1、项目一项目一 调光控制电路调光控制电路http:/ 调光电路在日常生活中应用非常广泛，常见的调光电路就是简易调光灯，旋转调光旋钮就可以调节灯泡的亮度，其本质是改变通过灯泡的电流大小(所加电压大小)来达到调节亮度的目的。调光的方法有可变电阻调光法、调压器调光法、脉冲占空比调光法、晶闸管相控调光法、PWM调光法等。本项目主要讲授晶闸管相控调光法进行调设计。晶闸管相控调光是通过控制晶闸管触发脉冲，改变晶闸管导通时间来改变电路输出电压，使加在灯泡两端的电压发生改变，从而实现调光。学习任务学习任务 一、器件学习：一、器件学习：1、电力二极管、电力二极管（补充）（补充）2、单结晶体管、单结晶体管 3、晶闸
2、管、晶闸管 二、变流技术：二、变流技术：单相整流单相整流 1 不可控器件不可控器件电力二极管电力二极管 1）电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理 2）电力二极管的基本特性电力二极管的基本特性 3）电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数 4）电力二极管的主要类型电力二极管的主要类型也被称为半导体半导体整流器整流器(SR),1950s初期获得应用，其结构和原理简单，简单，工作可靠工作可靠，具有具有整流整流、续流、隔离和保护、续流、隔离和保护等作用。其主要类型有普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管。直到现在仍然大量应用于许多电气设备当中大量应用于许多电气设备当中,特别是其中的快恢复二极管快恢
3、复二极管和和肖特基二极管肖特基二极管，分别在中、高频整流和逆变，分别在中、高频整流和逆变，以及低压高频整流的场合，以及低压高频整流的场合，具有不可替代的地位。具有不可替代的地位。整流二极管及模块电力二极管（Power Diode）AKAKa)IKAPNJb)c)AK1）电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理电力二极管的基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管是一样的，都以半导都以半导体体PN结结为基础的，为基础的，但要注意散热散热。从外形上看从外形上看，主要有，主要有螺螺栓型栓型(安装方便)、平板型平板型(散热好)两种封装。两种封装。它它实际上是由一个面积较大的实际上是由一个面积较大的PN
4、结结和和两端引线两端引线(阳极阳极A和和阴极阴极K)封装而成。图1-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a)外形 b)基本结构 c)电气图形符号1）电力二极管的工作原理电力二极管的工作原理电力电力二极管的基本原理二极管的基本原理 扩散扩散和漂移漂移运动形成了PN结 PN结的单向导电性结的单向导电性 正向导通正向导通：PN结外加正向电压（结外加正向电压（A+,K-正向偏置正向偏置）时，形成自）时，形成自P区区流入、流入、N区流出的电流，称为区流出的电流，称为正向电流正向电流IF。此时，此时，PN结表结表现为低阻态，现为低阻态，IF较大，导通压降在较大，导通压降在1V左右左右 反向截止反向截
5、止：当当PN结外加反向电压（反向偏置）时，结外加反向电压（反向偏置）时，PN结表现为结表现为高高阻态阻态，几乎没有几乎没有电流流过。电流流过。当增大反向电压会怎样？当增大反向电压会怎样？反向击穿：反向击穿：PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，进而击穿。过大，反向电流将会急剧增大，进而击穿。按照机理不同有按照机理不同有雪崩击穿（雪崩击穿（一次击穿一次击穿）和和齐纳击穿齐纳击穿（二次击穿二次击穿）两种形式两种形式。反向击穿（反向击穿（雪崩击穿雪崩击穿）发生时，若采取了措施将反）发生时，若采取了措施将反向电流限制在一
6、定范围内，向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态，结仍可恢复原来的状态，若不限制，当反向电流和反向电压的乘积超过若不限制，当反向电流和反向电压的乘积超过PN结耗散结耗散功率，就会因热量散发不出去而导致功率，就会因热量散发不出去而导致PN结温度上升，直结温度上升，直至过热而烧毁，这就是至过热而烧毁，这就是热击穿热击穿（齐纳击穿）（齐纳击穿）。PN结的电容效应结的电容效应 PN结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应结中的电荷量随外加电压而变化，呈现电容效应，称为称为结电容结电容CJ，又称为，又称为微分电容微分电容 按其产生机制和作用的差别分为按其产生机制和作用的差别分为势垒电容势垒电
