第 10 章可控整流电路

第10章可控整流电路 • 10.1 晶闸管 • 10.2 单相可控整流电路 • 10.3 单结晶体管触发电路 • 10.4 晶闸管的保护

10.1 晶闸管 10.1.1 晶闸管的结构与符号由四层半导体P1、N1和P2、N2重叠构成，中间形成3个PN结J1、J2和J3。最外层的P1和N2分别引出阳极A和阴极K，中间的P2层引出控制极G。

10.1.2 晶闸管的工作原理 晶闸管具有导通和截止（阻断）两种工作方式。当晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，由于PN结J1和J3处于反向偏置，无论控制极是否加电压，晶闸管均不会导通，相当于开关处于断开状态，称为反向阻断。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极不加电压时，由于PN结J2处于反向偏置，晶闸管也不会导通，也相当于开关处于断开状态，称为正向阻断。当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极与阴极之间也加正向电压时，晶闸管可以导通，且导通后管子的压降很小，只有1V左右，相当于开关处于闭合状态。

可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的集电极也连在一起。可把晶闸管等效地看成由一个NPN型三极管V1和一个PNP型三极管V2组合而成。阳极A是V2的发射极，阴极K是V1的发射极，V1的基极与V2的集电极相连成为控制极G，而V2的基极与V1的集电极也连在一起。

（1）控制极不加电压时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。（1）控制极不加电压时IG=0，尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于V1没有基极电流输入，因此V1和V2中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。（2）控制极加正向电压UG，而阳极通过电阻RA也加上正向电压UA，使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时IG就是V1的基极电流IB1，经V1放大后，得到V1的集电极电流IC1，而IC1又是V2的基极电流IB2，再经V1放大，得到V2的集电极电流IC2。IC2又流入V1基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压UA几乎全部加到负载电阻RA上，所以晶闸管导通后的电流大小取决于外电路参数。

若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则V1和V2中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。晶闸管导通后，再把开关S打开，使控制电流IG消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用IH表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加一反向电压。可见晶闸管相当于一个可控的单向导通开关，其导通必须同时具备两个条件：（1）在阳极和阴极之间加适当的正向电压UAK；（2）在控制极和阴极之间加适当的正向触发电压UGK，在实际工作中，UGK常采用正向触发脉冲信号。

10.1.3 晶闸管的工作特性与主要参数 1.正向特性 UAK>0，IG=0时，晶闸管正向阻断，对应特性曲线的0A段。此时晶闸管阳极和阴极之间呈现很大的正向电阻，只有很小的正向漏电流。当UAK增加到正向转折电压UBO时，PN结J2被击穿，漏电流突然增大，从A点迅速经B点跳到C点，晶闸管转入导通状态。晶闸管正向导通以后工作在BC段，电流很大而管压降只有1V左右，此时的伏安特性和普通二极管的正向特性相似。晶闸管导通以后，如果减小阳极电流IA，则当IA小于维持电流IH时，突然由导通状态变为阻断，特性曲线由B点跳到A点。

应该指出，晶闸管的这种导通是正向击穿现象，很容易造成晶闸管永久性损坏，实际工作中应避免这种现象发生。另外，外加电压超过正向转折电压时，不论控制极是否加正向电压，晶闸管均会导通，控制极失去控制作用，这种现象也是不希望出现的，这是因为在可控整流电路中，应该由控制极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关，所以，晶闸管的正常导通应在控制极施加正向触发电压。从图中可以发现，晶闸管的触发电流IG越大，就越容易导通，正向转折电压就越低。不同规格的晶闸管所需的触发电流是不同的，一般情况下，晶闸管的正向平均电流越大，所需的触发电流也越大。应该指出，晶闸管的这种导通是正向击穿现象，很容易造成晶闸管永久性损坏，实际工作中应避免这种现象发生。另外，外加电压超过正向转折电压时，不论控制极是否加正向电压，晶闸管均会导通，控制极失去控制作用，这种现象也是不希望出现的，这是因为在可控整流电路中，应该由控制极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关，所以，晶闸管的正常导通应在控制极施加正向触发电压。从图中可以发现，晶闸管的触发电流IG越大，就越容易导通，正向转折电压就越低。不同规格的晶闸管所需的触发电流是不同的，一般情况下，晶闸管的正向平均电流越大，所需的触发电流也越大。 2.反向特性晶闸管承受反向电压，即时，晶闸管只有很小的反向漏电流，此段特性与二极管反向特性很相似，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压超过反向击穿电压UBR时，反向电流剧增，晶闸管反向击穿。

