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晶闸管

晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称,又被称做可控硅整流器,以前被简称为可控硅;1957年美国通用电气公司开发出世界上第一款晶闸管产品,并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构,它有三个极:阳极,阴极和控制极; 晶闸管具有硅整流器件的特性,能在高电压、大电流条件下工作,且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

晶闸管导通条件为: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)。

晶闸管(Thyristor)是一种开关元件,能在高电压、大电流条件下工作,并且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中,是典型的小电流控制大电流的设备。1957年,美国通用电器公司开发出世界上第一个晶闸管产品,并于1958年使其商业化。

它是由一个P-N-P-N四层 (4 layers) 半导体构成的,中间形成了三个PN结。

晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管(SCR)、双向晶闸管(TRIAC)、逆导晶闸管(RCT)、门极关断晶闸管(GTO)、BTG晶闸管、温控晶闸管(TT国外,TTS国内)和光控晶闸管(LTT)等多种。

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。

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。

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陶瓷封装,而中、小功率晶闸管则多采用塑封或金属封装。

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和快速晶闸管,快速晶闸管包括所有专为快速应用而设计的晶闸管,有常规的快速晶闸管和工作在更高频率的高频晶闸管,可分别应用于400HZ和10KHZ以上的斩波或逆变电路中。(备注:高频不能等同于快速晶闸管)

晶闸管在工作过程中,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。

晶闸管为半控型电力电子器件,它的工作条件如下:

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,当有足够的门极电流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))(11)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(11)中,Ig=0,(a1+a2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0 晶闸管处于正向阻断状态。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,从而提高其电流放大系数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(11)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(11)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。

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)。

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。

晶闸管的开通和关断的动态过程的物理过程较为复杂,图 2.5 简单地给出了晶闸管开通和关断过程的电压与电流波形。

图中开通过程描述的是晶闸管门极在坐标原点时刻开始受到理想阶跃触发电流触发的情况;而关断过程描述的是对已导通的晶闸管,在外电路所施加的电压在某一时刻突然由正向变为反向的情况(如图中点划线波形)。

晶闸管的开通过程就是载流子不断扩散的过程。对于晶闸管的开通过程主要关注的是晶闸管的开通时间 ton

由于晶闸管内部的正反馈过程以及外电路电感的限制,晶闸管受到触发后,其阳极电流只能逐渐上升。从门极触发电流上升到额定值的 10-开始,到阳极电流上升到稳态值的 10-(对于阻性负载相当于阳极电压降到额定值的 90-),这段时间称为触发延迟时间 td。阳极电流从 10-上升到稳态值的 90-所需要的时间(对于阻性负载相当于阳极电压由 90-降到 10-)称为上升时间 tr,开通时间 ton定义为两者之和,即t on = t d +tr

通常晶闸管的开通时间与触发脉冲的上升时间,脉冲峰值以及加在晶闸管两极之间的正向电压有关。

处于导通状态的晶闸管当外加电压突然由正向变为反向时,由于外电路电感的存在,其阳极电流在衰减时存在过渡过程。阳极电流将逐步衰减到零,并在反方向流过反向恢复电流,经过最大值 IRM后,再反方向衰减。同时,在恢复电流快速衰减时,由于外电路电感的作用,会在晶闸管两端引起反向的尖峰电压 URRM。从正向电流降为零,到反向恢复电流衰减至接近于零的时间,就是晶闸管的反向阻断恢复时间 trr

反向恢复过程结束后,由于载流子复合过程比较慢,晶闸管要恢复其对反向电压的阻断能力还需要一段时间,这叫做反向阻断恢复时间 tgr。在反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,而不受门极电流控制而导通。所以在实际应用中,需对晶闸管施加足够长时间的反压,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。晶闸管的电路换向关断时间 toff定义为 trr与 tgr之和,即

toff= trr+ tgr

除了开通时间 ton、关断时间 toff及触发电流 IGT外,本文比较关注的晶闸管的其它主要参数包括:

断态(反向)重复峰值电压 UDRM(URRM):是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(反向)峰值电压。通常取晶闸管的 UDRM 和 URRM 中较小的标值作为该器件的额定电压。

通态平均电流 IT(AV):国际规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为 40℃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。这也是标称其额定电流的参数。

维持电流 IH:是指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。

IH与结温有关,结温越高,则 IH越小。

擎住电流 IL:是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 IL约为 IH的 2~4 倍。

浪涌电流 ITSM:浪涌电流是指由于电路异常情况引起的使结温超过额定结温的不重复性最大正向过载电流。

断态电压临界上升率 du/dt:是指在额定结温、门极开路的情况下,不能使晶闸管从断态到通态转换的外加电压最大上升率。

通态电流临界上升率 di/dt:指在规定条件下,晶闸管能承受的最大通态电流上升率。如果 di/dt 过大,在晶闸管刚开通时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。

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲,使得晶闸管在需要时正常开通。晶闸管触发电路必须满足以下几点要求:

①触发脉冲的宽度应足够宽使得晶闸管可靠导通; ② 触发脉冲应有足够的幅度,对一些温度较低的场合,脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流的 3~5 倍,脉冲的陡度也需要增加,一般需达1~2A/μs; ③ 所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额,且在门极伏安特性的可靠触发区域之内;④应有良好的抗干扰能力、温度稳定性及与主电路的电气隔离; ⑤ 触发脉冲型式应有助于晶闸管元件的导通时间趋于一致。在高电压大电流晶闸管串联电路中,要求串联的元件同一时刻导通,宜采用强触发的形式。

晶闸管触发方式主要有三种:

① 电磁触发方式,将低电位触发信号经脉冲变压器隔离后送到高电位晶闸管门极。这种触发方式成本较低,技术比较成熟。但要解决多路脉冲变压器的输出一致问题,同时触发时的电磁干扰较大。 ② 直接光触发方式,将触发脉冲信号转变为光脉冲,直接触发高位光控晶闸管。这种触发方式只适用于光控晶闸管,且该种晶闸管的成本较高,不适宜采用; ③ 间接光触发方式,利用光纤通信的方法,将触发电脉冲信号转化为光脉冲信号,经处理后耦合到光电接受回路,把光信号转化为电信号。既可以克服电磁干扰,又可以采用普通晶闸管,降低了成本。

当需要耐压很高的开关时,单个晶闸管的耐压有限,单个晶闸管无法满足耐压需求,这时就需要将多个晶闸管串联起来使用,从而得到满足条件的开关。

在器件的应用中,由于各个元件的静态伏安特性和动态参数不同,因此将引起各元件间电压分配不均匀而导致发生损坏器件的事故。影响串联运行电压分配不均匀的因素主要有以下几个:

1、静态伏安特性对静态均压的影响。不同元件的伏安特性差异较大,串联使用时会使电压分配不均衡。同时,半导体器件的伏安特性容易受温度的影响,不同的结温也会使均压性能受到影响。

2、关断电荷和开通时间等动态特性对动态均压的影响。晶闸管串联运行,延迟时间不同,门极触发脉冲的大小不同,都会导致阀片的开通适度不同。阀片的开通速度不同,会引起动态电压的不均衡。同时关断时间的差异也会造成各晶闸管不同时关断的现象。关断电荷少,则易关断,关断时间也短,先关断的元件必然承受最高的动态电压。

晶闸管串联技术的根本目的的是保证动、静态特性不同的晶闸管在串联后能够安全稳定运行且都得到充分的利用。这就涉及到串联晶闸管的元件保护、动态和静态均压、触发一致性、反向恢复过电压的抑制、开通关断缓冲等一系列问题。

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URRM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倍,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。 (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摄氏度时的一半。当晶闸管的正向电流小于这个电流时,晶闸管将自动关断。