7、容CB和和扩散电扩散电容容CD。势垒电容只在外加电压变化时才起作用势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正当正向电压较低时，就以势垒电容为主。向电压较低时，就以势垒电容为主。扩散电容仅在正向偏置时起作用扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。扩散电容为结电容主要成分。结电容影响结电容影响PN结的结的工作频率工作频率，特别是在，特别是在高速开关的状高速开关的状态态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工
8、作。2）电力电力二极管二极管的基本特性的基本特性(为静态特性和动态特性)1）静态特性静态特性 主要是指其主要是指其伏安特性。如图伏安特性。如图 当所加正向电压大到一定值（当所加正向电压大到一定值（门槛门槛电压或死区电压电压或死区电压UTO），正向电流才开），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。始明显增加，处于稳定导通状态。与与IF对应的电力二极管两端的电压即对应的电力二极管两端的电压即为其为其正向电压降正向电压降UF。当当承受反向电压时，只有承受反向电压时，只有少子少子 引引起的微小而数值恒定的起的微小而数值恒定的反向漏电流反向漏电流。IOIFUTOUFU图1.2 电力二极管的伏安特性2
9、）动态特性）动态特性 因为结电容的存在，电力二极管在零偏置、正向偏置和反向偏置这三个状态之间转换时，必然经历一个过渡过程。在这些过渡过程中，PN结的一些区域需要一定时间来调整其带电状态，因而其电压-电流特性不能用前面的伏安特性来描述，而是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性过程的开关特性。这个概念虽然由电力二极管引出，但可以推广到其他各种电力电子器件。2）电力二极管的基本特性）电力二极管的基本特性a)IFUFtFt0trrtdtft1t2tURURPIRdiFdtdiRdt电力二极管的动态过程波形a)正向偏置转
10、换为反向偏置 2）动态特性 由正向偏置转换为反向偏置时的动态过程波形如图 tF时刻外加电压由突然正向改为反向电压，电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。延迟时间：td=t1-t0 电流下降时间：tf=t2-t1 反向恢复时间：trr=td+tf 恢复系 数，Sr=tf/tdt0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻UFPuiiFuFtfrt02V由零偏置转换为正向偏置 电力二极管的正向电压也会先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压
11、降的某个值（如2V）。这一动态过程时间称为正向恢复时间tfr 。出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。电力二极管的动态过程波形 b)零偏置转换为正向偏置 电力二极管的状态电力二极管的状态可概括为下表：状态状态参数参数 正向导通正向导通 反向截止反向截止 反向击穿反向击穿 电流电流大大几乎为几乎为0大大电压电压约约1V高高高高阻态阻态低阻态低阻态高阻态高阻态3）电力二极管的主要参数电力二极管的主要参数1）正向平均电流正向平均电流IF(AV)在指定的管壳温度
12、（简称壳温，用在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件表示）和散热条件下，其允许流过的最大下，其允许流过的最大工频正弦半波电流工频正弦半波电流的平均值。的平均值。通常通常IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，而发热效应是按照电流的发热效应来定义的，而发热效应由由电流有效值电流有效值决定，决定，使用时应按使用时应按有效值相等有效值相等的原则来选的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量取电流定额，并应留有一定的裕量。2）正向管压降正向管压降UF 指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正稳态正向电流向电流时对应的正向压降，通常时对应的正向压
