晶閘管工作過程？
發(fā)布日期：2017/7/13 點(diǎn)擊率：1182
晶閘管是四層三端器件，它有J1、J2、J3三個PN結(jié)圖1，可以把它中間的NP分成兩部分，構(gòu)成一個PNP型三極管和一個NPN型三極管的復(fù)合管，圖2
當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓時(shí)，為使晶閘管導(dǎo)通，必須使承受反向電壓的PN結(jié)J2失去阻擋作用。圖2中每個晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個晶體管的基極電流。因此，兩個互相復(fù)合的晶體管電路，當(dāng)有足夠的門極電流Ig流入時(shí)，就會形成強(qiáng)烈的正反饋，造成兩晶體管飽和導(dǎo)通，晶體管飽和導(dǎo)通。
設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流相應(yīng)為Ic1和Ic2；發(fā)射極電流相應(yīng)為Ia和Ik；電流放大系數(shù)相應(yīng)為a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，設(shè)流過J2結(jié)的反相漏電電流為Ic0,
晶閘管的陽極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和：
Ia=Ic1+Ic2+Ic0 或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
若門極電流為Ig，則晶閘管陰極電流為Ik=Ia+Ig
從而可以得出晶閘管陽極電流為：I=(Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）式
硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)a1和a2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化如圖3所示。
當(dāng)晶閘管承受正向陽極電壓，而門極未受電壓的情況下，式（1—1）中，Ig=0,(a1+a2）很小，故晶閘管的陽極電流Ia≈Ic0 晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)。當(dāng)晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig，由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高其電流放大系數(shù)a2，產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1，產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強(qiáng)烈的正反饋過程迅速進(jìn)行。從圖3，當(dāng)a1和a2隨發(fā)射極電流增加而（a1+a2）≈1時(shí)，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0，因此提高了晶閘管的陽極電流Ia.這時(shí)，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。
式（1—1）中，在晶閘管導(dǎo)通后，1-（a1+a2）≈0，即使此時(shí)門極電流Ig=0，晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后，門極已失去作用。
在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí)，由于a1和a1迅速下降，當(dāng)1-（a1+a2）≈0時(shí)，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。
特性
晶閘管的陽極電壓與陽極電流的關(guān)系，稱為晶閘管的伏安特性，如圖所示。晶閘管的陽極與陰極間加上正向電壓時(shí)，在晶閘管控制極開路(Ig=0)情況下，開始元件中有很小的電流(稱為正向漏電流)流過，晶閘管陽極與陰極間表現(xiàn)出很大的電阻，處于截止?fàn)顟B(tài)(稱為正向阻斷狀態(tài))，簡稱斷態(tài)。
當(dāng)陽極電壓上升到某一數(shù)值時(shí)，晶閘管突然由阻斷狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)通狀態(tài)，簡稱通態(tài)。陽極這時(shí)的電壓稱為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓(UDSM)，或稱正向轉(zhuǎn)折電壓(UBO)。
導(dǎo)通后，元件中流過較大的電流，其值主要由限流電阻(使用時(shí)由負(fù)載)決定。在減小陽極電源電壓或增加負(fù)載電阻時(shí)，陽極電流隨之減小，當(dāng)陽極電流小于維持電流IH時(shí)，晶閘管便從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)化為阻斷狀態(tài)。由圖可看出，當(dāng)晶閘管控制極流過正向電流Ig時(shí)，晶閘管的正向轉(zhuǎn)折電壓降低， Ig越大，轉(zhuǎn)折電壓越小，當(dāng)Ig足夠大時(shí)，晶閘管正向轉(zhuǎn)折電壓很小，一加上正向陽極電壓，晶閘管就導(dǎo)通。實(shí)際規(guī)定，當(dāng)晶閘管元件陽極與陰極之間加上6V直流電壓時(shí)，能使元件導(dǎo)通的控制極最小電流(電壓)稱為觸發(fā)電流(電壓)。
