第七章 晶闸管及其应用电路

第一节 晶闸管

第二节 晶闸管可控整流电路

第三节 晶闸管触发电路

第七章 晶闸管及其应用电路

1. 熟悉晶闸管的结构、外形及符号，并了解晶闸管的工作原理及阳极伏安特性及主要参数。

2. 掌握晶闸管的导通、关断条件以及简单测试方法。3. 掌握计算（电阻性负载）单相半波可控、单相半控

桥式整流电路的输出电压、晶闸管可能承受的最高反向电压与流过晶闸管的电流有效值的计算方法。

4. 了解单结晶体管的结构、特性，理解触发电路的工作原理、各环节组成及作用，掌握单结晶体管的简单测试方法。

知识目标

技能目标1. 能计算（电阻性负载）单相半波可控、

单相半控桥式整流电路的输出电压、晶闸管可能承受的最高反向电压与流过晶闸管的电流有效值。

2. 能根据电路参数正确选择晶闸管。

3. 会分析单结晶体管触发电路的工作原理、各环节组成及作用。

4. 会对晶闸管、单结晶体管作简单测试。

第一节 晶闸管一、晶闸管的结构和符号

晶闸管：（晶体闸流管，可控硅整流器。）

1956 年美国贝尔实验室发明了晶闸管。

1957 年美国通用电气公司开发出第一只晶闸管产品。

1958 年商业化，开辟了电力电子技术迅速发展和广泛应用的崭新时代。

20 世纪 80 年代以来，开始被性能更好的全控型器件取代，能承受的电压和电流容量最高，工作可靠，在大容量的场合具有重要地位。

晶闸管往往专指晶闸管的一种基本类型——普通晶闸管，广义上讲，晶闸管还包括其许多类型的派生器件。

发展史

1. 晶闸管的结构和符号 晶闸管引出三个极，阳极 A 、阴极 K 、门极（控制极）

G

图 7-1 晶闸管的结构、符号a ）结构 b ）电气符号

以半导体PN 结为基础，四个区和三个 PN结构成。

晶闸管等效电路

门极 G

阴极K

阳极 A

外形有螺栓型和平板型两种封装。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，能与散热器紧密联接且安装

方便。平板型封装的晶闸管可由两个散热器将其夹在中间。

2. 类型

图 7-2 晶闸管的外形a ）螺栓式 b ）平板式 c ）塑封管式 d) 一些常见晶闸管

现代生活和工作的各行各业都有晶闸管的应用，已成了现代生活不可缺少的部分如电焊机、点焊机、调功器（烘干）、调光灯、电泳整流电源（汽车涂装），直流调速系统（压力机，数控机床），直流伺服单元（机器人、加工中心、剪板机）等等。图 7-3 是调光台灯及其调节器，旋动调光旋钮便可以调节灯泡的亮度。图 7-3b 为电路原理图，调光灯电路由主电路和触发电路两部分构成。

同步变压器调光电位器

调光旋钮

（ a ） (b)图 7-3 调光灯及其电路

a ）调光灯 b ）调光灯电路原理图

小知识

二、晶闸管的工作原理1 ．晶闸管的导通原理

图 7-4 晶闸管的内部结构与导通原理a ）内部结构 b ）导通原理

晶闸管可视为两只异型晶体管的组合，阳极一侧为 V1 管，阴极一侧为 V2 管，门极 G 既是 V2 的基极，又是 V1 的集电极。

在晶闸管阳极加上正向电压，并经触发之后，可归纳以下结论：1 ）只要 β1β2 ＞ 1 ，便可维持正反馈放大，使晶闸管导通。2 ）一旦导通，门极就失去控制作用，门极的触发电压便可撤消。可见触发电压只需要采用适当的脉冲电压即可。3 ）晶闸管导通后，阳极电流的大小受电路参数的制约，最后稳定值为 IA= （ UA-UT ） /R 。