13、降，通常约为约为1V。3）反向重复峰值电压反向重复峰值电压URRM 指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。通常是通常是雪崩击雪崩击穿电压的穿电压的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压反向最高峰值电压的的两倍两倍来选定来选定此项参数此项参数。4）最高工作结温最高工作结温TJM 结温是指管芯结温是指管芯PN结的平均温度，用结的平均温度，用TJ表示。表示。最高工作结温是指在最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的结不致损坏的前提下所能承受的最高平均最高平均温度温度。T
14、JM通常在通常在125175 C范围之内。范围之内。5）反向恢复时间反向恢复时间trr 电力二极管从导通到阻断的过程中，二极管中会流过一定的负电流。从电力 二极管电流下降到零开始，直至再次回到零所需时间称为反向恢复时间，它的存在限制了电力二极管的开关工作频率。它的存在限制了电力二极管的开关工作频率。6）浪涌电流浪涌电流IFSM 指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期工频周期的过电流的过电流，通常可达正常工作电流的，通常可达正常工作电流的6倍以上。倍以上。4）电力二极管的主要）电力二极管的主要类型类型 电力二极管在许多电力电子电路中都有广泛的应用
15、，可作电力二极管在许多电力电子电路中都有广泛的应用，可作整流、整流、续流续流元件，还可在变流电路中起元件，还可在变流电路中起钳位钳位或元件或元件保护保护的作用。各种电的作用。各种电力二极管的特性不完全相同，应用时，应根据不同场合的要求选力二极管的特性不完全相同，应用时，应根据不同场合的要求选择不同类型的管子，下面介绍几种常用的电力二极管。择不同类型的管子，下面介绍几种常用的电力二极管。普通二极管普通二极管（General Purpose Diode）又称又称整流二极管（整流二极管（Rectifier Diode），多用于开关，多用于开关频率不高（频率不高（1kHz以下）的整流电路中。以下）的整
16、流电路中。特点：特点：反向恢复时间反向恢复时间较长，一般在较长，一般在5 s以上以上(这在开关这在开关频率不高时并不重要，在参数表中甚至不列出这一参数频率不高时并不重要，在参数表中甚至不列出这一参数)。但但其其正向电流定额正向电流定额和和反向电压定额反向电压定额可以达到很高可以达到很高（分别可达数千安和数千伏），分别可达数千安和数千伏），多应用于开关速度不高的整多应用于开关速度不高的整流或逆变电路中流或逆变电路中。快恢复二极管快恢复二极管（Fast Recovery DiodeFRD）特点特点：反向恢复过程很短反向恢复过程很短（5s以下），正向压降也很低以下），正向压降也很低(0.9v左右左右
17、)，但反向耐压多在但反向耐压多在1200V以下以下,即即其承受电压和电流的最高值不及普通电力二极管。工艺上多采用了掺金措施，结构上有的采用PN结构类型，也有的采用改进的PiN结构(是在开发出pn结构以后所发展出的一种改进型结构，即是在p型半导体和n型半导体之间，特意加上一层较厚的本征层（本征层（i型层型层）而构成的一种特殊形式的pn结)，不管是什么结构，FRD从性能上可分为快速恢复和超快速恢复两个等级。前者反向恢复时间为数百纳秒或更长，后者则在100ns以下，甚至达到2030ns。肖特基二极管肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）特点特点：反向恢复时间反向恢复时间很
18、短（很短（1040ns），正向恢复过），正向恢复过程中不会有明显的程中不会有明显的电压过冲电压过冲；在反向耐压较低的在反向耐压较低的情况下其情况下其正向压降正向压降也很小，明显低于快恢复二极管。也很小，明显低于快恢复二极管。因此，其因此，其开关损耗开关损耗和和正向导通损耗正向导通损耗都比快速二极管还都比快速二极管还要小，效率高。要小，效率高。不足不足：当所能承受的反向耐压提高时，其正向压降也：当所能承受的反向耐压提高时，其正向压降也会高得不能满足要求，因此会高得不能满足要求，因此多用于多用于200V以下的低压场合以下的低压场合；反向漏电流较大且对温度敏感，因此反向漏电流较大且对温度敏感，因此反
19、向稳态损耗不能反向稳态损耗不能忽略忽略，而且必须更严格地限制其工作温度。，而且必须更严格地限制其工作温度。因此，主要用于低电压、低功耗、高频低流的开关电源、仪表设备中。因此，主要用于低电压、低功耗、高频低流的开关电源、仪表设备中。电力二极管的测试及使用注意事项 由于电力二极管的内部结构为PN结，因此用万用表的R100挡测量阳极A和阴极K两端的正、反向电阻，可以判断电力二极管的好坏。一般电力二极管的正向电阻正向电阻在几十欧至几百欧，而反向电阻反向电阻在几千欧至几十千欧以上为好的；若正、反向电阻都为零或都为无穷大，说明电力二极管已经损坏。注意：严禁用兆欧表测试电力二极管。2、单结晶体管、单结晶体管
