大功率晶闸管工作原理及常见问题的处理方法？

晶闸管的结构和工作原理 2005年度第 2 学期第 12 周科 目电子技术基础授 课 章 节五 章 １ 节授课时数2课题： 晶闸管的结构和工作原理班级05高计授 课 形 式新课讲授授课日期5月6日作业题数2教学目 的1、 熟悉晶闸管的单向导电的原理2、 掌握晶闸管导通和关闭的条件3、 了解晶闸管的内部结构 教具使用多媒体教 学 重 点1、 晶闸管的单向导电性和可控性2、 晶闸管的工作原理和基本特性 教 学 难 点1、 晶闸管的工作原理2、 晶闸管导通和关断的条件 通过实验的方式引导学生对晶闸管的工作原理的认识，并通过用列表对比晶闸管导通条件实验的结果，教学效果较好。授课教师教研组审批教研室审批教务科评阅 年 月 日 年月日 年月日 年月日 课题： 晶闸管的结构和工作原理 教学说明：晶闸管是一种新型的大功率变流元器件，由于它具有以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍，反应极快，在微秒级内开通、关断等优点，所以在电子技术变流领域占有重要的地位。因此要求学生认真学习晶闸管的工作原理和特性。同时还通过教学的过程中，让学生能够掌握学习新的元器件的实验基本测试和基本分析方法，培养学生的自学能力和动手能力。 教学安排： 1、 授课思路：采用“学导式”的教学模式，通过演示实验以及边讲边练，让学生观察现象，教师归纳的以交谈法为主的教学方法。2、 教学准备： a工具与材料：螺栓形、平板形和平底形的晶闸管；b直流电源、晶闸管、灯泡、导线、三极管c多媒体电脑、投影仪、多媒体课件。d万用表 课时安排：本课程共安排2课时（80分钟） 教学过程：环节方式时间教学活动学生活动备注引入 复习提问 5分钟1、我们在前面学习了哪些整流电路？2、在这些电路中我们使用了什么元件来实现整流？ 1、回答：单相半波整流、单相桥式整流、单相倍压整流。2、回答：二极管从问题引起学生的思考，从复习引入新课讲解(讲解)小结：我们在这些电路中使用二极管来实现整流是利用了其单向导电性，但只能实现小功率整流，在现实中我们常常需要控制大功率的机电设备，这时二极管是不够的，为了能够大功率整流，我们要采用一种新的半导体器件－晶闸管 新课思考 板书讲解10分钟 （演示）1、拿出几种常用的晶闸管2、晶闸管和三极管有什么相同之处和如何区别三极管的三个管脚？（投影）a) 晶闸管的结构1、 晶闸管：是一种大功率的半导体器件，与大功率二极管外形相似,只是多了一个控制极。它由PNPN四层半导体构成,中间形成三个PN结。这种独特的结构，可把它看成是由PNP和NPN两个三极管形成正反馈，只要在控制极上加上适当的正向电压，晶闸管迅速触发导通。2、结构：由PNPN四个半导体硅材料构成：P1- A N2-K P2-G请学生回顾三极管管脚的判断方法 学生观看晶闸管的外形并能指出相应的电极将三极管和晶闸管的外形比较 注意将PN结的单向导电性内容重新复习 新 课 引 入新课（1）实验演示实验时间35分钟为了说明晶闸管的工作原理我们来做三个实验：材料：直流电源、晶闸管、灯泡、导线分析：该电路可以分成两个回路来分析i. 电源、阳极、阴极、灯泡ii. 电源、开关S、门极、阴极1、晶闸管阳极接电源正极，阴极接电源的负极，门极连接开关S。 情况（1）：开关S打开结果：（1）灯不亮提出问题：为什么灯不亮？从（1）回路分析情况（2）开关S合上 结果：（2）灯亮提出问题：（1）回路和（2）回路有什么关系 1、回答现象：灯不亮 2、回答现象：灯亮 注意此时，可以分成两个回路来分析课程教学讲解实验分析 情况（3）开关S再打开 </SPAN></td>结果：灯仍亮提出问题：为什么此时开关S失去作用？ 3、回答现象：灯仍亮教学分析（三）实验小结（板书）（四）提问 讲解 10分钟 10分钟 AK电压＋＋＋＋－G电压不加＋－先＋后撤任意灯灭亮灭亮灭b) 晶闸管的工作原理1、实验小结当晶闸管导通的时候，灯就会亮，从实验中可以总结出以下现象： 2、为什么晶闸管会出现这样的现象呢？（从我们已经学习的知识分析） 工作原理：从实验中我们可以知道晶闸管具有单向导电性：（1） 当在晶闸管的阳极加上正电压，阴极加负电压，控制极不加电压，晶闸管处于

截止状态；（2） 当在控制极上加触发信号后，晶闸管进入导通状态；（3） 导通后，控制极便失去控制作用，晶闸管的输出特性与二极管相似。（4）当在晶闸管的阳极、阴极加上相反的电压，无论怎样加触发信号，晶闸管仍处