当晶闸管加上正向阳极电压，并在控制极加上正向触发电压时：

UG→Ib2→Ic2(Ic2=β2IB2=IB1)→IC1(IC1=β1IB1=β1β2 IB2)

正反馈

结论：

1 ）阳极加适当的正向电压，即 UA ＞ 0 。2 ）门极加适当的正向触发电压，即 U G ＞ 0 。3 ）电路参数必须保证晶闸管阳极工作电流大于维

持电流，即 IA ＞ IH ，维持电流 IH 是维持晶闸管导通的最小阳极电流。

1 ）撤除阳极电压，即 UA≤ 0 。2 ）阳极电流减小到无法维持导通的程度，即 IA ＜

IH 。常采用的方法有：降低阳极电压，切断电流或给阳极加反向电压。

结论

（ 1 ）导通条件

（ 2 ）关断条件

2. 晶闸管的导通与关断条件

想一想

1 ）根据晶闸管的结构图 7-2a所示，可将其看成是（ ）型和（ ）型两个晶体三极管的互连。

2 ）有人说：“晶闸管只要加上正向电压就导通，加上反向电压就关断，所以晶闸管具有单向导电性能。”这句话对吗？

三、晶闸管的主要参数表 7-1 晶闸管的主要参数

名称 符号 性质特点

通态平均电流

IT （ AV ）在规定的环境温度和散热条件下，允许通过阳极和阴级之

间的电流平均值。

维持电流 IH在规定的环境温度和门极断开的条件下，要维持晶闸管处

于导通状态所需要的最小正向电流。

门极触发电压和电流

VGT ， I

GT

在规定的环境温度和一定的正向电压条件下，使晶闸管从关断到导通，门极所需要的最小电压和电流。

正向阻断峰值电压

在门极断开和正向阻断条件下，允许加在阳极的正向电压最大值。使用时正向电压若超过此值，晶闸管即使不加触发电压也能从正向阻断转为导通。

反向阻断峰值电压

在门极断开和反向阻断条件下，允许加在阳极的反向电压最大值。

四、晶闸管型号

例如 KP10-20表示额定通态平均电流为 10A ，正反向重复峰值电压为 2000V 的普通反向阻断型晶闸管。

晶闸管的命名方法如下：

晶闸管

通态平均电压组别 用 A~I 字母表示

正反向峰值电压用百伏表示

额定正向平均电流

普通型

K P □—□ □

1 ）在选择晶闸管额定电压、电流时，应留有足够的安全余量。

2 ）应有过电流、过电压保护和限制电流、电压变化率的措施。

3 ）晶闸管的散热系统应严格遵守规定要求。使用中，若冷却系统发生故障，应立即停止使用或将负载减小到额定值的三分之一，作短时应急使用。

4 ）严禁用兆欧表检查晶闸管的绝缘情况。

五、晶闸管使用注意事项

使用时应注意以下几点：

晶闸管特点：具有体积小、损耗小、无声、控制灵敏度高等许多优点的半导体变流器件，但它对过流和过压承受能力比其他电器产品要小得多。

六、晶闸管电极的判定和简单测试

1 ．晶闸管电极的判定

小电流塑封式

小电流塑封式

小电流螺旋式

阴极（ K ）

阴极（ K ）

阳极（ A ）

阳极（ A ）门 极

（ G ）

门 极（ G ）

若从外观上判断， 3 个电极形状各不相同，无需作任何测量就可以识别。

2 ．晶闸管的简单测试 ( 用万用表法进行好坏的简单判断 )

项目 测试方法 说明 结果及分析

1

万用表档位放至于欧姆档R×100 ，将红表笔接在晶闸管的阳极，黑表笔接在晶闸管的阴极观察指针摆动情况

结果：正反向阻值均很大。原因：晶闸管是四层三端半导体器件，在阳极和阴极之间有三个 PN

结，无论如何加电压，总有一个 PN 结处于反向阻断状态，因此正反向阻值均很大。

2

将黑表笔接晶闸管的阳极，红表笔接晶闸管的阴极观察指针摆动情况

表 7-2 晶闸管测试方法 ( 一 )

