晶閘管的工作原理及特性.docx

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1、晶閘管晶閘管又稱為晶體閘流管，可控硅整流（SiliconControlledRectifier--SCR），開(kāi)辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的嶄新時(shí)代;20世紀(jì)80年代以來(lái)，開(kāi)始被性能更好的全控型器件取代。能承受的電壓和電流容量最高，工作可靠，以被廣泛應(yīng)用于相控整流、逆變、交流調(diào)壓、直流變換等領(lǐng)域，成為功率低頻（200Hz以下）裝置中的主要器件。晶閘管往往專指晶閘管的一種基本類型--普通晶閘管。廣義上講，晶閘管還包括其許多類型的派生器件。一、晶閘管的基本結(jié)構(gòu)晶閘管是一種四層結(jié)構(gòu)（PNPN）的大功率半導(dǎo)體器件,它同時(shí)又被稱作可控整流器或可控硅元件。它有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極（A）、陰極（K）

2、和門(mén)極（G）。其符號(hào)表示法和器件剖面圖如圖1所示。圖1符號(hào)表示法和器件剖面圖普通晶閘管是在N型硅片中雙向擴(kuò)散P型雜質(zhì)（鋁或硼），形成結(jié)構(gòu)，然后在的大部分區(qū)域擴(kuò)散N型雜質(zhì)（磷或銻）形成陰極，同時(shí)在上引出門(mén)極，在區(qū)域形成歐姆接觸作為陽(yáng)極。二、晶閘管的工作原理將內(nèi)部是四層PNPN結(jié)構(gòu)的晶閘管看成是由一個(gè)PNP型和一個(gè)NPN型晶體管連接而成的等效電路，連接形式如圖2所示。圖2晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理的等效電路晶閘管的陽(yáng)極A相當(dāng)于PNP型晶體管V1的發(fā)射極、陰極K相當(dāng)于NPN型晶體管V2的發(fā)射極。當(dāng)晶閘管陽(yáng)極承受正向電壓，控制極也加正向電壓時(shí)，晶體管V2處于正向偏置，EG產(chǎn)生的控制極電流IG就是V2

3、的基極電流IB2，V2的集電極電流IC2=β2*IG。而IC2又是晶體管V1的基極電流IB1，V1的集電極電流IC1=β1*Ic2=β1*β2*IG（β1和β2分別是V1和V2的電流放大系數(shù)）。電流IC1又流入V2的基極，再一次被放大。這樣循環(huán)下去，形成了強(qiáng)烈的正反饋，使兩個(gè)晶體管很快達(dá)到飽和導(dǎo)通，這就是晶閘管的導(dǎo)通過(guò)程。導(dǎo)通后，晶閘管上的壓降很小，電源電壓幾乎全部加在負(fù)載上，晶閘管中流過(guò)的電流即負(fù)載電流。正反饋過(guò)程如下：IG↑→IB2↑→IC2(IB1)↑→IC1↑→IB2↑在晶閘管導(dǎo)通之后，它的導(dǎo)通狀態(tài)完全依靠管子本身的正反饋?zhàn)饔脕?lái)維持，此時(shí)IB2=IC1+IG，而IC1》IG，即使控制

4、極電流消失IG=0，IB2仍足夠大，晶閘管仍將處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此，控制極的作用僅是觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，導(dǎo)通之后，控制極就失去了控制作用。要想關(guān)斷晶閘管，最根本的方法就是必須將陽(yáng)極電流減小到使之不能維持正反饋的程度，也就是將晶閘管的陽(yáng)極電流減小到小于維持電流。可采用的辦法有：將陽(yáng)極電源斷開(kāi)；改變晶閘管的陽(yáng)極電壓方向，即在陽(yáng)極和陰極撿加反向電壓。晶閘管的工作特點(diǎn)就是：晶閘管電路由兩部分組成，一是陽(yáng)一陰極電路，二是門(mén)—陰極控制電路；陽(yáng)—陰極之間具有可控的單向?qū)щ娞匦?；門(mén)極僅起觸發(fā)導(dǎo)通作用，不能控制關(guān)斷；晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷兩個(gè)狀態(tài)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的作用，這樣的開(kāi)關(guān)又稱為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。晶閘管的基本特性晶閘管的

5、伏安特性晶閘管的伏安特性是指晶閘管陽(yáng)、陰極間電壓UA和陽(yáng)極電流IA之間的關(guān)系特性，如圖3所示。圖3晶閘管的伏安特性曲線圖中各物理量的含義如下：UDRM、URRM——正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓；UDSM、URSM——正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓；UBO——正向轉(zhuǎn)折電壓；URO——反向擊穿電壓。晶閘管的伏安特性包括正向特性和反向特性兩部分。⑴正向特性。晶閘管的正向特性又有阻斷狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之分。在門(mén)極電流Igl=0情況下，逐漸增大晶閘管的正向陽(yáng)極電壓，這時(shí)晶閘管處于斷態(tài)，只有很小的正向漏電流；隨著正向陽(yáng)極電壓的增加，當(dāng)達(dá)到正向轉(zhuǎn)折電壓UBO時(shí)，漏電流突然劇增，特性從正向阻斷狀態(tài)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。導(dǎo)通

6、狀態(tài)時(shí)的晶閘管狀態(tài)和二極管的正向特性相似，即流過(guò)較大的陽(yáng)極電流，而晶閘管本身的壓降很小。正常工作時(shí)，不允許把正向陽(yáng)極電壓加到轉(zhuǎn)折值UBO，而是從門(mén)極輸入觸發(fā)電流Ig，使晶閘管導(dǎo)通。門(mén)極電流愈大陽(yáng)極電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)愈低。晶閘管正向?qū)ê螅咕чl管恢復(fù)阻斷，只有逐步減少陽(yáng)極電流。當(dāng)IA小到等于維持電流IH時(shí)，晶閘管由導(dǎo)通變?yōu)樽钄?。維持電流IH是維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流。⑵反向特性晶閘管的反向特性是指晶閘管的反向陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極漏電流的伏安特性。晶閘管的反向特性與一般二極管的反向特性相似。當(dāng)晶閘管承受反向陽(yáng)極電壓時(shí)，晶閘管總是處于阻斷狀態(tài)。當(dāng)反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向漏電流增加較快。再繼續(xù)增大反

7、向陽(yáng)極電壓，會(huì)導(dǎo)致晶閘管反向擊穿，造成晶閘管的損壞。2晶閘管的開(kāi)關(guān)特性晶閘管的開(kāi)關(guān)特性曲線如圖4所示。晶閘管的開(kāi)通不是瞬間完成的，開(kāi)通時(shí)陽(yáng)極與陰極兩端的電壓有一個(gè)下降過(guò)程，而陽(yáng)極電流的上升也需要有一個(gè)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程可分為三段。第一段延遲時(shí)間td，對(duì)應(yīng)陽(yáng)極電流上升到10%IA所需時(shí)間，此時(shí)J2結(jié)仍為反偏，晶閘管的電流不大。第二段為上升時(shí)間tr，對(duì)應(yīng)著陽(yáng)極電流由10%IA上升到90%IA所需時(shí)間，這時(shí)靠近門(mén)極的局