于截止状态。（5） 3、晶闸管的电阻特性：（1）晶闸管导通：A-K 低阻（2）晶闸管截止：A-K 高阻 4、晶闸管的导通和关断条件：状态条件说明从关断到导通1、阳极电位高于是阴极电位

2、控制极有足够的正向电压和电流两者缺一不可维持导通1、阳极电位高于阴极电位

2、阳极电流大于维持电流 两者缺一不可从导通到关断1、阳极电位低于阴极电位

2、阳极电流小于维持电流任一条件即可 回答：因为PN结的单向导电性 从以前学过的PN结的单向导电性引出晶闸管的导通和关断条件，这样学生比较容易理解教学巩固（五）教学示范示范8分钟5、课堂示范晶闸管的三个电极的测试方法工具：万用表、电池方法：万用表用R×10，R×100黑笔――电池正极红笔――电池负极1、A、K之间正反向电阻很大（几百千欧）2、A、G之间反向电阻很大（几百千欧）3、G、K之间正向电阻很小4、G、K之间反向电阻很大找一个学生在讲台实践测试方法 教学小结2分钟 通过以上的学习我们可以得到： 利用晶闸管的特性，我们可以使它工作在交流电路中，只要在阳极承受交流正半周电压的时间内，适当改变加入门极的电压的时间先后就能通过晶闸管在负载上的电压大小，这样就实现可控整流。

晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管的种类

晶闸管有多种分类方法。

（一）按关断、导通及控制方式分类

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

（二）按引脚和极性分类

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

（三）按封装形式分类

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

（四）按电流容量分类

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

（五）按关断速度分类

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。

晶闸管的工作原理

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，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。

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

晶闸管是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流管（SCR），以前被简称为可控硅。晶闸管能够通过信号控制其导通，但不能控制其关断，所以称为半控型器件。晶闸管这个名称往往专指晶闸管的一种基本类型一普通晶闸管。但从广义上讲，晶闸管还包括许多派生器件，如双向晶闸管（TRIAC）、快速晶闸管（FST）、逆导型晶闸管（RCT）和光控晶闸管（LTT）等。

一、晶闸管的结构

目前大功率晶闸管常用的外形结构有螺栓式和平板式，它具有三个PN结的四层结构，其外形、结构和图形符号如图所示。

晶闸管内部是PNPN四层半导体结构，分别命名为P1、N1、P2、N2四个区。由最外的P层和N层引出的两个电极，分别为阳极A和阴极K，由中间的P2层引出的电极是门极G（也称控制极）。四个区形成J1、J2、J3三个PN结。因此，晶闸管可以用三个PN结串联来等效，如图8-2所示晶闸管的国际通用名称为Thyristor，简写为VT。

晶闸管是电力电子器件，在工作过程中会因损耗而发热，因此必须安装散热器。对于螺栓型封装，通常螺栓是其阳极，做成螺栓状是为了能与散热器紧密连接且安装方便，通过阳极（螺栓）拧紧在铝制散热器上，为自然冷却；平板式晶闸管则由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管，靠冷风冷却。

平板式两面散热效果好，额定电流大于200A的晶闸管都采用平板式结构。此外还可以通过水冷、油冷等冷却方式进行冷却。

二、晶闸管的工作原理

通过如图所示电路做一个简单的实验，来说明晶闸管的工作原理。由电源Us、白炽灯、晶闸管的阳极、阴极组成晶闸管主电路。电源Uc、开关S、晶闸管门极和阴极组成控制电路也称触发电路。

当晶闸管的阳极A接电源Us的正端。阴极K经白炽灯接电源的负端，此时晶闸管承受正向电压。当控制电路中开关S断开时，白炽灯不亮，说明晶闸管不导通。

当晶闸管的阳极和阴极承受正向电压，控制电路中开关S闭合，使控制极也加正向电压，（控制极相对阴极间的电压）。这时白炽灯亮，说明晶闸管导通。

当品闸管导通后，将控制极上的电压去掉（即将开美S断开），白炽灯依然亮。说明一旦晶闸管导通后，控制极就失去控制作用。

当品闸管的阳极和阴极间加反向电压，不管控制极加不加电压，灯都不亮，此时晶闸管截止。如果控制极加反向电压，无论品闸管主电路加正向电压还是反向电压，晶闸管都不导通。

通过上述实验结果得出如下结论。

（1）欲使晶闸管导通必须同时具备两个条件：

①晶闸管的阳极A和阴极K之间加上正向电压，②品闸管的门极G与阴极K之间也加上合适的正向电压和电流。

（2）晶闸管一旦导通后，门极就失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。

（3）为使晶闸管关断，必须使其阳极A电流降低到零或某一数值以下，这可以采用将阳极A电压减少到零或者给阳极施加反向电压。

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