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电炉知识

晶闸管的结构工作原理

时间:2012-8-1 13:28:57   作者:会员   来源:中频炉   阅读:2852   评论:0
内容摘要:一、  晶闸管的结构、符号和类型1、结构晶闸管是一种大功率半导体变流器件, 它具有三个PN结的四层结构,其外形、结构和图形符号如图1-1所示。由最外的P1层和N2层引出两个电极,分别为阳极A和阴极K,由中间P2层引出的电极是门极G(也称控制极)。 图 ...

一、  晶闸管的结构、符号和类型

1、结构

晶闸管是一种大功率半导体变流器件, 它具有三个PN结的四层结构,其外形、结构和图形符号如图1-1所示。由最外的P1层和N2层引出两个电极,分别为阳极A和阴K,由中间P2层引出的电极是门极G(也称控制极)。


1-1晶闸管的外形、结构和图形符号

(a) 外形; (b) 结构; (c) 图形符号

 

2、类型

    常用的晶闸管有螺栓式和平板式两种外形,如图1-1(a)所示。晶闸管在工作过程中会因损耗而发热,因此必须安装散热器。螺栓式晶闸管是靠阳极(螺栓)拧紧在铝制散热器上,可自然冷却;平板式晶闸管由两个相互绝缘的散热器夹紧晶闸管, 靠冷风冷却。 额定电流大于200 A的晶闸管都采用平板式外形结构。此外,晶闸管的冷却方式还有水冷、油冷等

二、晶闸管的工作原理

    我们通过图1-2所示的电路来说明晶闸管的工作原理。 在该电路中,由电源Ea、白炽灯、晶闸管的阳极和阴极组成晶闸管主电路; 由电源Eg、开关S、晶闸管的门极和阴极组成控制电路, 也称触发电路。

1-2 晶闸管导通试验电路图

当晶闸管的阳极A接电源Ea的正端,阴极K经白炽灯接电源的负端时, 晶闸管承受正向电压。当控制电路中的开关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)时,白炽灯亮, 说明晶闸管导通。 

     当晶闸管导通时,将控制极上的电压去掉(即将开关S断开),白炽灯依然亮,说明一旦晶闸管导通,控制极就失去了控制作用。

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

通过上述实验可知,晶闸管导通必须同时具备两个条件:

    1) 晶闸管主电路加正向电压。

    2) 晶闸管控制电路加合适的正向电压。 

    为了进一步说明晶闸管的工作原理,可把晶闸管看成是由一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的,连接形式如图1-3所示。阳极A相当于PNP型晶体管V1的发射极,阴极K相当于NPN型晶体管V2的发射极。

 

 

1-3 晶闸管工作原理等效电路
 

 

当晶闸管阳极承受正向电压,控制极也加正向电压时, 晶体管V2处于正向偏置,EC产生的控制极电流IG就是V2的基极电流IB2V2的集电极电流IC2 =β2 IG 。而IC2 又是晶体管V1的基极电流,V1的集电极电流IC1=β1IC2 =β1β2 IG β1β2分别是V1V2的电流放大系数)。电流IC1又流入V2的基极, 再一次放大。这样循环下去,形成了强烈的正反馈,使两个晶体管很快达到饱和导通,这就是晶闸管的导通过程。导通后,晶闸管上的压降很小,电源电压几乎全部加在负载上,晶闸管中流过的电流即负载电流。

在晶闸管导通之后,它的导通状态完全依靠管子本身的正反馈作用来维持, 即使控制极电流消失,晶闸管仍将处于导通状态。因此, 控制极的作用仅是触发晶闸管使其导通,导通之后,控制极就失去了控制作用。要想关断晶闸管, 最根本的方法就是必须将阳极电流减小到使之不能维持正反馈的程度,也就是将晶闸管的阳极电流减小到小于维持电流。 可采用的方法有: 将阳极电源断开;改变晶闸管的阳极电压的方向, 即在阳极和阴极间加反向电压 

 

  

 

第二节 晶闸管的特性、参数和型号

 

一、晶闸管的电压电流特性

    晶闸管阳极与阴极间的电压UA和阳极电流IA的关系称为阳极伏安特性, 正确使用晶闸管必须要了解其伏安特性。 图1-4所示即为晶闸管阳极伏安特性曲线,包括正向特性(第一象限)和反向特性(第三象限)两部分。

