*第 10 章晶闸管及其应用
10.1 晶闸管的结构和工作原理
10.2 单相可控整流电路
10.3 晶闸管的触发电路
10.4 晶闸管的保护
10.5 双向晶闸管简介
10.6 晶闸管应用实例返回主目录第 10 章 晶闸管及其应用晶闸管又称可控硅,是硅晶体闸流管的简称 。 晶闸管是大功率变流器件,利用其整流可控特性可方便地对大功率电源进行控制和变换 。 它具有体积小,重量轻,耐压高,容量大,使用维护简单,控制灵敏等优点,所以在生产上得到了广泛的应用 。
晶闸管的主要用途有：
(1) 可控整流 。 把交流电变换为大小可调的直流电称为可控整流 。 例如,直流电动机调压调速,电解,电镀电源均可采用可控整流供电 。
(2) 有源逆变 。 有源逆变是指把直流电变换成与电网同频率的交流电,并将电能返送给交流电源 。 例如,目前采用的高压输电工程,将三相交流电先变换成高压直流电,再进行远距离的输送,到目的地后,再利用有源逆变技术把直流电变成与当地电网同频率的交流电供给用户 。
(3) 交流调压 。 交流调压是指把不变的交流电压变换成大小可调的交流电压 。 例如,用于灯光控制,温度控制及交流电动机的调压调速 。
(4) 变频器 。 把某一频率的交流电变换成另一频率的交流电的设备称为变频器 。 例如,晶闸管中频电源,停电电源
（ ＵＰＳ ）,异步电动机变频调速中均含有变频器 。
(5) 无触点功率开关 。 用晶闸管可组成无触点功率开关取代接触器,继电器,适用于操作频繁的场合 。 例如,可用于控制电动机的正反转和防爆,防火的场合 。
晶闸管包括普通晶闸管,双向晶闸管,速晶闸管,可关断晶闸管,光控晶闸管和逆导晶闸管等 。 由于普通晶闸管应用广泛,故本章着重介绍普通晶闸管 。
10.1 晶闸管的结构和工作原理一,
晶闸管是用硅材料制成的半导体器件,它有三种结构形式：
螺栓式,平板式和塑料封装式 。 平板式又分为风冷平板式和水冷平板式 。
晶闸管的结构及符号如图 10 - 1 所示,它有三个电极：阳极 A,阴极 K和门极 G。 螺栓式晶闸管的阳极是紧栓在铝制散热器上的,而平板式晶闸管则用两个彼此绝缘的而形状相同的散热器把阳极与阴极紧紧夹住 。
晶闸管的内部结构如图 10 - 2 所示,它的管芯由四层 (P1、
N1,P2,N2)三端 （ A,K,G） 半导体器件构成,具有三个 PN
结,即 J1,J2,J3,由此可见,晶闸管是一个四层三端三结大功率半导体元件 。
图 10 – 1 晶闸管的结构及符号图 1 0 - 1
( c )
A
K
G
K
A
图形符号
V
G
K
G
A
( b )
( a )
K
G
A
A
K
G
( d )
图 10-2 晶闸管内部结构示意图
P
2
N
2
N
2
K G
A
N
1
P
1
( a )
A
K
G
( b )
J
1
J
2
J
3
晶闸管的工作情况为了搞清晶闸管的导通和关断条件,可用图 10 - 3 所示电路作实验说明 。 晶闸管与灯泡串联经开关 S1
接到电源 Ea上,门极与阴极经开关 S2接到电源 Eg上 。 开关 S1、
S2皆为双掷开关,可有正,零,反三种位置 。 首先规定当 Ea的正极经灯泡接阳极 A,负极接阴极 K,称晶闸管承受正向阳极电压；当 Ea的负极接阳极 A,正极接阴极 K,称晶闸管承受反向阳极电压 。 当 Eg的正极接门极 G,负极接阴极 K时,称晶闸管承受正向门极电压；当 Eg的负极接门极 G,正极接阴极 K时,称晶闸管承受反向门极电压 。
然后按表 10.1 所列各项逐一进行实验,实验条件和结论列于表 10.1。
图 10 –3 晶闸管实验电路
E
g
正反
V
A
K
G
V
A
S
2
反正
S
1
E
a
从实验中得出晶闸管的导通与关断的主要结论是：
(1) 晶闸管承受反向阳极电压时,不论门极承受何种电压,
总处于关断状态,不会导通 。
(2) 晶闸管导通必须同时具备两个条件,① 承受正向阳极电压； ② 承受正向门极电压 。
(3) 晶闸管一旦导通,门极便失去控制作用 。
(4) 晶闸管导通后,当减小电源电压 Ea,使流过晶闸管的电流减小到某数值时,晶闸管便会关断,这种维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流 。
(5) 晶闸管关断时承受全部电源电压； 导通后阳极与阴极间的管压降很小,只有 1V左右,电源电压主要降落在负载
（ 灯泡 ） 上 。
表 10.1
试验序号 试验前灯的状态晶闸管承受电压 试验后状态晶闸管的电压灯泡两端电压晶闸观众的电流阳极电压门极电压导通试验
1
2
3
反向 反向
0
正向反向
0
暗 Ea 零 零
4
5
6
暗 正向正向
7
8
9
亮 正向 亮 左右 约为 Ea 约为
10 亮 正向逐渐减至 0
任何 暗
R
Ea
三,晶闸管的主要参数要正确使用晶闸管元件,除要了解晶闸管的工作原理外,
还要掌握晶闸管的参数,以便更好地使用晶闸管元件 。 以下介绍晶闸管的几个主要参数 。
1,正向阻断峰值电压Ｕ ＤＲＭ
在门极断开和晶闸管正向阻断的情况下,结温为额定值时,允许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的正向峰值电压,
称为正向阻断峰值电压,用ＵＤＲＭ表示 。
2,反向阻断峰值电压Ｕ ＲＲＭ
在门极断开的情况下,结温为额定值时,许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的反向峰值电压,称为反向阻断峰值电压,
用Ｕ ＲＲＭ 表示 。
3,额定电压Ｕ TN
取Ｕ ＤＲＭ 与Ｕ ＲＲＭ 中较小者,按照相应的电压等级将其定义为元件的额定电压 。 在实际应用中,由于晶闸管的过电压,
过电流能力差,所以在选择晶闸管额定电压值时,应考虑
２～３ 倍的安全裕量 。 如在单相交流电路中有效值为 220 Ｖ
时,最大值为 311V,则应选用晶闸管额定电压为 600V,700 V
或者 800 V 。
4,额定电流 IT（ AV）
在环境温度为 40℃ 和标准散热条件下,按照相应的电流系列,将晶闸管的阳极与阴极之间允许通过的正弦半波电流的平均值定义为晶闸管的额定电流 。