(1)选择晶闸管的类型:晶闸管有多种类型,应根据应用电路的具体要求合理选用。

若用于交直流电压控制、可控整流、交流调压、逆变电源、开关电源保护电路等,可选用普通单向晶闸管。

若用于交流开关、交流调压、交流电动机线性调速、灯具线性调光及固态继电器、固态接触器等电路中,应选用双向晶闸管。

若用于交流电动机变频调速、斩波器、逆变电源及各种电子开关电路等,可选用门极关断晶闸管。

若用于锯齿波发生器、长时间延时器、过电压保护器及大功率晶体管触发电路等,可选用BTG晶闸管。

若用于电磁灶、电子镇流器、超声波电路、超导磁能储存系统及开关电源等电路,可选用逆导晶闸管。

若用于光电耦合器、光探测器、光报警器、光计数器、光电逻辑电路及自动生产线的运行监控电路,可选用光控晶闸管。

2.选择晶闸管的主要参数:晶闸管的主要参数应根据应用电路的具体要求而定。

所选晶闸管应留有一定的功率裕量,其额定峰值电压和额定电流(通态平均电流)均应高于受控电路的最大工作电压和最大工作电流1.5~2倍。

晶闸管的正向压降、门极触发电流及触发电压等参数应符合应用电路(指门极的控制电路)的各项要求,不能偏高或偏低,否则会影响晶闸管的正常工作。

(1)判别各电极:根据普通晶闸管的结构可知,其门极G与阴极K极之间为一个PN结,具有单向导电特性,而阳极A与门极之间有两个反极性串联的PN结。因此,通过用万用表的R×100或R×1 k Q档测量普通晶闸管各引脚之间的电阻值,即能确定三个电极。具体方法是:将万用表黑表笔任接晶闸管某一极,红表笔依次去触碰另外两个电极。若测量结果有一次阻值为几千欧姆(kΩ),而另一次阻值为几百欧姆(Ω),则可判定黑表笔接的是门极G。在阻值为几百欧姆的测量中,红表笔接的是阴极K,而在阻值为几千欧姆的那次测量中,红表笔接的是阳极A,若两次测出的阻值均很大,则说明黑表笔接的不是门极G,应用同样方法改测其他电极,直到找出三个电极为止。也可以测任两脚之间的正、反向电阻,若正、反向电阻均接近无穷大,则两极即为阳极A和阴极K,而另一脚即为门极G。普通晶闸管也可以根据其封装形式来判断出各电极。 螺栓形普通晶闸管的螺栓一端为阳极A,较细的引线端为门极G,较粗的引线端为阴极K。平板形普通晶闸管的引出线端为门极G,平面端为阳极A,另一端为阴极K。金属壳封装(T03)的普通晶闸管,其外壳为阳极A。塑封(T0220)的普通晶闸管的中间引脚为阳极A,且多与自带散热片相连。

触发能力检测:对于小功率(工作电流为5 A以下)的普通晶闸管,可用万用表R×1档测量。测量时黑表笔接阳极A,红表笔接阴极K,此时表针不动,显示阻值为无穷大(∞)。用镊子或导线将晶闸管的阳极A与门极短路(见图2),相当于给G极加上正向触发电压,此时若电阻值为几欧姆至几十欧姆(具体阻值根据晶闸管的型号不同会有所差异),则表明晶闸管因正向触发而导通。再断开A极与G极的连接(A、K极上的表笔不动,只将G极的触发电压断掉)。若表针示值仍保持在几欧姆至几十欧姆的位置不动,则说明此晶闸管的触发性能良好。

从外表上看,双向晶闸管和普通晶闸管很相似,也有三个电极。但是,它除了其中一个电极G仍叫做控制极外,另外两个电极通常却不再叫做阳极和阴极,而统称为主电极Tl和T2。它的符号也和普通晶闸管不同,是把两个晶闸管反接在一起画成的,如图2所示。它的型号,在我国一般用“3CTS”或“KS”表示;国外的资料也有用“TRIAC”来表示的。
  

