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晶閘管的基本特征與原理

發(fā)布時間:2011/9/5 10:01:50 訪問次數(shù):4909

 (一)什么是晶閘管?它有哪些用途?     TLC5952DAP
    晶閘管是硅晶體閘流管的簡稱,它包括普通晶閘管和雙向、可關(guān)斷、逆導(dǎo)、快速等晶閘管。普通型晶閘管( Thyristor)曾稱為可控硅整流器,常用SCR (Silicon Controlled Recti-fier)表示。在實際應(yīng)用中,如果沒有特殊說明,均指普通晶閘管。
    晶閘管主要用來組成整流、逆變、斬波、交流調(diào)壓、變頻等變流裝置和交流開關(guān)以及家用電器實用電路等,由于上述裝置,特別是變流裝置是靜止型的,具有體積小、壽命長、效率高、控制性能好,并且無毒、無噪聲、造價低、維修方便等優(yōu)點(diǎn),因此在各個工業(yè)部門和民用領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

  (二)晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的?
    晶閘管的種類很多,有普通型、雙向型、可關(guān)斷型和快速型等,這里主要介紹使用最為廣泛的普通型晶閘管。部分晶閘管的實物如圖7-1所示。

                       

    普通型晶閘管的外形有螺栓式和平板式,外形如圖7-2所示。它們都有3個電極:陽極A、陰極K、控制極G。螺栓式晶閘管有螺栓的一端是陽極,使用時可將螺栓固定在散熱器上,另一端的粗引線是陰極,細(xì)引線是控制極。平板式晶閘簪中間金屬環(huán)的引出線是控制極,離控制極較遠(yuǎn)的端面是陽極,離控制極較近的端面是陰極,使用時可把晶閘管夾在兩個
散熱器中間,散熱效果好。

                       
    晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-3(a)所示,它由4層半導(dǎo)體Pl、N1、P2、N2重疊構(gòu)成,從而形成J1、J2、J3三個PN結(jié)。由端面Pl層半導(dǎo)體引出陽極A,由端面N2層半導(dǎo)體引出陰極K,由中間P2層半導(dǎo)體引出控制極G。圖7-3 (b)為晶閘管的圖形符號。

                  
    從外形上分,對于螺栓形晶閘管,螺栓是陽極,粗辮子為陰極,細(xì)辮子為控制極。而平板形晶閘管,兩側(cè)是陽極和陰極,由中間金屬環(huán)邊緣引出的細(xì)辮子是控制極,控制極離陰極較近。目前,200A以上的晶閘管都采用板式結(jié)構(gòu),主要原因是散熱效果好。三個電極不能從外形區(qū)分時,可采用測試的方法加以區(qū)分。
  
 (三)晶閘管在何種情況下反向阻斷和正向阻斷?     SSL1523P/N2  
    為便于理解,下面以實驗電路來說明晶閘管的阻斷。
    (1)晶閘管的反向阻斷
    將晶閘管的陰極接電源的正極,陽極接電源的負(fù)極,使晶閘管承受反向電壓,如圖7—4(a)所示,這時不管開關(guān)S閉合與否,燈泡不會發(fā)光。這說明晶閘管加反向電壓時不導(dǎo)通,處于反向阻斷狀態(tài)。其原因是:在反向電壓作用下,PN結(jié)J1. J3均處于反向偏置,故晶閘管不導(dǎo)通。
    (2)晶閘管的正向阻斷
    在晶閘管的陽極和陰極之間加正向電壓,開關(guān)S不閉合,如圖7-4 (b)所示,燈泡也不亮,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。形成正向阻斷的原因是:當(dāng)晶閘管只加正向電壓而控制極未加電壓時,PN結(jié)J2處于反向偏置,故晶閘管也不會導(dǎo)通。

         
    
 (四)晶閘管在伺種情況下導(dǎo)通?
    在晶閘管加正向電壓的同時,將開關(guān)S閉合,使控制極也加正向電壓,如圖7—4 (c)所示,此時燈泡發(fā)出亮光,說明晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)?梢,晶閘管導(dǎo)通的條件是:陽極與陰極之間加正向電壓,控制極與陰極間也加正向電壓。
    晶閘管導(dǎo)通后,如果把開關(guān)s斷開,燈泡仍然發(fā)光,即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。這說明晶閘管一旦導(dǎo)通后,控制極便失去了控制作用。因此,在實際應(yīng)用中,控制極只需施加一定的正脈沖電壓便可觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。
    為了說明晶閘管導(dǎo)通的原理,可以把晶閘管看成是由PNP型和NPN型兩個三極管連接而成,如圖7-5所示。其中N1、P2為兩管共有,即一個三極管的基極與另一個三極管的集電極相連。陽極A相當(dāng)PNP型管VT1的發(fā)射極,陰極K相當(dāng)于NPN型管VT2的發(fā)射極。

