第六章晶闸管及其应用
第6章晶闸管及其应用
第6章晶闸管及其应用
6.2 可控整流电路6.2.1单相半波可控整流
1.电阻性负载
(1) 电路
(2)工作原理
(3)工作波形
接电阻负载时
单相半波可控整流电路电压、电流波形
(4)整流输出电压及电流的平均值
2.电感性负载与续流二极管
(1)电路
在电感性负载中,当晶闸管刚触发导通时，电感元件上产生阻碍电流变化的感应电势(极性如
图)，电流不能跃变，将由零逐渐上升(见波形)。
当电压u过零后，由于电感反电动势的存在，晶闸管在一段时间内仍维持导通，失去单向导电作用。
2)工作波形(未加续流二极管)
3.电感性负载(加续流二极管)
(1)电路
u>0时：
????D反向截止，不影响整流电路工作。
u<0时：
D正向导通,晶闸管承受反向电压关断,电感元件L释放能量形成的电流经D构成回路(续流),负载电压u o波形与电阻性负载相同(见波形图)。
(2)工作波形(加续流二极管)
6.2.2单相半控桥式整流电路
3.工作波形
4.输出电压及电流的平均值
6.2.3三相半波可控整流电路。
晶闸管的原理及应用
晶闸管的原理及应用1. 晶闸管的原理晶闸管是一种半导体器件，其工作原理基于PN结的导通与截止特性。
晶闸管由四层PNPN结构组成，其中的P1-N1和N2-P2结称为控制结，而P2-N2结称为工作结。
晶闸管的工作原理可以分为两个状态：触发和导通。
1.1 触发状态在触发状态下，当控制结接受到一个正向脉冲电压时，会导致控制结内的正电荷的积累，从而降低控制结内的屏蔽电压。
一旦屏蔽电压降低到一定程度，晶闸管会进入导通状态。
1.2 导通状态在导通状态下，晶闸管的P2-N2结中的准电子可以移动到N2区域，将晶闸管的内部转变为一个低阻抗通路。
此时，只要存在足够的电流注入，晶闸管就能保持导通状态。
2. 晶闸管的应用晶闸管作为一种重要的半导体器件，广泛应用于各种电子电路中。
以下是晶闸管应用的一些常见场景：•电能调节：晶闸管可用于控制大功率电流，实现电力传输的调节，例如在工厂中用于控制电机的启停和速度调节。
•直流电动机驱动：晶闸管可以作为直流电动机的电流控制装置，通过控制晶闸管的导通时间和关断时间，可以调节直流电动机的转速。
•交流电源控制：晶闸管可用于交流电源的控制，例如用于电子变压器的调节。
•逆变器：晶闸管逆变器是将直流电压转换为交流电压的关键组成部分，广泛应用于太阳能和风能发电等领域。
•发光器件驱动：晶闸管可以用于驱动各种发光器件，如LED等。
•温度控制：通过控制晶闸管的导通时间和关断时间，可以实现温度控制，例如烤箱和电熨斗等家电产品中的温度控制。
3. 总结晶闸管是一种重要的半导体器件，其工作原理基于PN结的导通与截止特性。
它在电力调节、直流电机驱动、交流电源控制、逆变器、发光器件驱动和温度控制等领域都有重要的应用。
通过掌握晶闸管的原理及应用，可以更好地理解和应用该器件，实现各种电子电路的设计与控制。
以上就是晶闸管的原理及应用的介绍。
希望对你有所帮助！。
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。
《晶闸管及其应用》课件
《晶闸管及其应用》PPT课件
目 录
• 晶闸管简介 • 晶闸管类型与参数 • 晶闸管应用 • 晶闸管电路设计 • 晶闸管使用注意事项
01
晶闸管简介
晶闸管定义
总结词
晶闸管是一种大功率半导体器件，具有单向导电性。
详细描述
晶闸管是一种由半导体材料制成的电子器件，其工作原理基于半导体的PN结。 它具有单向导电性，即只允许电流在一个方向上流动，而在另一个方向上则截 止。
详细描述
晶闸管作为电力电子器件，在电力系统、工业自动化、新能源等领域发挥着重要作用。通过整流技术，可以将交 流电转换为直流电，满足各种电子设备和电器的需求。逆变技术则将直流电转换为交流电，用于驱动电机、照明 等设备。此外，晶闸管还可以用于开关电路，实现电源的通断控制。
电机控制应用
总结词
晶闸管在电机控制领域应用广泛，可以实现电机的调速和正反转控制。
斩波电路设计
总结词
斩波电路是利用晶闸管快速导通和关断特性 ，将直流电转换为脉冲信号的电路。
详细描述
