晶闸管工作原理

发布 2019-05-23 15:10:00 阅读 6568

晶闸管工作条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管,双向晶闸管,逆导晶闸管,光控晶闸管等。

它是一种大功率开关型半导体器件,在电路中用文字符号为“v”、“vt”表示(旧标准中用字母“scr”表示)。

按关断、导通及控制方式分类。

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管(gto)、btg晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

按引脚和极性分类。

晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

按封装形式分类。

晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。其中,金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种;塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

按电流容量分类。

晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。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。

工作原理晶闸管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。

从晶闸管的内部分析工作过程晶闸管是四层三端器件,它有j1、j2、j3三个pn结图1,可以把它中间的np分成两部分,构成一个pnp型三极管和一个npn型三极管的复合管图2

当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的pn结j2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此,两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门机电流ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通,晶体管饱和导通。

设pnp管和npn管的集电极电流相应为ic1和ic2;发射极电流相应为ia和ik;电流放大系数相应为a1=ic1/ia和a2=ic2/ik,设流过j2结的反相漏电电流为ic0,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:

ia=ic1+ic2+ic0 或ia=a1ia+a2ik+ic0

若门极电流为ig,则晶闸管阴极电流为ik=ia+ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为:i=(ic0+iga2)/(1-(a1+a2))(1—1)式。

硅pnp管和硅npn管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化如图3所示。

当晶闸管承受正向阳极电压,而门极未受电压的情况下,式(1—1)中,ig=0,(a1+a2)很小,故晶闸管的阳极电流ia≈ic0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下,从门极g流入电流ig,由于足够大的ig流经npn管的发射结,从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流ic2流过pnp管的发射结,并提高了pnp管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流ic1流经npn管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。

从图3,当a1和a2随发射极电流增加而(a1+a2)≈1时,式(1—1)中的分母1-(a1+a2)≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流ia.这时,流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。

式(1—1)中,在晶闸管导通后,1-(a1+a2)≈0,即使此时门极电流ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流ia而继续导通。晶闸管在导通后,门极已失去作用。

在晶闸管导通后,如果不断的减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流ia减小到维持电流ih以下时,由于a1和a1迅速下降,当1-(a1+a2)≈0时,晶闸管恢复阻断状态。

可关断晶闸管gto(gate turn-off thyristor)亦称门控晶闸管。其主要特点为,当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。

晶闸管智能模块前已述及,普通晶闸管(scr)靠门极正信号触发之后,撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断,必须切断电源,使正向电流低于维持电流ih,或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路,不仅使设备的体积重量增大,而且会降低效率,产生波形失真和噪声。

可关断晶闸管克服了上述缺陷,它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点,以具有自关断能力,使用方便,是理想的高压、大电流开关器件。gto的容量及使用寿命均超过巨型晶体管(gtr),只是工作频纺比gtr低。目前,gto已达到3000a、4500v的容量。

大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域,显示出强大的生命力。

可关断晶闸管也属于pnpn四层三端器件,其结构及等效电路和普通晶闸管相同,因此图1仅绘出gto典型产品的外形及符号。大功率gto大都制成模块形式。

尽管gto与scr的触发导通原理相同,但二者的关断原理及关断方式截然不同。这是由于普通晶闸管在导通之后即外于深度饱和状态,而gto在导通后只能达到临界饱和,所以gto门极上加负向触发信号即可关断。gto的一个重要参数就是关断增益,βoff,它等于阳极最大可关断电流iatm与门极最大负向电流igm之比,有公式。

βoff =iatm/igm

βoff一般为几倍至几十倍。βoff值愈大,说明门极电流对阳极电流的控制能力愈强。很显然,βoff与昌盛的hfe参数颇有相似之处。

判定gto的电极。

将万用表拨至r×1档,测量任意两脚间的电阻,仅当黑表笔接g极,红表笔接k极时,电阻呈低阻值,对其它情况电阻值均为无穷大。由此可迅速判定g、k极,剩下的就是a极。(此处指的模拟表,电子式万用表红表笔与电池正极相连,模拟表红表笔与电池负极相连)

