日本三社平板晶闸管工作原理日本三社平板晶闸管的优点很多,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。
2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。
2.1晶闸管的工作过程
日本三社平板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:
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:
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*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。
2.2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,此条件见表1。
(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。
3日本三社平板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关系称为晶闸管伏安特性,如图2所示。正向特性位于*象限,反向特性位于第三象限。
(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*性反向击穿。
(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
日本三社平板晶闸管在门极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。
3.2日本三社平板晶闸管的主要参数
(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zui大脉冲电压,udrm=90%udsm,
udsm为断态不重复峰值电压。udsm应比ubo小,所留的裕量由生产厂家决定。
(2)反向重复峰值电压urrm
其定义同udrm相似,urrm=90%ursm,ursm为反向不重复峰值电压。
(3)额定电压
选udrm和urrm中较小的值作为额定电压,选用时额定电压应为正常工作峰值电压的2～3倍,应能承受经常出现的过电压。