斩波电路设计主要考虑晶闸管的触发角、关 断角和脉冲宽度等因素，以实现斩波效果。 斩波电路常用于调节电源的输出电压或电流 ，以达到节能或调节系统性能的目的。
05
晶闸管使用注意事项
安全操作注意事项
01 操作前应穿戴好防护用具，确保工作区域 安全。
晶闸管工作原理
总结词
晶闸管由P1、N1、P2、N2四个层构成，利用内部电荷的移 动实现电流的控制。
详细描述
晶闸管由P型半导体和N型半导体交错排列形成P1、N1、P2 、N2四个层。当晶闸管两端加上正向电压时，空穴和电子分 别在P1层和N1层中形成，并形成电流。当晶闸管两端加上反 向电压时，空穴和电子在P2层和N2层中形成，但由于内部电 荷的移动被阻止，电流无法通过。
晶闸管及其应用《模拟电子技术基础》课件(全集)
利用逆变技术将直流电转换为交流 电，为电子设备提供电源。
04
04 晶闸管与其他电子元件的 比较
与二极管的比较
总结词
二极管与晶闸管在结构和工作原理上存在显著差异。
详细描述
二极管是由一个PN结组成的半导体器件，具有单向导电性，主要用于整流、检波和保护等电路中。而 晶闸管则是由三个PN结组成的半导体器件，具有可控的单向导电性，主要用于可控整流、开关和调压 等电路中。
晶闸管工作原理
总结词
晶闸管通过控制门极电压实现对其通断的控制。
详细描述
当在晶闸管的门极施加适当的正向电压时，晶闸管内部的空穴和电子在强电场的作用下分别向阴极和阳极运动， 形成正向电流。这个电流使晶闸管内部的PN结处于导通状态，允许电流通过。当门极施加反向电压时，晶闸管 内部的PN结处于截止状态，电流无法通过。
未来展望与研究方向
新材料与新工艺
研究新型半导体材料和制程技术，提高 晶闸管的性能和可靠性，以满足不断发
展的应用需求。
集成化与模块化
推动晶闸管的集成化和模块化发展， 简化电路设计和系统搭建，降低成本
并提高可靠性。
高频率、大容量
研究实现更高工作频率和更大容量的 晶闸管，提升电力电子系统的转换效 率和应用范围。
1970-1980年代
随着电力电子技术的快速发展，晶闸管在变频器、 电机控制等领域得到广泛应用。
ABCD
1950-1960年代
晶闸管技术逐渐成熟，开始应用于工业控制和电 力电子领域。
1990年代至今
晶闸管技术不断创新，新型材料和工艺的应用提 高了其性能和可靠性，拓宽了应用领域。
晶闸管的应用前景
新能源领域
02 晶闸管特性
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。
晶闸管及其应用
同学：用万用表可以区分晶闸管的三个电极吗?怎样测试晶闸管的好坏呢?
老师：普通晶闸管的三个电极可以用万用表欧姆挡R×100挡位来测。大家知道，晶闸管G、K之间是一个PN结〔图2(a)〕，相当于一个二极管，G为正极、K为负极，所以，按照测试二极管的方法，找出三个极中的两个极，测它的正、反向电阻，电阻小时，万用表黑表笔接的是控制极G，红表笔接的是阴极K，剩下的一个就是阳极A了。测试晶闸管的好坏，可以用刚才演示用的示教板电路(图3)。接通电源开关S，按一下按钮开关SB，灯泡发光就是好的，不发光就是坏的。
若发射极电压UE<UA，二极管VD截止；当UE大于单结晶体管的峰点电压UP(UP=UD＋UA)时，二极管VD导通，发射极电流IE注入RB1，使RB1的阻值急剧变小，E点电位UE随之下降，出现了IE增大UE反而降低的现象，称为负阻效应。发射极电流IE继续增加，发射极电压UE不断下降，当UE下降到谷点电压UV以下时，单结晶体管就进入截止状态。
来，通过开关S接在直流电源上。注意阳极A是接电源的正极，阴极K接电源的负极，控制极G通过按钮开关SB接在3V直流电源的正极(这里使用的是KP5型晶闸管，若采用KP1型，应接在1.5V直流电源的正极)。晶闸管与电源的这种连接方式叫做正向连接，也就是说，给晶闸管阳极和控制极所加的都是正向电压。现在我们合上电源开关S，小灯泡不亮，说明晶闸管没有导通；再按一下按钮开关SB，给控制极输入一个触发电压，小灯泡亮了，说明晶闸管导通了。这个演示实验给了我们什么启发呢?
同学：在桥式整流电路中，把二极管都换成晶闸管是不是就成了可控整流电路了呢?
