3.晶闸管及其触发保护电路

第四章晶闸管及其应用第一节晶闸管的构造、工作原理、特性和参数晶闸管—可控硅，是一种受控硅二极管。

优点：体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度快、控制灵活、寿命长、使用维护方便。

缺点：大多工作与断续的非线性周期工作状态，产生大量谐波干扰电网；过载能力和抗扰能力较差、控制电路复杂。

（由于技术进步，近年有改善）1.1晶闸管的基本结构：晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。

1.2晶闸管的工作原理在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。

晶闸管导通后，去掉EG ，依靠正反馈，仍可维持导通状态。

晶闸管导通必须同时具备两个条件：1. 晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。

2. 晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。

晶闸管导通后，控制极便失去作用。

依靠正反馈，晶闸管仍可维持导通状态。

晶闸管关断的条件：1. 必须使可控硅阳极电流减小,直到正反馈效应不能维持。

2. 将阳极电源断开或者在晶闸管的阳极和阴极间加反向电压。

1.3晶闸管的伏安特性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I G2>I G1>I GI G=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U bo，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I H以下，则晶闸管又回到正向阻断状态。

晶闸管的工作条件概述及解释说明1. 引言1.1 概述:晶闸管作为一种重要的电子器件，在电力控制和电能转换领域发挥着关键的作用。

它具有可靠性高、功率损耗小、体积小等优点，被广泛应用于各个行业。

了解晶闸管的工作条件对于正确使用和设计相关电路至关重要。

1.2 文章结构:本文将首先介绍晶闸管的工作原理，包括其结构和PN结与工作条件之间的关系。

接下来，将详细讨论晶闸管的主要工作条件，包括阻抗匹配与负载电流、触发电压与触发电流以及关断特性及其影响因素。

然后，将探讨晶闸管的保护措施和需注意事项，包括过电流保护与故障检测、温度保护与散热设计要点以及隔离和绝缘性能要求。

最后，通过总结晶闸管的工作条件概述，并说明晶闸管在实际应用中的重要性和未来技术与应用展望，来结束整篇文章。

1.3 目的:本文旨在全面介绍晶闸管的工作条件，帮助读者深入了解晶闸管的原理和使用要点。

通过本文的阐述，读者可以掌握正确选择晶闸管和应用技巧，并能够设计合适的保护措施，确保晶闸管工作稳定可靠。

2. 晶闸管的工作原理:2.1 简介晶闸管:晶闸管是一种半导体器件，具有控制电流流动的特性。

它由四个半导体层构成，并带有三个接线端，即阳极、阴极和门极。

晶闸管可以实现自锁状态，在一定触发条件下将保持开启状态，直到触发信号停止或施加反向电压为止。

2.2 PN结与工作条件:在晶闸管中，两个PN结扮演重要角色。

当施加正向电压时，P区被加上正电压（阳极）而N区被加上负电压（阴极），形成一个正偏性结。

此时穿越PN结的少数载流子会被注入N区，并形成导电通道，使得晶闸管处于导通状态。

然而，在不适当的工作条件下，PN结可能会出现击穿现象，进而使整个晶闸管失效。

因此，在工作过程中需要注意：控制正向电流并维持适当的功耗、避免超过材料的最大额定电压、保持适当温度等。

2.3 准双向导通特性与工作条件:晶闸管具有准双向导通特性，即不论施加的电压是正向还是反向，只要触发条件满足，晶闸管都能够导通。

一、实验目的1. 了解晶闸管的基本结构、工作原理及触发方式。

2. 掌握晶闸管驱动电路的设计方法及驱动信号的生成。

3. 通过实验验证晶闸管的触发、导通和关断特性。

二、实验原理1. 晶闸管（Thyristor）是一种大功率半导体器件，具有可控硅整流器的特性，是一种四层三端器件。

晶闸管在正向电压作用下，在阳极与阴极之间形成PNPN结构，导通电流；在反向电压作用下，阻断电流。

2. 晶闸管的触发方式主要有以下几种：（1）正触发：在阳极与阴极之间施加正向电压，并在控制极与阴极之间施加正向脉冲信号，使晶闸管导通。

（2）负触发：在阳极与阴极之间施加反向电压，并在控制极与阴极之间施加负向脉冲信号，使晶闸管导通。

（3）双极触发：在阳极与阴极之间施加正向电压，同时在控制极与阴极之间施加正向脉冲信号，使晶闸管导通。

3. 晶闸管驱动电路主要作用是产生触发信号，驱动晶闸管导通和关断。

驱动电路一般由脉冲发生器、驱动放大器、隔离电路和缓冲电路组成。

三、实验器材1. 晶闸管：2只2. 驱动电路：1套3. 脉冲发生器：1台4. 测量仪器：示波器、万用表、电源等5. 电路板、导线、连接器等四、实验步骤1. 晶闸管基本特性测试（1）将晶闸管安装在电路板上，连接好电路。