 


1-4晶闸管阳极伏安特性曲线

 

1、正向特性

     晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在正向阻断状态时, 晶闸管的伏安特性是一组随门极电流IG的增加而不同的曲线簇。当IG =0时,逐渐增大阳极电压UA,只有很小的正向漏电流,晶闸管正向阻断;随着阳极电压的增加,当达到正向转折电压UBO时,漏电流突然剧增,晶闸管由正向阻断突变为正向导通状态。 这种在IG =0时,依靠增大阳极电压而强迫晶闸管导通的方式称为硬开通。多次硬开通会使晶闸管损坏,因此通常不允许这样做。

随着门极电流IG的增大,晶闸管的正向转折电压UBO迅速下降,当 IG足够大时,晶闸管的正向转折电压很小,可以看成与一般二极管一样,只要加上正向阳极电压,管子就导通了。 晶闸管正向导通的伏安特性与二极管的正向特性相似,即当流过较大的阳极电流时,晶闸管的压降很小。

晶闸管正向导通后,要使晶闸管恢复阻断,只有逐步减小阳极电流IA,使IA下降到小于维持电流IH(维持晶闸管导通的最小电流),则晶闸管又由正向导通状态变为正向阻断状态。图1-7中各物理量的含义如下:

UDRMURRM——正、 反向断态重复峰值电压; 

UDSMURSM——正、 反向断态不重复峰值电压; 

UBO——正向转折电压; 

URO——反向击穿电压。

2、反向特性

     晶闸管的反向特性与一般二极管的反向特性相似。在正常情况下,当承受反向阳极电压时,晶闸管总是处于阻断状态,只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增加到一定值时,反向漏电流增加较快,再继续增大反向阳极电压会导致晶闸管反向击穿,造成晶闸管永久性损坏,这时对应的电压为反向击穿电压URO

二、晶闸管的主要参数

    1.正向重复峰值电压UDRM

  在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下,可重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为正向重复峰值电压UDRM。一般规定此电压为正向转折电压UBO80%。    2.反向重复峰值电压URRM

在控制极断路时,可以重复加在晶闸管两端的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM  此电压取反向击穿电压URO80%。 

3.通态平均电流IV(AV)

在环境温度小于40℃和标准散热及全导通的条件下, 晶闸管可以连续导通的工频正弦半波电流平均值称为通态平均电流IV(AV)或正向平均电流,通常所说晶闸管是多少安就是指这个电流。 如果正弦半波电流的最大值为IM,则




额定电流有效值为

然而在实际使用中,流过晶闸管的电流波形形状、波形导通角并不是一定的,各种含有直流分量的电流波形都有一个电流平均值(一个周期内波形面积的平均值),也就有一个电流有效值(均方根值)。现定义某电流波形的有效值与平均值之比为这个电流的波形系数,Kf表示,即

根据上式可求出正弦半波电流的波形系数


这说明额定电流IV(AV)=100 A的晶闸管,其额定电流有效值为IV=KfIV(AV)=157 A

不同的电流波形有不同的平均值与有效值,波形系数Kf也不同。在选用晶闸管的时候,首先要根据管子的额定电流(通态平均电流)求出元件允许流过的最大有效电流。不论流过晶闸管的电流波形如何,只要流过元件的实际电流最大有效值小于或等于管子的额定有效值,且散热冷却在规定的条件下,管芯的发热就能限制在允许范围内。由于晶闸管的电流过载能力比一般电机、电器要小得多,因此在选用晶闸管额定电流时,根据实际最大的电流计算后至少要乘以1.52的安全系数,使其有一定的电流裕量。

 

4.维持电流IH和掣住电流IL     在室温且控制极开路时,维持晶闸管继续导通的最小电流称为维持电流IH。维持电流大的晶闸管容易关断。维持电流与元件容量、结温等因素有关,同一型号的元件其维持电流也不相同。通常在晶闸管的铭牌上标明了常温下IH的实测值。 

    给晶闸管门极加上触发电压,当元件刚从阻断状态转为导通状态时就撤除触发电压,此时元件维持导通所需要的最小阳极电流称为掣住电流IL。对同一晶闸管来说,掣住电流 IL要比维持电流IH24倍。 

