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电力电子技术论文

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电力电子技术论文

晶闸管的概述

一、晶闸管的介绍

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。

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;反应极快,在微秒级内开通、关断;无触点运行,无火花、无噪声;效率高,成本低等。

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。

二、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

1.晶闸管的工作过程

晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,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馈,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+ICO

（1）

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:

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=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,这样强烈的正反馈过程迅速进行。

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.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,

（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。

三、晶闸管的伏安特性和主要参数

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3）,J2结正偏,但J1、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4）,J1、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J1、J2、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上加入正向电压时（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馈作用（如图2）的基础上,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

2.晶闸管的主要参数

⑴、门极触发电流（IGT）

使晶闸管从阻断到完全导通所必须的最小门极电流。

2、极触发电压（VGT）

对应于门极触发电流的门极电压。

⑶、维持电流（IH）

门极断路，在室温条件下，晶闸管被触发导通后，为维持导通所必需的最小电流。

⑷、断态重复峰值电压（VDRM）

门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的正向峰值电压。

（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10ms）

⑸、反向重复峰值电压

门极断路、并在一定结温下，允许重复加在器件上的反向峰值电压。

（重复频率为每秒50次，每次持续时间小于10ms）

⑹、断态电压临界上升率

在额定结温下，在额定结温下和门极短路条件下，不导致器件从断态转入同态的最大电压上升率，实际上升率应小于此临界值。

过大的断态电压上升率会使晶闸管误导通。

四、晶闸管的种类

　晶闸管有多种分类方法。

（一）按关断、导通及控制方式分类

　　晶闸管按其关断、导通及控制方式可分为普通晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、门极关断晶闸管（GTO）、BTG晶闸管、温控晶闸管和光控晶闸管等多种。

（二）按引脚和极性分类

　　晶闸管按其引脚和极性可分为二极晶闸管、三极晶闸管和四极晶闸管。

　　（三）按封装形式分类

　　晶闸管按其封装形式可分为金属封装晶闸管、塑封晶闸管和陶瓷封装晶闸管三种类型。

其中，金属封装晶闸管又分为螺栓形、平板形、圆壳形等多种；塑封晶闸管又分为带散热片型和不带散热片型两种。

　　（四）按电流容量分类

　　晶闸管按电流容量可分为大功率晶闸管、中功率晶闸管和小功率晶闸管三种。

通常，大功率晶闸管多采用金属壳封装，而中、小功率晶闸管则多采用塑封或陶瓷封装。

　　（五）按关断速度分类

晶闸管按其关断速度可分为普通晶闸管和高频（快速）晶闸管。

五、晶闸管与可控硅的区别

　晶闸管（THYRISTOR）又名可控硅,属于功率器件领域,是一种功率半导体开关元件,可控硅是其简称,按其工作特性,可控硅可分为单向可控硅（SCR）、双向可控硅（TRIAC）.

　　可控硅也称作晶闸管,它是由PNPN四层半导体构成的元件,有三个电极、阳极A、阴极K和控制极G.

　　可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制,以小电流控制大电流,并且不象继电器那样控制时有火花产生,而且动作快、寿命长、可靠性好.在调速、调光、调压、调温以及其他各种中都有它的身影.

　　可控硅分为单向的和双向的,符号也不同.单向可控硅有三个PN结,由最外层的P极和N极引出两个电极,分别称为阳极和阴极,由中间的P极引出一个控制极.

　　单向可控硅有其独特的特性:

当阳极接反向电压,或者阳极接正向电压但控制极不加电压时,它都不导通,而阳极和控制极同时接正向电压时,它就会变成导通状态.一旦导通,控制电压便失去了对它的控制作用,不论有没有控制电压,也不论控制电压的极性如何,将一直处于导通状态.要想关断,只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向.

　　双向可控硅的引脚多数是按T1、T2、G的顺序从左至右排列（电极引脚向下,面对有字符的一面时）.加在控制极G上的触发脉冲的大小或时间改变时,就能改变其导通电流的大小.

　　与单向可控硅的区别是,双向可控硅G极上触发脉冲的极性改变时,其导通方向就随着极性的变化而改变,从而能够控制交流电负载.而单向可控硅经触发后只能从阳极向阴极单方向导通,所以可控硅有单双向之分.