实际中晶闸管的过电流能力较差,选择额定电流时也应该考虑 1.5～２ 倍的安全裕量 。
5,维持电流 IH
在规定的环境温度下和门极断开的情况下,维持晶闸管继续导通所需要的最小阳极电流称为维持电流 。 当晶闸管的阳极电流小于维持电流时,晶闸管关断 。
6,通态平均电压 UT（ AV）
在规定的环境温度和标准散热条件下,元件通以额定电流时,阳极与阴极之间的管压降的平均值称为通态平均电压,用 UT（ AV ） 表示,UT（ AV ） 是有级别的,从 A级到 I级,
A级为 0.4 V,I级为 1.2 V。
K p
UT(AT)组别,IT(AV)小于 100A不标
UTN等级
IT（ AV） 系列值普通行晶闸管闸流特性例如 KP200-9B表示普通型晶闸管,额定电流为 200A,额定电压为 9级,即 900V,通态平均电压为 B级,即 0.5 V。
10.2 单相可控整流电路在实际生产中,很多设备需要大小可调的直流电,例如,
电解,电镀,电焊等设备 。 把交流电变成直流电的过程叫整流 。 由晶闸管组成的可控整流电路可以把交流电变成直流电,
达到直流电源输出电压可调的目的 。
单相半波可控整流电路图 10 - 4 是单相半波可控整流电路,由晶闸管 V,负载 RL和单相整流变压器 T组成 。 T是用来变换电压的,u2为正弦交流电,uL,iL分别为整流输出电压瞬时值和负载电流瞬时值,uV,iV分别为晶闸管两端电压瞬时值和流过电流瞬时值 。
图 10- 4 单相半波可控整流电路图
GV
＋ －u
V
i
V
T
＋
－
u
2
R
L
i
L
＋
－
u
L
＋
－
u
1
电路工作时波形如图 10 - 5 所示 。
在图 10 - 5 的 0～ ωt1期间,晶闸管承受正向阳极电压,触发电路未送出门极触发脉冲,所以,晶闸管保持阻断状态,无直流电压输出 。
在 ωt1时刻,触发电路送出触发脉冲,晶闸管被触发导通,
若管压降忽略不计,负载 RL两端电压就是变压器次级电压 u2，
负载电流 IL的波形与 uL的波形相似 。
当 ωt=π时,u2下降到零,晶闸管电流也下降到零而关断,
电路无输出 。
在 u2的负半周,即 ωt为 π～ 2π时,晶闸管承受反向电压,
处于反向阻断状态,负载两端电压 uL为零 。
图 10 –5波形图
u
2
t
1
t
O
u
G
O
O
i
V
t
t
u
V
O
t
i
V
u
V
i
V
u
L
下一个周期循环往复 。
在单相整流电路中把晶闸管从承受正向电压的时刻起,到触发导通时所对应的电角度叫控制角,用 α表示,在图 10 - 5 中,
0～ ωt1期间所对应的电角度为 α。
把晶闸管在一个周期内导通所对应的电角度叫导通角,用
θ表示,在图 10 - 5 中,ωt1～ π所对应的电角度为 θ。
由图可以看出,在单相半波整流电路中,控制角 α愈小,即导通角 θ愈大,负载电压,电流的平均值就愈大 。 所以改变控制角 α的大小,就可以改变输出电压值,达到调压的目的 。
各电量计算公式如下 。
(1) 负载上直流平均电压 L。
根据平均值的定义,uL波形的平均值 UL为
2
c o s145.0s i n2
2
1
22
aUw t d w tUU
aL
(2) 流过负载电流的平均值为
L
L
L R
UI?
(3) 晶闸管元件承受的最大正,反向电压均为
.22U
例 10.1 有一电阻性负载,其阻值为 15Ω,要求负载两端的电压平均值为 74.2 V,采用单相半波整流电路,直接由交流电 220 V供电 。 试求晶闸管的导通角 θ,晶闸管中通过电流的平均值,并选择晶闸管元件 。
74.2=0.45× 220×
2
cos1 a?
cosα=0.5,α=60°
导通角 θ=180° -α=120°
晶闸管中通过的电流平均值为,
ARUI LT 515 2.74
晶闸管承受的最大反向电压为
VUU TM 31122022 2
按 2 倍裕量选择晶闸管元件,则额定电流为 10A,额定电压为 600 V,型号为 KP10 - 6。
按 2 倍裕量选择晶闸管元件,则额定电流为 10A,额定电压为 600 V,型号为 KP10 - 6。
解由式 （ 10 - 1） 可知,
L=50 V时,U
90,01
45.0
2c o s
2
aUUa L
30,8.01
45.0
2c o s a
2
aUU L
故控制角 α的可调范围为 30° ～ 90° 。
二,单相半控桥式整流电路图 10 - 6（ a） 所示电路为单相半控桥式整流电路,
其中晶闸管 V3,V4的阴极连在一起,为共阴极接法,二极管
V1,V2阳极连在一起,为共阳极接法 。
如图 10 - 6（ b） 所示,当 u2处于正半周且电角度 ωt为控制角 α时,触发晶闸管由于 V2正偏导通,V3承受正向电压,所以
V2与 V3就导通,电流 IL由 a→V 3→ 负载 RL→V 2→b 端,此时负载电压 UL等于 u2,ωt=π时,V3,V2关断 。
图 10 –6
(a) 电路； (b) 波形
tO
u
G
O
O t
t
u
L
( b )
u
1
u
2
＋
－
＋
－
a
b
V
3
V
1
V
4
V
2
i
L R
L
( a )
u
2
当 u2处于负半周时,将以相同的控制角触发晶闸管,V4与
V1导通,电流 iL从 b→V 4→ 负载 RL→V 1→a 端,直到 ωt=2π时,
IL=0,V4关断,负载电阻上得到一个缺角全波电压波形 。
(1) 负载上电压的平均值为
2
)1(9.0s i n21 2
20
C O S aUw t d w tUU
L
(2) 负载电流的平均值为
LL
L
L R
C O S aU
R
UI
2
)1(9.0 2
(3) 流过元件的平均电流为
L
L
V R
C O S aUII
2
)1(45.0
2
2
(4) 晶闸管及二极管承受的最大正,。
22U
10.3 晶闸管的触发电路晶闸管由关断转为导通,除阳极要承受正向电压外,门极还要加上适当的触发电压,改变触发脉冲输出时刻便可达到改变输出直流电压的目的 。 为门极提供触发电压和电流的电路叫触发电路 。 触发电路的类型很多,由于单结晶体管触发电路输出的脉冲具有前沿陡,抗干扰能力强和温补性能等特点,应用十分广泛 。 本节我们只介绍单结晶体管触发电路 。
1.