20、 单结晶体管，是具有一个PN结结的三端三端负阻负阻器件，由于只有一个PN结，故称为单结晶体管，其内部结构示意图如图1-3（a）示。单结晶体管是在一个低掺杂浓度的N型硅棒上利用扩散工艺形成一个高掺杂浓度P区，在P区与N区接触面形成PN结，就构成单结晶体管。其等效电路如图1-3（b）。（b）等效电路 （c）电气符号）电气符号 它有三个电极：从P型半导体引出的电极为发射极E，从N型半导体的两端引出两个电极分别为基极b1和基极b2，b1和b2之间的N型区域可以等效为一个纯电阻，即基区电阻Rbb,该电阻的阻值随着发射极电流的变化而改变。单结晶体管又因有两个基极，故也称为双基极二极管，其电路符号如图所示。
21、1）单结晶体管的特性）单结晶体管的特性 单结晶体管具有负阻特性负阻特性。所谓“负阻特性”是指输入电压增大到某一数值后，输入电流愈大，输入端的等效电阻愈小的特性。对于单结晶体管来说就是当发射极电流增加时，发射极电压反而减小的特性，如图1-4所示。单结晶体管特性曲线单结晶体管特性曲线测试电路如图：（1）截止区AP段 电压Ubb通过单结晶体管等效电路中的rbl和rb2分压，得A点电位UA，可表示为 其中 为分压比，取值一般为0.30.9。当 UE从零开始逐渐增大，但小于 UA时，单结晶体管的PN结反向偏置，只有很小的反向漏电流。当UE 等于UA 时，发射极电流 IE等于0，即伏安特性中与纵轴的交点。
22、当 UE继续增大，PN结开始正偏，当UE 大于 UA的值达到PN结导通压降时，PN结导通，即等效二极管VD导通，此时，UE 到达峰值点P点，单结晶体管由截止状态进入导通状态，（2）负阻区负阻区PV段 当 UE达到UP 时，发射极电流增大，大量的空穴载流子从发射极端流入到b1的硅片中，使得基极电阻rbl减小减小，导致UA电位下降，UE也跟着下降，这时PN结承受更大的正偏电压，使得rbl进一步减小，当发射极电流增大到一定的程度到达V点，b1的硅片的载流子浓度趋于饱和，基极电阻rbl减至最小，A点电位UA也最小，UE也最小.在此区域中，UE电压减小，发射极电流IE 增大，根据欧姆定律规律，此区域称为
23、伏安特性曲线的负阻区负阻区。（3）饱和区VN段当硅片中的载流子浓度达到饱和后，若发射极电流 IE要继续增大，则必须增大电压 UE，单结晶体管工作在饱和导通状态。小结：当UE达到UP时，单结晶体管导通进入负阻区负阻区，当UE低于Uv时，管子饱和不通。2)单结晶体管的型号 国产单结晶体管型号主要有BT31、BT33、BT35等，B表示半导体；T为特种管；BT表示特种晶体管；3表示电极数为3个；最后一位表示单结晶体管耗散功率.3)单结晶体管检测（可略）单结晶体管检测（可略）（1）管脚判别方法 先判断单结晶体管发射极先判断单结晶体管发射极e 方法方法：把万用表置于R100挡或R1K挡，黑表笔接假设的发
24、射极，红表笔接另外两极，当出现两次低电阻时，黑表笔接的就是单结晶体管的发射极。再判断单结晶体管第一基极再判断单结晶体管第一基极b1和第二基极和第二基极b2 判断方法判断方法：把万用表置于R100挡或R1K挡，用黑表笔接发射极，红表笔分别接另外两极，两次测量中，电阻大的一次，红表笔接的就是b1极。应当说明的是，上述判别b1、b2的方法，不一定对所有的单结晶体管都适用，有个别管子的eb1间的正向电阻值较小。复习：复习：不可控器件不可控器件1、电力二极管的工作原理、符号及基本特性2、单结晶体管的特性、符号及其工作情况3、半控型器件半控型器件晶闸管晶闸管教学目的：了解晶闸管的结构，掌握其工作原理、教学
25、目的：了解晶闸管的结构，掌握其工作原理、基本特性和主要参数。基本特性和主要参数。教学重点：掌握晶闸管导通的条件、基本特性和教学重点：掌握晶闸管导通的条件、基本特性和 主要参数。主要参数。教学难点：理解晶闸管工作原理和正向导通特性教学难点：理解晶闸管工作原理和正向导通特性1 1）概述）概述 1957年美国年美国通用通用电气公司开发出了世界上电气公司开发出了世界上第一只第一只晶闸管产品，并于晶闸管产品，并于1958年使其商业化年使其商业化,开启晶闸管时代。开启晶闸管时代。晶闸管晶闸管（Thyristor）是是晶体闸流管晶体闸流管的简称，也称作的简称，也称作可控硅可控硅整整流器流器，简称简称可控可控