                      
    如果晶閘管陽極加正向電壓,控制極也加正向電壓,兩個等效三極管的各個PN結(jié)的偏置均符合放大工作的條件,其電路如圖7-6所示。在控制極正向電壓UG的作用下,產(chǎn)生的控制極電流IG就是VT2管的基極電流IB2,VT2的集電極電流IC22IB22IG又是VT1管的基極電流,VT1管的集電極電流IC11IC2lβ2IG,其中βl、β2分別是VT1、VT2的電流放大系數(shù)。ICl又流入VT2的基極再一次放大。反復(fù)放大在電路中形成強(qiáng)烈的正反饋,使兩個三極管迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通,晶閘管便進(jìn)入了完全導(dǎo)通的狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通后的工作狀態(tài)可完全依靠管子本身的正反饋來維持,即使控制電流消失,晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。

                     

     晶閘管導(dǎo)通后,其正向壓降很小,1V左右,電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上。所以,晶閘管導(dǎo)通后電流的大小取決于外電路參數(shù)。

  (五)晶閘管導(dǎo)通后如何關(guān)斷?

    晶閘管導(dǎo)通后,若將外電路昀負(fù)載電阻加大,使晶閘管的陽極電流降低到不能維持正反饋的數(shù)值,則晶閘管便自行關(guān)斷,恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。對應(yīng)于關(guān)斷瞬間的陽極電流稱為維持電流,用IH表示,它是維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。如果將晶閘管的陽極電壓降低到零或斷開陽極電源或在陽極與陰極間加反向電壓,導(dǎo)通的晶閘管都能自行關(guān)斷。
    綜上所述,晶閘管是一個可控的單向?qū)щ婇_關(guān)。與二極管相比它具有可控性,能正向阻斷;與三極管相比,其差別在于晶閘管對控制電流沒有放大作用。

  (六)晶閘管的靜態(tài)特性(伏安特性)是怎樣的?     PCA9632TK    
    晶閘管的伏安特性是陽極電流IA與陽、陰極間電壓UAK的關(guān)系,其特性曲線如圖7-7所示。
    當(dāng)UAK>O、控制極未加電壓、即Ic=0時,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。由于管內(nèi)PN結(jié)J2處于反向偏置,所以只有很小的漏電流,對應(yīng)于特性曲線的OA段。當(dāng)UAK增大到A點(diǎn)電壓UBO時,漏電流突然增大,晶閘管迅速由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。A點(diǎn)電壓UBO稱為正向轉(zhuǎn)折電壓。晶閘管導(dǎo)通后,其正向管壓降約1V左右,但陽極電流很大,因此特性曲線靠近縱軸且很陡直,與二極管的正向特性相似。需要說明一點(diǎn),Ic =0、UAK大于UBO使晶閘管導(dǎo)通,是管內(nèi)PN結(jié)J2被擊穿形成的,這種情況裉容易造成晶閘管不可恢復(fù)性損壞。正常使用時應(yīng)在控制極加正向電壓UG。UG>0則IG >0,晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓降低。IG越大,轉(zhuǎn)折電壓越小,即晶閘管越容易導(dǎo)通。
    當(dāng)晶閘管加反向電壓時,其伏安特性與二極管相似,只有很小的反向漏電流,晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓增大到反向擊穿電壓UBR時,反向漏電流急劇增大,晶閘管反向擊穿。UBR又稱為反向轉(zhuǎn)折電壓。

                   

 (七)晶閘管的動態(tài)特性是什么?
    晶閘管開通與關(guān)斷動態(tài)過程的波形如圖7-8所示。圖7-8中,在t=0時,在晶閘管承受正向電壓的前提下,控制極流入觸發(fā)電流Ig,晶閘管導(dǎo)通,進(jìn)入正常工作狀態(tài);在t=tl時,晶閘管承受電壓由正向變?yōu)榉聪,使晶閘管關(guān)斷。

                      