单结晶体管的原理结构如图 10 - 7（ a） 所示,图中 e为发射极,b1为第一基极,b2为第二基极 。
图 10 – 7
（ a） 结构示意 ; （ b） 等效电路 ; （ c） 图形符号
P
N
e
b
2
b
1
( a )
b
1
e
V
b
2
r
b 2
r
b 1
( b ) ( c )
b
2
b
1
用一块高电阻率的 N型半导体硅片连接两个基极,硅片本身电阻约为 3~10kΩ,在硅片靠近 b2极处用 P型杂质引出一个电极 e极,形成 PN结 。
图 10 - 7（ b）,（ c） 分别为单结晶体管的等效电路和规定的图形符号 。 因为此晶体管仅有一个 PN结和两个基极,所以也称为,单结管,或,双基极二极管,。
单结晶体管 b1与 b2极之间正,反向电阻相等,约为 3~10
kΩ,而 e极和 b1极或 b2极正向电阻小于反向电阻且 rb1＞ rb2，
使用万用表 R× 1k挡来判别单结晶体管的发射极是很容易的,
只要发射极判别对了,即使 b1与 b2接反了也不会烧坏管子,只是没有脉冲或输出脉冲幅度很小 。
2,单结管的伏安特性单结管伏安特性是指在第二基极 b2与第一基极 b1之间加上固定直流正向电压 Ubb,发射极电流Ｉ e与发射极正向电压之间的关系曲线Ｉ e=f（ Ue）,如图 10 - 8(b)所示,图 10 - 8(a)为测试电路 。
单结管的伏安特性分为下面三个阶段 。
（ 1） 截止区 。
当基极电压 Ubb为零时,单结管的伏安特性如图 10 - 8（ b）
中 ① 曲线所示 。 当Ｕ bb不等于零时,等效电路中 A点和第一基极
b1之间的电压称为阈值电压,
图 10 - 8
a ） 测试电路； b ） 单结管的伏安特性曲线
＋
－
R
p
R
e e
I
e
A
r
b2
r
b1
U
bb
U
e
＋
－
＋
－
( a )
I
E
O
U
E
V
P
( b )
b
1
b
2
U
p
I
V
I
p
负阻区 饱和区截止区
U
r
随着 Ue的增大,反向漏电流减小 。 当 Ue=UA时,等效电路中二极管的电压为零,则 Ie=0；再增大 Ue,PN结开始承受正向电压,发射极正向漏电流增大,当 Ue=UP=UA+UV(UV
为二极管正向压降 )时,等效二极管导通,单结晶体管由截止变为导通,此时 P点叫峰点,P点所对应的电压叫峰点电压,
所对应的电流叫峰点电流 。 所以,峰点电压 UP是单结晶体管由截止变为导通所需要的最小发射极电压 。
（ 2） 负阻区 PV段 。
当发射极电压增大到峰点电压 UP时,等效二极管导通,
这时发射极电流 Ie开始剧增,发射极向 eb1区间注入大量空穴载流子,rb1值变小,于是等效电路 A点的电压变小,Ie进一步增大,在元件内部形成强烈正反馈,直到 rb1减至最小值 5～
20Ω时,UA也减到最小值,形成 PV段 。 在 PV段动态电阻
ΔReb1=ΔUe/ΔIe为负值,又称为负阻区,曲线上 V点为谷点,
V点对应的电压,电流分别为谷点电压 UV和谷点电流 IV。
（ 3） 饱合 VN段 。
当 rb1减小到最小值时,电路工作在特性曲线 V点处,如再增大发射极电流,发射极电压将缓慢增大,动态电阻恢复到正常值,单结管处于饱和导通状态 。 所以谷点电压是维持单结管导通的最小发射极电压 。
总之,单结晶体管伏安特性曲线大致可分为三个区：截止区,负阻区和饱和区,当 Ue＜ UP时单结管处于截止状态；
当 Ue＞ UP时单结管由负阻区极快地进入饱和区；当 Ue＞ UV时单结管处于饱和状态 。
国产单结管的型号有 BT31,BT33,BT35等,其中 B表示半导体,T表示特种管,3表示有 3个电极,第四个数表示耗散功率为 100 mW,300mW,500 mW。
二,单结晶体管触发电路利用单结晶体管的负阻特性及 RC的充,放电特性可组成单结晶体管自激振荡电路,如图 10 - 9 所示 。
假定在接通直流电源 Ubb之前,电容 C上没有电压,一旦接通 Ubb,电源立即通过 R对电容充电,电容器两端电压按指数函数规律增长 。 当 uC=UP时,单结晶体管立即导通,于是电容 C立即就向输出电阻 R1放电 。 由于 R1很小 （ 50～ 100Ω）,所以放电非常快,在输出电阻 R1上形成尖脉冲电压 。 当 uC下降到谷点电压 UV之后,单结晶体管截止,发射极电流几乎为零,输出尖脉冲停止,电容 C再次充电 。 如此周而复始,在电容 C上形成了类似锯齿的锯齿波,在输出端 R1上形成了一系列的尖脉冲 。
图 10- 9
（ a） 原理电路； （ b） 波形图
＋
R
R
2
R
1
C
－
＋
－
U
o
( a )
O t
U
R 1
tO
u
C
U
P
U
V
( b )
E
改变可变电阻 R或电容 C均能改变脉冲的输出时刻,一般都是通过改变 R实现的,因为改变 R容易且投资又小 。 一般 C值取
0.1～ 0.47 μF。
C值太小会造成触发功率不够,C值过大最小控制角增大,
移相范围变小 。
R1在 50～ 100 Ω之间取值为宜,R值太小,则放电太快,
脉冲太窄且幅度小,不利于触发晶闸管,R1太大,将有可能发生由于流过未导通单结管的漏电流在 R1上产生的,残压,太大,
而导致晶闸管误导通 。
R2是温度补偿电阻,因峰点电压 UP=ηUbb＋ UV,分压比 η
不随温度的变化而变化,但 UV随温度上升而下降 。 所以峰点电压随温度上升而下降,将会引起 UP不稳定,影响控制角 。
在电路中接入不随温度变化的电阻 R2,当温度升高时,
UV值虽然下降,而 rbb却增大,电流 Ibb=E/（ R1+R2+rbb） 减小,
R1,R2 上电压降相应减小,而 E 为恒定值,于是 Ubb=E-
（ UR1+UR2） 增大,以 ηUbb的增加来补偿 UV的减小,从而维持
UP不变,使触发电路工作点基本稳定不变 。 R2一般取 200～
600Ω。
单结晶体管同步触发电路如图 10 - 10 所示,主电路和触发电路由电压 u1同时供电 。 触发电路经单相半波整流后,再经稳压管 V1削波得到梯形波电压 。 在梯形波由正到负过零点时,电容 C放电,因而电容 C能在主电路晶闸管开始承受正向电压,从零开始充电 。 每周期产生的第一个有用的触发尖脉冲时间都一样,即每周期的控制角 α都相同,因而触发电路与主电路取得了同步,致使 UL波形有规律地调节变化 。
