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教材1
第一章晶闸管
内容提要与目的要求
1.了解晶闸管的结构与工作原理。
2.了解晶闸管的伏安特性。
3.掌握晶闸管的电压定额与电流定额(通态平均电流)。
4.掌握晶闸管的通态平均电流选择原则。
5.学会选择晶闸管元件。
第一节晶闸管及其工作原理
一﹑晶闸管的结构
晶闸管的结构如图1—1所示,从外形上分有螺栓式和平板式两种,部分小容量器件采用塑封式。
1.结构
螺栓式:
额定电流小于200A的器件,单面散热,散热效果不好,安装方便。
平板式:
额定电流大于200A的器件,双面散热,散热效果好,安装不方便。
晶闸管内部是一个硅半导体材料做成的圆形芯片,芯片是四层(P、N、P、N)三端(A、K、G)器件。
P1、N1、P2、N2形成J1、J2、J3三个PN结。
图1—1晶闸管的外形、结构与符号
2.图形符号
A—阳极,从P1区引出;K—阴极,从N2区引出;G—门极,从P2区引出。
二﹑晶闸管的工作原理
1.晶闸管的导通
晶闸管的阳极对阴极加正向电压,门极无信号,J2反向偏置,器件处于阻断状态;晶闸管阳极对阴极加反向电压,门极无信号,J1、J3反向偏置,器件仍处于阻断状态。
图1—2所示,在晶闸管阳极对阴极加正向电压的情况下,同时使门极对阴极也加正向电压,灯泡D亮,则器件导通。
图1—2晶闸管的导通条件
晶闸管的导通条件是:
1)阳极对阴极加正向电压,UAK>0;
2)门极对阴极加正向电压,UGK>0。
晶闸管具有单向导电性,一旦导通,门极就失去控制作用,所以晶闸管又称为半控型器件。
2.晶闸管的关断
晶闸管导通以后,如果要恢复阻断,不能在门极加反向电压,只有通过降低阳极电源电压Ea↓或增大阳极回路电阻Ra↑,使得晶闸管的阳极电流Ia减小,当Ia减小到某一要求的电流值(维持电流)IH时,晶闸管才能关断。
图1—3晶闸管的关断条件
晶闸管的关断条件是:
阳极电流小于维持电流,Ia<IH。
关断方法:
1)零压关断,阳极对阴极加零压,UAK=0,如正弦波由正到负过零点;或A、K短路。
2)反压关断,阳极对阴极加反向电压,UAK<0,电容充电电压反极性加在A、K之间;正弦波的负半波。
3.晶闸管的工作原理
图1—4晶闸管的工作原理
晶闸管导通的工作原理可以用两个晶体管模型来解释,如图1—4所示。
晶闸管可以看作是P1N1P2、N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2的组合。
当触发电路向门极注入驱动电流Ig时,则Ig流入V2的基极,此时Ig=Ib2,它放大形成V2的集电极电流Ic2。
因为Ic2=Ib1,它构成了V1的基极电流,所以Ic2放大形成V1的集电极电流Ic1。
Ig+Ic1=Ib2,Ic1又进一步增大V2的基极电流,形成强烈的正反馈。
V1、V2进入完全饱和状态而导通。
此时即使去除门极信号,令Ig=0,晶闸管内部由于形成了强烈正反馈仍然维持导通。
根据晶体管的工作原理,可以列出以下方程:
Ic1=α1Ia(1—1)
Ic2=α2Ik(1—2)
Ia=Ic1+Ic2+Ico=α1Ia+α2Ik+Ico(1—3)
Ik=Ia+Ig(1—4)
整理后得:
Ia=
(1—5)
式中α1、α2是V1、V2晶体管的电流放大倍数,Ico是晶闸管的漏电流。
1)Ig=0,由于α1、α2都很小,α1+α2≈0,则Ia=Ico,只有漏电流,晶闸管阻断。
2)Ig>0,α1、α2增大,α1+α2≈1,则Ia≈∞,形成电流正反馈,晶闸管导通。
晶闸管导通的正反馈过程为:
3)在通态情况下,再令Ig=0,此时,Ic1=Ib2,晶闸管仍然导通而处于失控状态。
4)Ig=0时,令阳极电流减小Ia↓,Ia↓→Ik↓,则α1、α2↓,α1+α2≈0,Ia<IH,则Ia=Ico,晶闸管关断。
晶闸管关断的正反馈过程为:
4.晶闸管的简单判别方法
用万用表的欧姆档可以简单判别晶闸管的好坏。
1)用高阻档(10K)测量阳极与阴极之间的电阻:
RAK≈∞,RKA≈∞,
正、反向电阻均在数百千欧以上。
如果RAK=∞,RKA=∞,说明晶闸管阳极与阴极之间开路;如果RAK=0,RKA=0,说明晶闸管阳极与阴极之间直通。
RAG≈∞,RGA≈∞,阳极与门极正、反向电阻也均在数百千欧以上。
