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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。
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。
(备注:
高频不能等同于快速晶闸管)
工作原理
晶闸管是P1N1P2N2四层三端结构元件,共有三个PN结,分析原理时,可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如下图,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,晶闸管都处于反向阻断状态
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。
这时晶闸管处于正向导通状态,这就是晶闸管的闸流特性,即可控特性.
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。
门极只起触发作用
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。
晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a)双晶体管模型b)等效电路
晶闸管的基本特性
1静态特性
承受反向电压时,不论门极是否有触发电流,晶闸管都不会导通;
承受正向电压时,仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通;
晶闸管一旦导通,门极就失去控制作用;
要使晶闸管关断,只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
晶闸管的阳极伏安特性是指晶闸管阳极电流和阳极电压之间的关系曲线,如图3所示。
其中:
第I象限的是正向特性;
第III象限的是反向特性
图3晶闸管阳极伏安特性
IG2>
IG1>
IG
IG=0时,器件两端施加正向电压,正向阻断状态,只有很小的正向漏电流流过,正向电压超过临界极限即正向转折电压Ubo,则漏电流急剧增大,器件开通。
这种开通叫“硬开通”,一般不允许硬开通;
随着门极电流幅值的增大,正向转折电压降低;
导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相仿;
晶闸管本身的压降很小,在1V左右;
导通期间,如果门极电流为零,并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下,则晶闸管又回到正向阻断状态。
IH称为维持电流。
晶闸管上施加反向电压时,伏安特性类似二极管的反向特性;
阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端;
晶闸管的门极触发电流从门极流入晶闸管,从阴极流出,门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。
晶闸管的门极和阴极之间是PN结J3,其伏安特性称为门极伏安特性,如图4所示。
图中ABCGFED所围成的区域为可靠触发区;
图中阴影部分为不触发区;
图中ABCJIH所围成的区域为不可靠触发区。
为保证可靠、安全的触发,触发电路所提供的触发电压、电流和功率应限制在可靠触发区。
图4晶闸管门极伏安特性
2动态特性
晶闸管的动态特性主要是指晶闸管的开通与关断过程,动态特性如图5所示。
图5晶闸管的开通和关断过程波形
开通过程:
开通时间
包括延迟时间
与上升时间
,即
(6)
延迟时间
:
门极电流阶跃时刻开始,到阳极电流上升到稳态值的10%的时间
上升时间
阳极电流从10%上升到稳态值的90%所需的时间
普通晶闸管延迟时间为0.5~1.5s,上升时间为0.5~3s
关断过程:
关断时间
包括反向阻断恢复时间
与正向阻断恢复时间
,即
(7)
普通晶闸管的关断时间约几百微秒。
反向阻断恢复时间
正向电流降为零到反向恢复电流衰减至接近于零的时间
正向阻断恢复时间
晶闸管要恢复其对正向电压的阻断能力还需要一段时间
注:
1)在正向阻断恢复时间内如果重新对晶闸管施加正向电压,晶闸管会重新正向导通
2)实际应用中,应对晶闸管施加足够长时间的反向电压,使晶闸管充分恢复其对正向电压的阻断能力,电路才能可靠工作
晶闸管的主要参数
1电压定额
1)断态重复峰值电压
——在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的正向峰值电压。
2)反向重复峰值电压
——在门极断路而结温为额定值时,允许重复加在器件上的反向峰值电压。
3)通态(峰值)电压
——晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电流时的瞬态峰值电压。
通常取晶闸管的
和
中较小的标值作为该器件的额定电压。
选用时,额定电压要留有一定裕量,一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2~3倍
2电流定额
1)通态平均电流
(额定电流)
额定电流---晶闸管在环境温度为40oC和规定的冷却状态下,稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。
举例说明:
使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管,应留一定的裕量,一般取1.5~2倍
2)维持电流