图 10- 10
(a) 电路； (b) 波形
R
R
2
R
1
①
② V
2
V
1
R
3
C
· ·
· ·
T
1
T
2
R
L
V
4
V
3
( a )
tO
u
③
O
O t
t
u
L
( b )
O t
u
②
u
①
晶闸管的导通角和输出电压平均值都保持不变 。
改变电阻 R可改变输出电压平均值,R增大时,电容 C充电变慢,使每一周期出现第一个脉冲的时间推迟,即控制角增大,则晶闸管的导通角和输出电压平均值都变小 。 因此,
调节电阻 R,就可达到调压的目的 。
10.4 晶闸管的保护晶闸管的主要缺点是过载能力差,在实际应用时必须加以保护,以防损坏 。
过电流保护造成晶闸管过电流的主要原因是,电网电压波动太大,负载超过允许值,电路中管子误导通以及管子击穿短路等 。
因为晶闸管承受过电流的能力比一般电器元件差,所以必须在极短时间内把电源断开或把电流值降下来,最常用的方法是采用快速熔断器 。
快速熔断器是最有效,最简单的过电流保护元件,专门为保护大功率半导体元件而制造,简称快熔,与普通熔断器相比具有快速熔断的特性；在通常的短路电流时,熔断时间小于 20
ms,能保证在晶闸管损坏之前快速切断短路故障 。
快速熔断器的熔体采用一定形状的银质熔丝,周围填充以石英砂,构成封闭式熔断器 。 银质熔丝导热性好,热量小,
它与普通的熔丝相比,在同样的过电流倍数下,它的熔断时间要短得多 。 我国目前生产的快熔大容量的有 RTK,RS3、
RS0；小容量的有 RSL系列 。
快速熔断器的接法一般有以下三种：
① 与晶闸管元件串联,流过快熔的电流就是流过晶闸管的电流,保护最直接可靠,如图 10 - 11 所示,图中 FU即快熔；
② 接在交流侧,如图 10 - 12 所示；
③ 接在直流侧,如图 10 - 13 所示 。
表 10.2 是 RSL系列快速熔断器的规格型号 额定电压 /
熔断器额定电流 /
融体额定电流 /
极限分断电流 /
保护特性电流 熔断时间
RLS-10
300
10 3
5
10
40
1.1IT(AV)
3IT(AV)
5h内不断
300ms内断
RLS-50 50 15
20
30
40
50
3.5IT(AV)
4IT(AV)
120ms内断
60ms内断
RLS-100 100 60
80
100
5IT(AV) 20ms内断图 10—11 快速熔断器
FU FU
FU FU
R
L
图 10 –12 快速熔断器
FU
FU
R
L
图 10-13 快速熔断器
FU
R
L
图 10 - 12,10 - 13 这两种接法,虽然快速熔断器数量用得较少,但保护效果不如图 10- 11,所以,这两种接法较少被采用 。
选择快速熔断器时要考虑以下几点：
（ 1） 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压；
（ 2） 快速熔断器的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；
（ 3） 熔体的额定电流是有效值,用 IFU表示,选择时取 I
FU=IT（ AV） 。
其中,IT（ AV ） 为被保护的晶闸管的额定电流； IFU为快速熔断器熔体的电流有效值 。
由于晶闸管额定电流在选择时已考虑了 1.5～ 2 倍的安全裕量,因而取 IFU=IT（ AV） 。
例如,20A晶闸管就选配熔体为 20A的快速熔断器与之相串联即可 。 对于小容量整流装置也可以用普通 RL1系列熔断器代替,但是熔体的额定电流只能按晶闸管额定电流的 1/3~2/3
来选配 。
二,过电压保护整流元件两端的电压远远超过额定电压的现象称为过电压 。 晶闸管元件的过电压能力较差,当加在晶闸管元件两端电压达到反向击穿电压时,短时间就会造成晶闸管损坏 。
(1) 变压器初,次级合闸时产生的过电压叫操作过电压；
(2) 晶闸管由正向导通转为反向阻断引起的过电压叫换相过电压；
(3) 直流侧快速熔断器熔断时引起的过电压称为直流侧过电压 。
为了抑制过电压,常在晶闸管电路中接入阻容吸收电路,
因为电路断开时,电路中电感储存的能量在极短的时间要释放出来,电路中接电容的目的一方面是将电感储存的磁场能量转化为电场能量,另一方面利用电容 C两端电压不能突变来抑制过电压 。
串联电阻的目的是为了在能量转化过程中消耗部分能量,
同时抑制 LC高频振荡,如图 10- 14所示 。 图 （ a） 中,RC并接在交流侧抑制过电压；图 （ b） 中,RC并接在元件侧抑制换相过电压； 图 （ c） 中 RC并接在直流侧抑制直流侧过电压 。
图 10 –14 晶闸管的过电压保护
R
C
( a )
R
C
( b )
R
L
R
C
R
C
R
C
R
C
( c )
10.5 双向晶闸管简介双向晶闸管和普通晶闸管一样,也有塑料封装型,螺栓型和平板压接型等几种不同的结构 。 塑料封装型元件的电流容量只有几安培,目前,台灯调光,家用风扇调速多用此种形式,
螺栓式电流容量为几十安培,大功率双向晶闸管元件都是平板压接型结构 。
双向晶闸管的符号如图 10 - 15 所示,从外部看双向晶闸管有三个引出端,分别是主端子 A1,主端子 A2和门极 G,其中主端子 A1和门极 G从同一面引出,主端子 A2从另一面引出 。
双向晶闸管主端子在不同极性下都具有导通和阻断能力,
图 10-15 双向晶闸管的符号
G
A
2
门极电压相对于主端子 A1无论是正还是负都有可能控制双向晶闸管导通,因而按门极极性和主端子的极性组合可能有以下四种触发方式：
(1) Ⅰ +触发方式：对主端子电压 A2为正,A1为负；对门极电压 G为正,A1
(2) Ⅰ -触发方式：对主端子电压 A2为正,A1为负；对门极电压 G为负,A1为正；
(3) Ⅲ +触发方式：对主端子电压 A2为负,A1为正；对门极电压 G为正,A1为负；
(4) Ⅲ - 触发方式：对主端子电压 A2为负,A1为正；对门极电压 G为负,A1为正 。
由于双向晶闸管内部结构的原因,四种触发方式的灵敏度各不相同,其中 Ⅲ +触发方式所需门极功率相当大,在实际应用中只能选 Ⅰ +,Ⅰ －,Ⅲ －的组合 。
10.6 晶闸管应用实例晶闸管调光和调温装置在工业和家用电器中已得到广泛应用 。 图 10 - 16(a)为双向二极管触发的双向晶闸管的台灯调光电路 。 在小导通角 (大 α)时,过大的电位器 Rp阻值使电容 C1充电缓慢,由于小导通角的触发电路电源电压已过峰值,并降得很低,
