《电子技术基础》-第8章

晶闸管是硅晶体闸流管的简称。它能以较小的电流控制上千安的电流和数千伏的电压，是近60年发展起来的一种较理想的大功率变流器件。它的出现与发展，使变流技术进入了一个新时代。晶闸管包括普通晶闸管和双向、可关断、逆导、快速、光控晶闸管，普通晶闸管又叫可控硅。常用SCR（SiliconControlledRectifier）表示国际通用名称为Thyristor,简写成T。我们所研究的晶闸管，如果没有特殊说明，皆为普通晶闸管。8.1.1晶闸管的结构、符号晶闸管（又称可控硅)的外形、符号及内部结构如图8-1所示，它由四层半导体P-N-P-N叠合而成，形成三个PN结（J1、J2、J3）。它有三电极：阳极（A）、阴极（K）、和门极（G）（又称为控制极）。在螺旋式晶闸管中，螺栓是阳极（A），并利用它与散热器紧固。另一端有两个电极，引线粗的是阴极（K），细的是控制极（G）。8.1晶闸管返回下一页8.1.2晶闸管的工作特性为了说明晶闸管的工作特性，可用图8-2所示的实验予以验证。图（a）为反向阻断实验。可控硅加反向阳极电压，不论有无触发电压，可控硅所控制的电灯不能点亮，说明可控硅处于关断状态。图（b）为正向阻断实验。可控硅加正向阳极电压，控制极不加触发电压，则电灯仍不亮。说明可控硅仍处于关断状态。图（c）为可控硅触发导通实验。当可控硅在正向阳极电压作用时，控制极加上正向触发电压，电灯即亮，说明可控硅已导通。图（d）可控硅导通后，切除触发电压，电灯仍亮。说明可控硅一经导通，控制失去控制作用，即使触发电压消失，可控硅仍能保持导通。8.1.3晶闸管的主要参数与测量方法1.晶闸管型号几种普通晶闸管的主要参数见表8-1。8.1晶闸管返回下一页上一页型号：KP-100-12GK——闸流特性；P——普通反向阻断型；K——快速型；S——双向型；N——逆导型；G——可关断型。100——额定电流系列：100A；12G——额定电压为1200V，管压降为1V的普通晶闸管。2.主要参数表8-1中的主要参数含义介绍如下。①反向峰值电压URRM在控制极开路时，允许加在阳极-阴极之间的最大反向峰值电压。②正向阻断峰值电压UDRM在控制极开路时，允许加在阳极-阴极之间的最大正向峰值电压。使用时若超过UDRM，晶闸管即使不加触发电压也能从正向阻断转向导通。8.1晶闸管返回下一页上一页③额定正向平均电流IT（AV）在规定的环境温度和散热条件下，允许通过阳极和阴极之间的电流平均值。例如，3A额定电流的晶闸管，即指它的额定正向平均电流是3A。④正向电压降平均值UT（AV）又称为通态平均电压，指晶闸管导通时管压降的平均值，一般在0.4～1.2V,这个电压愈小,管子的功耗就愈小。⑤控制极触发电压UG和触发电流IG在室温下及一定的正向电压条件下,使晶闸管从关断到导通所需的最小控制电压和电流。3.单向晶闸管的简易检测在检修电子产品中,通常需对晶闸管进行简易的检测,以确定其质量是否良好。简单的检测方法如下：（1）判别电极。万用表置于R×1k挡，测量晶闸管任意两脚间的电阻，当万用表指示低阻值时，黑表笔所接的是控制极G，红表笔所接的是阴极K，余下的一脚为阳极A，其他情况下电阻值均为无穷大。8.1晶闸管返回下一页上一页（2）质量好坏的检测。检测时按以下三个步骤进行。①万用表置于R×1Ω挡，红表笔接阴极k，黑表笔接阳极A，指针应接近∞，如图8-3（a）所示。②用黑表笔在不断开阳极的同时接触控制极G，万用表指针向右偏转到低阻值，表明晶闸管能触发导通，如图8-3（b)所示。③在不断开阳极A的情况下，断开黑表笔与控制极G的接触，万用表指针应保持在原来的低阻值上，表明晶闸管撤去控制信号后仍将保持导通状态。8.1晶闸管返回上一页8.2.1单相半波可控整流电路1.电路组成用晶闸管代替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8-4所示。2.工作原理设。电路各点的波形如图8-5所示。在u2正半波时，晶闸管承受正向电压，但在0～α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ωt=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的大小可以忽略不计，因此在α～π期间，负载两端电压与u2相似，并有相应的电流流过。8.2晶闸管整流电路返回下一页当交流电压u2过零时，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进入负半波时，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。