晶闸管及其应用

晶闸管的结构及特性

 

一、晶闸管外形与符号：

图5.1.1 符 号

 

图5.1.2 晶闸管导通实验电路图

为了说明晶闸管的导电原理，可按图5.1.2所示的电路做一个简单的实验。

(1)晶闸管阳极接直流电源的正端，阴极经灯泡接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。控制极电路中开关S断开(不加电压)，如图5.1.2(a)所示，这时灯不亮，说明晶闸管不导通。

(2)晶闸管的阳极和阴极间加正向电压，控制极相对于阴极也加正向电压，如图5.1.2(b)所示.这时灯亮，说明晶闸管导通。

(3)晶闸管导通后，如果去掉控制极上的电压，即将图5.1.2(b)中的开关S断开，灯仍然亮，这表明晶闸管继续导通，即晶闸管一旦导通后，控制极就失去了控制作用。

(4)晶闸管的阳极和阴极间加反向电压如图5.1.2(C)，无论控制极加不加电压，灯都不亮，晶闸管截止。

(5)如果控制极加反向电压，晶闸管阳极回路无论加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。

从上述实验可以看出，晶闸管导通必须同时具备两个条件：

(1) 晶闸管阳极电路加正向电压;

(2) 控制极电路加适当的正向电压(实际工作中,控制极加正触发脉冲信号)。

 

图5.1.3 晶闸管的伏安特性曲线

二、伏安特性

晶闸管的导通和截止这两个工作状态是由阳极电压U、阳极电流I及控制极电流IG决定的，而这几个量又是互相有联系的。在实际应用上常用实验曲线来表示它们之间的关系，这就是晶闸管的伏安特性曲线。图5.1.3所示的伏安特性曲线是在IG=0的条件下作出的。

当晶闸管的阳极和阴极之间加正向电压时，由于控制极未加电压，晶闸管内只有很小的电流流过，这个电流称为正向漏电流。这时，晶闸管阳极和阴极之间表现出很大的内阻，处于阻断(截止)状态，如图5.1.3第一象限中曲线的下部所示。当正向电压增加到某一数值时，漏电流突然增大，晶闸管由阻断状态突然导通。晶闸管导通后，就可以通过很大电流，而它本身的管压降只有1V左右，因此特性曲线靠近纵轴而且陡直。晶闸管由阻断状态转为导通状态所对应的电压称为正向转折电压UBO。在晶闸管导通后，若减小正向电压，正向电流就逐渐减小。当电流小到某一数值时，晶闸管又从导通状态转为阻断状态，这时所对应的最小电流称为维持电流IH。

当晶闸管的阳极和阴极之间加反向电压时(控制极仍不加电压)，其伏安特性与二极管类似，电流也很小，称为反向漏电流。当反向电压增加到某一数值时，反向漏电流急剧增大，使晶闸管反向导通，这时所对应的电压称为反向转折电压UBR。

从图5.1.3的晶闸管的正向伏安特性曲线可见，当阳极正向电压高于转折电压时元件将导通。但是这种导通方法很容易造成晶闸管的不可恢复性击穿而使元件损坏，在正常工作时是不采用的。晶闸管的正常导通受控制极电流IG的控制。为了正确使用晶闸管，必须了解其控制极特性。

当控制极加正向电压时，控制极电路就有电流IG，晶闸管就容易导通，其正向转折电压降低，特性曲线左移。控制极电流愈大，正向转折电压愈低，如图5.1.4所示。

实际规定，当晶闸管的阳极与阴极之间加上6V直流电压，能使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。由于制造工艺上的问题，同一型号的晶闸管的触发电压和触发电流也不尽相同。如果触发电压太低，则晶闸管容易受干扰电压的作用而造成误触发;如果太高，又会造成触发电路设计上的困难。因此，规定了在常温下各种规格的晶闸管的触发电压和触发电流的范围。例如对KP50型 的晶闸管，触发电压和触发电流分别为≤3.5V和8~150mA。

 

图5.1.4 控制极电流对晶闸管转折电压的影响

三、主要参数

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)正向重复峰值电压UFRM

在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用符号UFRM表示。按规定此电压为正向转折电压的80%。[!--empirenews.page--]

(2)反向重复峰值电压URRM

就是在控制极断路时，可以重复加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的80%。

(3)正向平均电流IF

在环境温度不大于40oC和标准散热及全导通的条件下，晶闸管通过的工频正弦半波电流(在一个周期内的)平均值，称为正向平均电流IF，简称正向电流。通常所说多少安的晶闸管，就是指这个电流。如果正弦半波电流的最大值为Im，则

 

然而，这个电流值并不是一成不变的，晶闸管允许通过的最大工作电流还受冷却条件、环境温度、元件导通角、元件每个周期的导电次数等因素的影响。

(4)维持电流IH

在规定的环境温度和控制极断路时，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流IH。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。

 

 

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、

 

图5.1.5 接电阻性负载的单相半波可控整流电路

 

阻性负载

 

图5.1.6 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

图5.1.5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5.1.6(a)。假如在t1时刻给控制极加上触发脉冲如图5.1.6(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5.1.6.(c)所示的电压波形。图5.1.6(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。

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5.1.6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5.1.6.(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

 

 

 

