电子元器件知识晶闸管.docx

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电子元器件知识晶闸管

电子元器件知识—晶闸管

晶闸管在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

晶闸管是晶体闸流管的简称，又叫可控硅；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：

阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管的分类

按关断、导通及控制方式分类类

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

按引脚和极性分类

　　晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

按封装形式分类

　　晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。

其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

按电流容量分类

　　晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。

通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

按关断速度分类

　　晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。

（备注：

高频不能等同于快速晶闸管）

工作原理

　　晶闸管是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如下图，晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

　　晶闸管的工作条件：

　　1.晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于反向阻断状态

　　2.晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。

这时晶闸管处于正向导通状态,这就是晶闸管的闸流特性,即可控特性.

　　3.晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。

门极只起触发作用

　　4.晶闸管在导通情况下，当主回路电压（或电流）减小到接近于零时，晶闸管关断。

晶闸管的双晶体管模型及其工作原理

a）双晶体管模型b）等效电路

晶闸管的基本特性

1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

IG2>IG1>IG

IG=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Ubo，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IH以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。

IH称为维持电流。

晶闸管上施加反向电压时，伏安特性类似二极管的反向特性；

阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端；

晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管，从阴极流出，门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。

晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3，其伏安特性称为门极伏安特性，如图4所示。

图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区；图中阴影部分为不触发区；图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区。

为保证可靠、安全的触发，触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。

图4晶闸管门极伏安特性

2动态特性

晶闸管的动态特性主要是指晶闸管的开通与关断过程，动态特性如图5所示。

图5晶闸管的开通和关断过程波形

开通过程:

开通时间

包括延迟时间

与上升时间

，即

（6）

延迟时间

：

门极电流阶跃时刻开始，到阳极电流上升到稳态值的10%的时间

上升时间

：

阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间

普通晶闸管延迟时间为～，上升时间为～3ms

关断过程:

关断时间

：

包括反向阻断恢复时间

与正向阻断恢复时间

，即

（7）

普通晶闸管的关断时间约几百微秒。

反向阻断恢复时间

：

正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间

正向阻断恢复时间

：

晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间

注:

1）在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会重新正向导通

2）实际应用中，应对晶闸管施加足够长时间的反向电压，使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力，电路才能可靠工作

晶闸管的主要参数

1电压定额

1）断态重复峰值电压

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

2）反向重复峰值电压

——在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

3）通态（峰值）电压

——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。

通常取晶闸管的

和

中较小的标值作为该器件的额定电压。

选用时，额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍

2电流定额

1）通态平均电流

（额定电流）

额定电流---晶闸管在环境温度为40oC和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

举例说明：

使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管，应留一定的裕量，一般取～2倍

2）维持电流

——使晶闸管维持导通所必需的最小电流

一般为几十到几百毫安，与结温有关，结温越高，则

越小

3）擎住电流

晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后，能维持导通所需的最小电流

对同一晶闸管来说，通常

约为IH的2～4倍

4）浪涌电流

指由于电路异常情况引起的并使结温超过

额定结温的不重复性最大正向过载电流

3动态参数

除开通时间

包括延迟时间

外，还有：

1）断态电压临界上升率

指在额定结温和门极开路的情况下，不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时，相当于一个电容的J2结会有充电电流流过，被称为位移电流。

此电流流经J3结时，起到类似门极触发电流的作用。

如果电压上升率过大，使充电电流足够大，就会使晶闸管误导通。

2）通态电流临界上升率

——指在规定条件下，晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。

如果电流上升太快，则晶闸管刚开通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，从而造成局部过热而使晶闸管损坏。

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二极管用晶闸管代替，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。

一、

阻性负载

图接电阻性负载的单相半波可控整流电路

图是接电阻性负载的单相半波可控整流电路，负载电阻为RL。

从图可见，在输入交流电压u的正半周时，晶闸管T承受正向电压，如图（a）。

假如在t1时刻给控制极加上触发脉冲如图（b），晶闸管导通，负载上得到电压。

当交流电压u下降到接近于零值时，晶闸管正向电流小于维持电流而关断。

在电压u原负半周时，晶闸管承受反向电压，不可能导通，负载电压和电流均为零。

在第二个正半周内，再在相应的t2时刻加入触发脉冲，晶闸管再行导通。

这样，在负载RL上就可以得到如图（c）所示的电压波形。

图（d）所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压，其最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值

U。

图接电阻性负载时单相半波

可控整流电路的电压与电流波形

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。

晶闸管在正向电压下不导通的电角度为控制角（又称移相角），用α表示，而导通的电角度则称为导通角，用θ表示如图（c）。

很显然，导通角θ愈大，输出电压愈高。

整流输出电压的平均值可以用控制角表示，即

（）

从式（）看出，当α=0时（θ=180o）晶闸管在正半周全导通，UO=，输出电压最高，相当于不可控二极管单相半波整流电压。

若α=180o，U0=0，这时

=0，晶闸管全关断。

根据欧姆定律，电阻负载中整流电流的平均值为

此电流即为通过晶闸管的平均电流。

二、电感性负载与续流二极管

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，象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。

