电子技术

1. 电子技术 模拟电路部分 第十章 晶闸管及其应用

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

3. 晶闸管（Thyristor） 别名：可控硅（SCR)（Silicon Controlled Rectifier）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） • 斩波（直流  直流） • 变频（交流  交流） 此外还可作无触点开关等。

4. §10.1 工作原理 三 个 四 层 半 导 体 PN 结 10.1.1 结构 A（阳极） P1 N1 P2 G（控制极） N2 K（阴极）

5. A A P P1 N N G N1 G P P P2 N N2 K K 10.1.2 工作原理 A G K 符号 示意图

6. A P A N N T2 G P P G ß ig T1 N K K ßßig ig 由二个三极管组成的电路等效

7. ic2 2.当UAK> 0且UGK>0时，晶闸管迅速导通。 UGK开始加入时， T1首先导通， ib1 = ig、iC1=  ib1； 然后T2导通， ib2= iC1 = ib1、 ig ib1 ic1 ib2 ic2 =ß ib2 =  ib1，此后T1进一步导通， 形成正反馈，A、k两极间迅速导通。 导通过程 A 1.若只加UAK正向电压，控制极不加触发电压，两三极管均不能导通，即晶闸管不通。 T2 G T1 K

8. 晶闸管的A、K两极间加反向电压，或开始工作时就不加触发信号（即令UGK= 0 ），晶闸管则不能导通； （1） 晶闸管正向导通后，欲令其截止，必须 减小UAK，或加大回路电阻，致使晶闸管中的电流减小到维持电流（IH）以下，正反馈失效，晶闸管截止。 （2） 3.晶闸管导通后，去掉电压UGK，依靠正反馈， 晶闸管仍维持导通状态； 4.晶闸管截止的条件：

9. 晶闸管的工作原理小结 （1）晶闸管具有单向导电性。 正向导通条件：A、K间加正向电压，G、K间加触发信号。 （2）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。

10. §10.2 特性与参数 I IF IG3 > IG2 IG1 > 反向击穿电压 URSM URRM IH U 断态重复峰值电压 UDSM UDRM 正向转折电压 I -- 阳极电流 U -- 阳极、阴极间的电压 导通后管压降约1V 10.2.1 特性 额定正向平均电流 IG3 IG2 IG1=0A 维持电流 反向 正向

11. A P1 N1 G P2 N2 若在G和K间加正向电压：UGK 越大，则UDSM 越小。 K UGK足够大时，正向特性与二极管的正向特性类似。 正向特性： 在阳极和阴极间加正向电压。 控制极开路时： PN结P1N1、P2N2正向偏置，N1P2反向偏置，晶闸管截止。 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。 UDSM：断态不重复峰值电压，又称正向转折电压。

12. A P1 N1 G P2 N2 K 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。 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。

13. I URSM IH U UDSM 正向转折电压 UDRM 10.2.2 主要参数 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---3000V

14. I URSM IH 反向击穿电压 U UDSM UDRM URRM 2. 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）

15. i ITAV t  2 3. 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。） ITAV含义

16. I IF URSM IH 额定正向平均电流 反向击穿电压 U UDSM 正向转折电压 UDRM URRM 额定通态平均电流即正向平均电流（IF）。 通用系列为： 1、5、10、 20、30、50、100、200、300、400 500、600、800、1000A 等14种规格。

17. 4. 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。 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。 6. 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 1~5V，IG 为几十到几百毫安。

18. K 晶闸管型号 通态平均电压（UAVT） 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

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、400 500、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。

20. §10.3 可控整流电路 uG G A K uT u1 uL u2 RL 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 设u1为 正弦波 u2 > 0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； u2 < 0时，晶闸管不通，uL = 0。故称可控整流。

21. uG G A K u2 uT u1 uL u2 RL t uG t uL t  ：控制角 uT  ：导通角 t   2. 工作波形

22. uT t 晶闸管承受的最高反向电压:

23. 3. 输出电压及电流的平均值

24. 4. 晶闸管的选择 (1) 电流的选择 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：

25. 平均值： 有效值： 平均值 = 1.57 有效值 不同 下有效值和平均值之比： 180 0  0 30 90 120 60 150 0.03 0.45 0.338 0 0.42 0.225 0.113 1.57 1.66 2.22 2.78 3.99 1.88