从内部结构来看,双向晶闸管是一种NPNPN型五层结构的半导体器件,见图3(a)。为了便于说明问题,我们不妨把图3(a)看成是由左右两部分组合而成的,如图3(b)。这样一来,原来的双向晶闸管就被分解成两个PNPN型结构的单向晶闸管了。如果把左边从下往上看的p1N1P2N2部分叫做正向的话,那么右边从下往上看的N3P1N1P2部分就成为反向,它们之间正好是一正一反地并联在一起。我们把这种联接叫做反向并联。因此,从电路功能上可以把它等效成图3(c),也就是说,一个双向晶闸管在电路中的作用是和两只普通晶闸管反向并联起来等效的。这也正是双向晶闸管为什么会有双向控制导通特性的根本原因。

双向晶闸管不象普通晶闸管那样,必须在阳极和阴极之间加上正向电压,管子才能导通。对双向晶闸管来说,无所谓阳极和阴极。它的任何一个主电极,对图3(b)中的两个晶闸管管子来讲,对一个管子是阳极,对另一个管子就是阴极,反过来也一样。因此,双向晶闸管无论主电极加上的是正向或是反向电压,它都能被触发导通。不仅如此,双向晶闸管还有一个重要的特点,这就是:不管触发信号的极性如何,也就是不管所加的触发信号电压UG对T1是正向还是反向,双向晶闸管都能被触发导通。双向晶闸管的这个特点是普通晶闸管所没有的。

普通晶闸管不能在较高的频率下工作。因为器件的导通或关断需要一定时间,同时阳极电压上升速度太快时,会使元件误导通;阳极电流上升速度太快时,会烧毁元件。人们在制造工艺和结构上采取了一些改进措施,做出了能适应于高频应用的晶闸管,我们将它称为快速晶闸管。它具有以下几个特点。

一、关断时间(toff)短

导通的晶闸管,当切断正向电流时。并不能马上“关断”,这时如立即加上正向电压,它还会继续导通。从切断正向电流直到控制极恢复控制能力需要的时间,叫做关断时间。用t0仟表示。

晶闸管的关断过程,实际上是储存载流子的消失过程。为了加速这种消失过程,制造快速晶闸管时采用了掺金工艺,把金掺到硅中减少基区少数载流子的寿命。硅中掺金量越多,t0仟越小,但掺金量过多会影响元件的其它性能。

二、导通速度快.能耐较高的电流上升率(dI/dt)

控制极触发导通的晶闸管。总是在靠近控制极的阴极区域首先导通,然后逐渐向外扩展,直到整个面积导通。大面积的晶闸管需要50~100微秒以上才能全面积导通。初始导通面积小时,必须限制初始电流的上升速度,否则将发生局部过热现象,影响元件的性能,甚至烧坏。高频工作时这种现象更为严重。为此,仿造了集成电路的方法,在晶闸管同一硅片上做出一个放大触发信号用的小晶闸管。控制极触发小晶闸管后,小晶闸管的初始导通电流将横向经过硅片流向主晶闸管阴极,触发主晶闸管。从而实际强触发,加速了元件的导通,提高了耐电流上升率的能力。

三、能耐较高的电压上升率(dv/dt)

晶闸管是由三个PN结组成的。每个结相当于一个电容器。结电压急剧变化时,就有很大的位移电流流过元件,它等效于控制极触发电流的作用。可能使晶闸管误导通。这就是普通晶闸管不能耐高电压上升率的原因。

为了有效防止上述误导通现象发生,快速晶闸管采取了短路发射结结构。把阴极和控制极按一定几何形状短路。这样一来,即使电压上升率较高,晶闸管的电流放大系数仍几乎为零,不致使晶闸管误导通。只是在电压上升率进一步提高,结电容位移电流进一步增大,在短路点上产生电压降足够大时,晶闸管才能导通。