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电流小于维持电流IH 2. 阳极与阴极间的电压减小为零 3.将阳极和阴极间加反相电压
三、主要参数
UFRM: 正向重复峰值电压（晶闸管耐压值） 晶闸管控制极开路且正向阻断情况下,允
许重复加在晶闸管两端的正向峰值电压。
一般取UFRM = 80% UB0 。 普通晶闸管 UFRM 为100V — 3000V URRM：反向重复峰值电压 控制极开路时,允许重复作用在晶闸管元
一般UG为1到5V，IG为几十到几百毫安。
四、晶闸管型号及其含义
国产晶闸管的型号有两种表示方法, 即KP系列 和3CT系列。
额定通态平均电流的系列为1、 5、 10、 20、 30、 50、 100、 200、 300、 400、 500、 600、 900、 1000(A)等14种规格。
额定电压在1000 V以下的, 每100 V为一级; 1000 V到3000 V的每200 V为一级, 用百位数 或千位及百位数组合表示级数。
(4) 由图6.3(f)得出, 要使导通的晶闸管关断, 必须 把正向阳极电压降低到一定值才能关断。
晶闸管导通的条件： 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。
(5) 在(4)基础上, 断开S, 灯泡仍亮, 称之为维持导通, 如图6.3(e)所示。
(6) 在(5)基础上, 逐渐减小UAA, 灯泡亮度变暗, 直到熄 灭, 如图6.3(f)所示。
(7) UGG反向, UAA正向, 灯泡不亮, 称之为反向触发, 如 图6.3(g)所示。
(8) UGG反向, UAA反向, 灯泡仍不亮, 如图6.3(h)所示。
件上的反向峰值电压。
一般取 URRM = 80% UBR 普通晶闸管 URRM为100V—3000V
IF：正向平均电流
环境温度为40C及标准散热条件下，晶闸
管处于全导通时可以连续0 I的m最si大n值td为(Imt,)
则 Im
π
i
IF
应用领域： • 整流（交流 直流） • 逆变（直流 交流）
• 变频（交流 交流） • 斩波（直流 直流）
此外还可作无触点开关等。
一、晶闸管的结构、符号
结构
A（阳极）
三
四
P1
个
层 半
N1
PN 结
导 体
P2
G（控制极）
符号
N2
K（阴极）
A
A
+
A
P1
P
IA
P1 N1
G
N1 P2 G
N P
N P
2
t
普通晶闸管IF为1A — 1000A。
IH: 维持电流 在规定的环境和控制极断路时，晶闸管维持导
通状态所必须的最小电流。
一般IH为几十 ~ 一百多毫安。
UF: 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、阴极间的电压平均值。
一般为1V左右。
UG、IG：控制极触发电压和电流 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 。
3CT系列表示参数的方式如图所示。
3 CT
表示正向阻断峰值电压（V） 表示额定正向平均电流（A） 表示晶闸管元件 表示N型硅材料 表示3个电极
CT系列参数表示方式
KP
导通时平均电压组别 共九级, 用字母A~I表示0.4~1.2V
额定电压,用百位或千位数表示
取UFRM或URRM较小者
额定正向平均电流(IF)
二、晶闸管的工作特性
演示电路及操作过程 1) 演示电路
a
R
＋ UGG
－
Sg k
晶闸管连接图
＋
UAA －
(1) 阳极与阴极之间通过灯泡接电源UAA。 (2) 控制极与阴极之间通过电阻R及开关S接控制电 源(触发信号)UGG。 2） 操作过程及现象
(1) S断开, UGK=0, UAA为正向, 灯泡不亮, 称之为正 向阻断， 如图6.3(a)所示。
(2) S断开, UGK=0, UAA为反向, 灯泡不亮, 如图6.3(b) 所示。
(3) S合上, UGK为正向, UAA为反向, 灯泡不亮, 称之 为反向阻断, 如图6.3(c)所示。
R
＋ UGG
－
S
(a)
R
＋ UGG
－
S
(c)
＋
UAA －
UGG
R ＋
－
S
(b)
－
UAA ＋
UGG
R ＋
－
S
(d)
－ UAA
＋
＋ UAA
－
R ＋ UGG －
R － UGG ＋
S
(e)
S
(g)
R ＋
UAA
＋
－
UGG
－
亮
S
暗
灭
(f)
＋
R
UAA
－
－
UGG
＋
图 6.3 晶闸管工作示意图
S
(h)
＋ UAA
－
－ UAA
＋
(4) S合上, UGK为正向, UAA为正向, 灯泡亮, 称之为触 发导通, 如图6.3(d)所示。
第六章 晶闸管及其应用
6.1 晶闸管
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、效率高、动作迅速、维修简单、操作方
便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、正向耐压 达数千伏）。
3） 现象分析及结论 (1) 由图6.3(c)、 (d)得出, 晶闸管具有单向导电性。 (2) 由图(a)、 (b)、 (d) 、 (g)、 (h)得出, 只有在控 制极加上正向电压的前提下, 晶闸管的单向导电性才得 以实现。
(3) 由图6.3(e)得出, 导通的晶闸管即使去掉控制 极电压, 仍维持导通状态。
P2
G
IG
T1 P2
N1 T2
N2
N
N2 IK
_K
K K
晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合
常见晶闸管外形
阳极a
控制极g 阳极a
k g
阴极k
k g
V
a
阴极k
a
控制极g
kag
(a)
(b)
(c)
(d)
图6.2
(a) 螺栓式； (b) 平板式； (c) 塑封式； (d) 符号
2． 类型
可控硅按其容量有大、 中、 小功率管之分, 一般认为电流容量大于50 A为大功率管, 5 A以下 则为小功率管, 小功率可控硅触发电压为1 V左右, 触发电流为零点几到几毫安, 中功率以上的触发 电压为几伏到几十伏, 电流几十到几百毫安。 按 其控制特性, 有单向可控硅和双向可控硅之分。