图接电感性负载的可控整流电路

电感性负载可用串联的电感元件L和电阻元件R表示（图）。

当晶闸管刚触发导通时，电感元件中产生阻碍电流变化的感应电动势（其极性在图中为上正下负），电路中电流不能跃变，将由零逐渐上升如图（a），当电流到达最大值时，感应电动势为零，而后电流减小，电动势eL也就改变极性，在图中为下正上负。

此后，在交流电压u到达零值之前，eL和u极性相同，晶闸管当然导通。

即使电压u经过零值变负之后，只要eL大于u，晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通，如图（a）。

只要电流大于维持电流时，晶闸管不能关断，负载上出现了负电压。

当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能关断，并且立即承受反向电压，如图（b）所示。

综上可见，在单相半波可控整流电路接电感性负载时，晶闸管导通角θ将大于（180o-α）。

负载电感愈大，导通角θ愈大，在一个周期中负载上负电压所占的比重就愈大，整流输出电压和电流的平均值就愈小。

为了使晶闸管在电源电压u降到零值时能及时关断，使负载上不出现负电

压，必须采取相应措施。

我们可以在电感性负载两端并联一个二极管D来解决上述出现的问题，如图。

当交流电压u过零值变负后，二极管因承受正向电压而导通，于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。

因此这个二极管称为续流二极管。

图接电感性负载时单相半波可控整流电路

的电压与电流波形

图电感性负载并联续流二极管

这时负载两端电压近似为零，晶闸管因承受反向电压而关断。

负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。

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。

在变压器副边电压u的正半周（a端为正）时，T1和D2承受正向电压。

这时如对晶闸管T1引入触发信号，则T1和D2导通，电流的通路为

a→T1→RL→D2→b

图电阻性负载的单相半控桥式整流电路

这时T2和D1都因承受反向电压而截止。

同样，在电压u的负半周时，T2和D1承受正向电压。

这时，如对晶闸管T2引入触发信号，则T2和D1导通，电流的通路为：

b→T2→RL→D1→a

图电阻性负载时单相半控桥式

整流电路的电压与电流的波形

这时T1和D2处于截止状态。

电压与电流的波形如图所示。

显然，与单相半波整流[图（c）相比，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即

输出电流的平均值为

例有一纯电阻负载，需要可调的直流电源：

电压U0=0~180V，电流I0=0~6A。

现采用单相半控桥式整流电路图，试求交流电压的有效值，并选择整流元件。

解设晶闸管导通角θ为180o（控制角α=0）时，U0=180V，I0=6A。

交流电压有效值

实际上还要考虑电网电压波动、管压降以及导通角常常到不了180o（一般只有160o~170o左右）等因素，交流电压要比上述计算而得到的值适当加大10％左右，即大约为220V。

因此，在本例中可以不用整流变压器，直接接到220V的交流电源上。

晶闸管所承受的最高正向电压UFM、最高反向电压URM和二极管所承受的最高反向电压都等于

流过晶闸管和二极管的平均电流是

为了保证晶闸管在出现瞬时过电压时不致损坏，通常根据下式选取晶闸管的UFRM和URRM：

UFRM≥（2-3）UFM=（2-3）×310V=（620-930）V

URRM≥（2-3）URM=（2-3）×310V=（620-930）V

根据上面计算，晶闸管可先用KP5-7型，二极管可先用2CZ5/300型。

因为二极管的反向工作峰值电压一般是取反向击穿电压的一半，已有较大余量，所以选300V已足够。

晶闸管的保护

晶闸管虽然具有很多优点，但是，它们承受过电压和过电流的能力很差，这是晶闸管的主要弱点，因此，在各种晶闸管装置中必须采取适当的保护措施。

一、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所列。

这就是说，当100A的晶闸管过电流为400A时，仅允许持续，否则将因过热而损坏。

由此可知，晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以，过电流保护的作用就在于当发生过电流时，在通的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。

晶闸管过电流保护措施有下列几种：

（1）快速熔断器

普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。

因此必须采用用于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。

表晶闸管的过载时间和过载倍数的关系

过载时间

5s

5min

过载倍数

4

2

图快速熔断器的接入方式

快速熔断器的接入方式有三种，如图所示。

其一是快速熔断器接在输出（负载）端，这种接法对输出回路的过载或短路起保护作用，但对元件本身故障引起的过电流不起保护作用。

其二是快速熔断器与元件串联，可以对元件本身的故障进行保护。

以上两种接法一般需要同时采用。

第三种接法是快速熔断器接在输入端，这样可以同时对输出端短路和元件短路实现保护，但是熔断器熔断之后，不能立即判断是什么故障。

熔断器的电流定额应该尽量接近实际工作电流的有效值，而不是按所保护的元件的电流定额（平均值）选取。

（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。

这种保护措施对过载是有效的，但是在发生短路故障时，由于过电流继电器的动作及自动开关的跳闸都需要一定时间，如果短路电流比较大，这种保护方法不很有效。

（3）过流截止保护

利用过电流的信号将晶闸管的触发脉冲移后，使晶闸管的导通角减小或者停止触发。

二、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。

引起过电压的主要原因，是因为电路中一般都接有电感元件。

在切断或接通电路时，从一个元件导通转换到另一个元件导通时，以及熔断器熔断时，电路中的电压往往都会超过正常值。

有时雷击也会引起过电压。

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，如图所示。

阻容吸收元件与硒堆保护

（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，而且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，也可以和阻容元件并联使用。