2)用低阻档测量门极与阴极之间的电阻(不要用10K高阻档,否则会击穿门极PN结)。
RGK≈(几十∽几百)Ω,RKG≈100Ω。
第二节晶闸管的特性
晶闸管的特性包括阳极伏安特性和门极伏安特性,伏安特性通常是指阳极伏安特性。
一、阳极伏安特性
晶闸管的伏安特性如图1—5所示,正向伏安特性在第Ⅰ象限,反向伏安特性在第Ⅲ象限。
Ig=0,当晶闸管正向电压Ua增大到正向转折电压Ubo时,晶闸管由阻断变为导通,此时称为“硬开通”。
增大门极电流Ig,晶闸管正向转折电压Ubo减小,当门极电流Ig增大到触发电流要求的值时,正向转折电压Ubo降至极小。
利用增大门极电流Ig使晶闸管导通是正常的触发方法。
当晶闸管反向电压Ua增大到反向击穿电压Ubo时,晶闸管会反向击穿而损坏。
图1—5晶闸管的伏安特性
二、门极伏安特性
如图1—6所示,晶闸管的门极伏安特性是指门极与阴极之间J3结的伏安特性,同一电流系列的晶闸管,其门极伏安特性分散性很大,并非一条曲线,而是极限高阻门极伏安特性和极限低阻门极伏安特性之间的一个区域,又称门极伏安特性区域。
触发电路提供的触发电压、触发电流和触发功率都应限制在门极伏安特性曲线中的可靠触发区域内。
图1—6晶闸管的门极伏安特性
第三节晶闸管的主要参数
一、晶闸管的电压定额
1断态不重复峰值电压UDSM稍小于正向转折电压Ubo的电压,由生产厂家规定。
2断态重复峰值电压UDRMUDRM=90%UDSM。
3反向不重复峰值电压URSM稍小于反向击穿电压Ubo的电压,由生产厂家规定。
4反向重复峰值电压URRMURRM=90%URSM。
★5额定电压UTn通常取断态重复峰值电压UDRM与反向重复峰值电压URRM中小者,作为晶闸管的额定电压。
根据伏安特性确定晶闸管的电压定额,保留百位数,采取“只舍不进”的原则;根据实际电路确定晶闸管的电压定额,保留百位数,并且考虑2~3倍的安全裕量,采取“只进不舍”的原则。
UTn=(2~3)Um(1—6)
式中,实际电路最大电压瞬时值,相电压最大值
U2或线电压最大值
U2。
6通态平均电压UT(AV)在规定的环境温度和标准的散热条件下,器件通过额定正弦半波电流时,阳极和阴极之间的平均电压,简称管压降,UT(AV)越小则功耗越小。
通态平均电压级别分为九级:
A、B……I,每级互差0.1V,A级最低0.4V,I级最高1.2V。
二、晶闸管的电流定额
图1—7晶闸管的通态平均电流IT(AV)
1额定电流平均值(通态平均电流)IT(AV)
条件:
室温40oC,规定的冷却条件,单向正弦半波电路,电阻性负载,导通角θ≮170o,额定结温,晶闸管允许通过的最大电流平均值。
IT(AV)=
=
(1—7)
2额定电流有效值IT
IT=
=
(1—8)
3额定电流有效值IT与额定电流平均值IT(AV)的关系
额定电流有效值IT与额定电流平均值IT(AV)的比值,称为额定电流的波形系数KfT。
KfT=
=
∕
=
=1.57(1—9)
IT=1.57IT(AV)(1—10)
4实际电流有效值I与实际电流平均值Id的关系
实际电流有效值I与实际电流平均值Id的比值,称为实际电流的波形系数Kf。
Kf=
(1—11)
I=KfId(1—12)
★5通态平均电流的选择原则
根据额定电流有效值IT与实际电流有效值I相等的原则,然后考虑1.5~2倍的安全裕量。
IT=I
║║
1.57IT(AV)=KfId
通态平均电流IT(AV)的表达式为:
IT(AV)=
(1—13)
(1—13)式是根据负载电流的大小来确定晶闸管的电流定额。
考虑1.5~2倍的安全裕量,则
IT(AV)=(1.5~2)
(1—14)
式(1—14)说明,在IT(AV)通态平均电流中包含着(1.5~2)倍的安全裕量。
实际电流平均值Id的表达式为
Id=
(1—15)
(1—15)式是根据现有的晶闸管的电流定额来确定其可以允许通过多大的负载电流。
此时如果考虑安全裕量,IT(AV)应该除以(1.5~2)倍。
不同电流波形有着不同的波形系数,实际电流波形系数Kf随实际电流波形不同而不同,不是唯一的,只有在正弦半波额定电流波形时才有KfT=1.57。
表1—1额定电流100A的晶闸管所允许的电流平均值
波形
平均值Id与有效值I
波形系数
Kf=
允许电流平均值
Id=
Id=
=
I=
=
1.57