具有短路发射结结构的晶闸管,用控制极电流触发时,控制极电流首先也是从短路点流向阴极。只是当控制极电流足够大,在短路点电阻上的电压降足够大,PN结正偏导通电流时,才同没有短路发射结的元件一样,可被触发导通。因此,快速晶闸管的抗干扰能力较好。

快速晶闸管的生产和应用都进展很快。目前,已有了电流几百安培、耐压1千余伏,关断时间仅为20微妙的大功率快速晶闸管,同时还做出了最高工作频率可达几十千赫兹供高频逆变用的元件。其产品广泛应用于大功率直流开关、大功率中频感应加热电源、超声波电源、激光电源、雷达调制器及直流电动车辆调速等领域。

以往的城市电车和地铁机车为了便于调速采用直流供电,用直流开关动作增加或减小电路电阻,改变电路电流来控制车辆的速度。但它有不能平滑起动和加速。开关体积大、寿命短,而且低速运行时耗电大(减速时消耗在启动电阻上)等缺点。自有了逆导晶闸管,采用了逆导晶闸管控制、调节车速,不仅克服了上述缺点,而且还降低了功耗,提高了机车可靠性。

逆导晶闸管是在普通晶闸管上反向并联一只二极管而成(同做在一个硅片上。它的等效电路和符号如图1所示。它的特点是能反向导通大电流。由于它的阳极和阴极接入反向并联的二极管,可对电感负载关断时产生的大电流、高电压进行快速释放。

目前已经能生产出耐压达到1500~2500V正向电流达400A。吸收电流达150A,关断时间小于30微秒的逆导晶闸管。

(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。

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,或施以反向电压强迫关断。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),只是工作频率比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处于深度饱和状态,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。

下面分别介绍利用万用表判定GTO电极、检查GTO的触发能力和关断能力、估测关断增益βoff的方法。

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)

光控晶闸管(Light Triggered ThyristorLTT),又称光触发晶闸管。国内也称GK型光开关管,是一种光敏器件。

1.光控晶闸管的结构

通常晶闸管有三个电极:控制极G、阳极A和阴极K。而光控晶闸管由于其控制信号来自光的照射,没有必要再引出控制极,所以只有两个电极(阳极A和阴极K)。但它的结构与普通可控硅一样,是由四层PNPN器件构成。

从外形上看,光控晶闸管亦有受光窗口,还有两条管脚和壳体,酷似光电二极管

2.光控晶闸管的工作原理

当在光控晶闸管的阳极加上正向电压,阴极加上负向电压时,控晶闸管可以等效成的电路。

可推算出下式:

Ia = Il / [1-(a1+a2)]

式中, Il为光电二极管的光电流;Ia为光控晶闸管阳极电流,即光控晶闸管的输出电流;a1、a2分别为BGl、BG2的电流放大系数。

由上式可知,Ia与Il成正比,即当光电二极管的光电流增大时,光控晶闸管的输出电流也相应增大,同时Il的增大,使BGl、BG2的电流放大系数a1、a2也增大。当al与a2之和接近l时,光控晶闸管的Ia达到最大,即完全导通。能使光控晶闸管导通的最小光照度,称其为导通光照度。光控晶闸管与普通晶闸管一样,一经触发,即成通导状态。只要有足够强度的光源照射一下管子的受光窗口,它就立即成为通导状态,而后即使撤离光源也能维持导通,除非加在阳极和阴极之间的电压为零或反相,才能关闭。

3.光控晶闸管的特性

为了使光控晶闸管能在微弱的光照下触发导通,因此必须使光控晶闸管在极小的控制电流下能可靠地导通。这样光控晶闸管受到了高温和耐压的限制,在目前的条件下,不可能与普通晶闸管一样做成大功率的。

光控晶闸管除了触发信号不同以外,其它特性基本与普通晶闸管是相同的,因此在使用时可按照普通晶闸管选择,只要注意它是光控这个特点就行了。光控晶闸管对光源的波长有一定的要求,即有选择性。波长在0.80.9um的红外线及波长在1um左右的激光,都是光控晶闸管较为理想的光源。