造成 C1充电电压过小,uC1电压不足以击穿双向二极管,因而实用电路图 11 - 16(b)增设了 R2C2阻容电路 。 当在小导通角时获得了一个滞后的电压 uC2,它给电容 C1增加一个充电电路,使小导通角时 uC1能增大,以保证晶闸管 V可靠触发导通,增大调压范围 。
10.1 晶闸管的结构和工作原理
10.2 单相可控整流电路
10.3 晶闸管的触发电路
10.4 晶闸管的保护
10.5 双向晶闸管简介
10.6 晶闸管应用实例返回主目录第 10 章 晶闸管及其应用晶闸管又称可控硅,是硅晶体闸流管的简称 。 晶闸管是大功率变流器件,利用其整流可控特性可方便地对大功率电源进行控制和变换 。 它具有体积小,重量轻,耐压高,容量大,使用维护简单,控制灵敏等优点,所以在生产上得到了广泛的应用 。
晶闸管的主要用途有：
(1) 可控整流 。 把交流电变换为大小可调的直流电称为可控整流 。 例如,直流电动机调压调速,电解,电镀电源均可采用可控整流供电 。
(2) 有源逆变 。 有源逆变是指把直流电变换成与电网同频率的交流电,并将电能返送给交流电源 。 例如,目前采用的高压输电工程,将三相交流电先变换成高压直流电,再进行远距离的输送,到目的地后,再利用有源逆变技术把直流电变成与当地电网同频率的交流电供给用户 。
(3) 交流调压 。 交流调压是指把不变的交流电压变换成大小可调的交流电压 。 例如,用于灯光控制,温度控制及交流电动机的调压调速 。
(4) 变频器 。 把某一频率的交流电变换成另一频率的交流电的设备称为变频器 。 例如,晶闸管中频电源,停电电源
（ ＵＰＳ ）,异步电动机变频调速中均含有变频器 。
(5) 无触点功率开关 。 用晶闸管可组成无触点功率开关取代接触器,继电器,适用于操作频繁的场合 。 例如,可用于控制电动机的正反转和防爆,防火的场合 。
晶闸管包括普通晶闸管,双向晶闸管,速晶闸管,可关断晶闸管,光控晶闸管和逆导晶闸管等 。 由于普通晶闸管应用广泛,故本章着重介绍普通晶闸管 。
10.1 晶闸管的结构和工作原理一,
晶闸管是用硅材料制成的半导体器件,它有三种结构形式：
螺栓式,平板式和塑料封装式 。 平板式又分为风冷平板式和水冷平板式 。
晶闸管的结构及符号如图 10 - 1 所示,它有三个电极：阳极 A,阴极 K和门极 G。 螺栓式晶闸管的阳极是紧栓在铝制散热器上的,而平板式晶闸管则用两个彼此绝缘的而形状相同的散热器把阳极与阴极紧紧夹住 。
晶闸管的内部结构如图 10 - 2 所示,它的管芯由四层 (P1、
N1,P2,N2)三端 （ A,K,G） 半导体器件构成,具有三个 PN
结,即 J1,J2,J3,由此可见,晶闸管是一个四层三端三结大功率半导体元件 。
图 10 – 1 晶闸管的结构及符号图 1 0 - 1
( c )
A
K
G
K
A
图形符号
V
G
K
G
A
( b )
( a )
K
G
A
A
K
G
( d )
图 10-2 晶闸管内部结构示意图
P
2
N
2
N
2
K G
A
N
1
P
1
( a )
A
K
G
( b )
J
1
J
2
J
3
晶闸管的工作情况为了搞清晶闸管的导通和关断条件,可用图 10 - 3 所示电路作实验说明 。 晶闸管与灯泡串联经开关 S1
接到电源 Ea上,门极与阴极经开关 S2接到电源 Eg上 。 开关 S1、
S2皆为双掷开关,可有正,零,反三种位置 。 首先规定当 Ea的正极经灯泡接阳极 A,负极接阴极 K,称晶闸管承受正向阳极电压；当 Ea的负极接阳极 A,正极接阴极 K,称晶闸管承受反向阳极电压 。 当 Eg的正极接门极 G,负极接阴极 K时,称晶闸管承受正向门极电压；当 Eg的负极接门极 G,正极接阴极 K时,称晶闸管承受反向门极电压 。
然后按表 10.1 所列各项逐一进行实验,实验条件和结论列于表 10.1。
图 10 –3 晶闸管实验电路
E
g
正反
V
A
K
G
V
A
S
2
反正
S
1
E
a
从实验中得出晶闸管的导通与关断的主要结论是：
(1) 晶闸管承受反向阳极电压时,不论门极承受何种电压,
总处于关断状态,不会导通 。
(2) 晶闸管导通必须同时具备两个条件,① 承受正向阳极电压； ② 承受正向门极电压 。
(3) 晶闸管一旦导通,门极便失去控制作用 。
(4) 晶闸管导通后,当减小电源电压 Ea,使流过晶闸管的电流减小到某数值时,晶闸管便会关断,这种维持晶闸管导通的最小电流称为维持电流 。
(5) 晶闸管关断时承受全部电源电压； 导通后阳极与阴极间的管压降很小,只有 1V左右,电源电压主要降落在负载
（ 灯泡 ） 上 。
表 10.1
试验序号 试验前灯的状态晶闸管承受电压 试验后状态晶闸管的电压灯泡两端电压晶闸观众的电流阳极电压门极电压导通试验
1
2
3
反向 反向
0
正向反向
0
暗 Ea 零 零
4
5
6
暗 正向正向
7
8
9
亮 正向 亮 左右 约为 Ea 约为
10 亮 正向逐渐减至 0
任何 暗
R
Ea
三,晶闸管的主要参数要正确使用晶闸管元件,除要了解晶闸管的工作原理外,
还要掌握晶闸管的参数,以便更好地使用晶闸管元件 。 以下介绍晶闸管的几个主要参数 。
1,正向阻断峰值电压Ｕ ＤＲＭ
在门极断开和晶闸管正向阻断的情况下,结温为额定值时,允许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的正向峰值电压,
称为正向阻断峰值电压,用ＵＤＲＭ表示 。
2,反向阻断峰值电压Ｕ ＲＲＭ
在门极断开的情况下,结温为额定值时,许重复加到晶闸管阳极与阴极之间的反向峰值电压,称为反向阻断峰值电压,
用Ｕ ＲＲＭ 表示 。
3,额定电压Ｕ TN
取Ｕ ＤＲＭ 与Ｕ ＲＲＭ 中较小者,按照相应的电压等级将其定义为元件的额定电压 。 在实际应用中,由于晶闸管的过电压,
过电流能力差,所以在选择晶闸管额定电压值时,应考虑
２～３ 倍的安全裕量 。 如在单相交流电路中有效值为 220 Ｖ
时,最大值为 311V,则应选用晶闸管额定电压为 600V,700 V
或者 800 V 。
4,额定电流 IT（ AV）
在环境温度为 40℃ 和标准散热条件下,按照相应的电流系列,将晶闸管的阳极与阴极之间允许通过的正弦半波电流的平均值定义为晶闸管的额定电流 。
