電子元器件知識—晶閘管.docx

1、電子元器件知識 晶閘管晶閘管在電路中用文字符號為 “V” 、 “VT” 表示（舊標(biāo)準(zhǔn)中用字母 “SCR” 表示）。晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又叫可控硅；晶閘管是PNPN四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，它有三個極：陽極，陰極和門極；晶閘管具有硅整流器件的特性，能在高電壓、大電流條件下工作， 且其工作過程可以控制、 被廣泛應(yīng)用于可控整流、 交流調(diào)壓、無觸點電子開關(guān)、逆變及變頻等電子電路中。晶閘管的分類按關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式分類類晶閘管按其關(guān)斷、導(dǎo)通及控制方式可分為普通晶閘管、雙向晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管（ GTO）、 BTG晶閘管、溫控晶閘管和光控晶閘管等多種。按引腳和極性分類晶閘管按其引腳和極性可分為

2、二極晶閘管、三極晶閘管和四極晶閘管。按封裝形式分類晶閘管按其封裝形式可分為金屬封裝晶閘管、塑封晶閘管和陶瓷封裝晶閘管三種類型。其中，金屬封裝晶閘管又分為螺栓形、平板形、圓殼形等多種；塑封晶閘管又分為帶散熱片型和不帶散熱片型兩種。按電流容量分類晶閘管按電流容量可分為大功率晶閘管、中功率晶閘管和小功率晶閘管三種。通常，大功率晶閘管多采用金屬殼封裝，而中、小功率晶閘管則多采用塑封或陶瓷封裝。按關(guān)斷速度分類晶閘管按其關(guān)斷速度可分為普通晶閘管和高頻（快速）晶閘管。（備注：高頻不能等同于快速晶閘管）工作原理晶閘管是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件, 共有三個PN結(jié) , 分析原理時 , 可以把它看作由一個

3、PNP管和一個 NPN管所組成 , 其等效圖解如下圖， 晶閘管 T 在工作過程中，它的陽極 A 和陰極 K 與電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極 G和陰極 K 與控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。晶閘管的工作條件：1. 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于反向阻斷狀態(tài)2. 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。這時晶閘管處于正向?qū)顟B(tài), 這就是晶閘管的閘流特性控特性 ., 即可3. 晶閘管在導(dǎo)通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導(dǎo)通，即晶閘管導(dǎo)通后，門極失去作用。門極只起觸發(fā)作用4. 晶

4、閘管在導(dǎo)通情況下， 當(dāng)主回路電壓 （或電流） 減小到接近于零時，晶閘管關(guān)斷。AAP1I APNPN 1N1V 1Ic2RG IGI c1GP2P2V2N2SNPNEAEGI KKKa)b)晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型 b)等效電路晶閘管的基本特性1 靜態(tài)特性承受反向電壓時，不論門極是否有觸發(fā)電流，晶閘管都不會導(dǎo)通；承受正向電壓時，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通；晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用；要使晶閘管關(guān)斷，只能使晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。晶閘管的陽極伏安特性 是指晶閘管陽極電流和陽極電壓之間的關(guān)系曲線，如圖 3 所示。其中：第 I 象限的是正向

5、特性；第 III 象限的是反向特性IA正向?qū)║RSM URRMIG2IG1IG=0IH-OU DRMU bo +UAU AU DSM雪崩擊穿- IA圖 3晶閘管陽極伏安特性 I IIG2G1 GI G=0 時，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過，正向電壓超過臨界極限即正向 轉(zhuǎn)折電壓 Ubo，則漏電流急劇增大，器件開通。這種開通叫 “硬開通 ”，一般不允許硬開通；隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低；導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿；晶閘管本身的壓降很小，在1V 左右；導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，并且陽極電流降至接近于零的某一數(shù)值I H以下，則晶閘管又回到

