上海交通职业技术学院学生毕业论文毕业论文题目晶闸管的基础知识和在可控整流技术方面的应用专业港口物流设备与自动控制学号0910032姓名指导老师目录目录 (1)摘要 (2)1 绪论 (3)1.1 课题背景及发展方向 (3)1.2 本文主要工作 (3)2 晶闸管元件 (4)2.1晶闸管元件简介 (4)2.1.1.单向晶闸管的工作原理和主要参数 (4)2.1.2 双向晶闸管的工作原理和主要参数 (7)3.晶闸管的应用 (10)3.1 单相半波可控整流电路 (11)3.1.1电阻性负载 (11)3.1.2电感性负载及续流二极管 (13)3.1.3反电动势负载 (17)结束语 (19)参考文献 (20)致谢 (21)晶闸管的基础知识和在可控整流技术方面的应用李坤清摘要：晶闸管是晶体闸流管的简称，俗称可控硅整流器（SCR ,SiliconControlled Rectifier）,简称可控硅，其规范术语是反向阻断三端晶闸管。

晶闸管是一种既具有开关作用，又具有整流作用的大功率半导体器件，应用于可控整流变频、逆变及无触点开关等多种电路。

对它只要提供一个弱点触发信号，就能控制强电输出。

所以说它是半导体器件从弱电领域进入强电领域的桥梁。

目前为止，晶闸管是电子工业中应用最广泛的半导体器件，尽管有各种不同的新型半导体材料不断出现，但半导体材料中98%仍是硅材料，硅材料仍是集成电路产业的基础，其中晶闸管具有体积小、重量轻、功率高、寿命长等优点而得到广泛应用。

晶闸管的作用主要有以下几种，1.变流整流，2.调压，3. 变频，4.开关（无触点开关）。

普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。

大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。

如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。

在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。

这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α；在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。

很明显，α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。

通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。

晶闸管的功用不仅是整流，它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，等等。

本文主要论述晶闸管的基本原理、主要参数以及在可控整流技术方面的应用。

关键词：晶闸管可控硅半导体可控整流技术1绪论1.1 课题的背景及发展方向半导体硅材料自从60年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量平均大约以每年12～16%的速度增长。

半导体硅材料以丰富的资源、优质的特性、日臻完善的工艺以及广泛的用途等综合优势而成为了当代电子工业中应用最多的半导体材料。

六十年代末七十年代初，在全国曾掀起过一个“可控硅”热。

这个热潮持续甚久，影响很大，因而国内至今仍有人认为功率半导体的主体就是可控硅。

七十年代末，可控硅发展成为一个大家族并冠以一个标准化的名称“晶闸管”。

由于以开关技术调节功率，所以在器件上的损耗很小，因此被誉为节能的王牌。

其应用更是遍及各个领域。

六七十年代，各种类型的晶闸管有很大的发展，其服务对象是以工业应用为主，包括电力系统、机车牵引等。

到了八九十年代，由于功率MOSFET的兴起，使电力电子步入了一个新的领域，为近代蓬勃发展的4C产业：即communication、computer、consumer、car（通信、计算机、消费电子、汽车）提供了新的活力。

二十一世纪前后，功率半导体器件的发展进入了第三阶段，即集成电路结合愈来愈紧密的阶段。

从目前电子工业的发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现，但硅仍是集成电路产业的基础，半导体材料中98％是硅。

半导体器件的95%以上是用硅材料制作的，90%以上的大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)、甚大规模集成电路(ULSI)都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的。

硅片被称作集成电路的核心材料，硅材料产业的发展和集成电路的发展紧密相关。

半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。

晶闸管又叫可控硅。

自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族，它的主要成员有单向晶闸管（就是人们常说的普通晶闸管）、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管，等等。

当功率半导体器件不断发展时，前一阶段的主导产品并未退出历史舞台，晶闸管至今仍是一种重要产品。

1.2本文主要工作本文主要简单介绍了普通晶闸管的工作原理以及主要参数，想借此让读者对晶闸管有个大概的了解。

并介绍了一些晶闸管在单相半波可控整流技术方面的应用。

限于本人学术水平，本文中并没有什么特别创新的技术和思想。

只是想通过对晶闸管原理和常见实际应用的介绍，让更多的人关注晶闸管的发展并积极投身晶闸管的理论和实际应用的研究，让晶闸管能为人类做出更多更大的贡献。

2晶闸管元件2.1晶闸管元件简介晶闸管又叫可控硅，是半导体晶体闸流管的简称，它是一种用小电流控制大电流开关型半导体器件, 常用的有普通晶闸管（又称单向晶闸管）和双向晶闸管两大类，由于具有体积小、质量轻、效率高、寿命长、耐振、无噪声、使用方便等优点。

因此在很短的时间内引起了国内、外,工、农业生产各部门极大的重视, 被广泛应用到各种生产设备和家用电器上。

按其工作原理大致可以分为四类。

1.整流:把交流电变为大、小可调的直流电。

2.逆变:把直流电变为一定频率的交流电。

3.直流开关:作直流回路开关或直流调压。

4.交流开关:作交流回路开关或交流调压。

按其服务对象来分,可用于工业、农业、国防、交通、运输、矿山、冶金、轻工、化工等部门。

在性能上，晶闸管不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。

它只有导通和关断两种状态。

晶闸管能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。

晶闸管的优点很多，例如：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；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。