(5.1)

从式(5.1)看出，当α=0时(θ=180o)晶闸管在正半周全导通，UO=0.45U，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。[!--empirenews.page--]

根据欧姆定律，电阻负载中整流电流的平均值为

 

(5.2)

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5.1.7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5.1.7)。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5.1.7中为上正下负)，电路中电流不能跃变，将由零逐渐上升如图5.1.8 (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5.1.7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5.1.8 (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5.1.8 (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。

 

图5.1.8 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

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5.1.9。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5.1.9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5.1.20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5.1.20 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5.1.21 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5.1.21所示。显然，与单相半波整流[图5.1.6(c)相比，桥式整流电路的输出电压的平均值要大一倍，即

 

(5.3)

输出电流的平均值为[!--empirenews.page--]

 

(5.4)

例5.1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5.1.20，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160 o~170 o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5.1所列。这就是说，当100A的晶闸管过电流为400A 时，仅允许持续0.02s，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6.3.1晶闸管的过载时间和过载倍数的关系

过载时间0.02s5s5 min

过载倍数421.25

 

图5.1.22 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5.1.22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。[!--empirenews.page--]

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5.1.23所示。

5.1.23 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5.1.23，也可以和阻容元件并联使用。

 

晶闸管的应用实例

一、晶闸管调光、调温电源

晶闸管调光和调温装置在工业、商业、影剧院以及家用电器中已得到广泛的应用。现介绍一种既实用又便于制作的晶闸管调光、调温电源，如图5.1.24.所示。粗线为主电路，细线为触发电路，由220V电网供电，负载电阻Rd可以是白炽灯、电熨斗、烘干电炉以及其它的电热设备。晶闸管的额定电流选择取决于负载的大小，家庭用的一般选用KP5-7为宜。熔断器的熔体若选用普通锡铅熔丝，其额定电流选2~3A较合适。

电路工作原理：在晶闸管VT1、TV2处于关断状态时，电源电压u2在正半周对电容C1充电，其充电速度取决于充电回路的时间常数τ=(R1+R)C1。当C1充电到晶闸管VT1所需的触发电

压时，VT1被触通。VT1管导通到电源电压u2正半波结束为止。由图可见，调整R值，就能改变C1的充电速度，负载两端电压也即发生变化。晶闸管VT2的触发电压是由C2充电所储蓄的电能来提供，但极性必须是上负下正。但在电源电压u2正半周，VT1管尚示导通时，C2充电方向是上正下负，与触发VT2管所需的方向相反。当VT1导通时，C2虽经VT1、R3放电，但由于R3阻值较大，故一般情况下，当电源电压u2正半波结束，VT1管被关断时，C2仍有一定上正下负的电荷。这样，在u2进入负半周时，电容C2必须先放电而后反向充电，当C2反充电到VT2管所需的触发电压时，VT2管才被触通，从而使两个晶闸管的导通角大致相同。假如VT1管导通角很大时，C2不存在先放电后充电现象，而是在VT2管一开始承受正向电压C2就充电，这样，C2也很快地到VT2管所需的触发电压使VT2触通，VT2的导通角同样也很大。反之，R调大，VT1导通角变小，则C2在触发VT2之前必须先放电，然后再反充电到VT2的触发电压，VT2管的导通角同样也就变小。可见，本电路只要调节R，就能同时改变VT1和VT2的导通角，从而调节灯光的强弱或温度的高低。

 

FU 500V，2-3A(锡铅) VT1，VT2 KP5-7 R 10Kω

R1 500Ω R2,R4 1kΩ R3 7.5kΩ

C1 C2 10μF 二极管 2CP12

图5.1.24 调光、调温电源

二、过电压自动断电保护电路

 

VT1 KP5-7 VT2 KP5-1 VD1-VD4 2CP40

图5.1.25过电压自断电晶闸管保护电路

如图5.1.25电路所示：TR是抽头式自耦调压器;Q1是电压选择开关，将电网输入电压选择在220V输出(如果交流电网220V电压比较稳定，那么TR与Q1可以不用);TS是同步过电压保护部分的变压器;二极管VD1~VD4和晶闸管VT1组成主电路电子开关。当VT1导通时，电子开关接通，VT1关断时，电子开关关断主电路无输出。

当输入的电源电压值正常时，稳压管2CW7载止，VT2关断，同步过压变压器TS的10V二次侧绕组电压经VD5对200μF电容充电而获得直流电压，它作为VT1的触发电压，使VT1管被触通。主电路电子开关接通，允许输出。

VD6整流滤波所形成的直流取样电压的变化反映了交流电网电压的变化。当输入的电网电压过高时，稳压管2CW7被击穿，晶闸管VT2被触通，由于VT2导通后两端管压降不到1V，不足以触通晶闸管VT1，故主电路电子开关被关断，自动地切断电源，从而使电器得到保护。待电网电压恢复正常后，要重新起动VT1，必须先按下常闭按钮SB，VT2被关断，当按钮SB复位时，VT1被触通，电子开关重新接通主电路，电路恢复正常供电。[!--empirenews.page--]

VT2被触通电压，一般调整在当电网电压升高到240V为宜。可变电阻R是晶闸管VT2门极限流电阻，也可用固定电阻代替。