《常用半导体元件》-第6章

6.1晶闸管6.1.1晶闸管1.晶闸管结构、外形与符号晶闸管的结构、外形和符号如图6-1所示。为了说明品闸管的导电原理，可按图6-2所示的电路做一个简单的实验。从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：①晶闸管阳极电路加正向电压；②控制极电路加适当的正向电压(实际工作中，控制极加正触发脉冲信号)。下一页返回6.1晶闸管2.伏安特性晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压U、阳极电流I及控制极电流IG决定的，而这儿个量又是互相联系的。在实际应用中常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线。图6-3所示的伏安特性曲线是在IG=0的条件下作出的。从图6-3所示的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时元件将导通。但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。晶闸管的正常导通受控制极电流IG的控制。为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。上一页下一页返回6.1晶闸管当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流IG，晶闸管就容易导通，其正向转折电压越低，特性曲线左移。控制极电流越大，向转折电压降低，如图6-4所示。3.主要参数为了正确地选择和使用晶闸管，还必须了解它的电压、电流等主要参数的意义。晶闸管的主要参数有以下几项：(1)正向重复峰值电压UDRM在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用符号UDRM表小。按规定此电压为正向转折电压的80%。上一页下一页返回6.1晶闸管(2)反向重复峰值电压URRM就是在控制极断路时，可以重复加在品晶闸管元件上的反向峰值电压，用符号URRM表示。按规定，此电压为反向转折电压的80%。(3)n1向平均电流Ir在环境温度不大于40℃和标准散热及全导通的条件下，晶闸管通过的工频正弦半波电流(在一个周期内的)平均值，称为正向平均电流IF，简称正向正弦半波电流的最大值为Im，则上一页下一页返回6.1晶闸管然而，这个电流值并不是一成不变的，晶闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每个周期的导电次数等因素的影响。(4)维持电流IH在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流IH。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。上一页下一页返回6.1晶闸管6.1.2其他类型的晶闸管1.快速晶闸管快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管，有快速晶闸管和高频晶闸管，其管芯结构和制造工艺进行了改进，开关时间以及du/dt和di/dt耐量都有明显改善。普通晶闸管关断时间为数b微秒，快速晶闸管为数十微秒，高频晶闸管为10ms左右。高频晶闸管的不足在于其电压和电流定额都不易做高。由于工作频率较高，选择通态平均电流时不能忽略其开关损耗的发热效应。上一页下一页返回6.1晶闸管2.双向晶闸管双向晶闸管可认为是一对反向并联连接的普通晶闸管的集成。如图6-5所示，有两个主电极T1和T2，一个门极G；正反两方向均可触发导通，所以双向晶闸管在第z和第111象限有对称的伏安特性；与一对反向并联晶闸管相比是经济的，目控制电路简单，在交流调压电路、固态继电器(SolidStateRelaySSR)和交流电机调速等领域应用较多。通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表小其额定电流值。3.逆导晶闸管如图6-6所示。上一页下一页返回6.1晶闸管4.光控晶闸管光控晶闸管又称光触发晶闸管，是利用一定波长的光照信号触发导通的晶闸管。小功率光控晶闸管只有阳极和阴极两个端子，如图6-7所示。大功率光控晶闸管则还带有光缆，光缆上装有作为触发光源的发光一极管或半导体激光器。光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，且可避免电磁干扰的影响，因此目前在高电压、大功率的场合，如高压直流输电和高压核聚变装置中，占据重要的地位。上一页返回6.2

晶闸管可控整流电路6.2.1单相半波可控整流电路把不可控的单相半波整流电路中的一极管用晶闸管代替，就成为单相半波可控整流电路。下面将分析这种可控整流电路在接电阻性负载和电感性负载时的工作情况。1.电阻性负载图6-8所示是接电阻性负载的单相半波可控整流电路，负载电阻为RL。显然，在晶闸管承受正向电压的时间内，改变控制极触发脉冲的输入时刻(移相)，负载上得到的电压波形就随着改变，这样就控制了负载上输出电压的大小。图6-9所示是接电阻性负载时单相半波可控整流电路的电压与电流的波形。下一页返回6.2

晶闸管可控整流电路2.电感性负载(加续流二极管)上面所讲的是接电阻性负载的情况，实际上遇到较多的是电感性负载，像各种电机的励磁绕组、各种电感线圈等，它们既含有电感，又含有电阻。有时负载虽然是纯电阻的，但串了电感线圈等，它们既含有电感，又含有电阻。有时负载虽然是纯电阻的，但串了电感滤波器后，也变为电感性的了。整流电路接电感性负载和接电阻性负载的情况大不相同。电感性负载可用串联的电感元件L和电阻元件R表示，如图6-10所示。感性负载单相半波可控整流电路波形如图6-11所示。上一页下一页返回6.2

晶闸管可控整流电路6.2.2单相半控桥式整流电路单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点，但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。较常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥，其电路如图6-12所示。电路与单相不可控桥式整流电路相似，只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。电压与电流的波形如图6-13所示。显然，与单相半波整流图6-11(c)所示相比，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即上一页返回6.3

单晶体管触发电路6.3.1单结晶体管单结晶体管的结构、符号和等效电路如图6-14所示。在基极电源电压UBB一定时，单结晶体管的电压一电流特性可用发射极电流IE和发射极与第一基极B1之间的电压UBE1的关系曲线来表小，该曲线又称单结品体管伏安特性，如图6-15所示。由图6-14可知其中下一页返回6.3

