单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,电子技术,第6章 可控整流电路,了解晶闸管的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数,了解单相可控整流电路的可控原理和整流电压与电流的波形,了解单结晶体管及触发电路的工作原理,学习要点,6.1 晶闸管,6.2 单相可控整流电路,6.3 单结晶体管触发电路,6.4 晶闸管的保护,第6章 可控整流电路,6.1 晶闸管,由四层半导体,P,1,、N,1,和,P,2,、N,2,重叠构成，中间形成3个,PN,结,J,1,、J,2,和,J,3,。,最外层的,P,1,和,N,2,分别引出阳极,A,和阴极,K，,中间的,P,2,层引出控制极,G。,6.1.1 晶闸管的结构,晶闸管具有导通和截止（阻断）两种工作方式。,当晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，由于,PN,结,J,1,和,J,3,处于反向偏置，无论控制极是否加电压，晶闸管均不会导通，相当于开关处于断开状态，称为,反向阻断,。,当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极不加电压时，由于,PN,结,J,2,处于反向偏置，晶闸管也不会导通，也相当于开关处于断开状态，称为,正向阻断,。,当晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压，控制极与阴极之间也加正向电压时，晶闸管可以导通，且导通后管子的压降很小，只有1,V,左右，相当于开关处于,闭合,状态。,6.1.2 晶闸管的工作原理,可把晶闸管等效地看成由一个,NPN,型三极管,V,1,和一个,PNP,型三极管,V,2,组合而成。阳极,A,是,V,2,的发射极，阴极,K,是,V,1,的发射极，,V,1,的基极与,V,2,的集电极相连成为控制极,G，,而,V,2,的基极与,V,1,的集电极也连在一起。,（1）控制极不加电压时,I,G,=0，,尽管这时晶闸管的阳极和阴极之间加有正向电压，由于,V,1,没有基极电流输入，因此,V,1,和,V,2,中只有很小的漏电流，晶闸管处于阻断状态。,（2）控制极加正向电压,U,G,，,而阳极通过电阻,R,A,也加上正向电压,U,A,，,使两个三极管的发射结均为正向偏置，集电结均为反向偏置，均处于放大状态。此时,I,G,就是,V,1,的基极电流,I,B1,，,经,V,1,放大后，得到,V,1,的集电极电流,I,C1,，而,I,C1,又是,V,2,的基极电流,I,B2,，,再经,V,1,放大，得到,V,2,的集电极电流,I,C2,。,I,C2,又流入,V,1,基极，再次放大，这样循环下去，反复放大，形成强烈的正反馈，使两个三极管迅速进入饱和状态，即晶闸管导通。导通后，其压降很小，电压,U,A,几乎全部加到负载电阻,R,A,上，所以晶闸管导通后的电流大小取决于外电路参数。,若控制极不加正向电压，而提高阳极电压，则,V,1,和,V,2,中的正向漏电流增大，当阳极电压达到某一限度时，正向漏电流增大到能产生正反馈的程度，也会导致晶闸管的导通。,晶闸管导通后，再把开关,S,打开，使控制电流,I,G,消失，但由于管子本身的正反馈自保持作用，晶闸管仍然处于导通状态。因此，控制极的作用仅是触发晶闸管导通，导通后，控制极就失去了控制作用。若要晶闸管回到阻断状态，必须使阳极电流减小到不能维持其正反馈的数值，晶闸管自行关断，此时对应的阳极电流称为维持电流，用,I,H,表示。根据这个道理，使晶闸管由导通状态回到阻断状态，也可以将阳极与电源断开或给阳极与阴极之间加一反向电压。,可见晶闸管相当于一个可控的单向导通开关，其导通必须同时具备两个条件：,（1）在阳极和阴极之间加适当的正向电压,U,AK,；,（2）,在控制极和阴极之间加适当的正向触发电压,U,GK,，,在实际工作中，,U,GK,常采用正向触发脉冲信号。,6.1.3 晶闸管的伏安特性,（1）正向特性。,U,AK,0，,I,G,=0,时，晶闸管正向阻断，对应特性曲线的0,A,段。