3

将红表笔接晶闸管的阴极，黑表笔接晶闸管的门极观察指针摆动情况

理论结果：当黑表笔接控制极，红表笔接阴极时，阻值很小；当红表笔接控制极，黑表笔接阴极时，阻值较大。实测结果：两次测量的阻值均不大原因：在晶闸管内部控制极与阴极之间反并联了一个二极管，对加到控制极与阴极之间的反向电压进行限幅，防止晶闸管控制极与阴极之间的 PN 结反向击穿。

4

将黑表笔接晶闸管的阴极，红表笔接晶闸管的门极观察指针摆动情况

表 7-2 晶闸管测试方法 ( 二）

第二节 晶闸管可控整流电路 晶闸管可控整流与二极管整流有所不同，它不仅能将交流电变成直流电，且改变的直流电的大小是可调的、可控的。

调光台灯电路原理图

案件

主电路

触发电路

同步变压器

一般容量在 4KW 以下的可控整流装置多采用单相可控整流，对大功率的负载多采用三相可控整流。

一、单相半波可控整流电路

带电阻性负载的工作情况

图 7-5 单相半波可控整流电路及波形

变压器 T起变换电压和电气隔离的作用。

电阻负载的特点：电压与电流成正比，两者波形相同。

晶闸管整流电路的一种基本分析方法

通过器件的理想化，将电路简化为分段线性电路。器件的每种状态对应于一种线性电路拓扑。

对单相半波电路的分析可基于上述方法进行：

– 当 VT处于断态时，相当于电路在 VT处断开， id=0 。

– 当 VT处于通态时，相当于VT短路。

a) b)

VT

R

L

VT

R

Lu 2 u 2

a) b)

VT

R

L

VT

R

Lu 2 u 2

a)VT 处于关断状态 b)VT 处于导通状态

基本数量关系

首先，引入两个重要的基本概念：触发延迟角：从晶闸管开始承受正向阳极电压起到施加触发脉冲止的电角度 , 用 α表示 ,也称触发角或控制角。导通角：晶闸管在一个电源周期中处于通态的电角度，用θ表示 。

（ 1 ）输出电压平均值

2

cos145.0 2

UU L (7-1)

VT 的 α 移相范围为 180

通过控制触发脉冲的相位来控制直流输出电压大小的方式称为相位控制方式，简称相控方式。

（ 2 ）输出电流平均值为

L

LL R

UI （ 7-2 ）

式中 U2—— 变压器二次电压的有效值，单位为伏 [V]；

α—— 控制角；单位为弧度 [rad]

UL——输出电压的平均值，单位为伏 [V]；

IL——负载中流过的平均电流，单位为安 [A] 。

单相半波可控整流电路具有线路简单，只需要一个晶闸管，调整也很方便。整流输出的直流电压脉动大、设备利用率不高等缺点。故只适用于要求不高的小功率整流设备上。

特点

触发延迟角 α越大，导通角和整流输出的直流电压将怎样变化？

【例 7-1】在图 7-5a 所示电路中，变压器二次电压 U2=100V ，当控制角 α 分别为 0º 、 90º 、 120º 、 180º 时，负载上的平均电压是多少？