26、硅硅,广泛应用于各种广泛应用于各种变流变流装置中，是一种装置中，是一种较为理想的较为理想的大功率大功率变流器件。变流器件。特点特点：可用：可用弱弱电信号控制其导通电信号控制其导通(弱电控制强电)，但不能控制，但不能控制其关断其关断，故故晶闸管晶闸管称为称为半半控型器件。控型器件。注意：注意：由于是半控器件，关断不方便，20世纪80年代开始被全控型器件所替代，但因其因其承受承受的的电压和电流电压和电流仍然是目前电力电子器件仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，故在中最高的，而且工作可靠，故在大容量大容量的应用场合仍然的应用场合仍然具有比较重要的地位。具有比较重要的地位。？3、半控型器件晶
27、闸管2）常用晶闸管）常用晶闸管 从外形主要有螺栓式、平板式和塑封式，螺栓式螺栓式晶闸管安装方便，但散热效果差（10A200A）；平板式平板式晶闸管安装麻烦，但散热效果好（200A以上）；塑封式塑封式晶闸管主要用于10A以下的小电流。33/21螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管塑封型晶闸管观察：外形上，与电力二极管的不同？3）晶闸管的结构）晶闸管的结构晶闸管的外形 图 结构图 从结构上看，(电力二极管是两层半导体而)晶闸管的管心是P1N1P2N2四层半导体，形成三个PN结J1、J2和J3，引出三个极：阳极A、阴极K和门极G。门极很重要吗？思考：加什么电压，才能导通？电气符号晶闸管的内部等效电路：
28、当正向电压加于AK极之间J2结反偏，晶闸管中流过很小的漏电流，此状态称为正向阻断。当反向电压加于AK极之间，J1和J3结反偏，晶闸管也只流过很小的漏电流，此状态称为反向阻断。以上两种电源接法，晶闸管仅流过很小电流，属于阻断状态。思考：若加正、反向电压，它会不会像电力二极管那样导通、截止？怎么才能导通呢？必须门极有正的控制信号加入且正向阻断，晶闸管才能导通。晶闸管可看作是一个“可控的二极管”。晶闸管PNPN四层结构可看成由PNP和NPN两个晶体管晶体管互连构成 如果有如果有门极电流门极电流IG注入晶体管注入晶体管V2的基极，便产生集电极电流的基极，便产生集电极电流IC2，它也是它也是V1的基极电
29、流的基极电流IB1，使，使V1导导通产生通产生IC1，它又流入，它又流入V2的基极，的基极，如此形成如此形成强烈的强烈的正反馈正反馈，最后，最后V1和和V2都进入饱和导通，即都进入饱和导通，即晶闸管晶闸管导通，有较大的阳极电流导通，有较大的阳极电流IA.内部强烈的正反馈可以维持导通内部强烈的正反馈可以维持导通状态。状态。即晶闸管导通后，门极就即晶闸管导通后，门极就不起控制作用了。不起控制作用了。4）工作原理（从管子自身工作机理）导通后，S断开，会截止？当IG=0，为什么晶闸管不通？http:/ 通过以下实验电路得到。4）工作原理图（a），（b），（c）阳极和阴极间加反向电压，即反向阻断时，无论
30、门极和阴极间加什么电压或不加，灯均不亮，晶闸管截止；图（d）正向阻断，但门极和阴极间没电压，灯不亮，晶闸管截止；图（e）阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极间加反向电压，灯不亮，晶闸管截止；图（f）阳极和阴极之间加正向电压，门极和阴极之间也加正向电压，灯亮，晶闸管导通；思考思考：(1)晶闸管导通后，如果把电源Eg撤掉，灯会熄灭吗？(2)如何让灯熄灭？图（a）去掉触发电压Eg，指示灯亮，晶闸管仍导通；图（b）门极和阴极之间加反向反向电压，指示灯亮，晶闸管仍导通；可见，导通后，门极对晶闸管已失去控制作用门极对晶闸管已失去控制作用。图（c）去掉触发电压，将电位器RP阻值加大阻值加大，晶闸管阳极电流减
31、小，当电流减小到一定值时，指示灯熄灭，晶闸管关断。如何关断晶闸管？还是通过实验电路得到晶闸管关断实验灯为什么会亮？有较大电流流过关断还有其它方法吗？关断措施：可去掉阳极所加的正向电压 可给阳极施加反压 可设法使流过晶闸管的电流降低接近于0的某一数值（维持电流IH）以下 以上方法均可关断晶闸管。除门极触发外其他几种可能导通的情况除门极触发外其他几种可能导通的情况 阳极电压升高至相当高的数值造成阳极电压升高至相当高的数值造成雪崩效应雪崩效应 结温结温较高较高 光触发光触发光直接照射硅片光直接照射硅片这些情况除了这些情况除了光触发，光触发，可以保证控制电路与主电路之间可以保证控制电路与主电路之间的良
32、好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因的良好绝缘而应用于高压电力设备中之外，其它都因不不易控制易控制而难以应用于实践。而难以应用于实践。只有只有门极触发门极触发是最精确、迅速而可靠的是最精确、迅速而可靠的控制手段。控制手段。（如进教室）（如进教室）晶闸管如何正常导通？晶闸管如何正常导通？晶闸管导通要具备下列两个条件晶闸管导通要具备下列两个条件：1.阳极与阴极之间加有正向电压，即正向阻断；阳极与阴极之间加有正向电压，即正向阻断；2.门极与阴极之间加门极与阴极之间加正向电压正向电压(触发脉冲触发脉冲,要有一定触发力度要有一定触发力度)。这两个条件必须同时满足，缺一不可。晶闸管的双晶体管模型及其