6、正向阻斷狀態(tài)。I H稱為維持電流 。晶閘管上施加反向電壓時，伏安特性類似二極管的反向特性；陰極是晶閘管主電路與控制電路的公共端；晶閘管的門極觸發(fā)電流從門極流入晶閘管，從陰極流出，門極觸發(fā)電流也往往是通過觸發(fā)電路在門極和陰極之間施加觸發(fā)電壓而產(chǎn)生的。晶閘管的門極和陰極之間是 PN結(jié) J3，其伏安特性稱為 門極伏安特性， 如圖 4 所示。圖中 ABCGFED所圍成的區(qū)域為可靠觸發(fā)區(qū)；圖中陰影部分為不觸發(fā)區(qū)；圖中 ABCJIH所圍成的區(qū)域為不可靠觸發(fā)區(qū)。為保證可靠、安全的觸發(fā)，觸發(fā)電路所提供的觸發(fā)電壓、電流和功率應(yīng)限制在可靠觸發(fā)區(qū)。IFGMDEABI GTPGMKFHII GDCIGTABGLC0J

7、UGUFGMUGUGTDT圖 4晶閘管門極伏安特性2 動態(tài)特性晶閘管的動態(tài)特性主要是指晶閘管的開通與關(guān)斷過程，動態(tài)特性如圖5 所示。i A100%90%10%0tdtrtu AKI RMOttrrU RRM t gr圖 5晶閘管的開通和關(guān)斷過程波形開通過程 :開通時間 t gt 包括延遲時間 t d 與上升時間 t r ，即t gtt dt r（ ）6延遲時間 td ：門極電流階躍時刻開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的10%的時間上升時間 tr：陽極電流從10%上升到穩(wěn)態(tài)值的90%所需的時間普通晶閘管延遲時間為 0.5 1.5 ms，上升時間為 0.5 3ms關(guān)斷過程 :關(guān)斷時間 tq：包括 反向

8、阻斷恢復(fù)時間 t rr 與正向阻斷恢復(fù)時間 t gr，即tqt rrtgr（ 7）普通晶閘管的關(guān)斷時間約幾百微秒。反向阻斷恢復(fù)時間t rr ：正向電流降為零到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時間正向阻斷恢復(fù)時間 t gr ：晶閘管要恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力還需要一段時間注 :1）在正向阻斷恢復(fù)時間內(nèi)如果重新對晶閘管施加正向電壓，晶閘管會重新正向?qū)?）實際應(yīng)用中，應(yīng)對晶閘管施加足夠長時間的反向電壓，使晶閘管充分恢復(fù)其對正向電壓的阻斷能力，電路才能可靠工作晶閘管的主要參數(shù)1 電壓定額1) 斷態(tài)重復(fù)峰值電壓 U DRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時，允許重復(fù)加在器件上的 正向峰值電壓。2) 反向重復(fù)峰

9、值電壓 U RRM 在門極斷路而結(jié)溫為額定值時， 允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。3) 通態(tài)（峰值）電壓 U TM 晶閘管通以某一規(guī)定倍數(shù)的額定通態(tài)平均電流時的瞬態(tài)峰值電壓。通常取晶閘管的 U DRM 和 U RRM 中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。選用時，額定電壓要留有一定裕量 , 一般取額定電壓為正常工作時晶閘管所承受峰值電壓 23 倍2 電流定額1) 通態(tài)平均電流 I T( AV ) ( 額定電流 )額定電流 - 晶閘管在環(huán)境溫度為 40oC和規(guī)定的冷卻狀態(tài)下，穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定結(jié)溫時所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。舉例說明：使用時應(yīng)按實際電流與通態(tài)平均電流有效值相等的原則

10、來選取晶閘管，應(yīng)留一定的裕量，一般取 1.5 2 倍2) 維持電流 I H 使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則IH 越小3) 擎住電流 I L晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流對同一晶閘管來說，通常I L 約為 I H的 24 倍4) 浪涌電流 I TSM指由于電路異常情況引起的并使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流3 動態(tài)參數(shù)除開通時間 t gt 包括延遲時間 td 外，還有：1) 斷態(tài)電壓臨界上升率 du / dt指在額定結(jié)溫和門極開路的情況下，不導(dǎo)致晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。在阻斷的晶閘管