此时晶闸管阳极和阴极之间呈现很大的正向电阻，只有很小的正向漏电流。当,U,AK,增加到正向转折电压,U,BO,时，,PN,结,J,2,被击穿，漏电流突然增大，从,A,点迅速经,B,点跳到,C,点，晶闸管转入导通状态。晶闸管正向导通以后工作在,BC,段，电流很大而管压降只有1,V,左右，此时的伏安特性和普通二极管的正向特性相似。,晶闸管导通以后，如果减小阳极电流,I,A,，,则当,I,A,小于维持电流,I,H,时，突然由导通状态变为阻断，特性曲线由,B,点跳到,A,点。,应该指出，晶闸管的这种导通是正向击穿现象，很容易造成晶闸管永久性损坏，实际工作中应避免这种现象发生。另外，外加电压超过正向转折电压时，不论控制极是否加正向电压，晶闸管均会导通，控制极失去控制作用，这种现象也是不希望出现的，这是因为在可控整流电路中，应该由控制极电压来决定晶闸管何时导通，使之成为一个可控开关，所以，,晶闸管的正常导通应在控制极施加正向触发电压,。从图中可以发现，晶闸管的触发电流,I,G,越大，就越容易导通，正向转折电压就越低。不同规格的晶闸管所需的触发电流是不同的，一般情况下，晶闸管的正向平均电流越大，所需的触发电流也越大。,（2）反向特性。晶闸管承受反向电压，即时，晶闸管只有很小的反向漏电流，此段特性与二极管反向特性很相似，晶闸管处于反向阻断状态。当反向电压超过反向击穿电压,U,BR,时，反向电流剧增，晶闸管反向击穿。,6.1.4 晶闸管的主要参数,（1）额定正向平均电流,I,F,。,I,F,是指在环境温度不大于40和标准散热及全导通的条件下，在电阻性负载的电路中，晶闸管可以连续通过的工频正弦半波电流在一个周期内的平均值。它也叫通态平均电流，简称正向电流。在选择晶闸管时，其通态平均电流,I,F,应为安装处实际通过的最大平均电流的1.52倍。,（2）维持电流,I,H,。,在规定环境温度下，控制极断开后，维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流,I,H,，,当正向电流小于,I,H,时，晶闸管自行关断。,（3）正向重复峰值电压,U,FRM,。,在晶闸管控制极开路且正向阻断情况下，可以重复加在晶闸管上的正向峰值电压，用,U,FRM,表示。通常规定,U,FRM,为正向转折电压,U,BO,的80。,（4）反向重复峰值电压,U,RRM,。,在控制极开路时，可以重复加在晶闸管上的反向峰值电压，用,U,RRM,表示。通常规定,U,RRM,为反向击穿电压,U,BR,的80。,通常把,U,FRM,和,U,RRM,中较小者作为晶闸管的额定电压。选用晶闸管时，额定电压应为正常工作时峰值电压的23倍，作为允许的过电压余量。,6.2 单相可控整流电路,u,2,的正半周，触发脉冲,u,g,到来时晶闸管导通，负载电压,u,o,=,u,2,。,u,2,下降到接近于零时晶闸管关断。,u,2,的负半周，晶闸管反向阻断。,6.2.1 单相可控半波整流电路,1、电阻性负载,输出电压的平均值：,输出电流的平均值：,晶闸管承受的最高正向和反向电压：,2、电感性负载与续流二极管,u,2,经过零值变负之后，只要,e,L,大于,u,2,，,晶闸管继续承受正向电压，电流仍将继续流通。只要电流大于维持电流，晶闸管就不会关断，负载上出现了负电压。当电流下降到维持电流以下时，晶闸管才能会关断。,可见，在单相可控半波整流电路接电感性负载时，晶闸管的导通角,将大于。负载电感愈大，导通角,愈大，在一个周期中负载上负电压所占比重就愈大，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。,解决的方法是在电感性负载两端并联一个二极管。当交流电压,u,2,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,e,L,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。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。,6.2.2 单相半控桥式整流电路,u,2,的正半周,VT,1,和,VD,2,承受正向电压。