33、工作原理 a)双晶体管模型 b)工作原理 按照晶体管工作原理，可列出如下方程：111CBOAcIII222CBOKcIIIGAKIII21ccAIII（1-2）（1-1）（1-3）（1-4）式中1(IC1/IA)和2(IC2/IK)分别是晶体管V1和V2的共基极电流增益；ICBO1和ICBO2分别是V1和V2的共基极漏电流。晶体管的晶体管的特性特性是：在是：在低低发射极电流下，发射极电流下，很小很小。IG=0时，晶闸管处于时，晶闸管处于阻断状态阻断状态，1+2很小。由上式可看很小。由上式可看出，此时流过晶闸管的电流出，此时流过晶闸管的电流IA只是稍大于两个晶体管漏只是稍大于两个晶体管漏电流之和
34、。电流之和。当当注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致注入触发电流使各个晶体管的发射极电流增大以致 1+2趋近于趋近于1(1.15)，流过晶闸管的电流，流过晶闸管的电流IA（阳极电流）（阳极电流）将趋将趋近于近于无穷大无穷大，从而实现器件，从而实现器件饱和导通饱和导通。注意：注意：由于外电路负载的限制，由于外电路负载的限制，IA实际上不会无穷大，而实际上不会无穷大，而是会维持是会维持有限值有限值。)(121CBO2CBO1G2AIIII 由以上式（1-1）（1-4）可得(1-5)晶闸管基本特性晶闸管基本特性 正常工作时的特性正常工作时的特性 当晶闸管承受当晶闸管承受反向电压反向电压时，不
35、论门极是否有触发电时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通流，晶闸管都不会导通。当晶闸管承受当晶闸管承受正向电压正向电压时，仅在时，仅在门极门极有有触发电流触发电流的的情况下晶闸管才能开通情况下晶闸管才能开通。晶闸管一旦导通，晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用门极就失去控制作用，不论门极，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。若要使已导通的晶闸管关断，可利用外加电压和外若要使已导通的晶闸管关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的电流降到接近于零的某一数某一数值（维持电流值（维持电流IH）以下以下。
36、小结：小结：http:/ 5）晶闸管的基本特性晶闸管的基本特性(伏安特性和动态动态特性)（1）晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性 正向特性正向特性 当当IG=0时，在器件两端加时，在器件两端加正向电压正向电压，则晶闸管处于正向则晶闸管处于正向阻断状态阻断状态，只有，只有很小的正向漏电流流过。很小的正向漏电流流过。当当正向电正向电压超过临界极限即压超过临界极限即正向转折电压正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件实现则漏电流急剧增大，器件实现”硬硬导通导通”(不可控，多次硬导通会损坏管子，应避免接近Ubo)当当IG注入时，注入时，门极电流越大，正向转门极电流越大，正向转折电压便越小折电压便越小，
37、导通后，晶闸管两，导通后，晶闸管两端电压降低，约端电压降低，约在在1V左右左右。要关断，需先要关断，需先使使IG=0，且阳极电流降，且阳极电流降至维持电流至维持电流IH(接近于零的小电流)以下，以下，则晶闸管可回到则晶闸管可回到正向阻断正向阻断状态。状态。还可加反向电压或切断电源.晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG 正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+反向特性 其伏安特性类似二极管的反向特性。晶闸管处于反向阻断状态时，只有极小的反向漏电流通过。当反向电压超过一定限度，到反向击穿电压（可高达几百伏）后，外电路如无限制措施，则
