晶闸管和双向可控硅应用规则.docx
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闸流管
闸流管是一种可控制的整流管,由门极向阴极送出微小信号电流即可触发单向电流自阳极流向阴极。
导通
让门极相对阴极成正极性,使产生门极电流,闸流管立即导通。
当门极电压达到阀值电压VGT,并导致门极电流达到阀值IGT,经过很短时间tgt(称作门极控制导通时间)负载电流从正极流向阴极。
假如门极电流由很窄的脉冲构成,比方说1μs,它的峰值应增大,以保证触发。
当负载电流达到闸流管的闩锁电流值IL时,即使断开门极电流,负载电流将维持不变。
只要有足够的电流继续流动,闸流管将继续在没有门极电流的条件下导通。
这种状态称作闩锁状态。
注意,VGT,IGT和IL参数的值都是25℃下的数据。
在低温下这些值将增大,所以驱动电路必须提供足够的电压、电流振幅和持续时间,按可能遇到的、最低的运行温度考虑。
规则1为了导通闸流管(或双向可控硅),必须有门极电流≧IGT,直至负载电流达到≧IL。
这条件必须满足,并按可能遇到的最低温度考虑。
灵敏的门极控制闸流管,如BT150,容易在高温下因阳极至阴极的漏电而导通。
假如结温Tj高于Tjmax,将达到一种状态,此时漏电流足以触发灵敏的闸流管门极。
闸流管将丧失维持截止状态的能力,没有门极电流触发已处于导通。
要避免这种自发导通,可采用下列解决办法中的一种或几种:
1.确保温度不超过Tjmax。
2.采用门极灵敏度较低的闸流管,如BT151,或在门极和阴极间串入1kΩ或阻值更
小的电阻,降低已有闸流管的灵敏度。
3.若由于电路要求,不能选用低灵敏度的闸流管,可在截止周期采用较小的门极反向
偏流。
这措施能增大IL。
应用负门极电流时,特别要注意降低门极的功率耗散。
截止(换向)
要断开闸流管的电流,需把负载电流降到维持电流IH之下,并历经必要时间,让所有的载流子撤出结。
在直流电路中可用“强迫换向”,而在交流电路中则在导通半周终点实现。
(负载电路使负载电流降到零,导致闸流管断开,称作强迫换向。
)然后,闸流管将回复至完全截止的状态。
假如负载电流不能维持在IH之下足够长的时间,在阳极和阴极之间电压再度上升之前,闸流管不能回复至完全截止的状态。
它可能在没有外部门极电流作用的情况下,回到导通状态。
注意,IH亦在室温下定义,和IL一样,温度高时其值减小。
所以,为保证成功的切换,电路应充许有足够时间,让负载电流降到IH之下,并考虑可能遇到的最高运行温度。
规则2要断开(切换)闸流管(或双向可控硅),负载电流必须 在可能的最高运行温度下必须满足上述条件。 双向可控硅 从形式上可将双向可控硅看成两只普通可控硅的组合,但实际上它是由7只晶体管和多只电阻构成的功率集成器件。 从双向可控硅的结构看它属于NPNPN五层器件。 三个电极分别是T1、T2、G。 因该器件可以双向导通,故除门极G以外的两个电极统称为主端子,用T1、T2。 表示,不再划分成阳极或阴极。 其特点是: 当G极和T2极相对于T1的电压均为正时,T2是阳极,T1是阴极。 反之,当G极和T2极相对于T1的电压均为负时,T1变成阳极,T2为阴极。 双向可控硅可看作为“双向闸流管”,因为它能双向导通。 对标准的双向可控硅,电流能沿任一方向在主端子T1和T2间流动,用T1和门极端子间的微小信号电流触发。 导通 和闸流管不同,双向可控硅可以用门极和T1间的正向或负向电流触发。 (VGT,IGT和IL的选择原则和闸流管相同,见规则1)因而能在四个“象限”触发,如图4与表1所示。 