10.1.4 晶闸管的主要参数 （1）额定正向平均电流IF。IF是指在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，在电阻性负载的电路中，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值。它也叫通态平均电流，简称正向电流。在选择晶闸管时，其通态平均电流IF应为安装处实际通过的最大平均电流的1.5～2倍。（2）维持电流IH。在规定环境温度下，控制极断开后，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH，当正向电流小于IH时，晶闸管自行关断。（3）正向重复峰值电压UFRM。在晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，用UFRM表示。通常规定UFRM为正向转折电压UBO的80％。（4）反向重复峰值电压URRM。在控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，用URRM表示。通常规定URRM为反向击穿电压UBR的80％。通常把UFRM和URRM中较小者作为晶闸管的额定电压。选用晶闸管时，额定电压应为正常工作时峰值电压的2～3倍，作为允许的过电压余量。

10.2 晶闸管应用电路 10.2.1 可控整流电路 1、单相半波可控整流电路 (1)电阻性负载 u2的正半周，触发脉冲ug到来时晶闸管导通，负载电压uo=u2。u2下降到接近于零时晶闸管关断。u2的负半周，晶闸管反向阻断。

输出电压的平均值： 输出电流的平均值：晶闸管承受的最高正向和反向电压：

(2)电感性负载与续流二极管 u2经过零值变负之后，只要eL大于u2，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通。只要电流大于维持电流，晶闸管就不会关断，负载上出现了负电压。当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能会关断。

可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角θ将大于。负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，整流输出电压和电流的平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角θ将大于。负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，整流输出电压和电流的平均值就愈小。为了使晶闸管在电源电压降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电压，必须采取相应措施。解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压u2过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。因此这个二极管称为续流二极管。这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。

2. 单相半控桥式整流电路 u2的正半周VT1和VD2承受正向电压。这时如对晶闸管VT1引入触发信号，则VT1和VD2导通，电流通路为： a→VT1→RL→VD2→b 这时VT2和VD1都因承受反向电压而截止。

u2的负半周VT2和VD1承受正向电压。这时如对晶闸管VT2引入触发信号，则VT2和VD1导通，电流通路为：u2的负半周VT2和VD1承受正向电压。这时如对晶闸管VT2引入触发信号，则VT2和VD1导通，电流通路为： b→VT2→RL→VD1→a 这时VT1和VD2截止。

输出电压的平均值： 输出电流的平均为：晶闸管和二极管承受的最高正向和反向电压：

10.2.2 单结晶体管触发电路 对触发电路的要求：（1）触发时能提供足够的触发脉冲电压和电流。一般要在触发电路接到晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为4～10V。（2）晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不超过0.25V，以免发生误导通。（3）触发脉冲的前沿要陡，以保证触发时间准确，一般要求前沿时间小于10μs。（4）触发脉冲要有足够的宽度。对于电阻性负载电路，一般要求脉冲宽度大于20μs。（5）由触发脉冲所产生的控制角α要能平稳移动并有足够宽的移动范围。对于单相可控整流电路，控制角的范围要求接近或大于150°。（6）触发电路必须与主电路同步，否则输出电压的波形为非周期性，造成输出电压平均值不稳定。

1. 单结晶体管的结构和工作原理 (1)、单结晶体管的结构在基极B1和B2之间的电阻（包括硅片本身的电阻和基极与硅片之间的接触电阻）为RBB，一般约在2～15kΩ之间。设RB1和RB2分别为两个基极与PN结之间的电阻，则RBB= RB1+RB2。

(2)、单结晶体管的伏安特性 峰点P与谷点V是单结晶体管工作状态的转折点，当UE≥UP（UP=UA+UD）时，单结晶体管导通，RB1急剧减小，UE也随之下降；当UE<UV时，单结晶体管截止。

2. 单结晶体管脉冲发生电路 接通电源后，电源UG通过R向C充电，电压UE按指数规律增大。UE<UP时，单结晶体管截止。当UE ≥UP时，单结管开始导通，RB1急剧减小，C向R1放电。由于R1较小，放电很快，放电电流在R1上形成尖脉冲电压。当UE<UV时，单结晶体管截止。此后电源再次经R向C充电，然后放电，形成振荡。如此反复，结果在电容C上形成锯齿波电压，在电阻R1上得到一系列的尖脉冲电压ug。

