晶闸管的工作原理与应用
可控硅工作原理及作用
可控硅工作原理及作用
可控硅，也称为晶闸管，是一种半导体器件。
可控硅的主要作用是控制电流，是电子行业中最广泛应用的器件之一。
可控硅的工作原理可以简单概括为：通过控制晶体管的控制电流，从而控制晶体管的导电状态。
当控制电流为零时，晶体管无法导电。
当控制电流为正值时，晶体管处于导通状态，电流可以顺畅地通过晶体管。
当控制电流为负值时，晶体管处于截止状态，电流无法通过晶体管。
可控硅在电路中主要有以下两种作用：
1. 控制电压
可控硅通常用于控制电压达到特定的阈值。
通过控制可控硅的控制电流，可以使电路中的电压稳定在所需范围内。
2. 控制电流
可控硅还可以用于控制电流，特别是在高功率电子设备中，控制电流非常重要。
通过控制可控硅的导通和截止状态，调整电路中的电流值。
基于可控硅的电路有很多应用，包括变频器，逆变器和直流电源。
例如，
在变频器中，可控硅可以用来控制电机运行的速度，从而达到能耗节约的效果。
总之，可控硅是一种常见的半导体器件，可以用于控制电路中的电压和电流。
它在电子设备中的应用非常广泛，成为电子技术中不可或缺的一部分。
晶闸管的工作原理及应用
晶闸管的工作原理及应用晶闸管是一种半导体器件，它可以控制和放大电流。
晶闸管具有以下几个主要部分：PN结、栅极、阳极和触发极。
晶闸管的工作原理是由PN结的导通和截止状态之间的转换来完成的。
晶闸管的工作原理如下：1. PN结导通：当晶闸管的栅极电压为零时，PN结处于正向偏置状态，导通状态。
电流可以从阳极流向触发极，并且电流可以在晶闸管上形成一个低阻态。
2. PN结截止：当晶闸管的栅极电压大于阈值电压（通常为0.6V）时，PN结处于反向偏置状态，截止状态。
此时电流无法流过晶闸管，晶闸管上的电压为源电压（通常为几十伏）。
3. 触发控制：当需要导通晶闸管时，可以通过一个脉冲信号或电流输入到触发极，使晶闸管从截止状态转换为导通状态。
当晶闸管被触发后，它将保持导通状态直到重新施加反向电压或将栅极电压降至零。
晶闸管的应用非常广泛，主要有以下几个方面：1. 电力调节：晶闸管可以通过控制导通时间和截止时间来改变电流的大小，从而实现对电力的调节。
它广泛应用于变频调速、电机启动控制、磁控管发射脉冲控制等领域。
2. 电能控制：晶闸管可以用于电能的控制和转换。
例如，晶闸管可以实现电能的变换和分配，用于电力系统的能量调度和优化。
3. 交流电压调节：晶闸管可以用于控制交流电压的大小和频率。
通过控制晶闸管的导通角度，可以实现对交流电压的变压和调节。
4. 光、声、热控制：晶闸管可以用于控制光、声和热能的输出。
例如，晶闸管可用于控制光的强弱和频率，用于光通信和光电子设备。
5. 电源开关：晶闸管可以用作高压、高电流的开关，用于开关电源和电能传输系统。
总之，晶闸管是一种非常重要的半导体器件，具有广泛的应用领域。
通过控制晶闸管的导通和截止状态，可以实现对电流的控制和调节，从而满足不同领域的需求。
04第四章 晶闸管及其应用
第四章晶闸管及其应用第一节晶闸管的构造、工作原理、特性和参数晶闸管—可控硅，是一种受控硅二极管。
优点：体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度快、控制灵活、寿命长、使用维护方便。
缺点：大多工作与断续的非线性周期工作状态，产生大量谐波干扰电网；过载能力和抗扰能力较差、控制电路复杂。
（由于技术进步，近年有改善）1.1晶闸管的基本结构：晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。
1.2晶闸管的工作原理在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。
晶闸管导通后，去掉EG ，依靠正反馈，仍可维持导通状态。
晶闸管导通必须同时具备两个条件：1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。
2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。
晶闸管导通后，控制极便失去作用。
依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。
晶闸管关断的条件：1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。
2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。