    在導(dǎo)通過程中,陽極電流從零開始增長,升到穩(wěn)態(tài)值的10%時經(jīng)歷的時間,叫延遲時間td,陽極電流從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時間,叫做上升時間tr,兩者之和被定義為晶閘管的開通時間,即:tgt=td+tr。
    晶閘管關(guān)斷也不是瞬時完成的,從流過晶閘管的正向電流降為零,到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零昀時間,為晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時間trr此后,載流子需要復(fù)合,晶閘管恢復(fù)對正向電壓阻斷能力還需要一段時間,即正向阻斷恢復(fù)時間tgr,必須注意:在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi),若對晶閘管重新施加正向電壓,則管子會立即導(dǎo)通,而無需控制極電流的控制。晶閘管的關(guān)斷時間tq定義為trr與tgr之和,即:tq=trr+tgr

 (八)晶閘管的主要參數(shù)有哪些?
    晶閘管的主要參數(shù)如下。
    (1)正向重復(fù)峰值電壓UFRM
    在控制極開路和正向阻斷的條件下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓,稱為正向重復(fù)峰值電壓UFRM。通常規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%。
    (2)反向重復(fù)峰值電壓URRM
    在控制極開路時,允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓,稱為反向重復(fù)峰值電壓。通常規(guī)定此電壓為反向轉(zhuǎn)折電壓的80%。
    UFRM和URRM在數(shù)值上一般接近,統(tǒng)稱為晶閘管的重復(fù)峰值電壓。通常把其中較小的那個數(shù)值作為該型號器件的額定電壓,用UN表示。
    (3)額定正向平均電流IF
    在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件和環(huán)境溫度(40℃)下,晶閘管處于全導(dǎo)通時允許連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。
    由于晶閘管的過載能力小,在選用晶閘管時,其額定正向平均電流IF應(yīng)為正常工作平均電流的1.5倍~2倍。
    (4)維持電流IH
    在室溫下,控制極斷開后,維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必須的最小電流稱為維持電流IH。當(dāng)正向電流小于維持電流時,晶閘管就自行關(guān)斷。IH的值一般為幾十毫安至一百多毫安。
    目前我國生產(chǎn)的晶閘管的型號及其含義如下:

                              
 

 

 

 

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 (一)什么是晶閘管?它有哪些用途?     TLC5952DAP
    晶閘管是硅晶體閘流管的簡稱,它包括普通晶閘管和雙向、可關(guān)斷、逆導(dǎo)、快速等晶閘管。普通型晶閘管( Thyristor)曾稱為可控硅整流器,常用SCR (Silicon Controlled Recti-fier)表示。在實際應(yīng)用中,如果沒有特殊說明,均指普通晶閘管。
    晶閘管主要用來組成整流、逆變、斬波、交流調(diào)壓、變頻等變流裝置和交流開關(guān)以及家用電器實用電路等,由于上述裝置,特別是變流裝置是靜止型的,具有體積小、壽命長、效率高、控制性能好,并且無毒、無噪聲、造價低、維修方便等優(yōu)點(diǎn),因此在各個工業(yè)部門和民用領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

  (二)晶閘管的基本結(jié)構(gòu)是怎樣的?
    晶閘管的種類很多,有普通型、雙向型、可關(guān)斷型和快速型等,這里主要介紹使用最為廣泛的普通型晶閘管。部分晶閘管的實物如圖7-1所示。

                       

    普通型晶閘管的外形有螺栓式和平板式,外形如圖7-2所示。它們都有3個電極:陽極A、陰極K、控制極G。螺栓式晶閘管有螺栓的一端是陽極,使用時可將螺栓固定在散熱器上,另一端的粗引線是陰極,細(xì)引線是控制極。平板式晶閘簪中間金屬環(huán)的引出線是控制極,離控制極較遠(yuǎn)的端面是陽極,離控制極較近的端面是陰極,使用時可把晶閘管夾在兩個
散熱器中間,散熱效果好。

                       
    晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7-3(a)所示,它由4層半導(dǎo)體Pl、N1、P2、N2重疊構(gòu)成,從而形成J1、J2、J3三個PN結(jié)。由端面Pl層半導(dǎo)體引出陽極A,由端面N2層半導(dǎo)體引出陰極K,由中間P2層半導(dǎo)體引出控制極G。圖7-3 (b)為晶閘管的圖形符號。

