晶闸管的工作原理与应用续

简介：工频正弦半波的全导通电流在一个整周期内的平均值,是在环境温度为40℃稳定结温情况下不超过额定值,所允许的最大平均电流作为该器件的额定电流。用最大通态平均电流标定晶闸管的额定电流是由于整流输出电流需用平均电流去衡量,但是器件的结温是由有效值决定的。对于同一个有效值,不同的电流波形,其平均值不一样,因此选用一个晶闸管,要根据使用的电流波形计算出允许使用的电流平均值。

本文引用地址： 通态平均电流IT(AV)(简写为ITa)

设单相工频半波电流峰值为IM时波形,如图6所示。通态平均电流为:

正弦半波电流有效值:

晶闸管有效值与通态平均电流比值为:

根据有效值相等原则来计算晶闸管流过其它波形电流时的允许平均电流Id。有效值与平均值的比为波形系数:

选用晶闸管时应选晶闸管的通态平均电流ITa为其正常使用电流平均值的1.2～2.0倍,才能可靠工作。

(5)通态平均电压UT(AV)

晶闸管通过正弦半波的额定通态平均电流时,器件阳极A和阴极K间电压的平均值,一般称管压降,约0.8～1V。

(6)维持电流IH

晶闸管从通态到断态,维持通态的最小通态电流(数十毫安到一百多毫安)。

(7)擎住电流IL

晶闸管从断态到通态,移去触发信号,维持晶闸管通态的最小电流(IL>IH)。

(8)门极参数

产品样本中门极触发电流IGT,门极触发电压UGT是产品合格标准,触发电路供给的触发电流和电压比这个数值大,才能可靠触发。使用中不能超过门极的峰值电流、峰值电压、峰值功率和平均功率。

(9)动态参数

断态电压临界上升率du/dt。过大的du/dt会导致PN结J2(它相当于一个电容)产生的充电电流而引起误导通。对于通态电流临界上升率di/dt,晶闸管由断态到通态,首先是由门极G附近小面积范围内导电后展开,如果di/dt过大将造成局部过热,损坏器件。

(10)额定结温TJM

器件正常工作时允许的最高结温,在此结温下,有关额定值和特性才能得以保证,因此晶闸管的散热器选择和冷却效果十分重要。

3.3 其它晶闸管

(1)快速晶闸管

快速晶闸管与普通晶闸管结构原理相同,特点是开关时间短,主要用于逆变器、斩波器及频率为400Hz的变流器,比普通晶闸管反向恢复电流小,关断时间在10μs以下。

(2)逆导晶闸管

在逆变电路、斩波电路中,常将晶闸管和二极管反向并联使用,将晶闸管和整流管做成一个器件就是逆导晶闸管,优点是器件数量少、装置体积小、正向电压小、关断时间短等。

(3)双向晶闸管

双向晶闸管结构和特性,可以等效为一对反并联的普通晶闸管。双向晶闸管常作为UPS的交流开关使用。

(4)门极辅助关断晶闸管

在晶闸管关断的同时在门极G与阴极K之间加反压,把残留的载流子强迫地吸出来,这样起到缩短关断时间的作用,它比快速晶闸管关断的时间还能缩短一半。

3.4 晶闸管的保护电路

晶闸管的保护电路,大致可以分为两种情况:一种是在适当的地方安装保护器件,例如,R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路,检测设备的输出电压或输入电流,当输出电压或输入电流超过允许值时,借助整流触发控制系统使整流桥在短时间内工作于有源逆变工作状态,从而抑制过电压或过电流的数值。

(1)晶闸管的过流保护

晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:一类是由于整流电路内部原因, 如整流晶闸管损坏、触发电路或控制系统有故障等。其中整流桥晶闸管损坏较为严重, 一般是由于晶闸管因过电压而击穿,造成无正、反向阻断能力,它相当于整流桥臂间发生了永久性短路,使在另外两桥臂间的晶闸管导通时,无法正常换流,因而产生线间短路引起过电流。另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流,这类情况时有发生,因为整流桥的负载实质上是逆变桥, 逆变电路换流失败,就相当于整流桥负载短路。另外,如整流变压器中心点接地,当逆变负载回路接触大地时,也会发生整流桥相对地来说就是短路。

