU211(10-46)10.4.2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UP--峰点电压（单结管由截止变导通所需发射极电