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简述晶闸管的工作原理

www.p-e-china.com 2013/4/25 17:02:55 来源:佳工网 电力电子论坛

  晶闸管又叫可控硅。自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族,它主要有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管,等等。从晶闸管的电路符号可以看到,它和二极管一样是一种单方向导电的器件,关键是多了一个控制极G,这就使它具有与二极管完全不同的工作特性。晶闸管是可以处理耐高压、大电流的大功率器件,随着设计技术和制造技术的进步,越来越大容量化 。

  

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  常见晶闸管外形

  基本结构:

  晶闸管的外形如下图所示,分为螺栓形和平板形两种,螺栓形这种结构更换元件很方便,用于100A以下的元件。平板形,这种结构散热效果比较好,用于200A以上的元件。 晶闸管是由四层半导体构成的。图右所示为螺栓形晶闸管的内部结构,它由单晶硅薄片P1、N1、P2、N2四层半导体材料叠成,形成三个PN结。图 (b)和(c)所示分别为其示意图和表示符号。

  

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  晶闸管的工作原理:

  在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时,有两个PN结处于反向偏置,在阳极与阴极之间加正向电压时,中间的那个PN结处于反向偏置,所以,晶闸管都不会到导通(称为阻断)。

  

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  A—接电源正极K—接电源负极

  (1)G不加电压(UGK=0) 这时晶闸管相当由三个PN结串接,其中一只反接, 因而不导通。

  (2) G加上适当电压(UGK>0),则产生正反馈。

  晶闸管导通后,UAK(AK之间的压降很小)。不管UGK存在与否,晶闸管仍将导通。外电路使晶闸管的阳极电流IA小于某一数值时,就不能维持正反馈过程,晶闸管就会自行关断。

  A—接电源负极 K—接电源正极

  这时电路J1,T2均承受反向电压,无论控制极是否加正向触发电压,晶闸管均不导通,呈关断状态。

  综上所述,在晶闸管的A-K之间加正向电压,还需在G-K之间加适当的触发电压,晶闸管就能导通。相似一个受控的二极管。

  伏安特性:

  晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系,称为晶闸管的伏安特性,如图所示。晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时,在晶闸管控制极开路(Ig=0)情况下,开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过,晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻,处于截止状态(称为正向阻断状态),简称断态。

  当阳极电压上升到某一数值时,晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态,简称通态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UDSM),或称正向转折电压(UBO)。

  

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  导通后,元件中流过较大的电流,其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时,阳极电流随之减小,当阳极电流小于维持电流IH时,晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。由图可看出,当晶闸管控制极流过正向电流Ig时,晶闸管的正向转折电压降低, Ig越大,转折电压越小,当Ig足够大时,晶闸管正向转折电压很小,一加上正向阳极电压,晶闸管就导通。实际规定,当晶闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时,能使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。

  在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时,开始晶闸管处于反向阻断状态,只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时,反向漏电流急剧增大,这时,所对应的电压称为反向不重复峰值电压(URSM),或称反向转折(击穿)电压(UBR)。

  可见,晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。

  晶闸管的主要参数:

  为了正确选用晶闸管元件,必须要了解它的主要参数,一般在产品的目录上都给出了参数的平均值或极限值,产品合格证上标有元件的实测数据。

  (1)断态重复峰值电压UDRM

  在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下,可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压,其数值比正向转折电压小100V。

  (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元件上的反向峰值电压,此电压数值规定比反向击穿电压小100V。

  通常把UDRM与UDRM中较小的一个数值标作器件型号上的额定电压。由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏,因而在选用的时候,额定电压一个应该为正常工作峰值电压的2~3辈,作为安全系数。

  (3)额定通态平均电流(额定正向平均电流)IT

  在环境温度不大于40oC和标准散热即全导通的条件下,晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流(在