当下一个周期来到时，电路将重复上述过程。加入控制极电压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8-5所示。显然，控制角越小，导通角就越大，当α=0时，导通角θ=π，称为全导通，α的变化范围为0～π。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。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页3.输出直流电压和电流由图8-5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：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：8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页4.晶闸管上的电压和电流由图8-5可以看出，晶闸管上所承受的最高正向电压为:

晶闸管上所承受的最高反向电压为:

根据晶闸管的额定电压应取其峰值电压的2～3倍，如果输入交流电压为220V，则：应选取额定电压为600V以上的晶闸管。流过晶闸管的平均电流为:IV=Io额定电流为：IF≥（1.5～2)IV8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页8.2.2单相半控桥式整流电路1.电路组成将二极管桥式整流电路中的二极管用两个晶闸管VS1、VS2替代，图8-6（a)所示就构成单相半控桥式整流电路。2.工作原理图中两个晶闸管VS1、VS2为共阴极接法，两个二极管VD1、VD2为共阳极接法。由于V1、V2的阴极接在一起所以给它们加的阳极电压只能是一个为正向，另一个为反向，不可能同时为正向。这样，即使两个晶闸管同时触发，也只能有一个导通。即:（1）当u2为正半周时，晶闸管VS1和二极管VD2承受正向电压，如晶闸管的控制极未加触发电压，晶闸管就一直不能导通，输出电压uL=0。在正半周内只要触发电压ug到来，晶闸管VS1就导通，VS2截止，电流途径为：a端→VS1→RL→VD2→b端，在负载RL上得到极性为上正下负的电压。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页（2）当u2经过零值时，晶闸管自行关断。（3）当u2为负半周时，晶闸管VS2和二极管VD1承受正向电压，在负半周内只要触发电压ug到来，晶闸管VS2就导通，VS1截止，电流途径为：b端→VS2→RL→VD1→a端，在负载RL上得到极性为上正下负的电压。（4）输出电压平均值。可见，输出电压、电流平均值为单相半波可控整流的2倍。通过晶闸管、二极管的电流平均值8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页8.2.3单结晶体管要实现可控整流的目的，就需在晶闸管的控制极加入一个相位可调的触发信号，使之能对输出电压进行调节。提供触发信号的电路称为触发电路。1.为了确保触发信号有效控制晶闸管的导通，触发电路应满足以下基本要求。（1）触发电路要能够提供足够的触发电压、电流，以保证晶闸管可靠导通。（2）晶闸管被触发导通后，触发信号随后就不起作用，因此常用瞬间突变、作用时间很短的脉冲电压作为触发信号。（3）触发信号应与主电路的输入电压同频率，这样才能保证每个半周的控制角α大小一致，使输出电压平均值稳定。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页2.单结晶体管结构、特性测试。（1）结构、符号单结晶体管简称单结管，其外形与普通小功率三极管相似，如图8-7所示。它只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极，称为第一基极B1和第二基极B2。两基极在硅片中间略偏B2一侧用合金制作一个P区作为发射极E。从图中可以看出，两个基极B1与B2。（2）型号BT33。第一部分“B”表示半导体器件；第二部分“T”表示特种管；第三部分“3”表示3个电极；第四部分“3”表示耗散功率。（3）判断极性及性能的方法。用万用表R×100或R×1k档，先确认E，用黑表笔固定在假设的发射极上，然后用红表笔分别点测另外两脚，若测得两次均为导通。则再用红表笔固定在假设的E极上，黑表笔分别测另外两极，应测得两次均为无穷大，则可确定假设被测脚为E极，B1、B2极可从外观直接确认。