　　电子制作中常用可控硅,单向的有MCR-100等,双向的有TLC336等

　　双向可控硅

　　按象限来分,又分为四象三端双向可控硅、三象限双向可控硅;

　　按封装分:

分为一般半塑封装,外绝缘式全塑封装;

　　按触发电流来分:

分为微触型、高灵敏度型、标准触发型;

　　按电压分:

常规电压品种、高压品种.

　　可控硅产品由于它在电路应用中的效率高、控制特性好、寿命长、体积小、功能强等优点,自上个世纪六十长代以来,获得了迅猛发展,并已形成了一门独立的学科.“晶闸管交流技术”.

　　可控硅发展到今天,在工艺上已经非常成熟,品质更好,成品率大幅提高,并向高压大电流发展.

　　可控硅在应用电路中的作用体现在:

　　可控整流:

如同二极管整流一样,将交流整流为直流,并且在交流电压不变的情况下,有效地控制直流输出电压的大小即可控整流,实现交流→可变直流之转变;

　　无触点功率静态开关（固态开关）:

作为功率开关元件,可控硅可以代替接触器、继电器用于开关频率很高的场合.

因此可控硅元件被广泛应用于各种电子设备和电子产品的电路中,多作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等用途.家用电器中的调光灯、调速风扇、冷暖空调器、热水器、电视、冰箱、洗衣机、照相机、音响组合、声控电路、定时控制器、感应灯、圣诞灯控制器、自动门电路、以及玩具装置、电动工具产品、无线电遥控电路、摄像机等工业控制领域等都大量使用了可控硅器件.

六、如何保护晶闸管

　　在这些应用电路中,可控硅元件多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关

晶闸管在工业中的应用越来越广泛，随着行业的应用范围增大。

晶闸管的功能也越来越全面。

但是有时候，晶闸管在使用过程中会造成一些伤害。

为了保证晶闸管的寿命，我们该如何更好地区保护晶闸管呢

　　在使用过程中，晶闸管对过电压是很敏感的。

过电流同样对晶闸管有极大的损坏作用。

西安瑞新公司给大家介绍晶闸管的保护方法，具体如下：

　　1、过电压保护

　　晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值电压UDRM一定值时晶闸管就会误导通，引发电路故障；当外加反向电压超过其反向重复峰值电压URRM一定值时，晶闸管就会立即损坏。

因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。

　　过电压产生的原因主要是供给的电功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量来不及消散而造成的。

主要发现为雷击等外来冲击引起的过电压和开关的开闭引起的冲击电压两种类型。

由雷击或高压断路器动作等产生的过电压是几微秒至几毫秒的电压尖峰，对晶闸管是很危险的。

由开关的开闭引起的冲击电压又分为如下几类：

（1）交流电压接通、断开产生的过电压

　　例如，交流开关的开闭、交流侧熔断器的熔断等引起的过电压，这些过电压由于变压器绕组的分布电容、漏抗造成的谐振回路、电容分压等使过电压数值为正常值的2至10多倍。

一般地，开闭速度越快过电压越高，在空载情况下断开回路将会有更高的过电压。

（2）直流侧产生的过电压

　　如切断回路的电感较大或者切断时的电流值较大，都会产生比较大的过电压。

这种情况常出现于切除负载、正在导通的晶闸管开路或是快速熔断器熔体烧断等原因引起电流突变等场合。

　　（3）换相冲击电压

　　包括换相过电压和换相振荡过电压。

换相过电压是由于晶闸管的电流降为0时器件内部各结层残存载流子复合所产生的，所以又叫载流子积蓄效应引起的过电压。

换相过电压之后，出现换相振荡过电压，它是由于电感、电容形成共振产生的振荡电压，其值与换相结束后的反向电压有关。

反向电压越高，换相振荡过电压也越大。

　　针对形成过电压的不同原因，可以采取不同的抑制方法，如减少过电压源，并使过电压幅值衰减；抑制过电压能量上升的速率，延缓已产生能量的消散速度，增加其消散的途径；采用电子线路进行保护等。

