晶闸管作业原理

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材。在性能上,晶闸管不只具有单导游电性,并且还具有比硅整流元件更为可贵的可控性,它只需导通和关断两种状况。

晶闸管的长处许多,例如:以小功率操控大功率,功率放大倍数高达几十万倍;反响极快,在微秒级内注册、关断;无触点运转,无火花、无噪声;效率高,本钱低一级。因而,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使用。

晶闸管的缺点:静态及动态的过载才干较差,简单受搅扰而误导通。

晶闸管从外形上分类主要有:螺栓形、平板形和平底形。

2、一般晶闸管的结构和作业原理

晶闸管是PNPN四层三端器材,共有三个PN结。剖析原理时,能够把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其等效图解如图1(a)所示,图1(b)为晶闸管的电路符号。

图1 晶闸管等效图解图

2.1、晶闸管的作业进程

晶闸管是四层三端器材,它有J1、J2、J3三个PN结,能够把它中心的NP分红两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。

当晶闸管接受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,有必要使接受反向电压的PN结J2失掉阻挠效果。每个晶体管的集电极电流一起便是另一个晶体管的基极电流。因而是两个相互复合的晶体管电路,当有满足的门极电流Ig流入时,就会构成激烈的正反馈,构成两晶体管饱满导通。

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+ICO (1)

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:Ik=Ia+Ig。

因而,能够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动而急剧改变。当晶闸管接受正向阳极电压,而门极未接受电压的情况下,式(1)中Ig=0,(α1+α2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈ICO,晶闸管处于正向阻断状况;当晶闸管在正向门极电压下,从门极G流入电流Ig,因为满足大的Ig流经NPN管的发射结,然后进步放大系数α2,发作满足大的集电极电流IC2流过PNP管的发射结,并进步了PNP管的电流放大系数α1,发作更大的集电极电流IC1流经NPN管的发射结,这样激烈的正反馈进程敏捷进行。

当α1和α2随发射极电流添加而使得(α1+α2)≈1时,式(1)中的分母1-(α1+α2)≈0,因而进步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议,晶闸管已处于正导游通状况。晶闸管导通后,式(1)中1-(α1+α2)≈0,即便此刻门极电流Ig=0,晶闸管仍能坚持本来的阳极电流Ia而持续导通,门极已失掉效果。在晶闸管导通后,假如不断地减小电源电压或增大回路电阻,使阳极电流Ia减小到坚持电流IH以下时,因为α1和α2敏捷下降,晶闸管康复到阻断状况。

2.2、晶闸管的作业条件

因为晶闸管只需导通和关断两种作业状况,所以它具有开关特性,这种特性需求必定的条件才干转化,此条件见表1。

表1 晶闸管导通和关断条件

(1)晶闸管接受反向阳极电压时,不管门极接受何种电压,晶闸管都处于关断状况。

(2)晶闸管接受正向阳极电压时,仅在门极接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,只需有必定的正向阳极电压,不管门极电压怎么,晶闸管坚持导通,即晶闸管导通后,门极失掉效果。

(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联络称为晶闸管伏安特性,如图2所所示。正向特性坐落榜首象限,反向特性坐落第三象限。

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3),J2结正偏,但J1、J2结反偏。此刻只能流过很小的反向饱满电流,当电压进一步提升到J1结的雪崩击穿电压后,一起J3结也击穿,电流敏捷添加,如图2的特性曲线OR段开端曲折,曲折处的电压URO称为“反向转机电压”。尔后,晶闸管会发作永久性反向击穿。

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4),J1、J3结正偏,但J2结反偏,这与一般PN结的反向特性类似,也只能流过很小电流,这叫正向阻断状况,当电压添加,如图2的特性曲线OA段开端曲折,曲折处的电压UBO称为“正向转机电压”。

因为电压升高到J2结的雪崩击穿电压后,J2结发作雪崩倍增效应,在结区发作很多的电子和空穴,电子进入N1区,空穴进入P2区。进入N1区的电子与由P1区经过J1结注入N1区的空穴复合。相同,进入P2区的空穴与由N2区经过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区的空穴各自不能悉数复合掉。这样，在N1区就有电子堆集，在P2区就有空穴堆集，成果使P2区的电位升高，N1区的电位下降，J2结变成正偏，只需电流稍有添加,电压便敏捷下降，呈现所谓负阻特性，见图2中的虚线AB段。这时J1、J2、J3三个结均处于正偏，晶闸管便进入正导游电状况——通态,此刻，它的特性与一般的PN结正向特性类似，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,构成触发电流IGT。在晶闸管的内部正反馈效果(如图2)的基础上,加上IGT的效果,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%UDSM,UDSM为断态不重复峰值电压。UDSM应比UBO小,所留的裕量由出产厂商决议。

(2)反向重复峰值电压URRM

其界说同UDRM类似,URRM=90%URSM,URSM为反向不重复峰值电压。

(3)额外电压

选UDRM和URRM中较小的值作为额外电压,选用时额外电压应为正常作业峰值电压的2～3倍,应能接受常常会呈现的过电压。

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