1.3晶闸管的伏安特性静态特性承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通；承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通；晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用；要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线，如图3所示。
其中：第I象限的是正向特性；第III象限的是反向特性图3 晶闸管阳极伏安特性I G2>I G1>I GI G=0时，器件两端施加正向电压，正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向电压超过临界极限即正向转折电压U bo，则漏电流急剧增大，器件开通。
这种开通叫“硬开通”，一般不允许硬开通；随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿；晶闸管本身的压降很小，在1V左右；导通期间，如果门极电流为零，并且阳极电流降至接近于零的某一数值I H以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。
晶闸管的作用及其工作原理分析
变频调速
晶闸管可用于变频调速电路中，控制交流电动机 的转速。
保护电路
晶闸管可用于保护电路，如过流保护、过压保护。
晶闸管的工作原理
PN结
晶闸管由PN结组成，其中正向扫 描时，PN结将直接导通，产生一 个电流。
控制极
通过控制极控制PN结的电流，控 制晶闸管的导通和截止。
触发器
通过触发器向控制电极施加信号， 控制晶闸管的导通时间。
交通运输
发光二极管广泛应用于车灯、 交通信号灯等方面。
晶闸管的优缺点
优点
可控性强，导通电流大，占用空间小，有良好的 温度特性。
缺点
电磁干扰强，安全性能较差，半导体芯片易受静 电损伤。
发展趋势和展望
智能家居
晶闸管将在智能家居领域中继续 得到广泛应用。
可再生能源
随着可再生能源的广泛应用，晶 闸管在变频调速电路中将越来越 重要。
电动汽车
晶闸管在电动汽车控制电路中的 应用也将得到进一步扩展。
晶闸管的作用及其工作原 理分析
晶闸管是一种电子元器件，广泛应用于各种电子电路中。它具有特殊的开关 功能，可以控制电流的方向和大小。本次演讲将深入探讨晶闸管的工作原理 和应用场景。
晶闸管的作用
电流控制
晶闸管可以控制电流的方向和大小，常用于交流 电路的控制。
电压控制
晶闸管可用于电源电路控制，防止电压过高或过 低。
晶闸管符号
晶闸管的符号是两个箭头，表示 PN结是可控的，可通过控制电极 控制导通。
晶闸管的组成部分
1 PN结
由P型半导体和N型半导体组成，用于产生电 流。
2 控制电极
用于控制PN结的电流，控制晶闸管的导通和 截止。
3 触发器
晶闸管的工作原理与应用
晶闸管的工作原理与应用晶闸管，又称为可控硅器件，是一种半导体器件，通过控制电流的输入使其在导通和关断之间切换，从而实现电能的控制和调节。
下面将详细介绍晶闸管的工作原理和应用。
晶闸管是由PNP型晶体管和PNP型二极管组成的四层结构。
它具有三个电极，分别是阳极（A端）、阴极（K端）和控制极（G端）。
晶闸管的工作原理可概括为以下五个阶段：1.断电状态：当外电源施加在晶闸管的阳极和阴极之间时，控制极无电压，晶闸管处于关断状态。
2.触发状态：当控制极施加一个正向电压时，晶闸管开始被触发，进入导通状态。
在此状态下，晶闸管的阳极和阴极之间的电流（也称为主电流）开始流动。
3.工作状态：一旦晶闸管被触发，晶闸管将持续一直到主电流下降到零。
即使控制极上施加的电压被移除或降低，晶闸管仍然保持导通。
4.关断状态：当主电流下降到零时，晶闸管将自动关断。
在此状态下，晶闸管的阻断电压（也称为封闭电压）为控制极和阳极之间的电压。
5.关断恢复状态：一旦晶闸管被关断，即使在问题电压下晶闸管的条件保持一段时间，它仍然不会被重新触发。
要重新触发晶闸管，需要重新施加电压来打开控制极。
晶闸管的应用：晶闸管具有较高的电流和电压承受能力，以及快速的开关速度，因此在各种电子和电力电路中得到广泛应用。
以下是晶闸管的主要应用领域：1.调光控制：晶闸管可以通过调整导通角来实现灯的亮度调节，用于家庭照明、道路照明等领域。
2.功率控制：晶闸管可以用于电力系统中的负载控制，如电动机调速、电阻炉加热控制等。
3.电源开关：晶闸管可以用于交流电源的整流和开关过程，实现直流电源的输出。
4.频率变换：晶闸管可以用于交流调制，实现交流电的频率变换。
5.电压调节：晶闸管可以作为稳压器，控制输出电压来保护负载设备。
6.电力因数校正：晶闸管可以用于改善电力系统的功率因数，提高系统效率。