这时如对晶闸管,VT,1,引入触发信号，则,VT,1,和,VD,2,导通，电流通路为：,aVT,1,R,L,VD,2,b,这时,VT,2,和,VD,1,都因承受反向电压而截止。,u,2,的负半周,VT,2,和,VD,1,承受正向电压。这时如对晶闸管,VT,2,引入触发信号，则,VT,2,和,VD,1,导通，电流通路为：,bVT,2,R,L,VD,1,a,这时,VT,1,和,VD,2,截止。,输出电压的平均值：,输出电流的平均为：,晶闸管和二极管承受的最高正向和反向电压：,6.3 单结晶体管触发电路,对触发电路的要求：,（1）触发时能提供足够的触发脉冲电压和电流。一般要在触发电路接到晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为410,V。,（2）,晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不超过0.25,V，,以免发生误导通。,（3）触发脉冲的前沿要陡，以保证触发时间准确，一般要求前沿时间小于10,s。,（4）,触发脉冲要有足够的宽度。对于电阻性负载电路，一般要求脉冲宽度大于20,s。,（5）,由触发脉冲所产生的控制角,要能平稳移动并有足够宽的移动范围。对于单相可控整流电路，控制角的范围要求接近或大于150,。,（6）触发电路必须与主电路同步，否则输出电压的波形为非周期性，造成输出电压平均值不稳定。,6.3.1 单结晶体管的结构和工作原理,1、单结晶体管的结构,在基极,B,1,和,B,2,之间的电阻（包括硅片本身的电阻和基极与硅片之间的接触电阻）为,R,BB,，,一般约在215,k,之间。设,R,B1,和,R,B2,分别为两个基极与,PN,结之间的电阻，则,R,BB,=,R,B1,+,R,B2,。,2、单结晶体管的伏安特性,峰点,P,与谷点,V,是单结晶体管工作状态的转折点，当,U,E,U,P,（,U,P,=,U,A,+,U,D,）,时，单结晶体管导通，,R,B1,急剧减小，,U,E,也随之下降；当,U,E,U,V,时，单结晶体管截止。,6.3.2 单结晶体管脉冲发生电路,接通电源后，电源,U,G,通过,R,向,C,充电，电压,U,E,按指数规律增大。,U,E,U,P,时，单结晶体管截止。当,U,E,U,P,时，单结管开始导通，,R,B1,急剧减小，,C,向,R,1,放电。由于,R,1,较小，放电很快，放电电流在,R,1,上形成尖脉冲电压。当,U,E,U,V,时，单结晶体管截止。此后电源再次经,R,向,C,充电，然后放电，形成振荡。如此反复，结果在电容,C,上形成锯齿波电压，在电阻,R,1,上得到一系列的尖脉冲电压,u,g,。,6.3.3 单结晶体管触发电路,当电源电压,u,1,过零时，,u,2,也过零，使单结晶体管触发电路电源电压,U,BB,=0，,此时峰点电压,U,P,U,BB,0，,单结晶体管的,E、B,1,结导通。如果此时电容,C,上的电压,u,C,不为零值，就会通过单结晶体管的,E、B,1,结对,R,2,放电，,u,C,迅速下降至零，使得电容,C,在电源每次过零后都从零开始重新充电，只要,R,与,C,的数值不变，则每半周由过零点到产生第一个脉冲的时间间隔是固定的。虽然在每个半周期内会产生多个脉冲，但只有第一个脉冲起到触发晶闸管的作用，一旦晶闸管被触发导通，后面的脉冲不再起作用。,6.4 晶闸管的保护,晶闸管的主要缺点是承受过电压、过电流的能力较弱。当晶闸管承受过电压过电流时，晶闸管温度会急剧上升，可能烧坏,PN,结，造成元件内部短路或开路。为了使元件能可靠地长期运行，必须对晶闸管电路中的晶闸管采取保护措施。,6.4.1 过电流保护,晶闸管发生过电流的原因：,负载端过载或短路；,电路中某一晶闸管击穿短路，引起相邻的其它晶闸管过电流；,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。,晶闸管允许过电流时间很短，例如一个100,A,额定电流的晶闸管过载倍数为4倍，即通过400,A,的过电流时，仅允许持续0.02,s（,工频的1个周），否则将因过热而损坏。过载倍数越大，允许的时间越短。这表明