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晶闸管及其派生器件
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:: 相关简介 ::

晶闸管是晶体闸流管的简称,是具有PNPN四层结构的各种开关器件的总称。晶闸管具有一个三端PNPN结构,由扩散工艺制作。

普通晶闸管,也称可控硅整流管(SCR)。

派生器件:快速晶闸管、逆导晶闸管、门极可关断晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等。

一、双晶体管理论

一个晶闸管可以用正反馈下的PNP和NPN晶体管表示。当门极G端加有正电压,阳极和阴极AK端加有正电压时,IG ® IC2 (IB1) ® IC1 ® IB2 = IG + IC1 ® IC2 ® IC1 ® 正反馈 ® T1、T2 饱和®晶闸管导通。晶闸管导通后,即使去掉门极电流,仍能维持导通。普通晶闸管即使加负的门极电流也不能使其关断。

如果SCR接入上图所示的外电路,外电压VS正端经负载R引至晶闸管阳极A,电源VS的负端接晶闸管阴极K,一个正值触发控制电压VG经电阻Rg后接至晶闸管的门极G。如果T1的集电极电流分配系数为α1,T2的集电极电流分配系数为α2,此时,

IC1=α1IA+ICBO1

IC2=α2IC+ICBO2

IA= IC1+ IC2=α1IA+α2IC +ICBO1+ICBO2=α1IA+α2IC+IO

式中:IO= ICBO1+ICBO2为J2结的反向饱和电流之和或称为漏电流。

再从整个晶闸管外部电路来看应有:IA+IG=IC,

如果SCR外加正电压VAK,但门极断开,IG=0时,

这时晶闸管处于阻断状态(或称断态)。

一旦引入了门极电流Ig,将使IA增大,IC增大,这将使电流分配系数α1、α2变大,α1、α2变大后,IA、IC进一步变大,又使α1、α2更大。在这种正反馈作用下使α1+α2接近为1,晶闸管立即从断态转为通态。一旦晶闸管从断态转为通态后,因IA、IC已经很大,α1+α2=1,即使撤除门极电流Ig,Ig=0,由于α1+α2=1,IA仍然会很大,晶闸管仍继续处于通态,并保持由外部电路所决定的阳极电流,IA=IC=VS/R。所以要使承受正电压的SCR从断态转入通态,只需在其门极(控制极)加一个脉冲触发电流即可。使SCR从断态转变成通态可以有多种方法:

(1)正向折转导通:在IG=0的情况下,提高阳极-阴极之间的正向电压VAK,使反向偏置的J2结(N1P2)击穿,电流IA迅速上升,α1+α2=1, IA增加到VS/R,晶闸管转到通态。

(2)高温导通:当温度增加时,反向饱和电流或漏电流Io随之增加,IA、IC增大,α1+α2变大,直到α1+α2=1,晶闸管转入通态。

(3)dv/dt导通:各PN结都存在结电容C,当外加正向电压VAK的dv/dt很高时,各PN结将流过很大的充电电流,这将使IA、IC增大;N1P2之间的充电电流使IB2很大,这相当于有了很大的Ig流入T2的基极,其作用都将导致电流IA、IC增大,IA、IC增大又导致α1+α2增大,而当α1+α2=1时晶闸管就转入通态。

以上三种导通都是在不外加门极信号Ig时发生的,都属于非正常导通,使用中应设法避免非正常导通的出现。

(4)门极触发导通:在晶闸管有外加正向电压VAK处于正向阻断状态时,外加门极触发电流Ig,引发晶闸管从断态转入通态。

二、SCR静态伏安特性

1. 正向阻断状态

当VAK>0,门极电流为零时:j2结反偏,不导通;

VAK达到转折电压时:j2结击穿,导通;

2. 反向阻断状态

UAK<0时:j1、j3结反向偏置,主要由j1承受反压,器件不导通;

UAK>UBR反向击穿电压时:晶闸管反向击穿。

3. 触发导通

如果晶闸管阳极电压UAK为正值,且注入足够的门极电流,从而使器件进入饱和导通,称为晶闸管的触发导通;

触发导通条件: UAK>0,UGK>0,并有足够的触发功率;

一旦器件导通,门极电流就不再具有控制作用。因此,门极触发电流可用脉冲电流,无需用直流。

4. 关断

维持电流IH:是指晶闸管稳定导通以后,逐渐减小通过器件的阳极电流IA,仍能维持住导通状态不变的最小阳极电流。

当IA

自然关断:在导通期间,如果要求器件返回到正向阻断状态,必须令门极电流为零,且将阳极电流降低到一个称为维持电流的临界极限值以下,并保持一段时间。

强迫关断:通过加一反向电压UAK<0,并保持一段时间使其关断。在实际电路中是采用阳极电压反向、减小阳极电压、增大回路阻抗等方式,使阳极电流小于维持电流,使晶闸管关断。

关断时间tq:恢复晶闸管电压阻断能力所需的最小电路换流反压时间。

电路换流反压时间tb:正向电流过零点与重新施加电压的起点之间的时间间隔。

关断条件:UAK<0 (或IA

由于在触发导通时积累的非平衡载流子需要恢复时间,使其可靠关断,因此需要在tb> tq之后再施加正向电压而不会导通。

三、晶闸管的主要参数

1. 额定电压VR:

在门极开路(IG=0)、器件额定结温时,允许重复施加的VDRM和VRRM中较小的电压值规定为该晶闸管的额定电压VR。

2. 晶闸管的额定电流IR:

在环境温度为40度和规定的散热冷却条件下,晶闸管在电阻性负载的单相、工频正弦半波导电、结温稳定在额定值125度时,所对应的通态平均电流值定义为晶闸管的晶闸管的额定电流IR。晶闸管的额定电流也是基于功率损耗发热而导致的结温不超过允许值而限定的。如果正弦电流的峰值为Im,则正弦半波的平均值IAV为:

正弦半波电流的有效值(均方根)I为:

得到其有效值为

由于晶闸管等电力电子半导体开关器件热容量很小,实际电路中的过电流又不可避免,故在设计中通常应留有1.5-2倍的电流安全裕量。

3. 通态峰值电压降:

规定为额定电流时的管压峰值,一般1.5-2V,且随阳极电流的增大而略为增大。额定电流时,通态平均降一般在1V左右。

4. 浪涌电流ITSM:

指晶闸管在规定的极短时间内所允许通过的冲击性电流,通常ITSM比额定电流大10-20倍。

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