7.电流开关：晶闸管可以用于过电流保护，当电流超过预设值时，晶闸管将自动关断以保护电路和设备。
晶闸管工作的原理及应用
晶闸管工作的原理及应用1. 晶闸管的基本原理晶闸管是一种半导体器件，通过控制晶闸管的阀值电压和触发电流，可以实现对电流的控制。
它具有双向导电性和开关特性，广泛应用于电力控制、调速、变频等领域。
1.1 结构晶闸管由四个半导体材料P-N-P-N组成，形成三个P-N结。
其中，P-N结1和P-N结3称为大型P-N结，P-N结2称为小型P-N结。
晶闸管的主要结构包括P 型层、N型层、门极、触发极和阳极。
1.2 工作原理晶闸管的工作原理可以概括为以下几个过程：1.断态：当晶闸管的阳极电压低于阀值电压时，晶闸管处于断态，没有电流通过。
此时，晶闸管相当于两个二极管反向串联。
2.导通态：当晶闸管的阳极电压高于阀值电压，并且在控制极上施加了足够的正向触发电流时，晶闸管会进入导通态。
此时，晶闸管相当于一个低阻抗导通通道，允许电流从阳极流向阴极。
3.关断态：当晶闸管进入导通态，在没有外部触发信号的情况下，晶闸管会一直保持导通。
要将晶闸管从导通态转变为断态，需要在控制极上施加一个负向脉冲，称为关断触发。
1.3 特性晶闸管具有以下特点：•双向导电性：晶闸管可以实现正向和反向的导通，电流可以在两个方向上流动。
•可控性：通过调整控制极上的触发电流和门极电压，可以实现对晶闸管的导通和关断进行精确控制。
•耐压能力：晶闸管可以承受较高电压，适用于高压、大功率的电力控制系统。
2. 晶闸管的应用领域晶闸管由于其独特的工作原理和特性，在许多领域具有广泛的应用。
2.1 电力控制晶闸管被广泛应用于电力传输和分配系统中。
通过控制晶闸管的导通和关断，可以实现对电力的调控和分配，提高电网的稳定性和效率。
在电力系统中，晶闸管常用于交流调光、电炉控制、电力变换和电压调节等方面。
2.2 调速和变频晶闸管可以用于电机的调速和变频控制。
通过控制晶闸管的导通时间和关断时间，可以实现对电机转速的调节。
这种调速方式简单可靠，可以满足不同负载下的转速要求。
2.3 电子制冷晶闸管在电子制冷领域也得到了广泛应用。
晶闸管原理及应用
图3 阳极加反向电压 图4 阳极加正向电压
(2) 正向特性
当门极G开路,阳极A加上正向电压时(见图4),J1、J3结正偏,但J2结反偏,这与普通PN结的反向特性相似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状态,当电压增加,如图2的特性曲线OA段开始弯曲,弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:
Ia=IC1+IC2+ICO
(3) 触发导通
在门极G上加入正向电压时(如图5所示),因J3正偏,P2区的空穴进入N2区,N2区的电子进入P2区,形成触发电流IGT。在晶闸管的内部正反馈作用(如图2)的基础上,加上IGT的作用,使晶闸管提前导通,导致图2中的伏安特性OA段左移,IGT越大,特性左移越快。
图5 阳极和门极均加正向电压
由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2结发生雪崩倍增效应,在结区产生大量的电子和空穴,电子进入N1区,空穴进入P2区。进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合。同样,进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合，雪崩击穿后，进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉。这样，在N1区就有电子积累，在P2区就有空穴积累，结果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只要电流稍有增加,电压便迅速下降，出现所谓负阻特性，见图2中的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，晶闸管便进入正向导电状态——通态,此时，它的特性与普通的PN结正向特性相似，如图2的BC段。
晶闸管的工作原理与应用ppt课件
❖ GTO有能承受反压和不能承受反压两种类型， 在使 用时要特别注意。
❖ 不少GTO都制造成逆导型，类似于逆导晶闸管，需承 受反压时应和电力二极管串联 。
➢ 线性放大区： ➢ 准饱和区：
➢ 深饱和区：类似于开关的通态。
图1.5.3共发射极接法 时GTR的输出特性
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1.6 电力场效应晶体管