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页（4）伏安特性。单结晶体管伏安特性是指它的发射极特性，其测试电路如图8-8（a）所示，在两个基极之间加一个固定电压UBB，加在发射极与B1极之间的电压UE可通过RP进行调节，改变电压值UE，同时测量不同UE对应的发射电流IE，得到如图8-8（b）所示的伏安特性曲线。当E极开路时，图中A点对B1间电压UA（即RB1上的压降）为式中,为单结晶体管的分压比，其值一般在0.3～0.8,它由单结晶体管的内部结构决定，是单结晶体管的重要参数。接上外加电源UEE，调整RP使UE由0逐渐加大，在UE<UA+UD=ηUBB+UD时（UD为等效二极管的正向压降），二极管因反偏而截止，发射极仅有很小的反向电流流过，E与B1间呈现很大的电阻，单结晶体管处于截止状态，这段区域称为截止区。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页如图8-8（b)所示的OP段。当UE升高到UE=ηUBB+UD时，达到如图8-8（b)所示的P点，单结晶体管开始正偏而导通。IE随之开始增加，P点所对应的发射极电压UP和电流IP分别称为单结晶体管的峰点电压和峰点电流。显然，峰点电压UP=ηUBB+UD导通后，发射极P区空穴大量注入到N型基片，由于B1点电位低于E点，大多数空穴被注入到N型基片的B1一端。这就使基片上AB1段电阻RB1值迅速减小，UBB在A点的分压UA也随之减小，使单结晶体管的正向偏压增加，IE进一步增加，IE的增加又促使RB1进一步减小。这样形成IE迅速，UA急剧下降的一个强烈的正反馈过程。由于PN结的正向压降随IE的增加而变化不大，UE就要随UA的下降而下降，一直到达最低点V。V点称为谷点，所对应的UE、IE分别称为谷点电压UV、谷点电流IV。由于UE随IE增大而减小，动态电阻reb=为负值，故从P点到V点这段曲线称为单结晶体管的负阻特性。对应这段负阻特性的区域称为负阻区。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页V点以后，当IE继续增大，空穴注入N区增大到一定程度，部分空穴来不及与基区电子复合，出现空穴剩余，使空穴继续注入遇到阻力，相当于RB1变大，在V点之后，元件又恢复正阻特性，UE随着IE的增大而缓慢增大。这段区域称为饱和区。显然，UV是维持单结晶体管导通的最小发射极电压，一旦UE＜UV，单结晶体管将截止。由上述分析可知，单结晶体管具有以下特点：①当发射极电压UE小于峰点电压UP时，单结晶体管为截止状态，当UE上升到峰点电压UP时，单结晶体管触发导通。②导通后，若UE低于谷点电压UV，单结晶体管立即转入截止状态。③峰点电压UP与单结晶体管的分压比η及外加电压UBB有关。η大则UP大，UBB大则UP也大。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页8.2.4单结晶体管触发电路1.基本电路如图8-9所示为单结晶体管自激振荡电路。接通电源后，电源电压UBB通过RP、R1对电容C充电，电容电压uc逐渐上升。当UC达到峰点电压UP时，单结晶体管的E、B1极之间导通，电容器对E、B1之间的电阻rb1和电阻R1放电。因为此时，单结晶体管的E、B1极之间电阻急剧下降，而R3又是一个100Ω左右的小电阻，故UC迅速下降。当uc降至谷点电压UV以下时，E、B1极之间又转化为高电阻的截止状态。所以，电阻R3上得到一个短暂的脉冲电压。单结晶体管的E、B1极之间转化为截止状态后，电源又电容C充电，重复上述过程。于是，在电容C上得到锯齿波电压，电阻R3上得到脉冲电压输出，如图8-9所示。改变RP或C，可改变电容充电的快慢，由图8-9可见，即可改变锯齿电压的频率，亦即改变了输出脉冲电压的时间间隔。8.2晶闸管整流电路返回下一页上一页图中的R2是温度补偿电阻。因为温度升高时，单结晶体管PN结的正向电压降UD降低，故峰点电压也要降低，引起振荡频率不稳定。但另一方面，随着温度升高，晶体管两基极间的电阻rbb也将增大，如rbb串联适当数值的电阻后，在一定电压作用下，rbb的增大，可使其两端电压也增大。可知rB1上的电压UB1=ηUbb，故UB1也随着温度升高而增大。因为与单结晶体管串联的R3较小，UB1的增加还足以补偿峰点电压的下降，所以，再串入R2于是单结晶体管的峰点电压（UD+UB1）可以基本维持不变。R2的阻值一般为200～600Ω。图中R3上的脉冲电压可以用来触发可控硅元件。2.单结晶体管同步触发电路电路中正弦交流电压u2经VD