【解】 由式（ 7-1 ）知α=0º时

α=90º 时

α=120º时

α=180º 时

想一想

VVU L 02

180cos110045.0

0

VVU L 25.112

120cos110045.0

0

VVU L 5.222

90cos110045.0

0

VVU L 452

0cos110045.0

0

二、单相半控桥式整流电路

1.单相半控桥式整流电路

图 7-6 单相半控桥式整流电路a ）电路 b ）波形

晶闸管 VT1

和 VT2

二极管 VD1

和 VD2

电路结构

工作原理及波形分析VT1 和 VD2 组成一对桥臂，在 u2 正半周承受电压 u2 ，得

到触发脉冲即导通，当 u2 过零时关断。（见图 7-6 b ） VT2 和 VD1 组成另一对桥臂，在 u2 正半周承受电压 -u2 ，

得到触发脉冲即导通，当 u2 过零时关断。（见图 7-6 b ）

2

cos19.0 2

UU L

（ 7-3 ）

基本数量关系

直流输出电压平均值为

a 角的移相范围为180 。

2U2

L

LL R2

UI

每只管子承受的最高反向电压为

每个晶闸管导通平均电流为负载平均电流的 1/2 ，即

向负载输出的平均电流值为

2

cos19.0

2

cos122 22

R

U

R

U

R

UI L

L

当 α=0 时， θ=π 晶闸管出于完全导通状态， UL=0.9U2；当 α=π 时， θ=0 ，晶闸管出于完全关断状态， UL=0 。输出直流电压的范围为： 0～ 0.9U2 。

结论

想一想 单相半控桥式整流电路输出的直流电压范围为（ ） U2 。

2. 用一个晶闸管的单相桥式可控整流电路

单相桥式整流电路

晶闸管作开关管用 电路结构

图 7-7 用一只晶闸管的单相桥式可控整流电路a ）电路图 b ）波形图

输出电压 u2 和单相半控桥式整流

电路的相同

注意应用较广，在晶闸管前不能接滤波电容。

几种常用触发信号电压波形

第三节 晶闸管的触发电路

正弦波 尖脉冲 方波

强触发脉冲 脉冲列

触发电路——对晶闸管提供触发信号的电路。

一、对触发电路的要求

1 ）触发电压必须与晶闸管阳极电压同步。2 ）触发电压应满足主电路移相范围的要求。3 ）触发脉冲电压的前沿要陡，宽度要满足一定的要

求。4 ）具有一定的抗干扰能力。5 ）触发信号应有足够大的电压和功率。

单结晶体管

触发电路

二、单结晶体管触发电路

主电路结构简单、触发可靠性高的特点，适用于中小容量的晶闸管可控整流装置。

特点

1. 单结晶体管的结构、符号和特性

图 7-8 单结晶体管结构、符号和等效电路

a ）结构 b ）符号 c ）等效电路

单结晶体管又称为双基极二极管。它有一个发射极和两个基极。在一块高阻率的 N 型硅基片上用镀金陶瓷片制作成两个接触电阻很小的极，称为第一基极（ B1 ）和第二基极（ B2 ），而在硅基片的另一侧靠近 B2 处掺入 P 型杂质，并引出一个铝质电极，称为发射极（ E ）。发射极 E 对基极 B1 、 B2就是一个 PN 结，故称为单结晶体管

触发电路常用的国产单结晶体管的型号主要有BT31 ， BT35 ， BT35 ，其外形与管脚排列。

发射极 e

第一基极 b1

第二基极 b2

单结晶体管具有几个 PN 结？

想一想

当两基极 B1 和 B2 间加某一固定直流电压时，发射极电流与发射极正向电压 Ue 之间的关系曲线称为单结晶体管的伏安特性＝ f（ Ue ）。

单结晶体管的电流和电压（伏安）特性

单结晶体管工作时，需要在两个基极上加以电压UBB ，且 B2 接正极， B1 接负极，在发射极不加电压时， A点和 B1 之间的电压为：

η称为单结晶体管的分压系数（或称分压比），它与管子内部结构有关，通常在 0.3～ 0.9 之间。对某一单结晶体管而言， η 是一个常数，且不受电压和温度的影响。

（ 7-4 ） BBBBBB

BAB UU

RR

RU

21

11

单结晶体管的电流和电压（伏安）特性

7-9 单结晶体管的电压电流特性

①截止区

②负阻区

③饱和区

UE ＜ UV

UE ＞ UP

单结晶体管具有开关特性。当 UE ＞ UP 时，“开关”闭合， E 、 B1 极之间导通；当 UE＜ UV 时，“开关”断开，即 E 、B1 极之间截止，呈高阻状态。

