大功率整流器的研究与设计2

AIAPNGGPNSIGAV1Ic1NPNIc2V2RIkEGEAKK(a)(b)

图2.2 晶闸管的双晶体模型及工作原理 (a) 双晶体管模型 (b) 工作原理

晶闸管的工作原理可以用晶闸管模型来解释，如图2.2所示[4]，晶闸管可以看作由P1N1P2和N1P2N2构成的两个晶体管V1、V2组合而成。如果外电路向门极注入电流IG,也即注入驱动电流，则IG流入晶体管V2的基极，即产生集电极电流IC2,它构成晶体管V1的基极电流，放大成集电极电流IC1,又进一步的增大V2的基极电流，如此形成强烈的正反馈，最后V1和V2进入完全饱和状态，即晶闸管导通。此时如果撤掉外电路注入门级的电流IG，晶闸管由于内部已经形成了强烈的正反馈会仍然维持导通状态，门极不再起控制作用，可见晶闸管是一种只能控制导通而不能控制关断的半控型器件。若关断晶闸管，要使阳极电压减小或反向，阳极电流减小到维持电流以下，晶闸管才能重新恢复阻断状态。

对于晶闸管的三个极，可以从外观判断也可以用万用表来测量并且测其好坏。根据器件内部的三个PN结可知，阳极与阴极、阳极与门极间的正反向电阻均应在数百千欧以上，门极和阴极间的电阻通常为几十到几百欧，因器件内部阴极间有旁路电阻，故通常正反向阻值相差很小。注意：在测门极与阴极间的电阻时，不能使用万用表的高阻挡，以防表内高压电池击穿门极的PN结。至于器件能否可靠导通，可用直流电源串联电灯与晶闸管，当门极与阳极接触一下后，如管子导通、灯亮，说明管子是可触发的。

2.2 晶闸管的伏安特性

晶闸管的伏安特性如图2.3所示[4]。当IG=0时，如果在器件两端施加正向电压，则晶闸管处于正向阻断状态，只有很小的正向漏电流流过，正向漏电流随正向电压的增大

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而小幅度增大。如果正向电压增大到超过临界极限即正向转折电压Ubo，则漏电流急剧增大，器件从阻断状态转为导通，导通后的晶闸管特性和二极管的正向特性相似，即使通过较大的阳极电流，晶闸管本身的压降也很小，在1V左右。导通期间如果门极电流为零并且阳极电流降至接近于零的某一数值IH以下，则晶闸管又回到了正向阻断状态。随着门极电流幅值的增大，正向转折电压降低；当在晶闸管上施加反向电压时，其伏安

IA正向导通UROURSMURRM-UAIH0IG2IG1IG=0Ubo+UAUDRMUDSM雪崩击穿-IA

图2.3 晶闸管的伏安特性

IG2＞IG1＞IG

特性类似二极管的反向特性，晶闸管处于反向特性时，只有极小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增加，这时反向电压升高到管子反向击穿损坏的电压即反向击穿电压URO,外电路如果无相应的限制措施，则反向电流急剧增大导致晶闸管发热损坏。

晶闸管的门极触发电流是从门极流入晶闸管，从阴极流出，阴极是晶闸管主电路与控制电路的公共端。门极触发电流也往往是通过触发电路在门极和阴极之间施加触发电压而产生的。从晶闸管的结构图可以看出，门极和阴极之间是一个PN结J3,其伏安特性称为门极伏安特性。为了保证工作可靠、安全的触发，门极触发电路所提供的触发电压、触发电流和功率都应限制在晶闸管门极伏安特性曲线的可靠触发区内。

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2.3 晶闸管的参数

(1) 额定电压UTN

从晶闸管的伏安特性可见，当门极断开器件处于额定结温时，正向阻断曲线出现漏电流显著增加的电压UDSM为正向断态不重复峰值电压，URSM为反向不重复峰值电压，各乘0.9所得的值UDRM和URRM分别为正向重复峰值电压和反向重复峰值电压，器件的额定电压UTN为UDRM和URRM中较小值再靠取相近标准电压等级。

由于晶闸管工作温度可能升高。在使用中会出现各种不可避免的瞬时过电压，因此在选用管子的额定电压时，应比工作电路中加在管子上的最大瞬时电压值UTM大2～3倍[4]，即

(2) 额定电流

在室温40℃和规定的冷却条件下，器件在电阻负载IT(AV)亦称额定通态平均电流，

流过正弦半波电路中，结温不超过额定结温时所允许的最大通态平均电流值，将此值靠取相近电流等级即为额定电流IT(AV)。

由于晶闸管的电流过载能力极小，在选用时应考虑(1.5～2)倍的电流裕量。即

1.57IT(AV)=ITN≥(1.5～2)ITM

(2.2)

UTN≥(2～3)UTM

(2.1)

ITM流过管子的最大有效电流，所以

(3) 维持电流和擎注电流

晶闸管完全导通后，如果将阳极电流慢慢减小，下降到某一数值时晶闸管关断。这个维持晶闸管导通所必须的最小阳极电流称为维持电流IH，额定电流大的管子其值IH亦大结温降低时IH会增大。同型号的管子其IH各不相同，IH大的管子容易关断。

通过控制极触发使晶闸管导通后，当控制极信号消失时，维持晶闸管导通所必需的最小阳极电流称为擎注电流IL，如果管子在开通过程中阳极电流IA未上升到IL值，当触发脉冲去除后管子又会恢复阻断。通常对于同一管子来说，IL比IH要大好几倍。

(4) 门极触发电压和门极触发电流

门极触发电流是在规定环境下，阳极与阴极加一定正向电压（一般为6V）的条件下，使晶闸管从阻断状态变为导通状态所需要的最小门极直流电流。

门极触发电压是能够产生门极触发电流所对应的最小门极直流电压。

IT(AV)≥(1.5～2)

ITM 1.57(2.3)

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通常在产品说明书中所给出的最大门极触发电压和门极触发电流不是指允许值，而是指该型号的所有晶闸管都能触发导通所需的最小触发电压和电流，而且该电流是直流值。

(5) 导通时间和关断时间

在规定的环境温度和额定结温的条件下，晶闸管以一定的正向电流，自加上控制极信号到进入导通状态所需要的时间为导通时间，它有上升时间和延迟时间两部分组成。

在规定的环境温度和额定结温的条件下，晶闸管从切断正向电流使其重新处于阻断状态，直到控制极恢复控制能力为止所需要的时间为管段时间。

(6) 断态电压临界上升率dudt和通态电流临界上升率didt

断态电压临界上升率dudt，在额定结温和门极断路条件下，使器件从断态转入通态的最低电压上升率，晶闸管保持断态所允许的最大电压上升率应小于此值，如果断态电压上升率过大使充电电流足够大就会使晶闸管误导通[4]。

通态电流临界上升率didt，在规定条件下，有门极触发晶闸管使其导通时晶闸管能够承受而不导致晶闸管损坏的通态电流最大上升率，晶闸管允许的最大电流上升率应小于此值，如果电流上升太快，刚一导通时很大的电流就集中在门极附近的小区域内通过，会导致晶闸管局部过热而使晶闸管损坏。

(7) 额定结温TJM

器件在正常工作条件下所允许的最高PN结温度。

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