晶闸管的缺点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。

下面就单向晶闸管和三端双向晶闸管这两类晶闸管分别做个简单介绍。

2.1.1.单向晶闸管的工作原理和主要参数一．闸管工作原理单向晶闸管的内部结构示意如图1（a）所示。

由图1（a）可见，单向晶闸管由四层半导体P1N1P2N2组成，中间有3个PN结；J1,J2和J3结，由P1区引出阳极A，N2区引出阴极K，中间的P2区引出控制极（或称为门极）G。

单向可控硅的电路符号如图1（b）所示。

图1 单向晶闸管示意图和电路符号（a）结构示意图；（b）电路符号为了理解单向晶闸管的工资原理，可以把单向晶闸管等效地看成一个PNP型晶体管T1与一个NPN型晶体管T2组合而成，中间的P2层和N1层半导体为两个晶体管共用，阳极A相当于T1的发射极，阴极K相当于T2的发射极，如图2所示。

图2 单向晶闸管的工作原理（a）等效结构；（b）等效电路理解单向晶闸管工作原理的关键是了解控制极的作用。

（1）控制极不加电压或加反向电压当控制极悬空或者控制极与阴极之间加反向电压，即UGK ＜0时，必有IG=0.如果在阳极与阴极之间加反向电压，即UAK ＜0,由于T1,T2的发射结J,J2均处于反向偏置，T1,T2处于截止状态，此时流过单向晶闸管中的电流只是J1,J3结的反向饱和电流，IA≈0,单向晶闸管处以阻断状态；如果在阳极与阴极之间加正向电压，即UAK ＞0,J2结处于反偏状态，由于IG=0,T2必处于截止状态，此时单向晶闸管中的电流只是J2结的反向饱和电流，IA≈0,单向晶闸管仍处于阻断状态。

所以，当控制极不加电压或加反向电压时，IG=0,单向晶闸管处于阻断状态，具有正、反阻断能力。

（2）控制极加正向电压当控制极与阴极之间加正向电压，即UGK ＞0时，T2的发射结J3处于正向偏置，IG ≠0。

如果在阳极与阴极之间加反向电压，即UAK＜0,由于T1的发射结J1处于反向偏置，T1处于截止状态，所以单向晶闸管处于阻断状态，IA≈0；如果阳极与阴极之间加正向电压，即UAK ＞0,由于T1,T2的发射结J1,J3处于正向偏置，集电结J2处于反向偏置，T1,T2将处于放大状态。

IG经T2放大后，T2的集电极电流I2C =β2IG, T2的集电极电流又是T1的基极电流，经T1放大，T1集电极电流I1C =β1β2IG,此电流又流入T2的基极进行放大，如此循环，就形成了很强的正反馈，使T1,T2很快进入饱和状态，单向晶闸管处于导通状态。

单向晶闸管导通后，阳极与阴极之间电压UAK的数值很小，外加电源电压几乎全部降在负载上。

（3）单向晶闸管的关断由以上分析可见，当单向晶闸管导通后，T2的基极始终有T1的集电极电流I1C 流过，而且I1C的数值要比开始外加的IG大得多，所以即使控制极电压消失，IG=0，仍可依靠管子本身的正反馈作用维持导通。

所以，一旦单向晶闸管导通后，控制极将失去控制作用。

单向晶闸管导通后，如果想使它重新关断，必须把阳极电流IA减小到使其不能维持正反馈，为此，可将阳极断开或在阳极与阴极之间加反向电压。

综上所述：在单向晶闸管阳极与阴极间加正向电压的条件下，如果某时刻在控制极与阴极之间加入正向电压，单向晶闸管将由阻断状态转为导通状态，称之为触发导通。

单向晶闸管导通后，控制极将失去控制作用，如果要重新关断单向晶闸管，必须使其阳极电流小于一定的值IH(称为维持电流)或使阳极与阴极之间电压UAK减小到零。

二．晶闸管的主要参数为了正确地使用单向晶闸管，不仅要了解它的工作原理，还需要掌握它的主要参数。

（1）正向重复峰值电压UFRM在控制极断开和单向晶闸管处于正向阻断的条件下，单向晶闸管的结温为额定值时，允许每秒50次，每次持续时间不大于10 ms可重复加在单向晶闸管上的正向峰值电压，称为正向重复峰值电压，用UFRM表示，一般规定次电压值为正向转折电压的80%。

（2）反向重复峰值电压URRM在与正向重复峰值电压相同的条件下，可以重复加在单向晶闸管上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压，用URRM表示，一般为反向转折电压的80%。

（3）额定电压UN通常把UFRM 与URRM中较小的一个电压值作为单向晶闸管的额定电压。

这是考虑到实际中加在管子上的电影一般是正、负对称电压，故以数值小的电压为准。

但由于瞬时过电压也会损坏管子，故选择管子时，为了安全起见，要求管子的额定电压大于实际工作峰值电压的2～3倍。