26. 3. 计算 IT对应的正弦半波电流平均值 I'TAV 晶闸管电流选择步骤： 1. 计算给定 下的 通态电流平均值 ITAV 2. 查表（或计算）相应的电流有效值 IT 5. 选晶闸管的电流额定值

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。

28. 负载消耗的有功功率为： 电源u2的视在功率为： 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。 所以若忽略晶闸管的损耗和其它损耗，该电路的功率因数为：

29. 查表得 代入： 得： 功率因数计算举例 在单相半波可控整流电路中，设  =60O， 则：

30. 设 单相半波可控整流计算举例（阻性负载） 则 = 37.2V

31. 选晶闸管 22.3 ×1.5 = 33.5 (A) = 233(V) 可选用额定值为：300V 、50A 的晶闸管

32. G uL K A uT R u1 u2 L D 二、电感性负载 1. 电路及工作原理 设u1为 正弦波 u2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。 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过零后关断。

33. u2 t A G uG K uT uL R t u1 u2 L 反电动势 的影响 uL t uT t   2. 工作波形 (1) 不加续流二极管

34. u2 t G uG uL K A uT R t u1 u2 L D uL iLAV t uT t   (2) 加续流二极管

35. 3. 电压与电流的计算（加入续流二极管后的情况） (1) 负载中的电压及电流 当 L >>R 时， ILAV 在整个周期中可近似看做直流。

36. 平均值: > （1.5）× 晶闸管电流 有效值: (2) 晶闸管中的电流 4. 晶闸管的选择 晶闸管电压 > （1.5 ~ 2）U2M

37. uG A uL + T2 T1 u2 RL - D1 D2 B 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 T1、T2 --晶闸管 D1、D2 --二极管

38. uG + A uL T2 T1 u2 RL B D1 D2 - 1. 电路及工作原理 u2 > 0时的导通路径 （UG加入后）： u2 (A) T1 RL u2 (B) D2

39. A uL T2 T1 u2 RL + D1 D2 B - u2 < 0时导通路径： u2 (B) T2 RL u2 (A) D1

40. u2 t uG A uL t + T2 T1 uL u2 RL - t D1 D2 B uT1 t 2. 工作波形

41. 3. 输出电压及电流的平均值

42. A uL + =191V， =15 T2 T1 u2 RL - D1 D2 B =0V， =180 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。 =191/3=64A 承受的最高反向电压:

43. R T2 T1 uL D L u2 D1 D2 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。

44. 电路一： T D2 D1 uL RL u2 D3 D4 两种常用可控整流电路的特点 1. 该电路只用一只晶闸管，且其上无反向电压。 电路 特点 2. 晶闸管和负载上的电流相同。

45. 电路二： T1 D1 R uL u2 L T2 D2 1. 该电路接入电感性负载时，D1、D2便起续流二极管作用。 电路 特点 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。

46. 思考 uL T2 R T1 u2 – E + D1 D2 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。

47. §10.4 触发电路 结构 等效电路 B2 B2 （第二基极） （发射极） P RB2 E E N RB1 B1 B1 （第一基极） 管内基极 体电阻 PN结 10.4.1 单结晶体管工作原理

48. B2 RB2 E UBB A iE RB1 B1  -- 分压比 (0.35 ~ 0.75) UP -- 峰点电压 UF -- PN结正向 导通压降 工作原理： 当uE < UA+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。 

49. IE IV uE UP UV UP--峰点电压 UV、IV --谷点电压、电流 （单结管由截止变导通 所需发射极电压。） （维持单结管导通的最小 电压、电流。） 10.4.2 单结晶体管的特性和参数 负阻区 uE>UP 时单结管导通 uE<UV 时单结管截止

50. IE 负阻区 IV B2 RB2 uE E UP UV RB1 负阻区存在的原因： B1 UE>UP 后，大量空穴注入基区，管内基极体电阻RB1 0，致使IE增加、UE反而下降，出现负阻。