11、兩端施加的電壓具有正向的上升率時，相當(dāng)于一個電容的J2 結(jié)會有充電電流流過，被稱為位移電流。此電流流經(jīng) J3 結(jié)時，起到類似門極觸發(fā)電流的作用。 如果電壓上升率過大， 使充電電流足夠大， 就會使晶閘管誤導(dǎo)通。2) 通態(tài)電流臨界上升率 di / dt 指在規(guī)定條件下， 晶閘管能承受而無有害影響的最大通態(tài)電流上升率。如果電流上升太快，則晶閘管剛開通，便會有很大的電流集中在門極附近的小區(qū)域內(nèi)，從而造成局部過熱而使晶閘管損壞。單相半波可控整流電路把不可控的單相半波整流電路中的二極管用晶閘管代替， 就成為單相半波可控整流電路。下面將分析這種可控整流電路在接電阻性負載和電感性負載時的工作情況。一、阻性負載

12、圖 5.1.5接電阻性負載的單相半波可控整流電路圖 5.1.5 是接電阻性負載的單相半波可控整流電路，負載電阻為 RL。從圖可見，在輸入交流電壓 u 的正半周時，晶閘管 T 承受正向電壓，如圖 5.1.6 （a）。假如在 t 1 時刻給控制極加上觸發(fā)脈沖如圖 5.1.6 （b），晶閘管導(dǎo)通，負載上得到電壓。當(dāng)交流電壓 u 下降到接近于零值時， 晶閘管正向電流小于維持電流而關(guān)斷。在電壓 u 原負半周時，晶閘管承受反向電壓， 不可能導(dǎo)通， 負載電壓和電流均為零。在第二個正半周內(nèi)，再在相應(yīng)的 t 2 時刻加入觸發(fā)脈沖，晶閘管再行導(dǎo)通。這樣，在負載 RL 上就可以得到如圖5.1.6. （ c）所示的電

13、壓波形。圖5.1.6 （d）所示的波形為晶閘管所承受的正向和反向電壓， 其最高正向和反向電壓均為輸入交流電壓的幅值 2 U。圖 5.1.6 接電阻性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流波形顯然，在晶閘管承受正向電壓的時間內(nèi)， 改變控制極觸發(fā)脈沖的輸入時刻 （移相），負載上得到的電壓波形就隨著改變， 這樣就控制了負載上輸出電壓的大小。圖 5.1.6 是接電阻性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流的波形。晶閘管在正向電壓下不導(dǎo)通的電角度為控制角（又稱移相角） ，用表示，而導(dǎo)通的電角度則稱為導(dǎo)通角，用表示如圖 5.1.6. （ c）。很顯然，導(dǎo)通角愈大，輸出電壓愈高。整流輸出電壓的平均值可以用控

14、制角表示，即U 012U sin td ( t )202 U (1cosa)20.45U1cos a2（ 5.1 ）從式 （ 5.1 ） 看出 ，當(dāng) =0 時 （ =180o）晶 閘管 在正 半周 全導(dǎo) 通，UO=0.45U，輸出電壓最高，相當(dāng)于不可控二極管單相半波整流電壓。若 =180o， U0 =0 ，這時 =0，晶閘管全關(guān)斷。根據(jù)歐姆定律，電阻負載中整流電流的平均值為I 0U 0U1 cosaRL0.452RL(5.2)此電流即為通過晶閘管的平均電流。二、電感性負載與續(xù)流二極管上面所講的是接電阻性負載的情況，實際上遇到較多的是電感性負載，象各種電機的勵磁繞組、各種電感線圈等，它們既含有電