在晶閘管陽極與陰極間加上反向電壓時(shí)，開始晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)，只有很小的反向漏電流流過。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)值時(shí)，反向漏電流急劇增大，這時(shí)，所對應(yīng)的電壓稱為反向不重復(fù)峰值電壓(URSM)，或稱反向轉(zhuǎn)折(擊穿)電壓(UBR)。
可見，晶閘管的反向伏安特性與二極管反向特性類似。
晶閘管的開通和關(guān)斷的動態(tài)過程的物理過程較為復(fù)雜，圖 2.5 簡單地給出了晶閘管開通和關(guān)斷過程的電壓與電流波形。
圖中開通過程描述的是晶閘管門極在坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)刻開始受到理想階躍觸發(fā)電流觸發(fā)的情況；而關(guān)斷過程描述的是對已導(dǎo)通的晶閘管，在外電路所施加的電壓在某一時(shí)刻突然由正向變?yōu)榉聪虻那闆r（如圖中點(diǎn)劃線波形）。
開通過程
晶閘管的開通過程就是載流子不斷擴(kuò)散的過程。對于晶閘管的開通過程主要關(guān)注的是晶閘管的開通時(shí)間 ton。
由于晶閘管內(nèi)部的正反饋過程以及外電路電感的限制，晶閘管受到觸發(fā)后，其陽極電流只能逐漸上升。從門極觸發(fā)電流上升到額定值的 10%開始，到陽極電流上升到穩(wěn)態(tài)值的 10%（對于阻性負(fù)載相當(dāng)于陽極電壓降到額定值的 90%），這段時(shí)間稱為觸發(fā)延遲時(shí)間 td。陽極電流從 10%上升到穩(wěn)態(tài)值的 90%所需要的時(shí)間（對于阻性負(fù)載相當(dāng)于陽極電壓由 90%降到 10%）稱為上升時(shí)間 tr，開通時(shí)間 ton定義為兩者之和，即t on = t d +tr
通常晶閘管的開通時(shí)間與觸發(fā)脈沖的上升時(shí)間，脈沖峰值以及加在晶閘管兩極之間的正向電壓有關(guān)。[2]
關(guān)斷過程
處于導(dǎo)通狀態(tài)的晶閘管當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，由于外電路電感的存在，其陽極電流在衰減時(shí)存在過渡過程。陽極電流將逐步衰減到零，并在反方向流過反向恢復(fù)電流，經(jīng)過最大值 IRM后，再反方向衰減。同時(shí)，在恢復(fù)電流快速衰減時(shí)，由于外電路電感的作用，會在晶閘管兩端引起反向的尖峰電壓 URRM。從正向電流降為零，到反向恢復(fù)電流衰減至接近于零的時(shí)間，就是晶閘管的反向阻斷恢復(fù)時(shí)間 trr。[2]
反向恢復(fù)過程結(jié)束后，由于載流子復(fù)合過程比較慢，晶閘管要恢復(fù)其對反向電壓的阻斷能力還需要一段時(shí)間，這叫做反向阻斷恢復(fù)時(shí)間 tgr。在反向阻斷恢復(fù)時(shí)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)ǎ皇荛T極電流控制而導(dǎo)通。所以在實(shí)際應(yīng)用中，需對晶閘管施加足夠長時(shí)間的反壓，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。晶閘管的電路換向關(guān)斷時(shí)間 toff定義為 trr與 tgr之和，即
toff= trr+ tgr
除了開通時(shí)間 ton、關(guān)斷時(shí)間 toff及觸發(fā)電流 IGT外，本文比較關(guān)注的晶閘管的其它主要參數(shù)包括：
斷態(tài)（反向）重復(fù)峰值電壓 UDRM（URRM）：是在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向（反向）峰值電壓。通常取晶閘管的 UDRM 和 URRM 中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。
通態(tài)平均電流 IT(AV)：國際規(guī)定通態(tài)平均電流為晶閘管在環(huán)境溫度為 40℃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(shí)所允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是標(biāo)稱其額定電流的參數(shù)。[2]
維持電流 IH：是指晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百毫安。
IH與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則 IH越小。
擎住電流 IL：是晶閘管剛從斷態(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 IL約為 IH的 2～4 倍。[2]