检查触发能力。

如图2(a)所示,首先将表ⅰ的黑表笔接a极,红表笔接k极,电阻为无穷大;然后用黑表笔尖也同时接触g极,加上正向触发信号,表针向右偏转到低阻值即表明gto已经导通;最后脱开g极,只要gto维持通态,就说明被测管具有触发能力。

检查关断能力。

现采用双表法检查gto的关断能力,如图2(b)所示,表ⅰ的档位及接法保持不变。将表ⅱ拨于r×10档,红表笔接g极,黑表笔接k极,施以负向触发信号,如果表ⅰ的指针向左摆到无穷大位置,证明gto具有关断能力。

估测关断增益βoff

进行到第3步时,先不接入表ⅱ,记下在gto导通时表ⅰ的正向偏转格数n1;再接上表ⅱ强迫gto关断,记下表ⅱ的正向偏转格数n2。最后根据读取电流法按下式估算关断增益:

βoff=iatm/igm≈iat/ig=k1n1/ k2n2

式中k1—表ⅰ在r×1档的电流比例系数;

k2—表ⅱ在r×10档的电流比例系数。

βoff≈10×n1/ n2

此式的优点是,不需要具体计算iat、ig之值,只要读出二者所对应的表针正向偏转格数,即可迅速估测关断增益值。

注意事项:(1)在检查大功率gto器件时,建议在r×1档外边串联一节1.5v电池e′,以提高测试电压和测试电流,使gto可靠地导通。

(2)要准确测量gto的关断增益βoff,必须有专用测试设备。但在业余条件下可用上述方法进行估测。由于测试条件不同,测量结果仅供参考,或作为相对比较的依据。

逆导晶闸管。

简介。rct(reverse-conducting thyristir)亦称反向导通晶闸管,是一种对负阳极电压没有开关作用,反向时能通过大电流的晶闸管。

逆导晶闸管点是在晶闸管的阳极与阴极之间反向并联一只二极管,使阳极与阴极的发射结均呈短路状态。由于这种特殊电路结构,使之具有耐高压、耐高温、关断时间短、通态电压低等优良性能。例如,逆导晶闸管的关断时间仅几微秒,工作频率达几十千赫,优于快速晶闸管(fscr)。

该器件适用于开关电源、ups不间断电源中,一只rct即可代替晶闸管和续流二极管各一只,不仅使用方便,而且能简化电路设计。

逆导晶闸管的符号、等效电路如图1(a)、(b)所示。其伏安特性见图2。由图显见,逆导晶闸管的伏安特性具有不对称性,正向特性与普通晶闸管scr相同,而反向特性与硅整流管的正向特性相同(仅坐标位置不同)。

逆导晶闸管的典型产品有美国无线电公司(rca)生产的s3900mf,其外形见图1(c)。它采用to-220封装,三个引出端分别是门极g、阳极a、阴极k。s3900mf的主要参数如下:

断态重复峰值电压vdrm:>750v

通态平均电流it(**):5a

最大通态电压vt:3v(it=30a)

最大反向导通电压vtr:<0.8v

最大门极触发电压vgt:4v

最大门极触发电流igt:40ma

关断时间toff:2.4μs

通态电压临界上升率du/dt:120v/μs

通态浪涌电流itsm:80a

检查。利用万用表和兆欧表可以检查逆导晶闸管的好坏。测试内容主要分。

逆导晶闸管三项:

1.检查逆导性。

选择万用表r×1档,黑表笔接k极,红表笔接a极(参见图3(a)),电阻值应为5~10ω。若阻值为零,证明内部二极管短路;电阻为无穷大,说明二极管开路。

2.测量正向直流转折电压v(bo)

按照(b)图接好电路,再按额定转速摇兆欧表,使rct正向击穿,由直流电压表上读出v(bo)值。

3.检查触发能力。

实例:使用500型万用表和zc25-3型兆欧表测量一只s3900mf型逆导晶闸管。依次选择r×1k、r×100、r×10和r×1档测量a-k极间反向电阻,同时用读取电压法求出出内部二极管的反向导通电压vtr(实际是二极管正向电压vf)。

再用兆欧表和万用表500vdc档测得v(bo)值。全部数据整理成表1。由此证明被测rct质量良好。

注意事项。(1)s3900mf的vtr<0.8v,宜选r×1档测量。

(2)若再用读取电流法求出itr值,还可以绘制反向伏安特性。

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