（2）打开脉冲发生器，设置触发方式为正触发。

（3）使用示波器观察晶闸管的触发、导通和关断波形。

（4）调整脉冲发生器的脉冲宽度，观察晶闸管的导通和关断特性。

2. 晶闸管驱动电路设计（1）设计驱动电路，包括脉冲发生器、驱动放大器、隔离电路和缓冲电路。

（2）连接好电路，确保电路连接正确。

（3）打开脉冲发生器，设置触发方式为正触发。

（4）使用示波器观察驱动电路的输出波形，确保触发信号正确。

3. 驱动电路性能测试（1）在晶闸管驱动电路的基础上，连接晶闸管。

（2）打开脉冲发生器，设置触发方式为正触发。

（3）使用示波器观察晶闸管的触发、导通和关断波形，验证驱动电路的性能。

五、实验结果与分析1. 晶闸管基本特性测试实验结果显示，晶闸管在正触发方式下，触发电压为20V，导通电流为5A。

单元十三电力电子技术基础（教案）注：表格内黑体字格式为（黑体，小四号，1.25倍行距，居中）13.2晶闸管可控整流电路【教学过程】组织教学：1．检查出勤情况。

2．检查学生教材，习题册是否符合要求。

3．宣布上课。

引入新课：1．可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调节的直流电，以供给直流用电设备，如直流电动机的转速控制、同步发电机的励磁调节、电镀和电解电源等，它主要利用晶闸管的单向导电性和可控性构成。

2．通过实物演示及列举实例，让学生了解桥式整流电路的原理及应用，从而激发他们的学习兴趣。

讲授新课：13.2晶闸管可控整流电路13.2.1整流电路可控整流电路的作用是将交流电变换为电压大小可以调节的直流电，以供给直流用电设备，如直流电动机的转速控制、同步发电机的励磁调节、电镀和电解电源等，它主要利用晶闸管的单向导电性和可控性构成。

13.2.1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。

比较常用的是半控桥式整流电路，简称半控桥，其电路如图13-2-1所示。

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→R L→D2→b图13-2-1 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（讲解）（讲解）观看PPT：整流电路)承受正向电压。

这时，如对晶闸管T 2引入触发信号，则T 2和D 1导通，电流的通路为： b→T 2→R L →D 1→a图13-2-2 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T 1和D 2处于截止状态。

电压与电流的波形如图13-2-2所示。

桥式整流电路的输出电压的平均值为2cos 219.00a U U +⋅= (13-2-1)输出电流的平均值为2cos 19.000aR U R U I L L +⋅==(13-2-2) 13.2.2晶闸管的过电流、过电压保护1．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。

晶闸管的过电压和过电流保护在电力电子电路中，为确保变流电路正常工作，除了适当选择电力电子器件参数、设计良好的驱动电路外，还要采用必要的保护措施，即过电压保护、过电流保护、du/dt及di/dt的限制。

晶闸管的过电压保护晶闸管的过电压能力极差，当元件承受的反向电压超过其反向击穿电压时，即使时间很短，也会造成元器件反向击穿损坏。

如果正向电压超过晶闸管的正向转折电压，会引起晶闸管硬开通，它不仅使电路工作失常，且多次硬开通后元器件正向转折电压要降低，甚至失去正向阻断能力而损坏。

因此必须抑制晶闸管上可能出现的过电压，采取过电压保护措施。

1.晶闸管关断过电压及其保护晶闸管从导通到阻断时，和开关电路一样，因线路电感（主要是变压器漏感）释放能量会产生过电压。

由于晶闸管在导通期间，载流子充满元件内部，所以元器件在关断过程中，正向电流下降到零时，元器件内部仍残存着载流子。

这些积蓄载流子在反向电压作用下瞬时出现较大的反向电流，使积蓄载流子迅速消失，这时反向电流减小的速度极快，即di/dt极大。

晶闸管关断过程中电流与管压降的变化如图1所示。

因此，即使和元器件串联的线路电感L很小，电感产生的感应电势L（di/dt）值仍很大，这个电势与电源电压串联，反向加在已恢复阻断的元器件上，可能导致晶闸管的反向击穿。