38、反向漏电流急剧增大，导致晶闸管被反向击穿而烧毁。晶闸管的伏安特性 IG2IG1IG正向导通雪崩击穿O+UA-UA-IAIAIHIG2IG1IG=0UboUDSMUDRMURRMURSM+5）晶闸管的基本特性）晶闸管的基本特性（2）动态特性动态特性 1）开通过程开通过程 由于晶闸管内部的由于晶闸管内部的正反馈正反馈过程过程需要时间，再外电路需要时间，再外电路电感电感的限制，的限制，使使阳极电流的增长阳极电流的增长不可能是不可能是瞬时瞬时的。的。即即开通时间包括延迟时间和开通时间包括延迟时间和上升时间。上升时间。延迟时间延迟时间td：阳极电流上升到稳态值的10%所用时间(普通型为0.51.5s)上
39、升时间上升时间tr ：阳极电流从10%上升到稳态值的90%(认为就开通了)所用时间(普通型为0.53s)开通时间开通时间 ton=td+tr晶闸管的开通和关断过程波形100%90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA观察图，晶闸管可以瞬间开通吗？为什么？注意注意 延迟时间td随门极电流的增大而减小,上升时间tr除反映晶闸管本身特性外，还受到外电路电感的严重影响。想要想要缩短缩短延迟时间和上升时间，可延迟时间和上升时间，可提高阳极电提高阳极电压。压。2）关断过程关断过程 原处于原处于导通状态导通状态的晶闸管，当外加的晶闸管，当外加电压突然由电压突然由正正向变为向变为反反向时
40、，其向时，其阳阳极电流在衰减极电流在衰减时必然也是有时必然也是有过渡过渡过过程的。程的。反向反向(阻断阻断)恢复时间恢复时间trr：从iA降为0到反向恢复电流衰减到接近于0的时间。在反向恢复过程结束后，由于载流子复合过程比较慢，晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间（正向阻断恢复时间正向阻断恢复时间tgr），在正向阻断恢复时间内若重新对晶闸管施加正向电压，晶闸管会正向导通，而不受门极电流控制而导通。故在应用中，需对晶闸管施加足够时间的反向电压，电路工作才能可靠。关断时间关断时间toff=trr+tgr (普通晶闸管的关断时间约几百微秒几百微秒)晶闸管的开通和关断过程波形100%反向恢
41、复电流最大值尖峰电压90%10%uAKttO0tdtrtrrtgrURRMIRMiA问：能像开关一样马上关断吗？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断态重复峰值电压断态重复峰值电压UDRM 是在门极断路而结温为额定值时，重复加在器件上的正向峰值电压。国际规定重复频率为50Hz，每次持续时间不超过10ms。规定断态重复峰值电压UDRM为断态不重复峰值电压(即断态最大瞬时电压)UDsM的90%。断态重复峰值电压UDRM也应低于正向转折电压Ubo。2反向反向(reverse)重复峰值电压重复峰值电压URRM 是在控制极断路时，可以重复加
42、在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URSM的80%。1.3.5晶闸管主要参数6）晶闸管的主要参数）晶闸管的主要参数3额定电压额定电压 将UDRM 和URRM 中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值。通常标准电压等级规定为：电压在1000V以下，每100V为一级，电压在1000V以上，每200V为一级。选择普通晶闸管额定电压额定电压的原则应为管子在正常工作管子在正常工作时所承受时所承受峰值电压峰值电压的的23倍倍。4.通态平均电流 IT(AV)：在环境温度为40和规定的冷却条件下，元件在电阻性负载的单相工频正弦半波、导通角不小于170的电路中，当结温
43、不超过额定结温时，所允许的最大通态平均电流。以正弦半波为例，设流过晶闸管的正弦半波半波电流的峰值为 Im，根据电流平均值电流平均值和有效值的定义有TMTNUU)32(电流平均值 电流有效值（方均根方均根）晶闸管电流波形系数电流波形系数Kf：为电流波形的有效值与平均值之比，即额定额定电流电流的选择原则的选择原则 在规定的室温和冷却条件下，所选管子的额定电流有效值应大于等于管子在电路中实际通过的最大电流有效值，考虑元件过载能力，实际选择时应有实际选择时应有1.52倍的安全裕量。倍的安全裕量。mmAVTIttdIIsin210)(2)sin(2120mmTNItdtII57.12AVTTnfIIK即
44、其中 为流过晶闸管最大电流的有效值有效值.利用波形系数Kf可得通态平均电流通态平均电流 应满足5维持电流维持电流IH 指使晶闸管维持导通所必需的最小最小电流，一般为几十到几百毫安。当晶闸当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。6.擎住电流IL 它是晶闸管刚从断态转入通态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TMTNII)25.1(/1.572)I(1.5ITT(AV)MHLII)42(TMI7）晶闸管的型号 根据国家有关规定，晶闸管型号表示形式如图：56/21序号含义1K表示闸流特性2用字母表示器件