目前最常用的是在回路中接入吸收能量的元件，使能量得以消散，常称之为吸收回路或缓冲电路。

　　（4）阻容吸收回路

　　通常过电压均具有较高的频率，因此常用电容作为吸收元件，为防止振荡，常加阻尼电阻，构成阻容吸收回路。

阻容吸收回路可接在电路的交流侧、直流侧，或并接在晶闸管的阳极与阴极之间。

吸收电路最好选用无感电容，接线应尽量短。

　　（5）由硒堆及压敏电阻等非线性元件组成吸收回路

　　上述阻容吸收回路的时间常数RC是固定的，有时对时间短、峰值高、能量大的过电压来不及放电，抑制过电压的效果较差。

因此，一般在变流装置的进出线端还并有硒堆或压敏电阻等非线性元件。

硒堆的特点是其动作电压与温度有关，温度越低耐压越高；另外是硒堆具有自恢复特性，能多次使用，当过电压动作后硒基片上的灼伤孔被溶化的硒重新覆盖，又重新恢复其工作特性。

压敏电阻是以氧化锌为基体的金属氧化物非线性电阻，其结构为两个电极，电极之间填充的粒径为10~50μm的不规则的ZNO微结晶，结晶粒间是厚约1μm的氧化铋粒界层。

这个粒界层在正常电压下呈高阻状态，只有很小的漏电流，其值小于100μA。

当加上电压时，引起了电子雪崩，粒界层迅速变成低阻抗，电流迅速增加，泄漏了能量，抑制了过电压，从而使晶闸管得到保护。

浪涌过后，粒界层又恢复为高阻态。

压敏电阻的特性主要由下面几个参数来表示。

　　标称电压：

指压敏电阻流过1mA直流电流时，其两端的电压值。

　　通流容量：

是用前沿8微秒、波宽20微秒的波形冲击电流，每隔5分钟冲击1次，共冲击10次，标称电压变化在-10[%]以内的最大冲击电流值来表示。

　　因为正常的压敏电阻粒界层只有一定大小的放电容量和放电次数，标称电压值不仅会随着放电次数增多而下降，而且也随着放电电流幅值的增大而下降，当大到某一电流时，标称电压下降到0，压敏电阻出现穿孔，甚至炸裂；因此必须限定通流容量。

　　漏电流：

指加一半标称直流电压时测得的流过压敏电阻的电流。

　　由于压敏电阻的通流容量大，残压低，抑制过电压能力强；平时漏电流小，放电后不会有续流，元件的标称电压等级多，便于用户选择；伏安特性是对称的，可用于交、直流或正负浪涌；因此用途较广。

　　2、过电流保护

　　由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。

当晶闸管中流过大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。

　　产生过电流的原因是多种多样的，例如，变流装置本身晶闸管损坏，触发电路发生故障，控制系统发生故障等，以及交流电压过高、过低或缺相，负载过载或短路，相邻设备故障影响等。

　　晶闸管过电流保护方法最常用的是快速熔断器。

由于普通熔断器的熔断特性动作太慢，在熔断器尚未熔断之前晶闸管已被烧坏；所以不能用来保护晶闸管。

快速熔断器由银制熔丝埋于石英沙内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。

快速熔断器的性能主要有以下几项表征。

七、晶闸管的代换

晶闸管损坏后，若无同型号的晶闸管更换，可以选用与其性能参数相近的其他型号晶闸管来代换。

　　应用电路在设计时，一般均留有较大的裕量。

在更换晶闸管时，只要留意其额定峰值电压（重复峰值电压）、额定电流（通态均匀电流）、门极触发电压和门极触发电流即可，尤其是额定峰值电压与额定电流这两个指标。

　　代换晶闸管应与损坏晶闸管的开关速度…致。

例如：

在脉冲电路、高速逆变电路中使用的高速晶闸管损坏后，只能选用同类型的快速晶闸管，而不能用普通晶闸管来代换。

　　选取代用晶闸管时，不管什么参数，都不必留有过大的裕量，应尽可能与被代换晶闸管的参数相近，由于过大的裕量不仅是一种浪费，而且有时还会起副作用，出现不触发或触发不灵敏等现象。

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