  一个周期内)的平均值,称为额定通态平均电流IT,简称额定电流。

  额定通态平均电流(额定正向平均电流)IT

  —— 在环境温度不大于40oC和标准散热即全导通的条件下,晶闸管元件可以连续通过的工频正弦半波电流(在一个周期内)的平均值,称为额定通态平均电流IT,简称额定电流。

  

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  其中,Ie为有效值

  (4)维持电流IH

  在规定的环境温度和控制极断路的条件下,维持元件继续导通的最小电流称为维持电流IH 。一般为几十毫安~一百多毫安,其数值与元件的温度成反比,在120摄氏度时维持电流约为25摄氏度时的一般。当晶闸管的正向电流小于这个电流时,晶闸管将自动关断。

  晶闸管的型号及含义

  国产晶闸管的型号一般表示为

  元件的断态重复峰值电压

  元件的额定通态平均电流

  可控整流元件

  N型硅材料

  三个电极

  例如:3CT50/500表示额定通态平均电流为50A ,断态重复峰值电压为500V的晶闸管元件。有些部门颁布了晶闸管其他的命名方法(如KP系列的晶闸管)。选用时一定要注意清楚了。

  (6)判别晶闸管的好坏

  制造厂通常已提供了许多有关晶闸管特性的各种资料数据或图表,供使用者参考,但是,有时候仍然有自行测试的必要。下面仅介绍一种利用万用表的欧姆档来识别管脚和判别管子好坏的办法。其测试方法可按表示进行。

  一只良好的晶闸管,其阳极A与阴极K之间应为高阻值,所以,当万用表试A -K间的电阻时,亦不论电表如何接都

  应为高阻值。而G-K间的逆向电阻比顺向电阻越大,表示晶闸管性能良好。

  1)单向可控硅的检测。

  万用表选电阻R*1Ω挡,用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚,此时黑表笔的引脚为控制极G,红表笔的引脚为阴极K,另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A,红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短线瞬间短接阳极A和控制极G,此时万用表电阻挡指针应向右偏转,阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔,阴极K接红表笔时,万用表指针发生偏转,说明该单向可控硅已击穿损坏。

  2) 双向可控硅的检测。

  用万用表电阻R*1Ω挡,用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻,结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时,该组红、黑表所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G,另一空脚即为第二阳极A2。确定A1、G极后,再仔细测量A1、G极间正、反向电阻,读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1,红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定的第二阳极A2,红表笔接第一阳极A1,此时万用表指针不应发生偏转,阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接,给G极加上正向触发电压,A2、A1间阻值约10欧姆左右。随后断开A2、G间短接线,万用表读数应保持10欧姆左右。互换红、黑表笔接线,红表笔接第二阳极A2,黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转,阻值为无穷大。用短接线将A2、G极间再次瞬间短接,给G极加上负的触发电压,A1、A2间的阻值也是10欧姆左右。随后断开A2、G极间短接线,万用表读数应不变,保持在10欧姆左右。符合以上规律,说明被测双向可控硅未损坏且三个引脚极性判断正确。

  检测较大功率可控硅时,需要在万用表黑笔中串接一节1.5V干电池,以提高触发电压。

  (7)晶闸管(可控硅)的管脚判别

  晶闸管管脚的判别可用下述方法: 先用万用表R*1K挡测量三脚之间的阻值,阻值小的两脚分别为控制极和阴极,所剩的一脚为阳极。再将万用表置于R*10K挡,用手指捏住阳极和另一脚,且不让两脚接触,黑表笔接阳极,红表笔接剩下的一脚,如表针向右摆动,说明红表笔所接为阴极,不摆动则为控制极。

  (8)晶闸管的应用

  1)顺变装置(交流电变成直流电)

  可变电压电源、恒压、恒流源、直流电机电源

  2)逆变装置(直流变成交流电源)

  频率精度高,负荷变化时输岀稳定,恒频率电源、不间断电源、交流电机电源。

  3)变频装置(顺变和逆变的组合)用于同步机和异步机的调速。

  4)直流电动机的调速(可代替直流发电机)

  效率高、响应快、体积小、重量轻。

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