15、感，又含有電阻。有時負載雖然是純電阻的，但串了電感線圈等，它們既含有電感，又含有電阻。有時負載雖然是純電阻的， 但串了電感濾波器后， 也變?yōu)殡姼行缘牧恕?整流電路接電感性負載和接電阻性負載的情況大不相同。圖 5.1.7 接電感性負載的可控整流電路電感性負載可用串聯(lián)的電感元件 L 和電阻元件 R表示（圖 5.1.7 ）。當(dāng)晶閘管剛觸發(fā)導(dǎo)通時， 電感元件中產(chǎn)生阻礙電流變化的感應(yīng)電動勢 （其極性在圖 5.1. 7 中為上正下負），電路中電流不能躍變， 將由零逐漸上升如圖 5.1.8 (a) ，當(dāng)電流到達最大值時，感應(yīng)電動勢為零，而后電流減小，電動勢 eL 也就改變極性，在圖 5.1.7 中為下正上負

16、。此后，在交流電壓 u 到達零值之前， eL 和 u 極性相同，晶閘管當(dāng)然導(dǎo)通。 即使電壓 u 經(jīng)過零值變負之后， 只要 eL 大于 u，晶閘管繼續(xù)承受正向電壓，電流仍將繼續(xù)流通，如圖 5.1.8 (a) 。只要電流大于維持電流時，晶閘管不能關(guān)斷， 負載上出現(xiàn)了負電壓。 當(dāng)電流下降到維持電流以下時， 晶閘管才能關(guān)斷，并且立即承受反向電壓，如圖5.1.8 (b)所示。綜上可見，在單相半波可控整流電路接電感性負載時，晶閘管導(dǎo)通角將大于（180o- ）。負載電感愈大，導(dǎo)通角愈大，在一個周期中負載上負電壓所占的比重就愈大， 整流輸出電壓和電流的平均值就愈小。 為了使晶閘管在電源電壓u 降到零值時能及時

17、關(guān)斷，使負載上不出現(xiàn)負電壓，必須采取相應(yīng)措施。我們可以在電感性負載兩端并聯(lián)一個二極管 D來解決上述出現(xiàn)的問題， 如圖 5.1.9 。當(dāng)交流電壓 u 過零值變負后，二極管因承受正向電壓而導(dǎo)通，于是負載上由感應(yīng)電動勢 eL 產(chǎn)生的電流經(jīng)過這個二極管形成回路。因此這個二極管稱為續(xù)流二極管。圖 5.1.8 接電感性負載時單相半波可控整流電路的電壓與電流波形圖 5.1.9電感性負載并聯(lián)續(xù)流二極管這時負載兩端電壓近似為零， 晶閘管因承受反向電壓而關(guān)斷。 負載電阻上消耗的能量是電感元件釋放的能量。單相半控橋式整流電路單相半波可控整流電路雖然具有電路簡單、調(diào)整方便、使用元件少的優(yōu)點，但卻有整流電壓脈動大、 輸

18、出整流電流小的缺點。 較常用的是半控橋式整流電路，簡稱半控橋，其電路如圖 5.1.20 所示。電路與單相不可控橋式整流電路相似，只是其中兩個臂中的二極管被晶閘管所取代。在變壓器副邊電壓 u 的正半周（ a 端為正）時， T1 和 D2 承受正向電壓。這時如對晶閘管 T1 引入觸發(fā)信號，則 T1 和 D2 導(dǎo)通，電流的通路為a T1RLD2 b圖 5.1.20 電阻性負載的單相半控橋式整流電路這時 T2 和 D1 都因承受反向電壓而截止。 同樣，在電壓 u 的負半周時， T2 和 D1承受正向電壓。這時，如對晶閘管 T2 引入觸發(fā)信號，則 T2 和 D1 導(dǎo)通，電流的通路為：bT2 RLD1 a

19、圖 5.1.21電阻性負載時單相半控橋式整流電路的電壓與電流的波形這時 T1 和 D2 處于截止?fàn)顟B(tài)。電壓與電流的波形如圖 5.1.21 所示。顯然，與單相半波整流 圖 5.1.6 （c）相比，橋式整流電路的輸出電壓的平均值要大一倍，即U 00.9U 1 2 cosa2(5.3)輸出電流的平均值為I 0U 00.9 U1 cosaRLRL2(5.4)例 5.1 有一純電阻負載，需要可調(diào)的直流電源：電壓U0=0180V，電流I 0=06A。現(xiàn)采用單相半控橋式整流電路圖5.1.20 ，試求交流電壓的有效值，并選擇整流元件。解 設(shè)晶閘管導(dǎo)通角為180o（控制角 =0）時， U0=180V， I 0=