单晶体管触发电路6.3.2单结晶体管自激振荡电路单结晶体管振荡电路如图6-16(a)所示，它能产牛一系列脉冲，用来触发晶闸管。当E、B1极之间截止后，电源又对C充电，并重复上述过程，结果在R1上得到一个周期性尖脉冲输出电压，如图6-16(b)所示。6.3.3单结晶体管触发电路交流电压经桥式整流和稳压管削波而得到梯形电压。如图6-17所示，脉冲形成是梯形同步电压经Rp、R5对C充电，C两端电压上升到单结品体管峰点电压Up时，单结品体管由截止变为导通，由电容C通过E-B1，R3放电，放电电流在电阻R3上产生一组尖顶脉冲电压，由R3输出一组触发脉冲，其中第一个脉冲使晶闸管触发导通，后面的脉冲对晶闸管的工作没有影响。上一页下一页返回6.3

单晶体管触发电路需要特别说明的是：实用中必须解决触发电路与主电路同步的问题，否则会产生失控现象。用单结品体竹振荡电路提供触发电压时，解决同步问题的具体办法可用稳压竹对全波整流输出限幅后作为基极电源，如图6-18所示。图中T称为同步变压器，初级接主电源。上一页返回6.4晶闸管逆变电路6.4.1逆变电路的基本工作原理下面以单相桥式逆变电路(感性负载)为例说明其工作原理。电路如图6-19所示。如图6-20所示。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。返回下一页6.4晶闸管逆变电路6.4.2晶闸管逆变电路举例图6-21(a)所示是基本的负载换流电路，4个桥臂均由晶闸管组成。整个负载工作在接近并联谐振状态而略呈容性。直流侧串电感，工作过程可认为id基本没有脉动。电阻负载时负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io滞后于uo，波形也不同，如图6-21(b)所示。上一页返回6.5晶闸管电路的应用6.5.1晶闸管调光、调温电源晶闸管调光和调温装置在工业、商业、影剧院及家用电器中已得到广泛的应用。现介绍一种既实用又便于制作的晶闸管；调光、调温电源，如图6-22所示。炉以及其他的电热设备。晶闸管的额定电流选择取决于负载的大小，家庭用的一般选用KP5-7为宜。熔断器的熔体若选用普通锡铅熔妊，其额定电流选择2~3A较合适。下一页返回6.5晶闸管电路的应用6.5.2过电压自动断电保护电路电路如图6-23所示。T是抽头式自耦调压器；Q1是电压选择开关，将电网输入电压选择在220v输出(如果交流电网220v电压比较稳定，那么T与Q1可以不用)；T是同步过电压保护部分的变压器；二极管VD1~VD4和晶闸管VT1组成主电路电子开关。当VT1导通时，电子开关接通，VT1关断时，电子开关关断主电路无输出(VT1为KPS-7，VT2为KPS-1，VD1~VD4为2CP40)。上一页返回6.6晶闸管的保护6.6.1晶闸管的过电流保护由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升而可能把PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；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。晶闸管承受过电流能力很差，例如一个100A的晶闸管，它的过电流涌力如表6-1所列。下一页返回6.6晶闸管的保护晶闸管过电流保护措施有下列儿种。(1)快速熔断器普通熔断妊由于熔断时间长，用来保护晶闸管时很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不到保护作用。因此必须采用保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。快速熔断器的接入方式有三种，如图6-24所示。(2)过电流继电器在输出端(直流侧)装直流过电流继电器，或在输入端(交流侧)经电流互感器接入灵敏的过电流继电器，都可在发生过电流故障时动作，使输入端的开关跳闸。上一页下一页返回6.6晶闸管的保护2.晶闸管的过电压保护晶闸管耐过电压的能力极差，当电路中电压超过其反向击穿电压时，即使时间极短，也容易损坏。如果正向电压超过其转折电压，则晶闸管误导通，这种误导通次数频繁时，导通后通过的电流较大，也可能使元件损坏或使晶闸管的特性下降。因此，必须采取措施消除晶闸管上可能出现的过电压。晶闸管过电压的保护措施有下列几种：(1)阻容保护可以利用电容来吸收过电压，其实质就是将造成过电压的能量变成电场能量储存到电容器中，然后释放到电阻中去消耗掉。这是过电压保护的基本方法。阻容吸收元件可以并联在整流装置的交流侧(输入端)、直流侧(输出端)或元件侧，如图6-25所示。上一页下一页返回6.6晶闸管的保护(2)硒堆保护硒堆(硒整流片)是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而目可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，如图6-25所示，也可以和阻容元件并联使用。上一页返回图6-1晶闸管的结构、外形和符号返回图6-2晶闸管导通实验电路返回图6-3晶闸管的伏安特性曲线返回图6-4控制极电流对晶闸管转折电压的影响返回图6-5双向晶闸管的电气图形符号和伏安特性返回图6-6逆导晶闸管的电气图形符号和伏安特性返回图6-7光控晶闸管的电气图形符号和伏安特性返回图6-8电阻性负载单相半波可控整流电路返回图6-9接电阻性负载的单相半波可控整流电路波形返回图6-10感性负载单相半波可控整流电路返回图6-11感性负载单相半波可控整流电路波形返回图6-12单相半控桥式整流电路返回图6-13单相半控桥式整流电路波形返回图6-14单结晶