                  
    從外形上分,對于螺栓形晶閘管,螺栓是陽極,粗辮子為陰極,細(xì)辮子為控制極。而平板形晶閘管,兩側(cè)是陽極和陰極,由中間金屬環(huán)邊緣引出的細(xì)辮子是控制極,控制極離陰極較近。目前,200A以上的晶閘管都采用板式結(jié)構(gòu),主要原因是散熱效果好。三個電極不能從外形區(qū)分時,可采用測試的方法加以區(qū)分。
  
 (三)晶閘管在何種情況下反向阻斷和正向阻斷?     SSL1523P/N2  
    為便于理解,下面以實驗電路來說明晶閘管的阻斷。
    (1)晶閘管的反向阻斷
    將晶閘管的陰極接電源的正極,陽極接電源的負(fù)極,使晶閘管承受反向電壓,如圖7—4(a)所示,這時不管開關(guān)S閉合與否,燈泡不會發(fā)光。這說明晶閘管加反向電壓時不導(dǎo)通,處于反向阻斷狀態(tài)。其原因是:在反向電壓作用下,PN結(jié)J1. J3均處于反向偏置,故晶閘管不導(dǎo)通。
    (2)晶閘管的正向阻斷
    在晶閘管的陽極和陰極之間加正向電壓,開關(guān)S不閉合,如圖7-4 (b)所示,燈泡也不亮,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。形成正向阻斷的原因是:當(dāng)晶閘管只加正向電壓而控制極未加電壓時,PN結(jié)J2處于反向偏置,故晶閘管也不會導(dǎo)通。

         
    
 (四)晶閘管在伺種情況下導(dǎo)通?
    在晶閘管加正向電壓的同時,將開關(guān)S閉合,使控制極也加正向電壓,如圖7—4 (c)所示,此時燈泡發(fā)出亮光,說明晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)。可見,晶閘管導(dǎo)通的條件是:陽極與陰極之間加正向電壓,控制極與陰極間也加正向電壓。
    晶閘管導(dǎo)通后,如果把開關(guān)s斷開,燈泡仍然發(fā)光,即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。這說明晶閘管一旦導(dǎo)通后,控制極便失去了控制作用。因此,在實際應(yīng)用中,控制極只需施加一定的正脈沖電壓便可觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。
    為了說明晶閘管導(dǎo)通的原理,可以把晶閘管看成是由PNP型和NPN型兩個三極管連接而成,如圖7-5所示。其中N1、P2為兩管共有,即一個三極管的基極與另一個三極管的集電極相連。陽極A相當(dāng)PNP型管VT1的發(fā)射極,陰極K相當(dāng)于NPN型管VT2的發(fā)射極。

                      
    如果晶閘管陽極加正向電壓,控制極也加正向電壓,兩個等效三極管的各個PN結(jié)的偏置均符合放大工作的條件,其電路如圖7-6所示。在控制極正向電壓UG的作用下,產(chǎn)生的控制極電流IG就是VT2管的基極電流IB2,VT2的集電極電流IC22IB22IG又是VT1管的基極電流,VT1管的集電極電流IC11IC2lβ2IG,其中βl、β2分別是VT1、VT2的電流放大系數(shù)。ICl又流入VT2的基極再一次放大。反復(fù)放大在電路中形成強(qiáng)烈的正反饋,使兩個三極管迅速達(dá)到飽和導(dǎo)通,晶閘管便進(jìn)入了完全導(dǎo)通的狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通后的工作狀態(tài)可完全依靠管子本身的正反饋來維持,即使控制電流消失,晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。

                     

     晶閘管導(dǎo)通后,其正向壓降很小,1V左右,電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上。所以,晶閘管導(dǎo)通后電流的大小取決于外電路參數(shù)。

  (五)晶閘管導(dǎo)通后如何關(guān)斷?

    晶閘管導(dǎo)通后,若將外電路昀負(fù)載電阻加大,使晶閘管的陽極電流降低到不能維持正反饋的數(shù)值,則晶閘管便自行關(guān)斷,恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。對應(yīng)于關(guān)斷瞬間的陽極電流稱為維持電流,用IH表示,它是維持晶閘管導(dǎo)通的最小電流。如果將晶閘管的陽極電壓降低到零或斷開陽極電源或在陽極與陰極間加反向電壓,導(dǎo)通的晶閘管都能自行關(guān)斷。
    綜上所述,晶閘管是一個可控的單向?qū)щ婇_關(guān)。與二極管相比它具有可控性,能正向阻斷;與三極管相比,其差別在于晶閘管對控制電流沒有放大作用。