5.晶闸管的开通与关断时间

    1) 开通时间tgt

    一般规定:从门极触发电压前沿的10%到元件阳极电压下降至10%所需的时间称为开通时间tgt ,普通晶闸管的tgt约为6 μs。开通时间与触发脉冲的陡度大小、结温以及主回路中的电感量等有关。为了缩短开通时间,常采用实际触发电流比规定触发电流大35倍、前沿陡的窄脉冲来触发,称为强触发。另外, 如果触发脉冲不够宽, 晶闸管就不可能触发导通。一般说来,要求触发脉冲的宽度稍大于tgt ,以保证晶闸管可靠触发。

2)关断时间tq

    晶闸管导通时,内部存在大量的载流子。晶闸管的关断过程是: 当阳极电流刚好下降到零时,晶闸管内部各PN结附近仍然有大量的载流子未消失,此时若马上重新加上正向电压, 晶闸管仍会不经触发而立即导通,只有再经过一定时间,待元件内的载流子通过复合而基本消失之后,晶闸管才能完全恢复正向阻断能力。我们把晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需要的这段时间称为关断时间tq。 

    晶闸管的关断时间与元件结温、关断前阳极电流的大小以及所加反压的大小有关。普通晶闸管的tq约为几十到几百微秒。

6.通态电流临界上升率di/dt

   门极流入触发电流后,晶闸管开始只在靠近门极附近的小区域内导通,随着时间的推移,导通区才逐渐扩大到PN结的全部面积。如果阳极电流上升得太快,则会导致门极附近的PN结因电流密度过大而烧毁,使晶闸管损坏。因此,对晶闸管必须规定允许的最大通态电流上升率,称通态电流临界上升率di/dt。 

7.断态电压临界上升率du/dt

    晶闸管的结面积在阻断状态下相当于一个电容,若突然加一正向阳极电压, 便会有一个充电电流流过结面,该充电电流流经靠近阴极的PN结时,产生相当于触发电流的作用,如果这个电流过大,将会使元件误触发导通,因此对晶闸管还必须规定允许的最大断态电压上升率。我们把在规定条件下,晶闸管直接从断态转换到通态的最大阳极电压上升率称为断态电压临界上升率du/dt。

三、晶闸管的型号及简单测试方法

   1.晶闸管的型号

1-5 晶闸管型号的含义
 

 

2.晶闸管的简单测试方法

对于晶闸管的三个电极,可以用万用表粗测其好坏。依据PN结单向导电原理,用万用表欧姆挡测试元件的三个电极之间的阻值,可初步判断管子是否完好。如用万用表R×1 kΩ 挡测量阳极A和阴极K之间的正、反向电阻都很大,在几百千欧以上,且正、反向电阻相差很小;用R×10R×100挡测量控制极G和阴极K之间的阻值,其正向电阻应小于或接近于反向电阻,这样的晶闸管是好的。如果阳极与阴极或阳极与控制极间有短路,阴极与控制极间为短路或断路, 则晶闸管是坏的。

  

 

第三节              其他 晶闸管

 

1)快速晶闸管(Fast Switching Thyristor-FST)

    快速晶闸管的外形、符号、基本结构和伏安特性与普通晶闸管相同,但它专为快速应用而设计。快速晶闸管的开通与关断时间短,允许的电流上升率高,开关损耗小,在规定的频率范围内可获得较平直的电流波形。普通晶闸管的关断时间为数百微秒,快速晶闸管则为数十μs

2)双向晶闸管(Triode AC Switch-TRIACBidirectional Triode Thyristor

    双向晶闸管可被认为是一对反并联连接的普通晶闸管的集成。图1-9所示为它的基本结构、等效电路及伏安特性。双向晶闸管有两个主电极V1和V2,一个门极G。门极使器件在主电极的正、反两个方向均可触发导通,因此双向晶闸管在第一和第三象限有对称的伏安特性。

双向晶闸管门极加正、负触发脉冲都能使管子触发导通, 因此有四种触发方式: Ⅰ+、Ⅰ-表示V1、V2间加正向电压时,正、负脉冲能触发晶闸管导通;Ⅲ+、Ⅲ-表示V1、V2间加反向电压时,正、负脉冲能触发晶闸管导通。图1-9(c)中注明了两个主电极V1和V2相对的电压极性,并注明门极G相对主电极V2的电压极性。四种触发方式的灵敏度各不相同, 其中Ⅲ+方式最低,因此在实际应用中只采用(+、 Ⅲ-)与(-、 Ⅲ-)两组触发方式。