电力MOSFET
P沟道 N沟道
耗尽型： 增强型 耗尽型 增强型:
当栅极电压为零时漏 源极之间就存在导电 沟道；
对于N（P）沟道器件, 栅极电压大于（小于） 零时才存在导电沟道
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1.8.2 静电感应晶闸管（SITH）
➢ 它自1972年开始研制并生产； ➢ 优点：与GTO相比，SITH的通态电阻小、通态压
降低、开关速度快、损耗小及耐量高等； ➢ 应用：应用在直流调速系统，高频加热电源和开
关电源等领域； ➢ 缺点：SITH制造工艺复杂，成本高；
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1.8.3 MOS控制晶闸管（MCT）
电力半导体器件可以用切断或接通电流 的开关表示。
•
在图1.9.1中，T1、T2表示由两个电力
• 1.8.1 静电感应晶体管 • 1.8.2 静电感应晶闸管 • 1.8.3 MOS控制晶闸管 • 1.8.4 集成门极换流晶闸管 • 1.8.5 功率模块与功率集成电路
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1.8.1 静电感应晶体管（SIT）
➢ 它是一种多子导电的单极型器件，具有输出功率大、
输入阻抗高、开关特性好、热稳定性好、抗辐射能力 强等优点； ➢ 广泛用于高频感应加热设备(例如200kHz、200kW的 高频感应加热电源)。并适用于高音质音频放大器、 大功率中频广播发射机、电视发射机、差转机微波以 及空间技术等领域。
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（2）晶闸管的额定通态平均电流─额定电流IT(AV)
➢1）定义：在环境温度为40℃和规定的冷却条件下, 晶 ➢闸管在电阻性负载导通角不小于170°的单相工频正弦 ➢半波电路中, 当结温稳定且不超过额定结温时所允许的 ➢最大通态平均电流。
（1.3.3）
正弦半波电流的峰值
（1.3.4）
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（3）门极触发电流IGT和门极触发电压 UGT
在室温下，晶闸管加6V正向阳极电压时，使 元件完全导通所必须的最小门极电流，称为门极触发 电发流电I压GTU。G对T。应于门极触发电流的门极电压称为门极触
（4）通态平均电压UT(AV )
个门极有 G。两个主电极T1和T2，一
➢ 正反两方向均可触发 导通，所以双向晶闸管在 第Ｉ和第III象限有对称的 伏安特性。
图1.3.6 双向晶闸管的电气图 形符号和伏安特性
a) 电气图形符号 b) 伏安特性
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3. 逆导晶闸管 (RCT)
➢将晶闸管反并联一个二极管制作在同一管芯上 的功率集成器件。
➢ 在选用晶闸管额定电流时，根据实际最大的电流计算 后至少还要乘以1.5～2的安全系数，使其有一定的电流 裕量。
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2） IT(AV)计算方法：
根据额定电流的定义可知，额定通态平均电流是指在通以单相工 频正弦波电流时的允许最大平均电流。
额定电流(平均电流)为： 额定电流有效值为：
晶闸管的工作原理与应 用
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2020年4月14日星期二
项目一 认识晶闸管和单结晶体管
• 1.1.1 晶闸管及其工作原理 • 1.1.2 晶闸管的特性与主要参数 • 1.1.3 晶闸管的派生器件
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1.1 、晶闸管
晶闸管(Thyristor)包括：普通晶闸管(SCR)、快速
晶闸管(FST)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT) 、
可关断晶闸管(GTO) 和光控晶闸管等。
普通晶闸管：也称可控硅整流管(Silicon Rectifier), 简称SCR。
Controlled
由于它电流容量大,电压耐量高以及开通的可控性( 目前生产水平：4500A/8000V)已被广泛应用于相控整流 、逆变、交流调压、直流变换等领域, 成为特大功率低频 (200Hz以下)装置中的主要器件。
在规定环境温度、标准散热条件下， 元件通以 正弦半波额定电流时，阳极与阴极间电压降的平均值 ，称通态平均电压(又称管压降)