选用可控硅的额定电压时,应参考实际工作条件下的峰值电压的大小,并留出一定的余量。

1、选用可控硅的额定电流时,除了考虑通过元件的平均电流外,还应注意正常工作时导通角的大小、散热通风条件等因素。在工作中还应注意管壳温度不超过相应电流下的允许值。

2、使用可控硅之前,应该用万用表检查可控硅是否良好。发现有短路或断路现象时,应立即更换。

3、严禁用兆欧表(即摇表)检查元件的绝缘情况。

4、电流为5A以上的可控硅要装散热器,并且保证所规定的冷却条件。为保证散热器与可控硅管心接触良好,它们之间应涂上一薄层有机硅油或硅脂,以帮于良好的散热。

5、按规定对主电路中的可控硅采用过压及过流保护装置。

6、要防止可控硅控制极的正向过载和反向击穿

当晶闸管损坏后需要检查分析其原因时,可把管芯从冷却套中取出,打开芯盒再取出芯片,观察其损坏后的痕迹,以判断是何原因。下面介绍几种常见现象分析。

1、电压击穿。晶闸管因不能承受电压而损坏,其芯片中有一个光洁的小孔,有时需用扩大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压下降或被电路断开时产生的高电压击穿。

2、电流损坏。电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑,且粗糙,其位置在远离控制极上。

3、电流上升率损坏。其痕迹与电流损坏相同,而其位置在控制极附近或就在控制极上。

4、 边缘损坏。他发生在芯片外圆倒角处,有细小光洁小孔。用放大镜可看到倒角面上有细细金属物划痕。这是制造厂家安装不慎所造成的。它导致电压击穿。

普通晶闸管最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管,就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。现在我画一个最简单的单相半波可控整流电路〔图4(a)〕。在正弦交流电压U2的正半周期间,如果VS的控制极没有输入触发脉冲Ug,VS仍然不能导通,只有在U2处于正半周,在控制极外加触发脉冲Ug时,晶闸管被触发导通。现在,画出它的波形图〔图4(c)及(d)〕,可以看到,只有在触发脉冲Ug到来时,负载RL上才有电压UL输出(波形图上阴影部分)。Ug到来得早,晶闸管导通的时间就早;Ug到来得晚,晶闸管导通的时间就晚。通过改变控制极上触发脉冲Ug到来的时间,就可以调节负载上输出电压的平均值UL(阴影部分的面积大小)。在电工技术中,常把交流电的半个周期定为180°,称为电角度。这样,在U2的每个正半周,从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α;在每个正半周内晶闸管导通的电角度叫导通角θ。很明显,α和θ都是用来表示晶闸管在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ,改变负载上脉冲直流电压的平均值UL,实现了可控整流

晶闸管

晶体闸流管(英语:Thyristor),简称晶闸管,指的是具有四层交错P、N层的半导体装置。最早出现与主要的一种是硅控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR),中国大陆通常简称可控硅,又称半导体控制整流器,是一种具有三个PN结的功率型半导体器件,为第一代半导体电力电子器件的代表。晶闸管的特点是具有可控的单向导电,即与一般的二极管相比,可以对导通电流进行控制。晶闸管具有以小电流(电压)控制大电流(电压)作用,并体积小、轻、功耗低、效率高、开关迅速等优点,广泛用于无触点开关、可控整流、逆变、调光、调压、调速等方面。

半导体的出现成为20世纪现代物理学其中一项最重大的突破,标志着电子技术的诞生。而由于不同领域的实际需要,促使半导体器件自此分别向两个分支快速发展,其中一个分支即是以集成电路为代表的微电子器件,特点为小功率、集成化,作为信息的检出、传送和处理的工具;而另一类就是电力电子器件,特点为大功率、快速化。1955年,美国通用电气公司研发了世界上第一个以硅单晶为半导体整流材料的硅整流器(SR),1957年又开发了全球首个用于功率转换和控制的可控硅整流器(SCR)。由于它们具有体积小、重量轻、效率高、寿命长的优势,尤其是SCR能以微小的电流控制较大的功率,令半导体电力电子器件成功从弱电控制领域进入了强电控制领域、大功率控制领域。在整流器的应用上,晶闸管迅速取代了水银整流器(引燃管),实现整流器的固体化、静止化和无触点化,并获得巨大的节能效果。从1960年代开始,由普通晶闸管相继衍生出了快速晶闸管、光控晶闸管、不对称晶闸管及双向晶闸管等各种特性的晶闸管,形成一个庞大的晶闸管家族。