这种由于晶闸管关断引起的过电压，称为关断过电压，其数值可达工作电压峰值的5～6倍，所以必须采取抑制措施。

如图2（a）所示，晶闸管两端的电压波形在管子关断的瞬时出现反向电压尖峰（毛刺）即为关断过电压。

当整流器输出端接续流二极管时，续流二极管由导通转为截止的瞬间，也是立即承受反向电压的，所以同样会产生关断过电压，故对续流二极管也应采取过电压保护措施。

图1 晶闸管关断过程中电流与管压降的变化图2 晶闸管关断过电压波形对于这种呈尖峰状的瞬时过电压，最常用的保护方法是在晶闸管两端并联电容，利用电容两端电压瞬时不能突变的特性，吸收尖峰过电压，把电压限制在管子允许的范围。

单结晶体管触发电路浏览2695发布时间2009-03-20单结晶体管触发电路之一图1（a）是由单结晶体管组成的张弛振荡电路。

可从电阻R1上取出脉冲电压ug。

(a) 张弛振荡电路(b) 电压波形图1 单结晶体管张弛振荡电路假设在接通电源之前，图1(a)中电容C上的电压uc为零。

接通电源U后，它就经R向电容器充电，使其端电压按指数曲线升高。

电容器上的电压就加在单结晶体管的发射极E和第一基极B1之间。

当uc等于单结晶体管的峰点电压UP时，单结晶体管导通，电阻RB1急剧减小（约20Ω），电容器向R1放电。

由于电阻R1取得较小，放电很快，放电电流在R1上形成一个脉冲电压ug，如图1(b)所示。

由于电阻R取得较大，当电容电压下降到单结晶体管的谷点电压时，电源经过电阻R供给的电流小于单结晶体管的谷点电流，于是单结晶体管截止。

电源再次经R向电容C充电，重复上述过程。

于是在电阻R1上就得到一个脉冲电压ug。

但由于图1（a）的电路起不到如后述的“同步”作用，不能用来触发晶闸管。

单结晶体管触发电路之二单结晶体管触发电路如图2所示，带有放大器。

晶体管T1和T2组成直接耦合直流放大电路。

T1是NPN型管，T2是PNP型管。

UI是触发电路的输入电压，由各种信号叠加在一起而得。

UI经T1放大后加到T2。

当UI增大时，IC1就增大，而使T1的集电极电位UC1，即T2的基极电位UB2降低，T2更为导通，IC2增大，这相当于晶体管T2的电阻变小。

同理，UI减小时，T2的电阻变大。

因此，T2相当于一个可变电阻，随着UI的变化来改变它的阻值，对输出脉冲起移相作用，达到调压的目的。

输出脉冲可以直接从电阻R1上引出，也可以通过脉冲变压器输出。

图2 单结晶体管触发电路因为晶闸管控制极与阴极间允许的反向电压很小，为了防止反向击穿，在脉冲变压器副边串联二极管D1，可将反向电压隔开，而并联D2，可将反向电压短路。

单结晶体管触发电路之三——单相半控桥式整流电路图3 由单结晶体管触发的单相半控桥式整流电路改变电位器R P的数值可以调节输出脉冲电压的频率。

双向可控硅及其触发电路双向可控硅是一种功率半导体器件，也称双向晶闸管，在单片机控制系统中，可作为功率驱动器件，由于双向可控硅没有反向耐压问题，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。

双向可控硅接通的一般都是一些功率较大的用电器，且连接在强电网络中，其触发电路的抗干扰问题很重要，通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。

为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。

（过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通，由于采用过零触发，因此需要正弦交流电过零检测电路）双向可控硅分为三象限、四象限可控硅，四象限可控硅其导通条件如下图：总的来说导通的条件就是：G极与T1之间存在一个足够的电压时并能够提供足够的导通电流就可以使可控硅导通，这个电压可以是正、负，和T1、T2之间的电流方向也没有关系。

因为双向可控硅可以双向导通，所以没有正极负极，但是有T1、T2之分再看看BT134-600E的简介：（飞利浦公司的，双向四象限可控硅，最大电流4A）推荐电路：为了提高效率，使触发脉冲与交流电压同步，要求每隔半个交流电的周期输出一个触发脉冲，且触发脉冲电压应大于4V ，脉冲宽度应大于20us.图中BT 为变压器，TPL521 - 2 为光电耦合器，起隔离作用。

当正弦交流电压接近零时，光电耦合器的两个发光二极管截止，三极管T1基极的偏置电阻电位使之导通，产生负脉冲信号，T1的输出端接到单片机80C51 的外部中断0 的输入引脚，以引起中断。

在中断服务子程序中使用定时器累计移相时间，然后发出双向可控硅的同步触发信号。

过零检测电路A、B 两点电压输出波形如图2 所示。

过零触发电路电路如图3 所示，图中MOC3061 为光电耦合双向可控硅驱动器，也属于光电耦合器的一种，用来驱动双向可控硅BCR 并且起到隔离的作用，R6 为触发限流电阻，R7 为BCR 门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。