结论

2. 单结晶体管触发电路

图 7-10 单结晶体管触发电路a ）电路 b ）波形

同步变压器 T 的作用是让触发脉冲与主电路同步

电路组成削波电

路同步变压器

整流电路

主电路

单结晶体管振荡电路

同步变压器 T 向触发电路提供一个低电压 U2 ，此电压经整流，稳压后得到一个稳定电压 UZ 加在单结晶体管触发电路上。 UZ 经 R 和 RP 对电容 C充电，当 UC （ UE ）上升到大于单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管导

通， C 经过 E→RB1→R1 放电，在 R1 形成一脉冲电压加到主电路中两个晶闸管门极，使处于承受正向电压的晶闸管导通。电容 C 放电后， UC 下降，到低于谷点电压时，单结晶体管截止。

工作原理

如何改变可控整流输出电压的高低，实现可控整流？

想一想

3 ．单结晶体管的简单测试(1) 单结晶体管的电极判定

表 7-3 单结晶体管的简单测试方法（一）

项目 测试方法 说 明 测试结果

1

万用表置于电阻挡，将万用表红表笔接 E端，黑表笔接 B1端，测量 E—B1 两端的电阻，测量结果见右图

结果：两次测量的电阻值均较大（通常在几十千欧）。

2

将万用表黑表笔接 B2端，红表笔接 E端，测量 B2—E 两端的电阻，测量结果见右图

表 7-3 单结晶体管的简单测试方法（二）

项目 测试方法 说 明 测试结果

3

将万用表黑表笔接 E端，红表笔接 B1端，再次测量B1—E 两端的电阻，测量结果见右图

结果：两次测量的电阻值均较小（通常在几千欧），且RB1 ＞ RB2

4

将万用表黑表笔接 E端，红表笔接 B2端，再次测量B2—E 两端的电阻，测量结果见右图

表 7-3 单结晶体管的简单测试方法（三）

项目 测试方法 说 明 测试结果

5

将万用表红表笔接 B1端，黑表笔接 B2端，测量 B2—B1 两端的电阻，测量结果见右图

结果： B1—B2

间的电阻 RBB 为固定值。

6

将万用表黑表笔接 B1端，红表笔接 B2端，再次测量B1—B2 两端的电阻，测量结果见右图

(2)判定单结晶体管的好坏 表 7-4 判定单结晶体管好坏的操作步骤

步骤 项 目 方 法 结 果

1测量 PN 结正向电阻

将万用表置于 R×l00挡或 R×1k挡，黑表笔接发射极 E ，红表笔接基极B1 、 B2

测得管子 PN 结的正向电阻一般应为几至几十千欧

2 测量 PN 结反向电阻

将红表笔接发射极 e ，黑表笔分别接基极 Bl 或 B2

测得 PN 结的反向电阻，正常时指针偏向∞ ( 无穷大 ) 。

3 测量基极电阻RBB

将万用表的红、黑表笔分别任意极 B1 和 B2

测量 B1 、 B2 间的电阻应在 2

～ 12kΩ范围内，阻值过大或过小都不好

4测量负阻 特性

将万用表 R×l00 挡或 R×lk 挡，红表笔接 B1 极，黑表笔接 E 极。

负阻特性测试电路图

仪表指针应偏向左侧，表明管子具有负阻特性。

如果指针偏向右侧，则表明被测管无负阻特性，当然不宜使用。

三、应用实例

图 7-11 简易晶闸管充电电源

简易晶闸管充电电源

主电路

触发电路

当电源电压正半周时，触发电路工作，输出触发脉冲，晶闸管导通。当电源电压负半周时，触发电路停止工作，无脉冲输出，这时晶闸管阳极承受反向电压而关断。

注意

输出端负载电池的极性必须接正确。 过压保护

过压保护

半波整流 对蓄电池充电的电流是脉冲式的，可以提高充电效率