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技術(shù)文章

晶閘管的工作原理與應(yīng)用
晶閘管的工作原理與應(yīng)用
1 晶閘管(SCR)
晶體閘流管簡(jiǎn)稱(chēng)晶閘管,也稱(chēng)為可控硅整流元件(SCR),是由三個(gè)PN結(jié)構(gòu)成的一種大功率半導(dǎo)體器件。在性能上,晶閘管不僅具有單向?qū)щ娦?而且還具有比硅整流元件更為可貴的可控性,它只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。
晶閘管的優(yōu)點(diǎn)很多,例如:以小功率控制大功率,功率放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬(wàn)倍;反應(yīng)極快,在微秒級(jí)內(nèi)開(kāi)通、關(guān)斷;無(wú)觸點(diǎn)運(yùn)行,無(wú)火花、無(wú)噪聲;效率高,成本低等。因此,特別是在大功率UPS供電系統(tǒng)中,晶閘管在整流電路、靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)、無(wú)觸點(diǎn)輸出開(kāi)關(guān)等電路中得到廣泛的應(yīng)用。
晶閘管的弱點(diǎn):靜態(tài)及動(dòng)態(tài)的過(guò)載能力較差,容易受干擾而誤導(dǎo)通。
晶閘管從外形上分類(lèi)主要有:螺栓形、平板形和平底形。
2 普通晶閘管的結(jié)構(gòu)和工作原理
晶閘管是PNPN四層三端器件,共有三個(gè)PN結(jié)。分析原理時(shí),可以把它看作是由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成,其等效圖解如圖1(a)所示,圖1(b)為晶閘管的電路符號(hào)。

2.1 晶閘管的工作過(guò)程
晶閘管是四層三端器件,它有J1、J2、J3三個(gè)PN結(jié),可以把它中間的NP分成兩部分,構(gòu)成一個(gè)PNP型三極管和一個(gè)NPN型三極管的復(fù)合管。
當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)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。每個(gè)晶體管的集電極電流同時(shí)就是另一個(gè)晶體管的基極電流。因此是兩個(gè)互相復(fù)合的晶體管電路,當(dāng)有足夠的門(mén)極電流Ig流入時(shí),就會(huì)形成強(qiáng)烈的正反饋,造成兩晶體管飽和導(dǎo)通。
設(shè)PNP管和NPN管的集電極電流分別為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α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,設(shè)流過(guò)J2結(jié)的反相漏電流為ICO,晶閘管的陽(yáng)極電流等于兩管的集電極電流和漏電流的總和:

若門(mén)極電流為Ig,則晶閘管陰極電流為:Ik=Ia+Ig。
因此,可以得出晶閘管陽(yáng)極電流為:

硅PNP管和硅NPN管相應(yīng)的電流放大系數(shù)α1和α2隨其發(fā)射極電流的改變而急劇變化。當(dāng)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓,而門(mén)極未接受電壓的情況下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶閘管的陽(yáng)極電流Ia≈ICO,晶閘管處于正向阻斷狀態(tài);當(dāng)晶閘管在正向門(mén)極電壓下,從門(mén)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),從而提高放大系數(shù)α2,產(chǎn)生足夠大的集電極電流IC2流過(guò)PNP管的發(fā)射結(jié),并提高了PNP管的電流放大系數(shù)α1,產(chǎn)生更大的集電極電流IC1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié),這樣強(qiáng)烈的正反饋過(guò)程迅速進(jìn)行。
當(dāng)α1和α2隨發(fā)射極電流增加而使得(α1+α2)≈1時(shí),式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因此提高了晶閘管的陽(yáng)極電流Ia。這時(shí),流過(guò)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)。晶閘管導(dǎo)通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即使此時(shí)門(mén)極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來(lái)的陽(yáng)極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通,門(mén)極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后,如果不斷地減小電源電壓或增大回路電阻,使陽(yáng)極電流Ia減小到維持電流IH以下時(shí),由于α1和α2迅速下降,晶閘管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。
2.2 晶閘管的工作條件
由于晶閘管只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài),所以它具有開(kāi)關(guān)特性,這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化,此條件見(jiàn)表1。
(1)晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí),無(wú)論門(mén)極承受何種電壓,晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)。
(2)晶閘管承受正向陽(yáng)極電壓時(shí),僅在門(mén)極承受正向電壓的情況下晶閘管才導(dǎo)通。
(3)晶閘管在導(dǎo)通情況下,只要有一定的正向陽(yáng)極電壓,無(wú)論門(mén)極電壓如何,晶閘管保持導(dǎo)通,即晶閘管導(dǎo)通后,門(mén)極失去作用。
(4)晶閘管在導(dǎo)通情況下,當(dāng)主回路電壓(或電流)減小到接近于零時(shí),晶閘管關(guān)斷。
3 晶閘管的伏安特性和主要參數(shù)
3.1 晶閘管的伏安特性
晶閘管陽(yáng)極A與陰極K之間的電壓與晶閘管陽(yáng)極電流之間關(guān)系稱(chēng)為晶閘管伏安特性,如圖2所示。正向特性位于**象限,反向特性位于第三象限。
(1) 反向特性
當(dāng)門(mén)極G開(kāi)路,陽(yáng)極加上反向電壓時(shí)(見(jiàn)圖3),J2結(jié)正偏,但J1、J2結(jié)反偏。此時(shí)只能流過(guò)很小的反向飽和電流,當(dāng)電壓進(jìn)一步提高到J1結(jié)的雪崩擊穿電壓后,同時(shí)J3結(jié)也擊穿,電流迅速增加,如圖2的特性曲線OR段開(kāi)始彎曲,彎曲處的電壓URO稱(chēng)為“反向轉(zhuǎn)折電壓”。此后,晶閘管會(huì)發(fā)生長(zhǎng)久性反向擊穿。
(2) 正向特性
當(dāng)門(mén)極G開(kāi)路,陽(yáng)極A加上正向電壓時(shí)(見(jiàn)圖4),J1、J3結(jié)正偏,但J2結(jié)反偏,這與普通PN結(jié)的反向特性相似,也只能流過(guò)很小電流,這叫正向阻斷狀態(tài),當(dāng)電壓增加,如圖2的特性曲線OA段開(kāi)始彎曲,彎曲處的電壓UBO稱(chēng)為“正向轉(zhuǎn)折電壓”。

由于電壓升高到J2結(jié)的雪崩擊穿電壓后,J2結(jié)發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),在結(jié)區(qū)產(chǎn)生大量的電子和空穴,電子進(jìn)入N1區(qū),空穴進(jìn)入P2區(qū)。進(jìn)入N1區(qū)的電子與由P1區(qū)通過(guò)J1結(jié)注入N1區(qū)的空穴復(fù)合。同樣,進(jìn)入P2區(qū)的空穴與由N2區(qū)通過(guò)J3結(jié)注入P2區(qū)的電子復(fù)合，雪崩擊穿后，進(jìn)入N1區(qū)的電子與進(jìn)入P2區(qū)的空穴各自不能全部復(fù)合掉。這樣，在N1區(qū)就有電子積累，在P2區(qū)就有空穴積累，結(jié)果使P2區(qū)的電位升高，N1區(qū)的電位下降，J2結(jié)變成正偏，只要電流稍有增加,電壓便迅速下降，出現(xiàn)所謂負(fù)阻特性，見(jiàn)圖2中的虛線AB段。這時(shí)J1、J2、J3三個(gè)結(jié)均處于正偏，晶閘管便進(jìn)入正向?qū)щ姞顟B(tài)——通態(tài),此時(shí)，它的特性與普通的PN結(jié)正向特性相似，如圖2的BC段。

(3) 觸發(fā)導(dǎo)通
在門(mén)極G上加入正向電壓時(shí)(如圖5所示),因J3正偏,P2區(qū)的空穴進(jìn)入N2區(qū),N2區(qū)的電子進(jìn)入P2區(qū),形成觸發(fā)電流IGT。在晶閘管的內(nèi)部正反饋?zhàn)饔?如圖2)的基礎(chǔ)上,加上IGT的作用,使晶閘管提前導(dǎo)通,導(dǎo)致圖2中的伏安特性O(shè)A段左移,IGT越大,特性左移越快。

3.2 晶閘管的主要參數(shù)
(1)斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM
門(mén)極開(kāi)路,重復(fù)率為每秒50次,每次持續(xù)時(shí)間不大于10ms的斷態(tài)*大脈沖電壓,UDRM=90%UDSM,
UDSM為斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓。UDSM應(yīng)比UBO小,所留的裕量由生產(chǎn)廠家決定。
(2)反向重復(fù)峰值電壓URRM
其定義同UDRM相似,URRM=90%URSM,URSM為反向不重復(fù)峰值電壓。

(3)額定電壓
選UDRM和URRM中較小的值作為額定電壓,選用時(shí)額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍,應(yīng)能承受經(jīng)常出現(xiàn)的過(guò)電壓。

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