双向可控硅的伏安特性见图5,由于正、反向特性曲线具有对称性,所以它可在任何一个方向导通。 在负载电流过零时,门极用直流或单极脉冲触发,优先采用负的门极电流,理由如下。 若运行在第4象限,由于双向可控硅的内部结构,门极离主载流区域较远,导致下列后果: 1.高IGT->需要高峰值IG。 2.由IG触发到负载电流开始流动,两者之间迟后时间较长–>要求IG维持较长时间。 3.低得多的dIT/dt承受能力—>若控制负载具有高dI/dt值(例如白炽灯的冷灯丝), 门极可能发生强烈退化。 4.高IL值(第2象限工况亦如此)—>对于很小的负载,若在电源半周起始点导通,可能需要较长时间的IG,才能让负载电流达到较高的IL。 表1双向可控硅的四象限触发方式 导通方式 电路 原理 第一象限正 向触发方式 工作电压为T2正T1负,触发电压为G正T1负。 导通电流的方向是T2流向T1。 我们称这种方式为第一象限的正向触发方式。 第二象限正 向触发方式 工作电压为T2正T1负,触发电压为G负T1正。 导通电流的方向是T2流向T1。 我们称这种方式为第二象限的负向触发方式。 第三象限正 向触发 工作电压为T1正T2负,触发电压为G负T1正。 导通电流的方向是T1流向T2。 我们称这种方式为第三象限的负向触发方式。 第四象限正 向触发方式 工作电压为T1正T2负,触发电压为G正T1负。 导通电流的方向是T1流向T2。 我们称这种方式为第四象限的正向触发方式。 在标准的AC相位控制电路中,如灯具调光器和家用电器转速控制,门极和T2的极性始终不变。 这表明,工况总是在第1象限和第3象限,这里双向可控硅的切换参数相同。 这导致对称的双向可控硅切换,门极此时最灵敏。 说明: 以1,2-,3和4标志四个触发象限,完全是为了简便,例如用第1象限取代“T2+,G+”等等。 这是从双向可控硅的V/I特性图导出的代号。 正的T2相应正电流进入T2,相反也是(见图5)。 实际上,工况只能存在1和3象限中。 上标+和-分别表示门极输入或输出电流。 规则3设计双向可控硅触发电路时,只要有可能,就要避开第3象限(T2-,G+)。 其它导通方式 还有一些双向可控硅的导通方式是我们不希望发生的。 其中有些不损伤设备,另一些则可能破坏设备。 (a)电子噪声引发门极信号 在电子噪声充斥的环境中,若干扰电压超过VGT,并有足够的门极电流,就会发生假触发,导致双向可控硅切换。 第一条防线是降低临近空间的杂波。 门极接线越短越好,并确保门极驱动电路的共用返回线直接连接到T1管脚(对闸流管是阴极)。 若门极接线是硬线,可采用螺旋双线,或干脆用屏蔽线,这些必要的措施都是为了降低杂波的吸收。 为增加对电子噪声的抵抗力,可在门极和T1之间串入1kΩ或更小的电阻,以此降低门极的灵敏度。 假如已采用高频旁路电容,建议在该电容和门极间加入电阻,以降低通过门极的电容电流的峰值,减少双向可控硅门极区域为过电流烧毁的可能。 另一解决办法,选用灵敏度型号双向可控硅。 规则4为减少杂波吸收,门极连线长度降至最低。 返回线直接连至T1(或阴极)。 若用硬线 ,用螺旋双线或屏蔽线。 门极和T1间加电阻1kΩ或更小。 高频旁路电容和门极间串接电阻。 另一解决办法,低灵敏度双向可控硅。 (b)超过最大切换电压上升率dVCOM/dt 驱动高电抗性的负载时,负载电压和电流的波形间通常发生实质性的相位移动。 当负载电流过零时,双向可控硅发生切换,由于相位差电压并不为零(见图6)。 这时双向可控硅须立即阻断该电压。 产生的切换电压上升率若超过允许的dVCOM/dt,会迫使双向可控硅回复导通状态。 