 


1-6双向晶闸管的结构及伏安特性

(a) 基本结构; (b) 等效电路; (c) 伏安特性

双向晶闸管与一对反并联晶闸管相比是经济的,并且控制电路比较简单, 但有以下局限性: 

   1)双向晶闸管重新施加du/dt的能力差,这使它难以用于感性负载。双向晶闸管在交流电路中使用时,须承受正、反两个半波电流和电压。它在一个方向导电虽已结束,但当管芯硅片各层中的载流子还没有回复到阻断状态的位置时就立即承受反向电压,这些载流子电流有可能成为晶闸管反向工作时的触发电流而使之误导通,造成换相失败。另外,其换相能力随结温升高而有所下降。

   2)电路灵敏度比较低。

3)管子的关断时间tq比较长。 

      双向晶闸管常在电阻性负载电路中用作相位控制,也用作固态继电器,有时还用于电动机控制,其供电频率通常被限制在工频附近。就目前的工艺水平而言,双向晶闸管的电压和电流定额比普通晶闸管低些。

由于双向晶闸管通常用在交流电路中,因此不用平均值而用有效值来表示它的额定电流值。以200 A(有效值)双向晶闸管为例,其峰值电流即为        。而由公式可知,一个峰值为283 A的普通晶闸管的平均电流值为283 A/π=90 A, 所以一个200 A(有效值)的双向晶闸管可代替两个90 A(平均值)的普通晶闸管。

 

 

  

 

实验一 晶闸管的简易测试

1. 实验目的

(1) 掌握晶闸管的简易测试方法。 

(2) 验证晶闸管的导通条件及判断方法。


           1-7晶闸管导通关断条件实验线路

2. 实验线路

3. 实验设备

(1) 晶闸管导通关断实验板一块。 

(2) 30 V直流稳压电源一台,    万用表一块。 

(3) 晶闸管(好、 坏)各一支。

4. 实验内容及步骤

    1)  鉴别晶闸管好坏

    用万用表R×1 kΩ电阻挡测量两只晶闸管的阳极(A)与阴极(K)之间、 门极(G)与阳极(A)之间的正、反向电阻。

    用万用表R×10 Ω电阻挡测量两只晶闸管的门极(G)(K)阴极之间的正、反向电阻,将所测得数据填入表1-1,并鉴别被测晶闸管好坏。

2) 晶闸管的导通条件

    (1)实验线路如图1-7所示,将开关S1S2处于断开状态。

    (2) 加30 V正向阳极电压,门极开路或接-3.5 V电压,观察晶闸管是否导通,灯泡是否亮。 

    (3) 加30 V反向阳极电压,门极开路或接-3.5 V(+3.5 V)电压,观察晶闸管是否导通,灯泡是否亮。 

    (4)阳极、门极都加正向电压,观察晶闸管是否导通,灯泡是否亮。 

    (5)灯亮后去掉门极电压,观察灯泡是否继续亮;再在门极加-3.5 V的反向门极电压,观察灯泡是否继续亮。

    (6) 将以上结果填入表1-2中。

3) 晶闸管关断条件实验

    (1)实验线路如图1-7所示,将开关S1S2处于断开状态。

    (2)阳极、门极都加正向电压,使晶闸管导通,灯泡亮。 断开控制极电压,观察灯泡是否亮。断开阳极电压,观察灯泡是否亮。

     (3)重新使晶闸管导通,灯泡亮。而后闭合开关S1,断开门极电压,然后接通S2,看灯泡是否熄灭。 

     (4) 在12端换接上0.22 μF/50 V的电容再重复步骤(3), 观察灯泡是否熄灭。

5. 实验结果

1-1 晶闸管好坏的判断(电阻单位欧姆)

 


 

1-2  晶闸管导通条件(阳极A与阴极K之间为30 V电压)

 

 
 

6. 实验报告要求

(1) 总结晶闸管导通的条件和晶闸管关断条件。 

(2) 总结简易判断晶闸管好坏的方法。

习题及思考题

1.晶闸管导通的条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流怎样确定? 负载电压是什么?  2. 如何用万用表判别晶闸管元件的好坏?


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