晶闸管在应用中有效率高、控制特性好、寿命长、体积小、功能强等优点,其能承受的电压和电流容量是目前电力电子器件中最高的,而且工作可靠。因晶闸管的上述优点,国外对晶闸管在脉冲功率源领域内应用的研究做了大量的工作,很多脉冲功率能源模块已经使用晶闸管作为主开关。而国内的大功率晶闸管主要应用在高压直流输电的工频环境下,其工频工作条件下的技术参数指标不足以准确反映其在脉冲电源这种高电压、大电流、高陡度的环境下的使用情况,对其在脉冲脉冲功率电源领域中的应用研究很少,尚处于试验探索阶段。

在大功率半导体开关器件中,晶闸管是具有最高耐压容量与最大电流容量的器件。国内外主要制作的大功率晶闸管都是应用在高压直流输电中。所制造出的大功率晶闸管,最大直径可达 6 英寸,单阀片耐压值最高可达 11KV,的通流能力最高可达 4500A。在该领域比较领先的有瑞士的 ABB 以及国内的株洲南车时代。

为提高晶闸管的通流能力、开通速度、di/dt 承受能力,国外在普通晶闸管的基础上研制出了两种新型的晶闸管:门极关断晶闸管GTO以及集成门极换流晶闸管IGCT。这两种器件都已经在国外投入实际使用。其中 GTO 的单片耐压可达 4.5kV,工况下通流能力可达 4kA,而目前研制出的在电力系统中使用的 IGCT 的最高耐压可达 10kV,通流能力可达 6.5kA。

针对脉冲功率电源中应用的晶闸管,国内还没有厂家在这方面进行研究,在国际上具有领先技术的是瑞士 ABB 公司。他们针对脉冲功率电源用大功率晶闸管进行了十数年的研究。目前采用的较成熟的器件为 GTO,其直径为 3.5 英寸,单片耐压为4.5KV,通常 3 个阀片串联工作。可以承受的电流峰值为 120kA/90us,电流上升率 di/dt最高可承受 3.5KA/us。门极可承受触发电流最大值为 800A,触发电流上升率 di/dt 最大为 400A/us。其最新研制出的 IGCT 拥有更好的性能,其直径为 3.5 英寸,单阀片耐压值也是 4.5kV。最大通流能力已经可以达到 180kA/30us,最高可承受电流上升率 di/dt为 20kA/us。门极可承受触发电流最大值为 2000A,触发电流上升率 di/dt 最大为1000A/us。但是此种开关所能承受的反向电压较低,因此还只能在特定的脉冲电源中使用。

但晶闸管本身存在两个制约其继续发展的重要因素。一是控制功能上的欠缺,普通的晶闸管属于半控型器件,通过门极(控制极)只能控制其开通而不能控制其关断,导通后控制极即不再起作用,要关断必须切断电源,即令流过晶闸管的正向电流小于维持电流。由于晶闸管的关断不可控的特性,必须另外配以由电感、电容及辅助开关器件等组成的强迫换流电路,从而使装置体积增大,成本增加,而且系统更为复杂、可靠性降低。二是因为此类器件立足于分立元件结构,开通损耗大,工作频率难以提高,限制了其应用范围。1970年代末,随着可关断晶闸管(GTO)日趋成熟,成功克服了普通晶闸管的缺陷,标志着电力电子器件已经从半控型器件发展到全控型器件。

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