因为载流子没有充分的时间自结上撤出。 高dVCOM/dt承受能力受二个条件影响: 1.dICOM/dt为切换时负载电流下降率。 dICOM/dt高,则dVCOM/dt承受能力下降。 2.接面温度Tj越高,dVCOM/dt承受能力越下降。 假如双向可控硅的dVCOM/dt的允许有 可能被超过,为避免发生假触发,可在MT1和MT2间装置RC缓冲电路,以此限制电压上升 率。 通常选用100Ω的能承受浪涌电流的碳膜电阻,100nF的电容。 注意,缓冲电路中无论如何不能省略电阻。 没有这限流电阻,电容向双向可控硅释放电荷时可能形成高的dIT/dt,在不利的切换条件下有破坏性。 (c)超出最大的切换电流变化率dICOM/dt 导致高dICOM/dt值的因素是,高负载电流、高电网频率(假设正弦波电流)或者非正弦波负载电流。 非正弦波负载电流和高dICOM/dt的常见原因是整流供电的电感性负载。 常常导致普通双向可控硅切换失败,一旦电源电压降到负载反电势之下,双向可控硅电流向零跌落。 该效应见图7。 双向可控硅处于零电流状态时,负载电流绕着桥式整流器“空转”。 这类负载产生的dICOM/dt如此之高,使双向可控硅甚至不能支持50Hz波形由零上升时不大的dV/dt。 这里增加缓冲电路并无好处,因为dVCOM/dt不是问题所在。 增加一个几mH的电感,和负载串连,可以限制dICOM/dt。 (d)超出最大的断开电压变化率dVD/dt 规则4.为减少杂波吸收,门极连线长度降至最低。 返回线直接连至MT1(或阴极)。 若用硬线,用螺旋双线或屏蔽线。 门极和MT1间加电阻1kΩ或更小。 高频旁路电容和门极间串接电阻。 另一解决办法,选用H系列低灵敏度双向可控硅。 若截止的双向可控硅上(或门极灵敏的闸流管)作用很高的电压变化率,尽管不超过VDRM(见图8),电容性内部电流能产生足够大的门极电流,并触发器件导通。 门极灵敏度随温度而升高。 假如发生这样的问题,T1和T2间(或阳极和阴极间)应该加上RC缓冲电路,以限制dVD/dt。 规则5若dVD/dt或dVCOM/dt可能引起问题,在T1和T2间加入RC缓冲电路。 若高dICOM/dt可能引起问题,加入一几mH的电感和负载串联。 (e)超出截止状态下反复电压峰值VDRM 遇到严重的、异常的电源瞬间过程,T2电压可能超过VDRM,此时T2和T1间的漏电将达到一定程度,并使双向可控硅自发导通(见图9)。 若负载允许高涌入电流通过,在硅片导通的小面积上可能达到极高的局部电流密度。 这可能导致硅片的烧毁。 白炽灯、电容性负载和消弧保护电路都可能导致强涌入电流。 由于超过VDRM或dVD/dt导致双向可控硅导通,这不完全威胁设备安全。 而是随之而来的dIT/dt很可能造成破坏。 原因是,导通扩散至整个结需要时间,此时允许的dIT/dt值低于正常情况下用门极信号导通时的允许值。 假如过程中限制dIT/dt到一较低的值,双向可控硅可能可以幸存。 为此,可在负载上串联一个几μH的不饱和(空心)电感。 假如上述解决方法不能接受,或不实际,可代替的方法是增加过滤和箝位电路,防止尖峰脉冲到达双向可控硅。 可能要用到金属氧化物变阻器(MOV),作为“软”电压箝位器,跨接在电源上,MOV上游增加电感、电容滤波电路。 有些厂家怀疑,电路中采用MOV是否可靠,因为他们得知,在高温环境下MOV会失控并导致严重事故。 原因是它们的工作电压有显著的负
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