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电子技术. 模拟电路部分. 第十章 晶闸管及其应用. 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. 晶闸管 ( Thyristor ). 别名: 可控硅( SCR) ( S ilicon C ontrolled R ectifier ) 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。.
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电子技术 模拟电路部分 第十章 晶闸管及其应用
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
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。
§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)
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
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
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
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:
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。
§10.2 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
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。
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。
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
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)
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
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。
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。
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
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。
§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。
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
uT t 晶闸管承受的最高反向电压:
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:
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
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
(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。
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:
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:
设 单相半波可控整流计算举例(阻性负载) 则 = 37.2V
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
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。
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
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
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。
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
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
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
A uL T2 T1 u2 RL + D1 D2 B - u2 < 0时导通路径: u2 (B) T2 RL u2 (A) D1
u2 t uG A uL t + T2 T1 uL u2 RL - t D1 D2 B uT1 t 2. 工作波形
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:
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。
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。
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。
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。
§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
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 uEUP 时 PN结正向导通, iE迅速增加。
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
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。