3. 单结晶体管触发电路

当电源电压u1过零时，u2也过零，使单结晶体管触发电路电源电压UBB=0，此时峰点电压UP≈ηUBB ≈0，单结晶体管的E、B1结导通。如果此时电容C上的电压uC不为零值，就会通过单结晶体管的E、B1结对R2放电，uC迅速下降至零，使得电容C在电源每次过零后都从零开始重新充电，只要R与C的数值不变，则每半周由过零点到产生第一个脉冲的时间间隔是固定的。虽然在每个半周期内会产生多个脉冲，但只有第一个脉冲起到触发晶闸管的作用，一旦晶闸管被触发导通，后面的脉冲不再起作用。

10.2.3 晶闸管的保护 晶闸管的主要缺点是承受过电压、过电流的能力较弱。当晶闸管承受过电压过电流时，晶闸管温度会急剧上升，可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。为了使元件能可靠地长期运行，必须对晶闸管电路中的晶闸管采取保护措施。

1. 过电流保护 晶闸管发生过电流的原因：负载端过载或短路；电路中某一晶闸管击穿短路，引起相邻的其它晶闸管过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发引起过电流。晶闸管允许过电流时间很短，例如一个100A额定电流的晶闸管过载倍数为4倍，即通过400A的过电流时，仅允许持续0.02s（工频的1个周），否则将因过热而损坏。过载倍数越大，允许的时间越短。这表明晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用就是当发生过电流时，应在允许的时间内将过电流切断，以保护晶闸管不致损坏。

(1) 快速熔断器 这是一种专用保护晶闸管的快速熔断器，它与普通熔断器的主要区别是，在同样的过电流倍数情况下，快速熔断器熔体熔断时间比普通熔断器熔体熔断时间短很多。这样可保证晶闸管未损坏前，快速熔断器的熔体就已熔断，将事故电路与电源断开，保护晶闸管不致损坏。快速熔断器内装的是银质熔丝。快速熔断器接入电路的方式：一是将快速熔断器与晶闸管串联，可对元件本身的故障进行保护。二是将快速熔断器接在输出（负载）端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过电流无保护作用。三是将快速熔断器接在输入端，这样可同时对输出端短路和元件短路起保护作用，但熔断器熔断后不能马上判断是什么故障。

(2) 过电流继电器 在输入端（交流端）经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，或在输出端（直流端）接入直流过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的自动开关断开。这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，因为过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。所以，快速熔断器仍然需要，以防止短路事故。 (3)过流截止保护电路中一旦出现过电流后，通过电流反馈信号将晶闸管的触发脉冲后移，使晶闸管的导通角减小或停止触发，晶闸管关断，电路断电，切断过电流。

2. 过电压保护 产生过电压的主要原因：由于电路中通常都接有电感元件，当晶闸管所在装置或邻近的用电设备接通或断开电源时，或从一个晶闸管导通转换到另一个晶闸管导通（称换相）时，或熔断器熔断时，由于电路中电流的变化而在电感两端产生感应电动势，使电路中电压往往超过正常值。有时，电源或负载侧受雷击会引起雷击过电压。过电压的根本原因是由于电路中积聚的电磁能量消散不掉。晶闸管承受过电压的能力很差，加给它的反向电压超过它的反向击穿电压时，即使超出数值不多、时间不长（0.5～1μs)，都可能使元件反向击穿而损坏。另外，加给元件的正向电压超过了它的正向转折电压时，则晶闸管误导通（未经触发便导通）。这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流大，也可能使晶闸管损坏，或使它的特性变坏。因此，一定要采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。

(1)、阻容保护 阻容电路接入电路的3种方式：其一是将阻容元件与晶闸管并联，以防止它在换相过电压时遭到损坏；其二是将阻容元件并联在整流装置的交流侧（输入端），可防止由于电源侧过电压使晶闸管损坏；其三是将阻容元件并联在直流侧（输出端），以吸收输出端的过电压。阻容保护就是利用电容吸收过电压，其实质是把电路积聚的造成过电压的电磁能量转换为电场能量储存到电容器中，再释放到电阻中消耗掉。阻容保护是过电压保护的基本方法。 (2)、硒堆保护硒堆是硒整流片串联组成的非线性元件，并且是将两组硒堆整流片对接起来使用。它可以单独使用（如在图6.17中只接硒堆），也可以和阻容元件并联使用。当有过电压时，承受反向电压的一组硒堆的电阻迅速减小，漏电流增大，过电压能量被非线性电阻硒堆吸收。过电压消失后，硒堆不损坏而恢复原状。

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