①对于第一类过流,即整流桥内部原因引起的过流,以及逆变器负载回路接地时,可以采用第一种保护措施,最常见的就是接入快速熔断器的方式,如图7所示(F)。快速熔断器的接入方式共有三种,其特点和快速熔断器的额定电流见表2。

②对于第二类过流,即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流,则应当采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理如图8所示。

(2)晶闸管的过压保护

晶闸管设备在运行过程中,会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时,设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。

①过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路,以及用压敏电阻RV或硒堆等非线性元件加以抑制,如图9(a)(b)所示。

②过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。常见的电子保护原理如图10所示。

(3)电流上升率、电压上升率的抑制保护

①电流上升率di/dt的抑制。晶闸管初开通时电流集中在靠近门极的阴极表面较小的区域,局部电流密度很大,然后以0.1mm/μs的扩展速度将电流扩展到整个阴极面,若晶闸管开通时电流上升率 di/dt过大,会导致PN结击穿,必须限制晶闸管的电流上升率使其在合适的范围内,其有效办法是在晶闸管的阳极回路串入电感,如图11所示。

②电压上升率du/dt的抑制。加在晶闸管上的正向电压上升率du/dt也应有所限制,如果du/dt过大,由于晶闸管结电容的存在而产生较大的位移电流,该电流可以实际上起到触发电流的作用,使晶闸管正向阻断能力下降,严重时会引起晶闸管误导通。为抑制du/dt的作用,可以在晶闸管两端并联R-C阻容吸收回路,如图12所示。

3.5 晶闸管损坏原因判别

(1)电压击穿。晶闸管因不能承受电压而损坏,其芯片中有一个光洁的小孔,有时需用放大镜才能看见。其原因可能是管子本身耐压下降或被电路断开时产生的高电压击穿。

(2)电流损坏。电流损坏的痕迹特征是芯片被烧成一个凹坑,且粗糙,其位置远离门极。

(3)电流上升率损坏。其痕迹与电流损坏相同,而其位置在门极附近或就在控制极上。

(4)边缘损坏。它发生在芯片外圆倒角处,有细小光洁小孔。用放大镜可看到倒角面上有细细金属物划痕,这是制造厂家安装不慎所造成的,会导致电压击穿。

3.6 晶闸管的检测

(1)单向晶闸管的检测方法

取万用表选电阻R×1Ω挡,红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻,直至找出读数为数十欧姆的一对引脚,此时,黑表笔的引脚为门极G,红表笔的引脚为阴极K,另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断的阳极A,红表笔仍接阴极K,此时万用表指针应不动;用短线瞬间短接阳极A和门极G,此时万用表电阻挡指针应向右偏转,阻值读数为10Ω左右。如阳极A接黑表笔,阴极K接红表笔时,万用表指针发生偏转,说明该单向晶闸管已被击穿损坏。

(2)双向晶闸管的检测

取万用表电阻R×1Ω挡,用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻,结果是其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时,该组红、黑表所接的两引脚为第一阳极A1和门极G,另一空脚即为第二阳极A2。确定A1、G极后,再仔细测量A1、G极间正、反向电阻,读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1,红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定的第二阳极A2,红表笔接第一阳极A1,此时万用表指针不应发生偏转,阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接,给G极加上正向触发电压,A2、A1间阻值约10Ω左右。随后断开A2、G间短接线,万用表读数应保持10Ω左右;互换红、黑表笔接线,红表笔接第二阳极A2,黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转,阻值为无穷大。A2、G极间再次瞬间短接,给G极加上负的触发电压,A1、A2间的阻值也是10Ω左右。随后断开A2、G极间短接线,万用表读数应不变,保持在10Ω左右。符合以上规律,说明被测双向晶闸管未损坏,且三个引脚极性判断正确。

检测功率较大的晶闸管时,需要在万用表黑笔中串接一节1.2V干电池,以提高触发电压。

3.7 晶闸管的型号说明

目前国产晶闸管的型号有新颁布和旧颁布的两种型号，新型号将逐步取代旧型号，如表4所示。

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