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（5）维持电流ＩＨ 和掣住电流ＩL
• 1）维持电流ＩＨ： 在室温下门极断开时，元件从较大的通态电流降至刚好 能保持导通的最小阳极电流为维持电流ＩH 。 • 2）掣住电流ＩL ：
给晶闸管门极加上触发电压，当元件刚从阻断状态转 为导通状态就撤除触发电压，此时元件维持导通所需要 的最小阳极电流称掣住电流ＩL。
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1.3.3 晶闸管的派生器件
1. 快速晶闸管(Fast Switching Thyristor—FST
➢ 可允许开关频率在400HZ以上工作的晶闸管称为快速晶
闸管(Fast Switching Thyristor，简称FST)，开关频率在 10KHZ 以上的称为高频晶闸管。 ➢ 快速晶闸管为了提高开关速度，其硅片厚度做得比普通 晶闸管薄，因此承受正反向阻断重复峰值电压较低，一般 在2000V以下。
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2. 双向晶闸管(TRIAC)
图1.1.3 晶闸管的内部结构和等效电路
(1)导通：阳极施加正向电压;
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门极G也加正向电压
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1.3.2 晶闸管的特性与主要参数
１. 晶闸管的伏安特性 ：
定义：晶闸管阳极与阴极之 间的电压Ua与阳极电流Ia的关 系曲线称为晶闸管的伏安特 性。
1.4 可关断晶闸管
➢ 可关断晶闸管(Gate-Turn-Off Thyristor)简称GTO。 ➢ 它具有普通晶闸管的全部优点，如耐 压高，电流大等。同时它又是全控型器件， 即在门极正脉冲电流触发下导通，在负脉冲 电流触发下关断。
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1、可关断晶闸管的结构 PNPN四层半导体结构，外部引出阳极、阴极和门 极
4. 光控晶闸管(LTT)
勇于开始，才能找到成 功的路
1)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。
❖2）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。
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第一象限是正向特性、第 三象限是反向特性。
勇于开始，才能找到成 功的路
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• 图1.3.4 晶闸管阳极伏安特性
2. 晶闸管的开关特性
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1.3.5 晶闸管的开通和关断过程波形
3. 晶闸管的主要特性参数
（1）晶闸管的重复峰值电压─额定电压Ute 1）正向重复峰值电压UDRM : 2）反向重复峰值电压URRM : 3）晶闸管铭牌标注的额定电压通常取UDRM
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1.1.1 晶闸管及其工作原理
1、晶闸管的结构：
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常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
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平板型晶闸管外形及结构
2、晶闸管的工作原理
晶闸管(单向导电性),导通条件为阳极正偏和门极加正向触发电流。
图1.4.1 GTO的内部结构和电气图形符号 (a) 各单元的阴极、门极间隔排列的图形 ( b) 并联单元结构断面示意图
(c) 电气图形符号
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• 2、可关断晶闸管的工作原理
1）GTO的导通机理与SCR是相同的。 2）在关断机理上与SCR是不同的。门极加负脉 冲即从门极抽出电流(即抽取饱和导通时储存的 大量载流子)，强烈正反馈使器件退出饱和而关 断。