20、6A。交流電壓有效值UU 0180 V 200V0.90.9實際上還要考慮電網(wǎng)電壓波動、 管壓降以及導(dǎo)通角常常到不了 180o（一般只有 160 o 170 o 左右）等因素，交流電壓要比上述計算而得到的值適當(dāng)加大 10左右，即大約為 220V。因此，在本例中可以不用整流變壓器，直接接到 220V的交流電源上。晶閘管所承受的最高正向電壓 UFM、最高反向電壓 URM和二極管所承受的最高反向電壓都等于U FMU RM2U 1.41220V 310V流過晶閘管和二極管的平均電流是16I TI D2 I 02A 3A為了保證晶閘管在出現(xiàn)瞬時過電壓時不致?lián)p壞， 通常根據(jù)下式選取晶閘管的UFRM和 UR

21、RM：UFRM(2-3)U FM=(2-3) 310V=(620-930)VURRM(2-3)U RM=(2-3) 310V=(620-930)V根據(jù)上面計算，晶閘管可先用 KP5-7 型，二極管可先用 2CZ5/300 型。因為二極管的反向工作峰值電壓一般是取反向擊穿電壓的一半，已有較大余量， 所以選 300V 已足夠。晶閘管的保護晶閘管雖然具有很多優(yōu)點，但是，它們承受過電壓和過電流的能力很差，這是晶閘管的主要弱點，因此，在各種晶閘管裝置中必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施。一、晶閘管的過電流保護由于晶閘管的熱容量很小，一旦發(fā)生過電流時，溫度就會急劇上升而可能把PN結(jié)燒壞，造成元件內(nèi)部短路或開路。晶閘管

22、發(fā)生過電流的原因主要有：負載端過載或短路；某個晶閘管被擊穿短路，造成其他元件的過電流；觸發(fā)電路工作不正常或受干擾，使晶閘管誤觸發(fā)，引起過電流。晶閘管承受過電流能力很差，例如一個 100A 的晶閘管，它的過電流涌力如表 5.1 所列。這就是說， 當(dāng) 100A 的晶閘管過電流為 400A 時，僅允許持續(xù) 0.02s ，否則將因過熱而損壞。由此可知，晶閘管允許在短時間內(nèi)承受一定的過電流，所以，過電流保護的作用就在于當(dāng)發(fā)生過電流時， 在通的時間內(nèi)將過電流切斷，以防止元件損壞。晶閘管過電流保護措施有下列幾種：（1）快速熔斷器普通熔斷絲由于熔斷時間長， 用來保護晶閘管很可能在晶閘管燒壞之后熔斷器還沒有熔斷

23、， 這樣就起不了保護作用。 因此必須采用用于保護晶閘管的快速熔斷器?？焖偃蹟嗥饔玫氖倾y質(zhì)熔絲， 在同樣的過電流倍數(shù)之下， 它可以在晶閘管損壞之前熔斷，這是晶閘管過電流保護的主要措施。表 6.3.1晶閘管的過載時間和過載倍數(shù)的關(guān)系過載時間0.02s5s5 min過載倍數(shù)421.25圖 5.1.22快速熔斷器的接入方式快速熔斷器的接入方式有三種，如圖5.1.22 所示。其一是快速熔斷器接在輸出（負載）端，這種接法對輸出回路的過載或短路起保護作用，但對元件本身故障引起的過電流不起保護作用。其二是快速熔斷器與元件串聯(lián)，可以對元件本身的故障進行保護。 以上兩種接法一般需要同時采用。第三種接法是快速熔斷器接在輸入端，這樣可以同時對輸出端短路和元件短路實現(xiàn)保護，但是熔斷器熔斷之后，不能立即判斷是什么故障。熔斷器的電流定