实际中晶闸管的过电流能力较差,选择额定电流时也应该考虑 1.5～２ 倍的安全裕量 。
5,维持电流 IH
在规定的环境温度下和门极断开的情况下,维持晶闸管继续导通所需要的最小阳极电流称为维持电流 。 当晶闸管的阳极电流小于维持电流时,晶闸管关断 。
6,通态平均电压 UT（ AV）
在规定的环境温度和标准散热条件下,元件通以额定电流时,阳极与阴极之间的管压降的平均值称为通态平均电压,用 UT（ AV ） 表示,UT（ AV ） 是有级别的,从 A级到 I级,
A级为 0.4 V,I级为 1.2 V。
K p
UT(AT)组别,IT(AV)小于 100A不标
UTN等级
IT（ AV） 系列值普通行晶闸管闸流特性例如 KP200-9B表示普通型晶闸管,额定电流为 200A,额定电压为 9级,即 900V,通态平均电压为 B级,即 0.5 V。
10.2 单相可控整流电路在实际生产中,很多设备需要大小可调的直流电,例如,
电解,电镀,电焊等设备 。 把交流电变成直流电的过程叫整流 。 由晶闸管组成的可控整流电路可以把交流电变成直流电,
达到直流电源输出电压可调的目的 。
单相半波可控整流电路图 10 - 4 是单相半波可控整流电路,由晶闸管 V,负载 RL和单相整流变压器 T组成 。 T是用来变换电压的,u2为正弦交流电,uL,iL分别为整流输出电压瞬时值和负载电流瞬时值,uV,iV分别为晶闸管两端电压瞬时值和流过电流瞬时值 。
图 10- 4 单相半波可控整流电路图
GV
＋ －u
V
i
V
T
＋
－
u
2
R
L
i
L
＋
－
u
L
＋
－
u
1
电路工作时波形如图 10 - 5 所示 。
在图 10 - 5 的 0～ ωt1期间,晶闸管承受正向阳极电压,触发电路未送出门极触发脉冲,所以,晶闸管保持阻断状态,无直流电压输出 。
在 ωt1时刻,触发电路送出触发脉冲,晶闸管被触发导通,
若管压降忽略不计,负载 RL两端电压就是变压器次级电压 u2，
负载电流 IL的波形与 uL的波形相似 。
当 ωt=π时,u2下降到零,晶闸管电流也下降到零而关断,
电路无输出 。
在 u2的负半周,即 ωt为 π～ 2π时,晶闸管承受反向电压,
处于反向阻断状态,负载两端电压 uL为零 。
图 10 –5波形图
u
2
t
1
t
O
u
G
O
O
i
V
t
t
u
V
O
t
i
V
u
V
i
V
u
L
下一个周期循环往复 。
在单相整流电路中把晶闸管从承受正向电压的时刻起,到触发导通时所对应的电角度叫控制角,用 α表示,在图 10 - 5 中,
0～ ωt1期间所对应的电角度为 α。
把晶闸管在一个周期内导通所对应的电角度叫导通角,用
θ表示,在图 10 - 5 中,ωt1～ π所对应的电角度为 θ。
由图可以看出,在单相半波整流电路中,控制角 α愈小,即导通角 θ愈大,负载电压,电流的平均值就愈大 。 所以改变控制角 α的大小,就可以改变输出电压值,达到调压的目的 。
各电量计算公式如下 。
(1) 负载上直流平均电压 L。
根据平均值的定义,uL波形的平均值 UL为
2
c o s145.0s i n2
2
1
22
aUw t d w tUU
aL
(2) 流过负载电流的平均值为
L
L
L R
UI?
(3) 晶闸管元件承受的最大正,反向电压均为
.22U
例 10.1 有一电阻性负载,其阻值为 15Ω,要求负载两端的电压平均值为 74.2 V,采用单相半波整流电路,直接由交流电 220 V供电 。 试求晶闸管的导通角 θ,晶闸管中通过电流的平均值,并选择晶闸管元件 。
74.2=0.45× 220×
2
cos1 a?
cosα=0.5,α=60°
导通角 θ=180° -α=120°
晶闸管中通过的电流平均值为,
ARUI LT 515 2.74
晶闸管承受的最大反向电压为
VUU TM 31122022 2
按 2 倍裕量选择晶闸管元件,则额定电流为 10A,额定电压为 600 V,型号为 KP10 - 6。
按 2 倍裕量选择晶闸管元件,则额定电流为 10A,额定电压为 600 V,型号为 KP10 - 6。
解由式 （ 10 - 1） 可知,
L=50 V时,U
90,01
45.0
2c o s
2
aUUa L
30,8.01
45.0
2c o s a
2
aUU L
故控制角 α的可调范围为 30° ～ 90° 。
二,单相半控桥式整流电路图 10 - 6（ a） 所示电路为单相半控桥式整流电路,
其中晶闸管 V3,V4的阴极连在一起,为共阴极接法,二极管
V1,V2阳极连在一起,为共阳极接法 。
如图 10 - 6（ b） 所示,当 u2处于正半周且电角度 ωt为控制角 α时,触发晶闸管由于 V2正偏导通,V3承受正向电压,所以
V2与 V3就导通,电流 IL由 a→V 3→ 负载 RL→V 2→b 端,此时负载电压 UL等于 u2,ωt=π时,V3,V2关断 。
图 10 –6
(a) 电路； (b) 波形
tO
u
G
O
O t
t
u
L
( b )
u
1
u
2
＋
－
＋
－
a
b
V
3
V
1
V
4
V
2
i
L R
L
( a )
u
2
当 u2处于负半周时,将以相同的控制角触发晶闸管,V4与
V1导通,电流 iL从 b→V 4→ 负载 RL→V 1→a 端,直到 ωt=2π时,
IL=0,V4关断,负载电阻上得到一个缺角全波电压波形 。
(1) 负载上电压的平均值为
2
)1(9.0s i n21 2
20
C O S aUw t d w tUU
L
(2) 负载电流的平均值为
LL
L
L R
C O S aU
R
UI
2
)1(9.0 2
(3) 流过元件的平均电流为
L
L
V R
C O S aUII
2
)1(45.0
2
2
(4) 晶闸管及二极管承受的最大正,。
22U
10.3 晶闸管的触发电路晶闸管由关断转为导通,除阳极要承受正向电压外,门极还要加上适当的触发电压,改变触发脉冲输出时刻便可达到改变输出直流电压的目的 。 为门极提供触发电压和电流的电路叫触发电路 。 触发电路的类型很多,由于单结晶体管触发电路输出的脉冲具有前沿陡,抗干扰能力强和温补性能等特点,应用十分广泛 。 本节我们只介绍单结晶体管触发电路 。
1.