——使晶闸管维持导通所必需的最小电流
一般为几十到几百毫安,与结温有关,结温越高,则
越小
3)擎住电流
晶闸管刚从断态转入通态并移除触发信号后,能维持导通所需的最小电流
对同一晶闸管来说,通常
约为IH的2~4倍
4)浪涌电流
指由于电路异常情况引起的并使结温超过
额定结温的不重复性最大正向过载电流
3动态参数
除开通时间
外,还有:
1)断态电压临界上升率
指在额定结温和门极开路的情况下,不导致晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。
在阻断的晶闸管两端施加的电压具有正向的上升率时,相当于一个电容的J2结会有充电电流流过,被称为位移电流。
此电流流经J3结时,起到类似门极触发电流的作用。
如果电压上升率过大,使充电电流足够大,就会使晶闸管误导通。
2)通态电流临界上升率
——指在规定条件下,晶闸管能承受而无有害影响的最大通态电流上升率。
如果电流上升太快,则晶闸管刚开通,便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内,从而造成局部过热而使晶闸管损坏。
单相半波可控整流电路
把不可控的单相半波整流电路中的二极管用晶闸管代替,就成为单相半波可控整流电路。
下面将分析这种可控整流电路在接电阻性负载和电感性负载时的工作情况。
一、阻性负载
图5.1.5接电阻性负载的单相半波可控整流电路
图5.1.5是接电阻性负载的单相半波可控整流电路,负载电阻为RL。
从图可见,在输入交流电压u的正半周时,晶闸管T承受正向电压,如图5.1.6(a)。
假如在t1时刻给控制极加上触发脉冲如图5.1.6(b),晶闸管导通,负载上得到电压。
当交流电压u下降到接近于零值时,晶闸管正向电流小于维持电流而关断。
在电压u原负半周时,晶闸管承受反向电压,不可能导通,负载电压和电流均为零。
在第二个正半周内,再在相应的t2时刻加入触发脉冲,晶闸管再行导通。
这样,在负载RL上就可以得到如图5.1.6.(c)所示的电压波形。
图5.1.6(d)所示的波形为晶闸管所承受的正向和反向电压,其最高正向和反向电压均为输入交流电压的幅值
U。
图5.1.6接电阻性负载时单相半波
可控整流电路的电压与电流波形
显然,在晶闸管承受正向电压的时间内,改变控制极触发脉冲的输入时刻(移相),负载上得到的电压波形就随着改变,这样就控制了负载上输出电压的大小。
图5.1.6是接电阻性负载时单相半波可控整流电路的电压与电流的波形。
晶闸管在正向电压下不导通的电角度为控制角(又称移相角),用α表示,而导通的电角度则称为导通角,用θ表示如图5.1.6.(c)。
很显然,导通角θ愈大,输出电压愈高。
整流输出电压的平均值可以用控制角表示,即
(5.1)
从式(5.1)看出,当α=0时(θ=180o)晶闸管在正半周全导通,UO=0.45U,输出电压最高,相当于不可控二极管单相半波整流电压。
若α=180o,U0=0,这时
=0,晶闸管全关断。
根据欧姆定律,电阻负载中整流电流的平均值为
(5.2)
此电流即为通过晶闸管的平均电流。
二、电感性负载与续流二极管
上面所讲的是接电阻性负载的情况,实际上遇到较多的是电感性负载,象各种电机的励磁绕组、各种电感线圈等,它们既含有电感,又含有电阻。
有时负载虽然是纯电阻的,但串了电感线圈等,它们既含有电感,又含有电阻。
有时负载虽然是纯电阻的,但串了电感滤波器后,也变为电感性的了。
整流电路接电感性负载和接电阻性负载的情况大不相同。
图5.1.7接电感性负载的可控整流电路
电感性负载可用串联的电感元件L和电阻元件R表示(图5.1.7)。
当晶闸管刚触发导通时,电感元件中产生阻碍电流变化的感应电动势(其极性在图5.1.7中为上正下负),电路中电流不能跃变,将由零逐渐上升如图5.1.8(a),当电流到达最大值时,感应电动势为零,而后电流减小,电动势eL也就改变极性,在图5.1.7中为下正上负。
此后,在交流电压u到达零值之前,eL和u极性相同,晶闸管当然导通。
即使电压u经过零值变负之后,只要eL大于u,晶闸管继续承受正向电压,电流仍将继续流通,如图5.1.8(a)。
只要电流大于维持电流时,晶闸管不能关断,负载上出现了负电压。
当电流下降到维持电流以下时,晶闸管才能关断,并且立即承受反向电压,如图5.1.8(b)所示。
综上可见,在单相半波可控整流电路接电感性负载时,晶闸管导通角θ将大于(180o-α)。
负载电感愈大,导通角θ愈大,在一个周期中负载上负电压所占的比重就愈大,整流输出电压和电流的平均值就愈小。
为了使晶闸管在电源电压u降到零值时能及时关断,使负载上不出现负电
压,必须采取相应措施。
我们可以在电感性负载两端并联一个二极管D来解决上述出现的问题,如图5.1.9。
当交流电压u过零值变负后,二极管因承受正向电压而导通,于是负载上由感应电动势eL产生的电流经过这个二极管形成回路。
因此这个二极管称为续流二极管。
图5.1.8接电感性负载时单相半波可控整流电路
的电压与电流波形
图5.1.9电感性负载并联续流二极管
这时负载两端电压近似为零,晶闸管因承受反向电压而关断。
负载电阻上消耗的能量是电感元件释放的能量。
单相半控桥式整流电路
单相半波可控整流电路虽然具有电路简单、调整方便、使用元件少的优点,但却有整流电压脉动大、输出整流电流小的缺点。
较常用的是半控桥式整流电路,简称半控桥,其电路如图5.1.20所示。
电路与单相不可控桥式整流电路相似,只是其中两个臂中的二极管被晶闸管所取代。
在变压器副边电压u的正半周(a端为正)时,T1和D2承受正向电压。
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