Id=
=100A
Id=
=
I=
=
2.22
Id=
=70.7A
100A器件只能当70A使用
Id=
=2
I=
=
1.11
Id=
=141.4A
100A器件可当141.4A使用
Id=
=
I=
=
1.73
Id=
=90.7A
100A器件可当90.7A使用
输出波形的面积增加到原来的2倍,平均值增加到原来的2倍,有效值增加到原来的
倍。
6维持电流IH晶闸管由通态到断态,能够维持元件导通的最小阳极电流。
结温越高,则IH越小,IH=几十~几百mA。
7擎住电流IL晶闸管由断态到通态,去除触发脉冲,能够维持元件导通的最小阳极电流,对于同一元件,IL=(2~4)IH。
三、动态参数
1断态电压临界上升率du/dt额定结温,门极开路,晶闸管由阻断到导通时的最低电压变化率(或不至使晶闸管由阻断到导通的最大电压变化率)。
du/dt太大,由于J2结电容的影响,会使晶闸管误导通。
为了限制du/dt,可以在晶闸管两端并联RC阻容保护。
2通态电流临界上升率di/dt规定条件下,门极有触发信号,晶闸管能够承受的最大电流变化率。
di/dt太大,晶闸管导通时,门极附近小区域电流密度大,会造成局部过热而使晶闸管损坏。
为了限制di/dt,可以在晶闸管阳极串联电感Ls保护。
3开通时间tgt
tgt=td+tr(1—16)
式中,td—延迟时间(0.5~1.5us),tr—上升时间(0.5~3us)。
普通晶闸管开通时间tgt=6us。
快速晶闸管开通时间tgt=1us。
4关断时间tq
tq=trr+tgr(1—17)
式中,trr—反向阻断恢复时间,tgr—正向阻断恢复时间。
普通晶闸管关断时间tgt=几百us。
快速晶闸管关断时间tgt=1us。
四﹑晶闸管的型号
通态平均电压组别:
共分九级(A、B……I),每级互差0.1V,A为0.4V,I为1.2V.
正反向重复峰值电压级数:
一千伏以下,每一百伏为一级;一千伏以上,每二百伏为一级。
通态平均电流系列:
有14个系列,分别是1、5;1、2、3、5;缺7少9,意思是说,
小于10A的器件有1A和5A;
小于100A的器件有10A、20A、30A和50A;
小于1000A的器件没有700A和900A,其他系列都有。
如KP50—9,表示额定电流50A,额定电压900V的普通晶闸管,KP100—12A,表示额定电流100A,额定电压1200V,管压降为0.4V的普通晶闸管。
KP型晶闸管主要特性参数见表1—2。
表1—2KP型晶闸管主要特性参数
参数
系列
通态平均电流
断态重复峰值电压、反向重复峰值电压
断态不重复平均电流、反向不重复平均电流
额定结温
门极触发电流
门极触发电压
断态电压临界上升率
通态电流临界上升率
浪涌电流
IT(AV)
A
UDRM、URRM
V
IDS(AV)、IRS(AV)
V
TJM
0C
IGT
mA
UGT
V
du/dt
V/us
di/dtA/us
ITSM
kA
KP1
KP5KP10KP20
KP30
KP50KP100KP200KP300KP400KP500KP600KP800KP1000
1
5
10
20
30
50
100
200
300
400
500
600
800
1000
100~3000
≤1
≤1
≤1
≤1
≤2
≤2
≤4
≤4
≤8
≤8
≤8
≤9
≤9
≤10
100
100
100
100
100
100
115
115
115
115
115
115
115
115
3~30
5~70
5~100
5~100
8~150
8~150
10~250
10~250
20~300
20~300
20~300
30~350
30~350
40~400
≤2.5
≤3.5
≤3.5
≤3.5
≤3.5
≤3.5
≤4
≤4
≤5
≤5
≤5
≤5
≤5
≤5
25~1000
25~500
0.02
0.09
0.19
0.38
0.56
0.94
1.88
3.77
5.65
7.54
9.42
11.16
14.92
18.60
参考文献
1黄俊王兆安电力电子变流技术北京机械工业出版社(第三版)1998.10
2莫正康电力电子应用技术北京机械工业出版社(第三版)2000.5
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