浪涌電流 ITSM：浪涌電流是指由于電路異常情況引起的使結(jié)溫超過額定結(jié)溫的不重復(fù)性最大正向過載電流。
斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt：是指在額定結(jié)溫、門極開路的情況下，不能使晶閘管從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的外加電壓最大上升率。
通態(tài)電流臨界上升率 di/dt：指在規(guī)定條件下，晶閘管能承受的最大通態(tài)電流上升率。如果 di/dt 過大，在晶閘管剛開通時(shí)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。[2]
觸發(fā)技術(shù)
晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，使得晶閘管在需要時(shí)正常開通。晶閘管觸發(fā)電路必須滿足以下幾點(diǎn)要求：
①觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)足夠?qū)捠沟镁чl管可靠導(dǎo)通； ② 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度，對一些溫度較低的場合，脈沖電流的幅度應(yīng)增大為器件最大觸發(fā)電流的 3～5 倍，脈沖的陡度也需要增加，一般需達(dá)1～2A/μs； ③ 所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率定額，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域之內(nèi)；④應(yīng)有良好的抗干擾能力、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離； ⑤ 觸發(fā)脈沖型式應(yīng)有助于晶閘管元件的導(dǎo)通時(shí)間趨于一致。在高電壓大電流晶閘管串聯(lián)電路中，要求串聯(lián)的元件同一時(shí)刻導(dǎo)通，宜采用強(qiáng)觸發(fā)的形式。[2]
晶閘管觸發(fā)方式主要有三種：
① 電磁觸發(fā)方式，將低電位觸發(fā)信號經(jīng)脈沖變壓器隔離后送到高電位晶閘管門極。這種觸發(fā)方式成本較低，技術(shù)比較成熟。但要解決多路脈沖變壓器的輸出一致問題，同時(shí)觸發(fā)時(shí)的電磁干擾較大。 ② 直接光觸發(fā)方式，將觸發(fā)脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣饷}沖，直接觸發(fā)高位光控晶閘管。這種觸發(fā)方式只適用于光控晶閘管，且該種晶閘管的成本較高，不適宜采用； ③ 間接光觸發(fā)方式，利用光纖通信的方法，將觸發(fā)電脈沖信號轉(zhuǎn)化為光脈沖信號，經(jīng)處理后耦合到光電接受回路，把光信號轉(zhuǎn)化為電信號。既可以克服電磁干擾，又可以采用普通晶閘管，降低了成本。[2]
晶閘管串聯(lián)技術(shù)
當(dāng)需要耐壓很高的開關(guān)時(shí)，單個晶閘管的耐壓有限，單個晶閘管無法滿足耐壓需求，這時(shí)就需要將多個晶閘管串聯(lián)起來使用，從而得到滿足條件的開關(guān)。
在器件的應(yīng)用中，由于各個元件的靜態(tài)伏安特性和動態(tài)參數(shù)不同，因此將引起各元件間電壓分配不均勻而導(dǎo)致發(fā)生損壞器件的事故。影響串聯(lián)運(yùn)行電壓分配不均勻的因素主要有以下幾個：
1、靜態(tài)伏安特性對靜態(tài)均壓的影響。不同元件的伏安特性差異較大，串聯(lián)使用時(shí)會使電壓分配不均衡。同時(shí)，半導(dǎo)體器件的伏安特性容易受溫度的影響，不同的結(jié)溫也會使均壓性能受到影響。[2]
2、關(guān)斷電荷和開通時(shí)間等動態(tài)特性對動態(tài)均壓的影響。晶閘管串聯(lián)運(yùn)行，延遲時(shí)間不同，門極觸發(fā)脈沖的大小不同，都會導(dǎo)致閥片的開通適度不同。閥片的開通速度不同，會引起動態(tài)電壓的不均衡。同時(shí)關(guān)斷時(shí)間的差異也會造成各晶閘管不同時(shí)關(guān)斷的現(xiàn)象。關(guān)斷電荷少，則易關(guān)斷，關(guān)斷時(shí)間也短，先關(guān)斷的元件必然承受最高的動態(tài)電壓。[2]
晶閘管串聯(lián)技術(shù)的根本目的的是保證動、靜態(tài)特性不同的晶閘管在串聯(lián)后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行且都得到充分的利用。這就涉及到串聯(lián)晶閘管的元件保護(hù)、動態(tài)和靜態(tài)均壓、觸發(fā)一致性、反向恢復(fù)過電壓的抑制、開通關(guān)斷緩沖等一系列問題。[2]
晶閘管的主要參數(shù)編輯