45、类型，P表示普通普通反向阻断型、S表示双双向晶闸管、G表示可关关断晶闸管、K表示快速开关型3用数字表示额定通态平均电流，一般情况下为1A、5A、10A、20A、30A、50A、100A、200A、300A、400A、500A、600A、800A、1000A等4用数字表示额定电压等级，1000V以下每100V一个等级（1、2、3、4、5、6、7、8、9）,1000V以上每200V一个等级（10、12、14、16、18等）5通平均电压组别，额定电流100A以下不标，100A以上有9个组别，用大写字母A-I表示0.4-1.2V范围。每0.1V为1级例题某晶闸管应用电路以220V交流电压供电，要求流过
46、晶闸管电流的有效值为30A，请问如何选择合适的晶闸管？解：晶闸管额定电压选择 可取800V，晶闸管额定电流 取30A。因此，按照晶闸管参数列表可选额定电压为800V，额定电流为30A的晶闸管。933V62222023)(23)U(2UTMTNA382830/1.572)(1.5/1.572)I(1.5ITMT(AV)8）晶闸管的派生器件晶闸管的派生器件快速晶闸管快速晶闸管（Fast Switching ThyristorFST）有有常规的常规的快速晶闸管快速晶闸管和和高频晶闸管高频晶闸管。从从关断时间关断时间来看，普通晶闸管一般为来看，普通晶闸管一般为数百数百微秒，快速微秒，快速晶闸管为晶闸管
47、为数十数十微秒，而高频晶闸管则为微秒，而高频晶闸管则为10 s左右。左右。高频晶闸管的不足在于其高频晶闸管的不足在于其电压电压和和电流电流定额都不易做高。定额都不易做高。由于由于工作频率较高工作频率较高，选择快速晶闸管和高频晶闸管的，选择快速晶闸管和高频晶闸管的通态平均电流时不能忽略其通态平均电流时不能忽略其开关损耗开关损耗的发热效应。的发热效应。a)b)IOUIG=0GT1T2双向晶闸管（Triode AC SwitchTRIAC或Bidirectional triode thyristor）可以认为是一对反并联连 接的普通晶闸管的集成。门极使器件在正反电压两个方向均可触发导通，在第和第II
48、I象限有对称的伏安特性。注意：双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。图2-11 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 a)KGAb)UOIIG=0逆导晶闸管（Reverse Conducting ThyristorRCT）是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，不具有承受反向电压的能力，一旦承受反向电压即开通。具有正向压降小、关断时间短、高温特性好、额定结温高等优点，可用于不需要阻断反向电压的电路中。逆导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 AGKa)AK光强度强弱b)OUIA光控晶闸管
49、（Light Triggered ThyristorLTT）是利用一定波长的光照信号触发门极导通的晶闸管。由于采用光触发保证了主电路与控制电路之间的绝缘，而且可以避免电磁干扰的影响，因此光控晶闸管目前应用在高压大功率的场合。光控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 半控型器件就介绍这么多。晶闸管晶闸管（Thyristor）是是晶体闸流管晶体闸流管的简称，也称作的简称，也称作可控硅可控硅整整流器流器，简称简称可控可控硅硅,广泛应用于各种广泛应用于各种变流变流装置中，是一种装置中，是一种较为理想的较为理想的大功率大功率变流器件。变流器件。特点特点：可用：可用弱弱电信号控
50、制其导通，但不能控制其关断电信号控制其导通，但不能控制其关断，故故晶闸管晶闸管称为称为半半控型器件。控型器件。复习：半控型器件晶闸管晶闸管如何正常导通？晶闸管如何正常导通？晶闸管导通要具备下列两个条件晶闸管导通要具备下列两个条件：1.阳极与阴极之间加有正向电压，即阳极与阴极之间加有正向电压，即正向阻断正向阻断；2.门极与阴极之间加门极与阴极之间加正向电压正向电压(触发脉冲触发脉冲,要有一定触发力度要有一定触发力度)。这两个条件必须同时满足，缺一不可。晶闸管的选型晶闸管的选型 根据国家有关规定，晶闸管型号表示形式如图：64/21序号含义1K表示闸流特性2用字母表示器件类型，P表示普通普通反向阻断