单结晶体管的原理结构如图 10 - 7（ a） 所示,图中 e为发射极,b1为第一基极,b2为第二基极 。
图 10 – 7
（ a） 结构示意 ; （ b） 等效电路 ; （ c） 图形符号
P
N
e
b
2
b
1
( a )
b
1
e
V
b
2
r
b 2
r
b 1
( b ) ( c )
b
2
b
1
用一块高电阻率的 N型半导体硅片连接两个基极,硅片本身电阻约为 3~10kΩ,在硅片靠近 b2极处用 P型杂质引出一个电极 e极,形成 PN结 。
图 10 - 7（ b）,（ c） 分别为单结晶体管的等效电路和规定的图形符号 。 因为此晶体管仅有一个 PN结和两个基极,所以也称为,单结管,或,双基极二极管,。
单结晶体管 b1与 b2极之间正,反向电阻相等,约为 3~10
kΩ,而 e极和 b1极或 b2极正向电阻小于反向电阻且 rb1＞ rb2，
使用万用表 R× 1k挡来判别单结晶体管的发射极是很容易的,
只要发射极判别对了,即使 b1与 b2接反了也不会烧坏管子,只是没有脉冲或输出脉冲幅度很小 。
2,单结管的伏安特性单结管伏安特性是指在第二基极 b2与第一基极 b1之间加上固定直流正向电压 Ubb,发射极电流Ｉ e与发射极正向电压之间的关系曲线Ｉ e=f（ Ue）,如图 10 - 8(b)所示,图 10 - 8(a)为测试电路 。
单结管的伏安特性分为下面三个阶段 。
（ 1） 截止区 。
当基极电压 Ubb为零时,单结管的伏安特性如图 10 - 8（ b）
中 ① 曲线所示 。 当Ｕ bb不等于零时,等效电路中 A点和第一基极
b1之间的电压称为阈值电压,
图 10 - 8
a ） 测试电路； b ） 单结管的伏安特性曲线
＋
－
R
p
R
e e
I
e
A
r
b2
r
b1
U
bb
U
e
＋
－
＋
－
( a )
I
E
O
U
E
V
P
( b )
b
1
b
2
U
p
I
V
I
p
负阻区 饱和区截止区
U
r
随着 Ue的增大,反向漏电流减小 。 当 Ue=UA时,等效电路中二极管的电压为零,则 Ie=0；再增大 Ue,PN结开始承受正向电压,发射极正向漏电流增大,当 Ue=UP=UA+UV(UV
为二极管正向压降 )时,等效二极管导通,单结晶体管由截止变为导通,此时 P点叫峰点,P点所对应的电压叫峰点电压,
所对应的电流叫峰点电流 。 所以,峰点电压 UP是单结晶体管由截止变为导通所需要的最小发射极电压 。
（ 2） 负阻区 PV段 。
当发射极电压增大到峰点电压 UP时,等效二极管导通,
这时发射极电流 Ie开始剧增,发射极向 eb1区间注入大量空穴载流子,rb1值变小,于是等效电路 A点的电压变小,Ie进一步增大,在元件内部形成强烈正反馈,直到 rb1减至最小值 5～
20Ω时,UA也减到最小值,形成 PV段 。 在 PV段动态电阻
ΔReb1=ΔUe/ΔIe为负值,又称为负阻区,曲线上 V点为谷点,
V点对应的电压,电流分别为谷点电压 UV和谷点电流 IV。
（ 3） 饱合 VN段 。
当 rb1减小到最小值时,电路工作在特性曲线 V点处,如再增大发射极电流,发射极电压将缓慢增大,动态电阻恢复到正常值,单结管处于饱和导通状态 。 所以谷点电压是维持单结管导通的最小发射极电压 。
总之,单结晶体管伏安特性曲线大致可分为三个区：截止区,负阻区和饱和区,当 Ue＜ UP时单结管处于截止状态；
当 Ue＞ UP时单结管由负阻区极快地进入饱和区；当 Ue＞ UV时单结管处于饱和状态 。
国产单结管的型号有 BT31,BT33,BT35等,其中 B表示半导体,T表示特种管,3表示有 3个电极,第四个数表示耗散功率为 100 mW,300mW,500 mW。
二,单结晶体管触发电路利用单结晶体管的负阻特性及 RC的充,放电特性可组成单结晶体管自激振荡电路,如图 10 - 9 所示 。
假定在接通直流电源 Ubb之前,电容 C上没有电压,一旦接通 Ubb,电源立即通过 R对电容充电,电容器两端电压按指数函数规律增长 。 当 uC=UP时,单结晶体管立即导通,于是电容 C立即就向输出电阻 R1放电 。 由于 R1很小 （ 50～ 100Ω）,所以放电非常快,在输出电阻 R1上形成尖脉冲电压 。 当 uC下降到谷点电压 UV之后,单结晶体管截止,发射极电流几乎为零,输出尖脉冲停止,电容 C再次充电 。 如此周而复始,在电容 C上形成了类似锯齿的锯齿波,在输出端 R1上形成了一系列的尖脉冲 。
图 10- 9
（ a） 原理电路； （ b） 波形图
＋
R
R
2
R
1
C
－
＋
－
U
o
( a )
O t
U
R 1
tO
u
C
U
P
U
V
( b )
E
改变可变电阻 R或电容 C均能改变脉冲的输出时刻,一般都是通过改变 R实现的,因为改变 R容易且投资又小 。 一般 C值取
0.1～ 0.47 μF。
C值太小会造成触发功率不够,C值过大最小控制角增大,
移相范围变小 。
R1在 50～ 100 Ω之间取值为宜,R值太小,则放电太快,
脉冲太窄且幅度小,不利于触发晶闸管,R1太大,将有可能发生由于流过未导通单结管的漏电流在 R1上产生的,残压,太大,
而导致晶闸管误导通 。
R2是温度补偿电阻,因峰点电压 UP=ηUbb＋ UV,分压比 η
不随温度的变化而变化,但 UV随温度上升而下降 。 所以峰点电压随温度上升而下降,将会引起 UP不稳定,影响控制角 。
在电路中接入不随温度变化的电阻 R2,当温度升高时,
UV值虽然下降,而 rbb却增大,电流 Ibb=E/（ R1+R2+rbb） 减小,
R1,R2 上电压降相应减小,而 E 为恒定值,于是 Ubb=E-
（ UR1+UR2） 增大,以 ηUbb的增加来补偿 UV的减小,从而维持
UP不变,使触发电路工作点基本稳定不变 。 R2一般取 200～
600Ω。
单结晶体管同步触发电路如图 10 - 10 所示,主电路和触发电路由电压 u1同时供电 。 触发电路经单相半波整流后,再经稳压管 V1削波得到梯形波电压 。 在梯形波由正到负过零点时,电容 C放电,因而电容 C能在主电路晶闸管开始承受正向电压,从零开始充电 。 每周期产生的第一个有用的触发尖脉冲时间都一样,即每周期的控制角 α都相同,因而触发电路与主电路取得了同步,致使 UL波形有规律地调节变化 。
图 10- 10
(a) 电路； (b) 波形
R
R
2
R
1
①
② V
2
V
1
R
3
C
· ·
· ·
T
1
