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晶闸管工作原理1晶闸管SCR晶体闸流管简称晶闸管也称为可控硅整流元件SCR是由三个PN结构成的一种大功率半导体器件在性能上晶闸管不仅具有单向导电性而且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性它只有导通和关断两种状态擎住电流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擎住电流是晶闸管在开通过程中,撤去门级触发电流时仍然能维持晶闸管导通的阳极电流,而维持电流指晶闸管在正常稳定运行时,阳极电流减小到一定值时晶闸管就关断了,此时的电流为维持电流,或者是在开通的瞬间,阳极最小电流所以,在开通的过程中,当电流大于维持电流,而小于擎住电流时,撤去脉冲,此时晶闸管再次关断因此擎住电流大于维持电流对同一晶闸管来说,通常擎住电流约为维持电流的2--4倍晶闸管的优点很多例如:以小功率控制大功率功率放大倍数高达几十万倍;反响极快在微秒级内开通、关断;无触点运行无火花、无噪声;效率高本钱低等因此特别是在大功率UPS供电系统中晶闸管在整流电路、静态旁路开关、无触点输出开关等电路中得到广泛的应用晶闸管的弱点:静态及动态的过载能力较差容易受干扰而误导通晶闸管从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形2普通晶闸管的结构和工作原理晶闸管是PNPN四层三端器件共有三个PN结分析原理时可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成其等效图解如图1a所示图1b为晶闸管的电路符号图1晶闸管等效图解图
2.1晶闸管的工作过程晶闸管是四层三端器件它有J
1、J
2、J3三个PN结可以把它中间的NP分成两局部构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管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是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响造成两晶体管饱和导通设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2发射极电流相应为Ia和Ik电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik设流过J2结的反相漏电流为ICO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+ICO=α1Ia+α2Ik+ICO1假设门极电流为Ig那么晶闸管阴极电流为:Ik=Ia+Ig因此可以得出晶闸管阳极电流为:2硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数α1和α2随其发射极电流的改变而急剧变化当晶闸管承受正向阳极电压而门极未接受电压的情况下式1中Ig=0α1+α2很小故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO晶闸管处于正向阻断状态;当晶闸管在正向门极电压下从门极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放大系数α2产生足够大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结并提高了PNP管的电流放大系数α1产生更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结这样强烈的正反响过程迅速进行当α1和α2随发射极电流增加而使得α1+α2≈1时式1中的分母1-α1+α2≈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晶闸管导通后式1中1-α1+α2≈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而继续导通门极已失去作用在晶闸管导通后如果不断地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α1和α2迅速下降晶闸管恢复到阻断状态
2.2晶闸管的工作条件由于晶闸管只有导通和关断两种工作状态所以它具有开关特性这种特性需要一定的条件才能转化此条件见表1表1晶大学网闸管导通和关断条件1晶闸管承受反向阳极电压时无论门极承受何种电压晶闸管都处于关断状态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3晶闸管在导通情况下只要有一定的正向阳极电压无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3晶闸管的伏安特性和主要参数
3.1晶闸管的伏安特性晶闸管阳极A与阴极K之间的电压与晶闸管阳极电流之间关系称为晶闸管伏安特性如图2所所示正向特性位于第一象限反向特性位于第三象限图2晶闸管伏安特性参数示意图1反向特性当门极G开路阳极加上反向电压时见图3J2结正偏但J
1、J2结反偏此时只能流过很小的反向饱和电流当电压进一步提高到J1结的雪崩击穿电压后同时J3结也击穿电流迅速增加如图2的特性曲线OR段开始弯曲弯曲处的电压URO称为“反向转折电压”此后晶闸管会发生永久性反向击穿图3阳极加反向电压图4阳极加正向电压2正向特性当门极G开路阳极A加上正向电压时见图4J
1、J3结正偏但J2结反偏这与普通PN结的反向特性相似也只能流过很小电流这叫正向阻断状态当电压增加如图2的特性曲线OA段开始弯曲弯曲处的电压UBO称为“正向转折电压”由于电压升高到J2结的雪崩击穿电压后J2结发生雪崩倍增效应在结区产生大量的电子和空穴电子进入N1区空穴进入P2区进入N1区的电子与由P1区通过J1结注入N1区的空穴复合同样进入P2区的空穴与由N2区通过J3结注入P2区的电子复合,雪崩击穿后,进入N1区的电子与进入P2区的空穴各自不能全部复合掉这样,在N1区就有电子积累,在P2区就有空穴积累,结果使P2区的电位升高,N1区的电位下降,J2结变成正偏,只要电流稍有增加电压便迅速下降,出现所谓负阻特性,见图2中的虚线AB段这时J
1、J
2、J3三个结均处于正偏,晶闸管便进入正向导电状态——通态此时,它的特性与普通的PN结正向特性相似,如图2的BC段3触发导通在门极G上参加正向电压时如图5所示因J3正偏P2区的空穴进入N2区N2区的电子进入P2区形成触发电流IGT在晶闸管的内部正反响作用如图2的根底上加上IGT的作用使晶闸管提前导通导致图2中的伏安特性OA段左移IGT越大特性左移越快图5阳极和门极均加正向电压
3.2晶闸管的主要参数1断态重复峰值电压UDRM门极开路重复率为每秒50次每次持续时间不大于10ms的断态最大脉冲电压UDRM=90%UDSMUDSM为断态不重复峰值电压UDSM应比UBO小所留的裕量由生产厂家决定2反向重复峰值电压URRM其定义同UDRM相似URRM=90%URSMURSM为反向不重复峰值电压3额定电压选UDRM和URRM中较小的值作为额定电压选用时额定电压应为正常工作峰值电压的2~3倍应能承受经常出现的过电压模板内容仅供参考 。