晶闸管的工作原理在中频炉中整流侧关断时间采用KP-60微秒以内，逆变侧关短时间采用KK-30微秒以内这也是KP管与KK管的主要区别晶闸管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，不管门极承受和种电压，晶闸管都处于关短状态。

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。

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。

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。

从晶闸管的内部分析工作过程：晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图1，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图2当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门机电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP 管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2））（1—1）式硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸关处于正向阻断状态。

双向可控硅及其触发电路双向可控硅是一种功率半导体器件，也称双向晶闸管，在单片机控制系统中，可作为功率驱动器件，由于双向可控硅没有反向耐压问题，控制电路简单，因此特别适合做交流无触点开关使用。

双向可控硅接通的一般都是一些功率较大的用电器，且连接在强电网络中，其触发电路的抗干扰问题很重要，通常都是通过光电耦合器将单片机控制系统中的触发信号加载到可控硅的控制极。

为减小驱动功率和可控硅触发时产生的干扰，交流电路双向可控硅的触发常采用过零触发电路。

（过零触发是指在电压为零或零附近的瞬间接通，由于采用过零触发，因此需要正弦交流电过零检测电路）双向可控硅分为三象限、四象限可控硅，四象限可控硅其导通条件如下图:总的来说导通的条件就是：G极与T1之间存在一个足够的电压时并能够提供足够的导通电流就可以使可控硅导通，这个电压可以是正、负，和T1、T2之间的电流方向也没有关系。

因为双向可控硅可以双向导通，所以没有正极负极，但是有T1、T2之分再看看BT134-600E勺简介：（飞利浦公司的，双向四象限可控硅，最大电流4A）LIMITING VALUESLimiting values in accordance with the/^solute Maximum System (I EC 134)SYMBOLPARAMETERCONDITIONSMIN.MAX. UNrTRepetitive p^ak off-statevoltages-5UO 500'-600 60&-BOO 8001-JAI T HMS ； I TS *RMS cn^state current. Non-repetitwe peak full Eine wave Tnt. < 107 JC full sine wave, T = 25 'C prior to4Typical circuit for use when hot line switching is requited In this circut the I K M' side of the line is switched and the load ccmetted to me cold or neutral side. The load may be connecred to either the neutral or hot line珂n 冷 calculated so that I F is equal to the rated Ipj of the part l5mAfor(heMOC306l 10 mA for the LIOC3062. and 5 mA far the MOC3063 Hie 39 ohm resistor and 0 01 JC F capacitorare for snubbing of me triac and may or may not be necessary depending upon the particular triac and load used为了提高效率，使触发脉冲与交流电压同步，要求每隔半个交流电的周期输出一个触发 脉冲，且触发脉冲电压应大于 4V ,脉冲宽度应大于 20us.图中BT 为变压器，TPL521 - 2为 光电耦合器，起隔离作用。

晶闸管过压过流爱护电路图 - 电子元器件在电力电子行业经常用到晶闸管，如进相器、中频炉等，经常做修理的伴侣都知道晶闸管有时会烧坏，那为什么烧坏呢？主要缘由就是过压过流击穿，造成过压过流的缘由有时是负荷变化引起的，有时是操作者错误的操作挨次引起的，有时是晶闸管的爱护电路不合适引起的。

本文主要争辩晶闸管的爱护电路以供伴侣们选择。

晶闸管的爱护电路，大致可以分为两种状况：一种是在适当的地方安装爱护器件，例如，R—C阻容吸取回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。

再一种则是接受电子爱护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发把握系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。

晶闸管过压过流爱护电路图一.晶闸管的过流爱护晶闸管设备产生过电流的缘由可以分为两类:一类是由于整流电路内部缘由, 如整流晶闸管损坏, 触发电路或把握系统有故障等; 其中整流桥晶闸管损坏类较为严峻, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断力量，它相当于整流桥臂发生永久性短路，使在另外两桥臂晶闸管导通时，无法正常换流，因而产生线间短路引起过电流.另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，这类状况时有发生，由于整流桥的负载实质是逆变桥, 逆变电路换流失败，就相当于整流桥负载短路。

另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。

对于第一类过流，即整流桥内部缘由引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以接受第一种爱护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。

见图1。

快速熔短器的接入方式共有三种，其特点和快速熔短器的额定电流见表1。

图1：快速熔短器的接入方法2. 对于其次类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当接受电子电路进行爱护。

常见过流爱护原理图如下图2：过流爱护原理图二.晶闸管的过压爱护晶闸管设备在运行过程中，会受到由沟通供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。