  (六)晶閘管的靜態(tài)特性(伏安特性)是怎樣的?     PCA9632TK    
    晶閘管的伏安特性是陽極電流IA與陽、陰極間電壓UAK的關(guān)系,其特性曲線如圖7-7所示。
    當(dāng)UAK>O、控制極未加電壓、即Ic=0時,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。由于管內(nèi)PN結(jié)J2處于反向偏置,所以只有很小的漏電流,對應(yīng)于特性曲線的OA段。當(dāng)UAK增大到A點(diǎn)電壓UBO時,漏電流突然增大,晶閘管迅速由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。A點(diǎn)電壓UBO稱為正向轉(zhuǎn)折電壓。晶閘管導(dǎo)通后,其正向管壓降約1V左右,但陽極電流很大,因此特性曲線靠近縱軸且很陡直,與二極管的正向特性相似。需要說明一點(diǎn),Ic =0、UAK大于UBO使晶閘管導(dǎo)通,是管內(nèi)PN結(jié)J2被擊穿形成的,這種情況裉容易造成晶閘管不可恢復(fù)性損壞。正常使用時應(yīng)在控制極加正向電壓UG。UG>0則IG >0,晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓降低。IG越大,轉(zhuǎn)折電壓越小,即晶閘管越容易導(dǎo)通。
    當(dāng)晶閘管加反向電壓時,其伏安特性與二極管相似,只有很小的反向漏電流,晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓增大到反向擊穿電壓UBR時,反向漏電流急劇增大,晶閘管反向擊穿。UBR又稱為反向轉(zhuǎn)折電壓。

                   

 (七)晶閘管的動態(tài)特性是什么?
    晶閘管開通與關(guān)斷動態(tài)過程的波形如圖7-8所示。圖7-8中,在t=0時,在晶閘管承受正向電壓的前提下,控制極流入觸發(fā)電流Ig,晶閘管導(dǎo)通,進(jìn)入正常工作狀態(tài);在t=tl時,晶閘管承受電壓由正向變?yōu)榉聪,使晶閘管關(guān)斷。

                      

    在導(dǎo)通過程中,陽極電流從零開始增長,升到穩(wěn)態(tài)值的10%時經(jīng)歷的時間,叫延遲時間td,陽極電流從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時間,叫做上升時間tr,兩者之和被定義為晶閘管的開通時間,即:tgt=td+tr
    晶閘管關(guān)斷也不是瞬時完成的,從流過晶閘管的正向電流降為零,到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零昀時間,為晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時間trr此后,載流子需要復(fù)合,晶閘管恢復(fù)對正向電壓阻斷能力還需要一段時間,即正向阻斷恢復(fù)時間tgr,必須注意:在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi),若對晶閘管重新施加正向電壓,則管子會立即導(dǎo)通,而無需控制極電流的控制。晶閘管的關(guān)斷時間tq定義為trr與tgr之和,即:tq=trr+tgr

 (八)晶閘管的主要參數(shù)有哪些?
    晶閘管的主要參數(shù)如下。
    (1)正向重復(fù)峰值電壓UFRM
    在控制極開路和正向阻斷的條件下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓,稱為正向重復(fù)峰值電壓UFRM。通常規(guī)定此電壓為正向轉(zhuǎn)折電壓UBO的80%。
    (2)反向重復(fù)峰值電壓URRM
    在控制極開路時,允許重復(fù)加在晶閘管上的反向峰值電壓,稱為反向重復(fù)峰值電壓。通常規(guī)定此電壓為反向轉(zhuǎn)折電壓的80%。
    UFRM和URRM在數(shù)值上一般接近,統(tǒng)稱為晶閘管的重復(fù)峰值電壓。通常把其中較小的那個數(shù)值作為該型號器件的額定電壓,用UN表示。
    (3)額定正向平均電流IF
    在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)散熱條件和環(huán)境溫度(40℃)下,晶閘管處于全導(dǎo)通時允許連續(xù)通過的工頻正弦半波電流的平均值。
    由于晶閘管的過載能力小,在選用晶閘管時,其額定正向平均電流IF應(yīng)為正常工作平均電流的1.5倍~2倍。
    (4)維持電流IH
    在室溫下,控制極斷開后,維持晶閘管繼續(xù)導(dǎo)通所必須的最小電流稱為維持電流IH。當(dāng)正向電流小于維持電流時,晶閘管就自行關(guān)斷。IH的值一般為幾十毫安至一百多毫安。
    目前我國生產(chǎn)的晶閘管的型號及其含義如下:

                              
 

 

 

 

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