為了正確選用晶閘管元件，必須要了解它的主要參數(shù)，一般在產(chǎn)品的目錄上都給出了參數(shù)的平均值或極限值，產(chǎn)品合格證上標(biāo)有元件的實(shí)測數(shù)據(jù)?！?1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 在控制極斷路和晶閘管正向阻斷的條件下，可以重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓，其數(shù)值比正向轉(zhuǎn)折電壓小100V?！?2)反向重復(fù)峰值電壓URRM 在控制極斷路時(shí)，可以重復(fù)加在晶閘管元件上的反向峰值電壓，此電壓數(shù)值規(guī)定比反向擊穿電壓小100V?！⊥ǔ０裊DRM與URRM中較小的一個數(shù)值標(biāo)作器件型號上的額定電壓。由于瞬時(shí)過電壓也會使晶閘管遭到破壞，因而在選用的時(shí)候，額定電壓一個應(yīng)該為正常工作峰值電壓的2～3倍，作為安全系數(shù)。 (3)額定通態(tài)平均電流(額定正向平均電流)IT 在環(huán)境溫度不大于40oC和標(biāo)準(zhǔn)散熱即全導(dǎo)通的條件下，晶閘管元件可以連續(xù)通過的工頻正弦半波電流(在一個周期內(nèi))的平均值，稱為額定通態(tài)平均電流IT，簡稱額定電流?！?4)維持電流IH
在規(guī)定的環(huán)境溫度和控制極斷路的條件下，維持元件繼續(xù)導(dǎo)通的最小電流稱為維持電流IH 。一般為幾十毫安～一百多毫安，其數(shù)值與元件的溫度成反比，在120攝氏度時(shí)維持電流約為25攝氏度時(shí)的一半。當(dāng)晶閘管的正向電流小于這個電流時(shí)，晶閘管將自動關(guān)斷。
晶閘管的選用編輯
(1)選擇晶閘管的類型：晶閘管有多種類型，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用電路的具體要求合理選用。
若用于交直流電壓控制、可控整流、交流調(diào)壓、逆變電源、開關(guān)電源保護(hù)電路等，可選用普通單向晶閘管。
若用于交流開關(guān)、交流調(diào)壓、交流電動機(jī)線性調(diào)速、燈具線性調(diào)光及固態(tài)繼電器、固態(tài)接觸器等電路中，應(yīng)選用雙向晶閘管。
若用于交流電動機(jī)變頻調(diào)速、斬波器、逆變電源及各種電子開關(guān)電路等，可選用門極關(guān)斷晶閘管。
若用于鋸齒波發(fā)生器、長時(shí)間延時(shí)器、過電壓保護(hù)器及大功率晶體管觸發(fā)電路等，可選用BTG晶閘管。
若用于電磁灶、電子鎮(zhèn)流器、超聲波電路、超導(dǎo)磁能儲存系統(tǒng)及開關(guān)電源等電路，可選用逆導(dǎo)晶閘管。
若用于光電耦合器、光探測器、光報(bào)警器、光計(jì)數(shù)器、光電邏輯電路及自動生產(chǎn)線的運(yùn)行監(jiān)控電路，可選用光控晶閘管。
2．選擇晶閘管的主要參數(shù)：晶閘管的主要參數(shù)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用電路的具體要求而定。
所選晶閘管應(yīng)留有一定的功率裕量，其額定峰值電壓和額定電流(通態(tài)平均電流)均應(yīng)高于受控電路的最大工作電壓和最大工作電流1．5～2倍。
晶閘管的正向壓降、門極觸發(fā)電流及觸發(fā)電壓等參數(shù)應(yīng)符合應(yīng)用電路(指門極的控制電路)的各項(xiàng)要求，不能偏高或偏低，否則會影響晶閘管的正常工作。
單向晶閘管的檢測編輯
(1)判別各電極：根據(jù)普通晶閘管的結(jié)構(gòu)可知，其門極G與陰極K極之間為一個PN結(jié)，具有單向?qū)щ娞匦裕枠OA與門極之間有兩個反極性串聯(lián)的PN結(jié)。因此，通過用萬用表的R×100或R×1 k Q檔測量普通晶閘管各引腳之間的電阻值，即能確定三個電極。具體方法是：將萬用表黑表筆任接晶閘管某一極，紅表筆依次去觸碰另外兩個電極。若測量結(jié)果有一次阻值為幾千歐姆(kΩ)，而另一次阻值為幾百歐姆(Ω)，則可判定黑表筆接的是門極G。在阻值為幾百歐姆的測量中，紅表筆接的是陰極K，而在阻值為幾千歐姆的那次測量中，紅表筆接的是陽極A，若兩次測出的阻值均很大，則說明黑表筆接的不是門極G，應(yīng)用同樣方法改測其他電極，直到找出三個電極為止。也可以測任兩腳之間的正、反向電阻，若正、反向電阻均接近無窮大，則兩極即為陽極A和陰極K，而另一腳即為門極G。普通晶閘管也可以根據(jù)其封裝形式來判斷出各電極。 螺栓形普通晶閘管的螺栓一端為陽極A，較細(xì)的引線端為門極G，較粗的引線端為陰極K。平板形普通晶閘管的引出線端為門極G，平面端為陽極A，另一端為陰極K。金屬殼封裝(T0—3)的普通晶閘管，其外殼為陽極A。塑封(T0—220)的普通晶閘管的中間引腳為陽極A，且多與自帶散熱片相連。
觸發(fā)能力檢測：對于小功率(工作電流為5 A以下)的普通晶閘管，可用萬用表R×1檔測量。測量時(shí)黑表筆接陽極A，紅表筆接陰極K，此時(shí)表針不動，顯示阻值為無窮大(∞)。用鑷子或?qū)Ь€將晶閘管的陽極A與門極短路(見圖2)，相當(dāng)于給G極加上正向觸發(fā)電壓，此時(shí)若電阻值為幾歐姆至幾十歐姆(具體阻值根據(jù)晶閘管的型號不同會有所差異)，則表明晶閘管因正向觸發(fā)而導(dǎo)通。再斷開A極與G極的連接(A、K極上的表筆不動，只將G極的觸發(fā)電壓斷掉)。若表針示值仍保持在幾歐姆至幾十歐姆的位置不動，則說明此晶閘管的觸發(fā)性能良好。