T
2
R
L
V
4
V
3
( a )
tO
u
③
O
O t
t
u
L
( b )
O t
u
②
u
①
晶闸管的导通角和输出电压平均值都保持不变 。
改变电阻 R可改变输出电压平均值,R增大时,电容 C充电变慢,使每一周期出现第一个脉冲的时间推迟,即控制角增大,则晶闸管的导通角和输出电压平均值都变小 。 因此,
调节电阻 R,就可达到调压的目的 。
10.4 晶闸管的保护晶闸管的主要缺点是过载能力差,在实际应用时必须加以保护,以防损坏 。
过电流保护造成晶闸管过电流的主要原因是,电网电压波动太大,负载超过允许值,电路中管子误导通以及管子击穿短路等 。
因为晶闸管承受过电流的能力比一般电器元件差,所以必须在极短时间内把电源断开或把电流值降下来,最常用的方法是采用快速熔断器 。
快速熔断器是最有效,最简单的过电流保护元件,专门为保护大功率半导体元件而制造,简称快熔,与普通熔断器相比具有快速熔断的特性；在通常的短路电流时,熔断时间小于 20
ms,能保证在晶闸管损坏之前快速切断短路故障 。
快速熔断器的熔体采用一定形状的银质熔丝,周围填充以石英砂,构成封闭式熔断器 。 银质熔丝导热性好,热量小,
它与普通的熔丝相比,在同样的过电流倍数下,它的熔断时间要短得多 。 我国目前生产的快熔大容量的有 RTK,RS3、
RS0；小容量的有 RSL系列 。
快速熔断器的接法一般有以下三种：
① 与晶闸管元件串联,流过快熔的电流就是流过晶闸管的电流,保护最直接可靠,如图 10 - 11 所示,图中 FU即快熔；
② 接在交流侧,如图 10 - 12 所示；
③ 接在直流侧,如图 10 - 13 所示 。
表 10.2 是 RSL系列快速熔断器的规格型号 额定电压 /
熔断器额定电流 /
融体额定电流 /
极限分断电流 /
保护特性电流 熔断时间
RLS-10
300
10 3
5
10
40
1.1IT(AV)
3IT(AV)
5h内不断
300ms内断
RLS-50 50 15
20
30
40
50
3.5IT(AV)
4IT(AV)
120ms内断
60ms内断
RLS-100 100 60
80
100
5IT(AV) 20ms内断图 10—11 快速熔断器
FU FU
FU FU
R
L
图 10 –12 快速熔断器
FU
FU
R
L
图 10-13 快速熔断器
FU
R
L
图 10 - 12,10 - 13 这两种接法,虽然快速熔断器数量用得较少,但保护效果不如图 10- 11,所以,这两种接法较少被采用 。
选择快速熔断器时要考虑以下几点：
（ 1） 快速熔断器的额定电压应大于线路正常工作电压；
（ 2） 快速熔断器的额定电流应大于或等于内部熔体的额定电流；
（ 3） 熔体的额定电流是有效值,用 IFU表示,选择时取 I
FU=IT（ AV） 。
其中,IT（ AV ） 为被保护的晶闸管的额定电流； IFU为快速熔断器熔体的电流有效值 。
由于晶闸管额定电流在选择时已考虑了 1.5～ 2 倍的安全裕量,因而取 IFU=IT（ AV） 。
例如,20A晶闸管就选配熔体为 20A的快速熔断器与之相串联即可 。 对于小容量整流装置也可以用普通 RL1系列熔断器代替,但是熔体的额定电流只能按晶闸管额定电流的 1/3~2/3
来选配 。
二,过电压保护整流元件两端的电压远远超过额定电压的现象称为过电压 。 晶闸管元件的过电压能力较差,当加在晶闸管元件两端电压达到反向击穿电压时,短时间就会造成晶闸管损坏 。
(1) 变压器初,次级合闸时产生的过电压叫操作过电压；
(2) 晶闸管由正向导通转为反向阻断引起的过电压叫换相过电压；
(3) 直流侧快速熔断器熔断时引起的过电压称为直流侧过电压 。
为了抑制过电压,常在晶闸管电路中接入阻容吸收电路,
因为电路断开时,电路中电感储存的能量在极短的时间要释放出来,电路中接电容的目的一方面是将电感储存的磁场能量转化为电场能量,另一方面利用电容 C两端电压不能突变来抑制过电压 。
串联电阻的目的是为了在能量转化过程中消耗部分能量,
同时抑制 LC高频振荡,如图 10- 14所示 。 图 （ a） 中,RC并接在交流侧抑制过电压；图 （ b） 中,RC并接在元件侧抑制换相过电压； 图 （ c） 中 RC并接在直流侧抑制直流侧过电压 。
图 10 –14 晶闸管的过电压保护
R
C
( a )
R
C
( b )
R
L
R
C
R
C
R
C
R
C
( c )
10.5 双向晶闸管简介双向晶闸管和普通晶闸管一样,也有塑料封装型,螺栓型和平板压接型等几种不同的结构 。 塑料封装型元件的电流容量只有几安培,目前,台灯调光,家用风扇调速多用此种形式,
螺栓式电流容量为几十安培,大功率双向晶闸管元件都是平板压接型结构 。
双向晶闸管的符号如图 10 - 15 所示,从外部看双向晶闸管有三个引出端,分别是主端子 A1,主端子 A2和门极 G,其中主端子 A1和门极 G从同一面引出,主端子 A2从另一面引出 。
双向晶闸管主端子在不同极性下都具有导通和阻断能力,
图 10-15 双向晶闸管的符号
G
A
2
门极电压相对于主端子 A1无论是正还是负都有可能控制双向晶闸管导通,因而按门极极性和主端子的极性组合可能有以下四种触发方式：
(1) Ⅰ +触发方式：对主端子电压 A2为正,A1为负；对门极电压 G为正,A1
(2) Ⅰ -触发方式：对主端子电压 A2为正,A1为负；对门极电压 G为负,A1为正；
(3) Ⅲ +触发方式：对主端子电压 A2为负,A1为正；对门极电压 G为正,A1为负；
(4) Ⅲ - 触发方式：对主端子电压 A2为负,A1为正；对门极电压 G为负,A1为正 。
由于双向晶闸管内部结构的原因,四种触发方式的灵敏度各不相同,其中 Ⅲ +触发方式所需门极功率相当大,在实际应用中只能选 Ⅰ +,Ⅰ －,Ⅲ －的组合 。
10.6 晶闸管应用实例晶闸管调光和调温装置在工业和家用电器中已得到广泛应用 。 图 10 - 16(a)为双向二极管触发的双向晶闸管的台灯调光电路 。 在小导通角 (大 α)时,过大的电位器 Rp阻值使电容 C1充电缓慢,由于小导通角的触发电路电源电压已过峰值,并降得很低,
造成 C1充电电压过小,uC1电压不足以击穿双向二极管,因而实用电路图 11 - 16(b)增设了 R2C2阻容电路 。 当在小导通角时获得了一个滞后的电压 uC2,它给电容 C1增加一个充电电路,使小导通角时 uC1能增大,以保证晶闸管 V可靠触发导通,增大调压范围 。
